Wie lässt sich die Lebensdauer von Windturbinen verlängern?

Ab dem Tag ihrer Inbetriebnahme müssen Windkraftanlagen während ihrer gesamten Lebensdauer laufenden mechanischen und umweltbedingen Belastungen standhalten. Mit der Zeit führen diese Belastungen zu unterschiedlichen Ermüdungserscheinungen am Gerät. Dies führt häufig zu verfrühten Ausfällen an Komponenten und der Gesamtstruktur.

Mit fortschrittlicher Steuerungssoftware lassen sich einige dieser Belastungen abmildern. Dies verlängert die Lebensdauer einer Windturbine und erhöht zugleich oft auch die Energieproduktion. Die Einführung solcher Steuerungslösungen ist eine zeit- und kosteneffektive Alternative zu unvermittelt anfallenden Reparaturen oder Upgrades von Bauteilen.

Belastungsminderung – Schubbegrenzung und turbulenzen-abhängige Leistungsreduzierung

Die Belastung einer Turbine resultiert hauptsächlich aus aerodynamischen Kräften infolge wechselnder Windgeschwindigkeiten und -richtungen sowie Reglerreaktionen. Diese Belastung kann zu schnellerer Materialermüdung führen. Sie lässt sich über das Steuerungssystem reduzieren.

Eine gängige Methode zur Lastminderung sind Schubbegrenzungsalgorithmen und Algorithmen zur turbulenzen-basierten Leistungsbegrenzung, die extremen Belastungen und Materialermüdung entgegenwirken können.

Ein Schubbegrenzer schätzt die Schubkraft basierend auf der Windgeschwindigkeit. Je höher die geschätzte Schubkraft (wodurch die Turbinenlast und die Belastung steigen), desto stärker die Blattsteigung. Dies reduziert die Last um bis zu 5 %, kann aber die jährlich erzeugte Energie (AEP) etwas reduzieren.

Zusätzlich zu einem Schubbegrenzer kann ein Schubbegrenzer verwendet werden, der in Abhängigkeit von auftretenden Turbulenzen arbeitet. Dann verringert sich die Schubgrenze mit zunehmenden Windturbulenzen. Dies führt im Vergleich zur statischen Schubbegrenzung zu einer geringeren Auswirkung auf die AEP.

Schließlich verringert ein turbulenzen-basiertes System zur Leistungsbegrenzung die Leistungsabgabe in Phasen hoher Turbulenzen, um die Belastung durch extreme Lasten zu reduzieren. Dies geschieht durch eine Turbulenzabschätzung auf Grundlage der im Maschinenhaus gemessenen Beschleunigung und Windgeschwindigkeit.

Belastungsminderung – Reduzierung der Schwingungen des Antriebsstrangs

Schwankende Windgeschwindigkeiten, Turbulenzen und unsachgemäße Ausrichtung sind einige der Faktoren, die zu Schwingungen des Antriebszugs der Windkraftanlage führen können. Diese Schwingungen wiederum führen zu erhöhten Ermüdungsbelastungen des Antriebsstrangs.

Um dies zu korrigieren, extrahiert ein Dämpfer die Schwingung des Antriebsstrangs bei dessen Eigenfrequenz. Dadurch entsteht eine phasenverschobene Oszillation (bzw. eine Kraft, die die Schwingung des Antriebstrangs dämpft), die zum Sollwert des Steuersystems hinzugefügt wird. Das Ergebnis ist ein Sollwert für das Generatordrehmoment, der die Eigenfrequenz des Antriebs senkt. Durch die Dämpfung des Antriebs kann die Belastung des Antriebsstrangs um bis zu 10 % reduziert werden.

Belastungsminderung – Reduzierung der Schwingungen des Turms

Schwingungen des Turms erhöhen die Ermüdungsbelastung des Turms und können die Lebensdauer von Windkraftanlagen verkürzen, unabhängig davon, ob sie durch Turbulenzen, Resonanz oder ein Blattungleichgewicht verursacht werden. Die Dämpfung des Turms kann solchen Turmschwingungen entgegenwirken. Dies geschieht mit Hilfe von Tower-Top-Beschleunigungsmessern - sowohl in der transversalen als auch in der axialen Richtung.

Für die transversale Richtung erzeugt das System eine Gegenphasen-Schwingung, die zum Sollwert der Leistung hinzugefügt wird. In axialer Richtung erzeugt die Dämpfung eine gegenphasige Pitch-Schwingung, die zum Pitch-Sollwert addiert wird. Das Ergebnis ist ein Sollwert für das Generatordrehmoment und sowie die Blattsteigung, der die Eigenfrequenz des Turms dämpft, wodurch die Ermüdungsbelastungen um bis zu 8 % reduziert werden können.

Turbinenoptimierung – Ausrichtung von Blattsteigung und Windrichtungsnachführung

Die unsachgemäße Positionierung infolge von unzureichender Windrichtungsnachführung oder fehlerhafter Blattsteigung kann die Ermüdungsbelastung von Windkraftanlagen erheblich erhöhen. Fehlausrichtungen der Windrichtungsnachführung können durch einen selbstkalibrierenden Gieralgorithmus korrigiert werden, der eine kontinuierliche Gierausrichtung ermöglicht. Bei Ausrichtungsfehlern der Blattsteigung wendet ein Algorithmus für die Erkennung von Rotorungleichgewichten eine automatische Korrektur der Sollpunkte für die Steigung an. Die Korrektur beider Fehlausrichtungen mittels fortschrittlicher Steuerungssoftware reduziert den Systemverschleiß und verlängert damit die Lebensdauer der Windkraftanlage bei zugleich erhöhter Energieerzeugung.

Abwägen von Leistungsabgabe und Turbinenverschleiß

Bei der Bewältigung ermüdungsverursachender Ausrichtungsfehler bei Windrichtungsnachführung und Blattsteigung sowie Schwingungen an Antriebsstrang und Turm gibt es keine nennenswerten Kompromisse bei der Leistungsabgabe. Fortschrittliche Steuerungslösungen haben sich bewährt, um die Lebensdauer einer Windturbine ohne Leistungsminderung zu verlängern.

Bei der Implementierung von Lösungen zur Schubbegrenzung müssen mitunter Kompromisse in Kauf genommen werden, eine fortschrittliche Steuerung kann jedoch über das Gleichgewicht zwischen Turbinenleistung und Materialbeanspruchung entscheiden.

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