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Immer hart am Wind

Text: Dr. Tobias Rösmann, Moog
Windenergieanlagen liegen zunehmend in rauen und abgelegenen Offshore-Umgebungen. Für eine verlässliche Stromerzeugung sind daher zuverlässige Antriebslösungen nötig. Pitch-Lösungen helfen hier die die Gesamtzuverlässigkeit zu verbessern, die Verfügbarkeit zu maximieren und dabei Sicherheit für Windturbine und Betreiber zu gewährleisten.

Der Wind wird als Energiequelle seit ewigen Zeiten intensiv genutzt. Durch die steigende globale Nachfrage nach Energie und das zunehmende Umweltbewusstsein wird bei den modernen Windturbinen zur Stromerzeugung zunehmend geforscht und entwickelt. Bedingt durch den globalen Trend zu erneuerbaren Energiequellen suchen Regierungen und Versorgungsunternehmen derzeit nach größeren, leistungsfähigeren Windturbinen, um die Onshore- und Offshore-Standorte, welche heute noch unwirtschaftlich sind, zukünftig zu erschließen. Im Vergleich zum Onshore-Bereich verfügt Offshore über fast unbeschränkten Platz, weniger betriebliche Begrenzungen und keine Beschränkungen bei Höhe und Rotordurchmesser. Dies bedingt jedoch auch betriebliche Probleme und kostenintensive Ausfallzeiten, da man bei starkem Wind und hohen Wellen für Reparaturen auf die Turbinen oft nur eingeschränkt oder gar nicht zugreifen kann. Folglich müssen die OEMs bei der Systemleistung neue und zunehmend komplexe Herausforderungen meistern. Neue Antriebslösungen für Windturbinen tragen dazu bei, diese Hindernisse zu überwinden.

Das Pitchsystem zählt zu den wichtigsten Techniken, die dafür sorgen, dass eine Windturbine dauerhaft im Einsatz ist. Es überwacht und regelt den Anstellwinkel der Rotorblätter und steuert damit die Geschwindigkeit des Rotors. Das Pitchsystem nimmt oftmals weniger als 3 Prozent der Gesamtkosten einer Windturbine ein und trägt dennoch in hohem Maß zur Sicherheit und Effizienz bei.

Zwei Schlüsselanforderungen

Das System für Windturbinen muss zwei Funktionen erfüllen: Erstens ist es ein Aktuator für die Drehzahl- und die Leistungsregelung der Windkraftanlage, wenn die Windgeschwindigkeit die Nennwerte der Anlage übersteigt. Zudem fungiert es als Aktuator für das Bremssystem der Windkraftanlage. Die Pitchsysteme erfüllen diverse Normen und Performance-Anforderungen gemäß GL 2010, IEC 61400 sowie ISO 13849 und sind für einen erweiterten Temperaturbereich zwischen -40° C außerhalb der Schaltschränke und bis zu 70° C innerhalb der Schaltschränke ausgelegt, um in extremen Offshore- oder Onshore-Umgebungen zuverlässig zu funktionieren.

Windturbinenhersteller und -betreiber konzentrieren sich bei Pitchsystemen auf zwei primäre Anforderungen:

  • die Zuverlässigkeit der Windturbine insgesamt zu verbessern und die Verfügbarkeit durch höhere störungsfreie Betriebszeit zu maximieren. In der Windbranche entspricht die Verfügbarkeit einer höheren Produktivität bei Maschinen.

  • maximale Sicherheit der Windturbine zu gewährleisten. Die schiere Größe, Höhe und die hohen Investitionskosten von Windturbinen machen die Sicherheit zu einem echten Faktor. Außerdem tragen Pitchsysteme dazu bei, Überdrehzahlen der Windturbine zu vermeiden.

Modulare AC Architektur

Moog entwickelt und baut Hochleistungs-Pitchsysteme und Pitchprodukte für Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen. Dabei wird eng mit Windturbinen-OEMs und -Betreibern zusammen gearbeitet. Dank intelligenter Nutzung einer dezentralisierten Steuerung haben die Moog-Ingenieure eine kompaktere und weit weniger komplexe modulare AC-Architektur konzipiert. Hierdurch ist die Gesamtzahl separater Komponenten im System reduziert, was wiederum die Zuverlässigkeit erhöht. Das intensive Qualifizieren und Testen auf System- und Modulebene verringert die Ausfallzeiten, erhöht die Produktivität für Windturbinenhersteller und -betreiber und senkt die Energiekosten.

Typische Architektur

Bestehende Pitchsysteme wurden ebenfalls verbessert, so hat Moog den Ruggedized Motion Controller in das Wind­energieportfolio mit aufgenommen. Der Motion Controller in Schutzart IP67 hat einen erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 70° C. Er wurde, genau wie die Software, für extreme Umweltbedingungen entwickelt. Der Controller wurde umfassend getestet, um zu gewährleisten, dass er starken Erschütterungen, Schwingungen und Feuchtigkeit zuverlässig standhält. Zudem wurde eine Remote Terminal Software für eine störungsfreie und verlängerte Betriebszeit entwickelt. In rauer See müssen die Wartungsteams in Booten manchmal lange warten, bis das Wetter routinemäßige und außerordentliche Wartungen gestattet. Wegen der Software sind zeitaufwendige und kostenintensive Einsätze vor Ort nicht mehr nötig beziehungsweise können besser geplant werden.

Auf die Software greifen Techniker und das Wartungspersonal über nur eine grafische Benutzeroberfläche zu. Basierend auf der gleichen Architektur führen die Benutzer über die Software eine Ferndiagnose zum Betriebszustand des Pitchsystems durch. Hierzu dienen integrierte Tools, wie das Remote-Software-Oszilloskop. Durch integrierte Funktionen zur Zustandsüberwachung lassen sich potentielle Probleme früh diagnostizieren; eine wichtige Voraussetzung, um die Ausfallzeit einer Windturbine zu senken.

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