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Schwein gehabt: Effektive Kühllösungen sparen Geld. Bild: Barış Muratoğlu/iStockphoto, CTX Thermal Solutions
Erneuerbare Energien

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Cooles Sparschwein

Text: Wilfried Schmitz, CTX Thermal Solutions
Das Angebot an Kühllösungen für elektronische Bauteile in Windkraftanlagen ist groß. Wichtige Faktoren sind Wartungsarmut, Zuverlässigkeit und Standort. Die optimale Wahl und Dimensionierung des jeweiligen Kühlkörpers helfen, Kosten zu sparen.

Zahlreiche elektronische Geräte übernehmen in Wind­energieanlagen entscheidende Aufgaben: Wechselrichter wandeln den vom Generator der Anlage erzeugten dreiphasigen Drehstrom in netzkonformen einphasigen Strom um. Steuereinheiten – separat oder integriert in Frequenzumrichter – sorgen für die Blattverstellung und die Windnachführung des Rotors. Die beim Betrieb auftretenden Verlustleistungen werden in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Um eine Überhitzung des jeweiligen Bauteils zu vermeiden und seine Funktionsfähigkeit zu erhalten, verfügen daher alle Geräte über Kühleinrichtungen zur schnellen und gerichteten Wärmeableitung. Zu den für die Auswahl der jeweiligen Kühllösung maßgeblichen Kriterien zählt neben der Höhe der abzuführenden Verlustleistung auch die Einbausituation. Dabei ist nicht nur die allgemeine Frage nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum zu klären. Entscheidend ist auch, ob das zu kühlende elektronische Bauteil im vergleichsweise kühlen Fuß der Windkraftanlage installiert werden soll oder in der Gondel, die sich bei Sonneneinstrahlung stark aufheizen kann. Zudem sind die Zuverlässigkeit und Wartungsarmut der jeweiligen Kühllösung maßgebliche Auswahlmerkmale. Schließlich stehen Windkraftanlagen üblicherweise an entlegenen Standorten. Die Technik in der Gondel liegt in großer Höhe und beim Offshore-Einsatz kommen die Belastung der eingesetzten Materialien durch das korrosive Meerwasser sowie die kompliziertere Erreichbarkeit hinzu.

Hochleistungskühlkörper für Offshore

Bei Offshore-Einsätzen wird man daher weitgehend auf Flüssigkeitskühlkörper verzichten. Durch den Flüssigkeitskreislauf mit Pumpe sind sie wartungsintensiver als andere Kühllösungen. Hier bieten sich stattdessen leistungsstarke Lamellenkühlkörper mit schwarz eloxierter Oberfläche zum Schutz vor der korrosiven Meerwasseratmosphäre an. Eine typische Kühllösung dieser Art ist der lüftergestützte SuperPower des italienischen Herstellers Pada Engineering. Diese modularen Hochleistungskühlkörper aus der Aluminiumknetlegierung AW6060 (EN755-9) werden aus einzelnen Aluminiumrippen aufgebaut. Dadurch lassen sie sich an das elektronische Bauteil und dessen Verlustleistung anpassen. So sind etwa Kühlkörperlängen und -breiten bis zu 600 Millimeter (mm) möglich, und bei den Basisstärken und Auslegungen (Einzel- oder Doppelbasis) sowie den Lamellenhöhen und -abständen und der Stärke der Seitenwände kann variiert werden. Aufgrund eines Verzahnungsverfahrens zur Bindung der einzelnen Kühlrippen besitzen die modular aufgebauten Hochleistungskühlkörper die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 Prozent leichter und kleiner. Das heißt, bei gleichem Volumen steigt die Kühlleistung um 30 Prozent verglichen mit herkömmlichen Druckgusskühlkörpern. Für eine zusätzliche Steigerung der Kühlleistung kann eine Kupferplatte auf den Kühlkörper montiert werden. Dies verbessert die wärmeabführenden Eigenschaften zusätzlich. Außer zur Kühlung der Generatorsteuerung in Windkraftanlagen können Super-Power-Hochleistungskühlkörper in fast allen Bereichen der Industrie eingesetzt werden. Selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.

Widerstandsfähige Schutzschicht

Die Elektronik kleinerer Wechselrichter, der Steuerung der Windkontrolle oder der Rotorblätter werden typischerweise von Profilkühlkörpern gekühlt. Die Klassiker unter den Elektronikkühllösungen leiten große Wärmemengen zuverlässig ab. Sie sichern den stabilen Betrieb und eine lange Lebensdauer der Elektronikbauteile. Ein breites Portfolio dieser Kühllösungen bietet CTX Thermal Solutions (CTX) an. Es umfasst Standardausführungen sowie individuelle, CNC-bearbeitete Stranggussprofile (Computerized Numerical Control, deutsch: rechnergestützte numerische Steuerung). Die Breite der Standard-Profilkühlkörper reicht dabei von 12,4 mm bis 750 mm. Ihr Gewicht beträgt je nach Modell zwischen 130 Gramm (g) und 75,1 Kilogramm (kg). Der Wärmewiderstand (Rth) der Standard-Profilkühlkörper liegt bei Rth-Werten zwischen 81,6 und 0,04 Grad Celsius pro Watt (°C/W). Länge und Gewicht der in Windkraftanlagen eingesetzten Modelle schwankt je nach Anwendung. So sind beispielsweise Kammprofilkühlkörper für die Entwärmung kleiner Wechselrichter 220 mm lang und 3,5 kg schwer. Die Ausführungen für die Ableitung der Verlustleistung der Rotorblattverstellung sind dagegen 455 mm lang und 19 kg schwer. Für den Einsatz in Offshore-Anlagen werden die Profilkühlkörper zum Schutz vor Korrosion üblicherweise eloxiert. Weitere Oberflächenbehandlungen sind Pulverbeschichten, Chromatieren und Lackieren. Eine ergänzende CNC-Bearbeitung zur Eliminierung von Bauteiltoleranzen sorgt für den perfekten Übergang zwischen Bauteil und Kühlkörper und verbessert damit die Kühlfunktion zusätzlich.

Flüssigkeitskühlkörper für Onshore

Für die Kühlung elektronischer Bauteile in Onshore-Windkraftanlagen bieten sich bei geringem Platz oder extrem hoher Wärmeentwicklung Flüssigkeitskühlkörper an. Sie bilden die oberste Leistungsklasse der Kühlkörpertechnik und kommen zum Einsatz, wenn passive oder lüftergestützte Kühllösungen an ihre Grenzen stoßen. Flüssigkeitskühlkörper bieten höchste Kühlleistung auf kleinstem Raum. Sie leiten hohe Wärmemengen schnell und effizient ab, da ihre thermische Leistungsfähigkeit bis zu 25 Prozent über der Leistungsfähigkeit vergleichbarer Kühlsysteme liegt. Dabei werden hartgelötete Flüssigkeitskühlkörper mit eingefrästen Kühlkanälen, Kühlkörper mit Kühlplatten aus Aluminium oder Kupfer und integrierten Kühlrohren aus Kupfer oder Edelstahl sowie Aluminiumkühlplatten mit kernlochgebohrten oder gezogenen Bohrungen unterschieden. Die Dimensionierung ist in jedem Fall abhängig von Verlustleistung und Platzangebot. Je nachdem wo die Windkraftanlage steht und abhängig davon, welches elektronische Bauteil Kühlung benötigt, kommt eine andere Kühltechnik zum Einsatz. Die optimale Wahl und die Dimensionierung des jeweiligen Kühlkörpers, gegebenenfalls mithilfe einer thermischen Simulation, können dabei helfen, Kosten zu sparen.

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