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Lastreduktion ist ein aktuelles Thema im Bereich der Windenergie, das von allen Herstellern verfolgt wird von verschiedensten Einrichtungen und Instituten erforscht. Insbesondere für größere Windenergieanlagen und in schwierigen Windbedingungen sind die verschiedenen, im Folgenden beschriebenen Konzepte von Bedeutung. Die Konzepte sind zudem fester Bestandteil der Konferenzen und der Veröffentlichungen in Fachzeitschriften der letzten Jahre.

Lasten aus Wind- und eventueller Wellenanregung sind die Designdriver für den Entwurf vieler Komponenten von Windenergieanlagen. Mit zunehmender Größe und dem verbunden Kosten- und Optimierungsdruck werden Windenergieanlagen anfälliger für Schwingungen. Um diesen Oszillationen standzuhalten gibt es eine Vielzahl an Konzepten zur Lastreduktion. Angefangen von pitchbasierten über generatorbasierten bis hin zu zusätzlichen, die Komplexität erhöhenden, Komponenten. Die nachfolgend ausgeführten Konzepte sollen zeigen, dass lastreduzierende Verfahren ein aktuelles Thema mit großer Tragweite ist, welches sehr individuell anwendbare Ansätze und Lösungen bietet.

Weshalb ist Lastreduktion ein wichtiges Thema?

Windenergieanlagen sind verschiedensten Anregungen ausgesetzt. Insbesondere der Einfluss aus der breitbandigen Anregung des Windes versetzt die einzelnen Komponenten in Schwingung. Offshorewindenergieanlagen sind zudem der Wellen- und Strömungseinwirkung ausgesetzt. Dies führt zu komplexen Schwingungen und zu entsprechend schweren Belastungen für Material und Komponenten.

Diese Belastungen, sowohl bei Extremereignissen als auch kontinuierlich über eine Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren bei einem Betrieb über 24 Stunden am Tag und an 7 Tagen in der Woche, müssen Windenergieanlagen standhalten. Mit zunehmender Anlagengröße, der einhergehenden schlanken Konstruktion und der Optimierung im Entwurfsprozess hinsichtlich der Materialausnutzung erscheint es wirtschaftlich nicht mehr optimal, dass die Maximierung der Energieausbeute das alleinige Ziel der Anlagenregelung ist. Aus Sicht der Energiegestehungskosten ist es deshalb wichtig auch die aktuelle Belastungssituation der Anlage mit in die Regelungsparameter einzubeziehen. Die Anregung durch den Wind lässt sich dabei in mehrere Quellen aufteilen. Für die Ermüdungsbelastung der Anlagen ist insbesondere die kleinskalige Änderung der Windgeschwindigkeit, die Turbulenz, von Interesse. Zudem wird durch die Rotation eine periodische Anregung durch Windgeschwindigkeitsunterschiede über die Höhe oder beispielsweise Abschattungseffekte durch den Turm erzeugt, die auf Rotor-Gondeleinheit sowie Turm und Fundament einwirken.

Unterscheidung der verschiedenen Konzepte

Generell können lastreduzierende Konzepte in verschiedene Kategorien eingeteilt werden, je nach Einsatzbereich oder Wirkungsrichtung. Manche Konzepte sind nur im Teillast-, andere nur im Volllastbereich sinnvoll einsetzbar. Die einen wirken longitudinal, also entlang der Ausrichtung der Gondel, manche quer dazu. Zudem unterscheiden sie sich in ihrer aktiven Komponente, d.h. ob das Konzept auf den Pitchaktuatoren, dem Generator oder zusätzlichen Komponenten basiert.

Tower feedback control (TFC)

Wirkungsprinzip: Beim TFC wird die Beschleunigung der Gondel entlang ihrer Ausrichtung gemessen. Dieser Oszillation wird durch kollektive Anpassung des Pitchwinkels aller Blätter mit kleinen Amplituden eine resultierende Kraft entgegengesetzt. Bewegt sich die Gondel beispielsweise nach vorne so wird der Pitchwinkel verkleinert (die Rotorblätter in Richtung Rotorebene gedreht) um die Auftriebskräfte zu vergrößern und eine resultierende, rückstellende Kraft auf die Gondel zu erzeugen.

Einsatzbereich: Die Pitchantriebe einer Windenergieanlage werden für gewöhnlich zur Begrenzung der maximalen Leistung genutzt, d.h. ein Verdrehen der Rotorblätter findet erst im Volllastbereich statt. Eine zusätzliche Belastung der Pitchantriebe im Teillastbereich, in dem diese für gewöhnlich passiv sind und nur zum Anfahren der Anlage genutzt werden, widerspricht dieser Philosophie.

Vorteile: TFC senkt signifikant die Schwingungen der Windenergieanlage und entsprechend die Turmfußlasten longitudinal zur Gondelausrichtung.

Nachteile: Das Konzept erhöht die Aktivität der Pitchaktuatorik und sowie im Volllastbereich die Leistungsfluktuation. Der zusätzliche Einsatz im Teilllastbereich führt zudem zu weiterer Zunahme der Aktivität der Pitchaktuatorik.

Load mitigation TFC Tower Feedback Control

Grafik 1: Tower feedback control (TFC) - Ausgangsituation (links) - ohne Konzeptanwendung (mittig) - mit Konzeptanwendung (rechts)

Weiterführende Informationen:

Active Generator Torque Control (AGTC)

Wirkungsprinzip: Über das Generatormoment wird im Teillastbereich die Kennlinie des Generators abgefahren um das Verhältnis von Rotorgeschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit optimal, d.h. bei maximalem Wirkungsgrad zu halten. Eine Änderung des Generatormoments führt allerdings zusätzlich zu einer resultierenden Kraft quer zur Ausrichtung der Gondel. Dieses kann bei gemessener Beschleunigung der Gondel genutzt werden um dieser Querschwingungen entgegenzuwirken.

Einsatzbereich: Das Generatormoment wird im Teillastbereich variiert um die Windenergieanlage in einem optimalen Bereich zu betreiben. Für gewöhnlich ist dies auch der Einsatzbereich zur zusätzlichen Variation des Generatormoments.

Vorteile: AGTC führt zu signifikanten Lastreduktionen in Querrichtung, insbesondere, da diese Bewegungsrichtung nur sehr schwach gedämpft und deshalb anfällig für langanhaltende Schwingungen ist.

Nachteile: Die Modellierung des Generatormoments zur Lastreduktion führt generell zu Schwankungen in der Leistungseinspeisung. Zudem wird durch dieses Regelkonzept sowie die große Trägheit des Rotors der Antriebsstrang belastet.

Load Mitigation Active Generator Torque Control (AGTC)

Grafik 2: Active Generator Torque Control (AGTC) - Ausgangsituation (links) - ohne Konzeptanwendung (mittig) - mit Konzeptanwendung (rechts)

Weiterführende Informationen:

Individual Pitch Control (IPC)

Wirkungsprinzip: Eine ungleichmäßige Anströmung über die Rotorebene führt zu einer ungleichmäßigen Belastung der Rotorblätter und resultierenden Kräften auf Nabe, Antriebsstrang und Gondel. Dieses Prinzip kann allerdings auch in positivem Sinne zu Nutze gemacht werden, sofern man die Belastung in den Blattwurzeln oder die seitliche Beschleunigung der Gondel, die ein Ausdruck der seitlich wirkenden Kräfte ist, misst. Beide Einflüsse können nun genutzt werden um die Rotorblätter entsprechend zu verstellen. Die erste Möglichkeit besteht darin, die unterschiedlichen Blattwurzelbiegemomente auszugleichen und so Oszillationen zu reduzieren. Damit werden auch die resultierenden Kräfte gemindert. Eine andere Möglichkeit liegt in der bewussten, ungleichen Stellung der Rotorblätter um eine resultierende Querkraft zu erzeugen, die der Bewegung der Gondel entgegenwirkt.

Einsatzbereich: Wie beim TFC ist eine Anwendung hier eher im Volllastbereich denkbar.

Vorteile: IPC bietet die Möglichkeit sowohl die individuellen Blattbiegemomente zu reduzieren als auch seitlichen Schwingungen entgegenzuwirken.

Nachteile: Wie auch TFC kann IPC nur im Volllastbereich genutzt werden, sofern die Aktivität der Pitchaktuatoren nicht stark erhöht werden soll. Die seitlichen Anregungen zu reduzieren und die Blattbiegemomente auszugleichen sind nicht in allen Fällen vereinbare Regelungsziele. Dies kann dazu führen, dass eine Abwägung für eine der beiden zu reduzierenden Anregungen notwendig wird. Zudem treten neue Fragestellungen im Hinblick auf die Betriebssicherheit, insbesondere in Bezug auf den aktuellen und erlaubten Pitchwinkeloffset zwischen den Blättern, auf.

Load mitigation Individual Pitch Control (IPC)

Grafik 3: Individual Pitch Control für seitliche Schwingungen (IPC) - Ausgangsituation (links) - ohne Konzeptanwendung (mittig) - mit Konzeptanwendung (rechts)

Load mitigation Individual Pitch Control (IPC)

Grafik 4: Individual Pitch Control für Windscherungen (IPC) - Ausgangsituation (links) - ohne Konzeptanwendung (mittig) - mit Konzeptanwendung (rechts)

Weiterführende Informationen:

Active Idling Control (AIC)

Wirkungsprinzip: Offshorewindenergieanlagen sind nicht nur der Wind- sondern auch der Wellenbelastung ausgesetzt. Insbesondere weichere Gründungsstrukturen, beispielsweise für Monopiles, werden dadurch stark beansprucht. Generell sind Wind und Welle korreliert, das heißt, dass mit steigender Windgeschwindigkeit die Wellenhöhe zunimmt. Zudem sind die Wellen nicht nur durch die Wellenhöhe, sondern auch durch ein Spektrum, das die Wellenperioden ausdrückt, definiert. Dieses kann größere Anteile enthalten, die mit der Eigenfrequenz der Struktur in Resonanz liegen. Dies erhöht die Auswirkung der Wellen zusätzlich. Ist die Anlage nun nicht im Betrieb und trudelt, oder Wind und Welle kommen aus unterschiedlicher Richtung, so profitiert die Windenergieanlage in diesen Fällen nicht von der aerodynamischen Dämpfung. Zusammengefasst führt dies dazu, dass der Anteil einer Situation, in der die Anlage trudelt und die Wellen einen hohen Frequenzanteil in der Region der Eigenfrequenz der Struktur haben, überproportional hoch wird. In solchen Fällen bietet es sich an die Anlage schneller rotieren zu lassen als dies im Trudelbetrieb normalerweise der Fall wäre. Dies führt zu einer starken Zunahme der aerodynamischen Dämpfung und somit einer Reduktion der Ermüdungslasten für diesen Betriebsfall.

Einsatzbereich: Das Konzept wird genutzt wenn die Anlage wegen zu niedriger Windgeschwindigkeit, kleineren Fehlern oder Überlast im Netz trudelt und keinen Strom einspeist.

Vorteile: Der Anteil des Trudelbetriebs an der Gesamtermüdungsbelastung kann signifikant reduziert werden.

Nachteile: Die Belastung für die Lager nimmt zu. Zudem sieht der Generator Rotation ohne Spannung.  

Load Mitigation Active Idling Control (AIC)

Grafik 5: Active Idling Control (AIC) - Ausgangsituation (links) - ohne Konzeptanwendung (mittig) - mit Konzeptanwendung (rechts)

Weiterführende Informationen:

Passive Smart Blades (PSB)

Wirkungsprinzip: Auf Rotorblätter wirken große Lasten, die sich in Auftriebs und in Widerstandsrichtung unterteilen lassen. Diese Lasten führen zu einer Verformung. Durch einen veränderten Aufbau der Faserlagen, beispielsweise durch Verdrehung zueinander, reagiert das Rotorblatt auf eine Last nicht nur mit einer reinen Biegung sondern auch mit einer Verdrehung, die sogenannte Biege-Torsionskopplung. Diese resultierende Drehung führt nun effektiv dazu, dass der Anströmwinkel am Profil reduziert und somit die Last begrenzt wird. Zusammengefasst reagieren die Rotorblätter passiv auf Anströmgeschwindigkeitsänderungen indem sie den entstehenden Auslenkungen sowie Oszillationen entgegenwirken. Eine weitere Möglichkeit für eine Biege-Torsionskopplung durch Änderung der Faserlagen, also eine strukturelle Kopplung, besteht in der Verwendung von Sichelformen, genannt geometrische Kopplung. Durch die Formgebung wird hiermit ebenso eine Kopplung von Biegung und Torsion erreicht.

Einsatzbereich: Die Biege-Torsions-Kopplung wirkt über den gesamten Betriebsbereich der Windenergieanlage. Bei der Verwendung von PSB ist eine Neuauslegung der Regelung unter Einbezug der Verformung über die Betriebsbereiche notwendig.

Vorteile: PSB schonen, im Gegensatz zu den vorherig genannten Konzepten, die weiteren Komponenten wie Generator, Antriebsstrang oder Pitchaktuatorik. Der Einsatzbereich des Konzepts erstreckt sich über den gesamten Betriebsbereich der Anlage.

Nachteile: Für eine gezielte Biege-Torsionskopplung ist eine sehr genaue Vorhersage des Verhaltens des Rotorblattes notwendig. Zudem werden erhöhte Anforderungen an die Fertigung hinsichtlich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit gestellt und eine angepasste Regelstrategie notwendig.

Weiterführende Informationen:

Active Smart Blades (ASB)

Wirkungsprinzip: ASB beruhen auf den Prinzipien der aktiven Strömungsbeeinflussung am Profilschnitt. Dies kann durch Elemente auf dem Profil, aber auch durch die aus der Luftfahrt bekannten Vorder- oder Hinterkantenklappen erfolgen. Das Ziel ist hierbei für gewöhnlich kleine Schwankungen der Anströmung durch das Regeln von beispielsweise Hinterkantenklappen auszugleichen, größerskalige Änderungen jedoch wie bisher über den Pitchwinkel und/oder das Generatormoment.

Einsatzbereich: Das Konzept kann prinzipiell über den gesamten Betriebsbereich genutzt werden.

Vorteile: ASB reduzieren die Aktivität der Pitchaktuatorik, da diese lediglich noch die großen Schwankungen des Windes ausgleichen muss. Bereits relativ kleine Steuerflächen sind hierfür ausreichend.

Nachteil: Die zusätzlichen aktiven Elemente erhöhen die Komplexität des Systems deutlich. Zu den zusätzlichen Wartungskosten sowie dem größeren Wartungsaufwand kommen auch Fragen der Betriebssicherheit, beispielsweise wie im Falle eines Ausfalls oder einer Blockade verfahren werden soll.

Weiterführende Informationen:

Lidar Feedforward Control (LFC)

Wirkungsprinzip: Die bisherigen Konzepte haben die Gemeinsamkeit, dass die Anlage die Störung durch den ungleichmäßigen Wind erst aufnimmt und erst dann darauf reagiert. Eine mögliche Innovation ist die Messung der an der Windenergieanlage ankommenden Strömung bevor diese auf die Rotorblätter einwirkt. Ähnlich wie beim Autofahren wird dabei die Straße, also in diesem Falle die Strömung, auf kommende Hindernisse, bzw. Fluktuationen abgetastet und bereits entsprechend agiert.

Einsatzbereich: Das Konzept kann über den gesamten Betriebsbereich genutzt werden.

Vorteile: Der Vorteil dieses Konzepts liegt auf der Hand: Die Anlage kann bereits agieren bevor entsprechende Störungen ins System eingebracht werden. Dies reduziert den Regelaufwand deutlich.

Nachteile: Mit der Nutzung von Lidartechnik zur Prognose des eintreffenden Windfeldes erhöhen sich die Investitionskosten sowie die Komplexität des Systems. Des Weiteren treten neue Fragen zur Betriebssicherheit auf, die insbesondere den Weiterbetrieb der Anlage beim Ausfall des Lidarsystems betreffen.

Load Mitigation Lidar Feedforward Control (LFC)

Grafik 6: Lidar Feedforward Control (LFC) - Ausgangsituation (links) - ohne Konzeptanwendung (mittig) - mit Konzeptanwendung (rechts)

 

Weiterführende Informationen:

Fazit

Die Möglichkeiten zu Lastreduktion von einzelnen Komponenten sind groß. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch die verschiedenen Einsatzgebiete, die Wirkungsrichtung und die Anforderung an Regelung, Fertigung, und Komplexität des Systems. Je nach Anforderung an die Windenergieanlage, die Lastcharakteristiken sowie die auftretenden Probleme im Entwurf oder Betrieb kann somit ein passendes Konzept gefunden werden. Optimalerweise werden die Konzepte jedoch nicht zur Problemlösung verwendet sondern bereits im Entwurfsprozess vorgesehen. Somit wird eine bestmögliche Abstimmung und Integration gewährleistet.