Pitch-Control und Azimut: Systeme für die optimale Auslegung von Windenergieanlagen
- Windenergie
- 20.11.2022
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Inhalt
Abgesehen von den Windverhältnissen sind eine Vielzahl weiterer Aspekte zu beachten, bevor eine derartige hochkomplexe Windturbine respektive ein kompletter Windpark – bestehend aus mehreren solcher Kraftwerke – errichtet werden kann.
Neben der vor Ort gegebenen Infrastruktur sind weitere Faktoren, wie beispielsweise Netzanschlussmöglichkeiten, ausreichender Abstand zu bewohnten Gebieten sowie einige Sicherheitsvorkehrungen und rechtliche Rahmenbedingungen zu berücksichtigen.
Um den steigenden Strombedarf in Zukunft decken zu können, sind immer größere und leistungsfähigere Windenergieanlagen an On- und Offshore-Standorten gefordert. Vor allem hinsichtlich der Leistungsfähigkeit dieser Kraftwerke bedarf es zuverlässiger und sicherer Lösungen. Gleichzeitig unterliegen die erneuerbaren Energien einem hohen wirtschaftlichen Druck, die Stromgestehungskosten möglichst gering zu halten.
Vor diesem Hintergrund ist heutzutage ein dreiblättriger Auftriebsläufer mit horizontaler Achse und Rotor die meistgenutzte Bauform bei Windenergieanlagen. Das Pitch-System regelt die Leistung der Windenergieanlage durch das Verstellen der Rotorblätter und übernimmt gleichzeitig die Funktion der Hauptbremse. Dies ist absolut entscheidend, da nur so eine größtmögliche Effizienz der Windenergieanlage mit dem bestmöglichen Stromertrag sichergestellt werden kann. Zur Umsetzung dieses sehr komplexen Vorgangs kommen unterschiedliche Regelungssysteme zum Einsatz.
Aktuell werden fast ausschließlich sogenannte Pitch-Control- und Azimut-Systeme verwendet. Während die Windrichtungsnachführung der Gondel über Azimut-Antriebe gesteuert wird, führt die Pitch-Regelung laufend den Anstellwinkel der Rotorblätter nach (sogenannter Pitchwinkel), um den größtmöglichen Energieertrag zu erreichen.
Pitch-Control-Systeme
Bereits seit Jahren ist die Pitch-Regelung absoluter Standard, wenn es um eine kosteneffiziente und robuste Blattverstellung von Windenergieanlagen geht. Die technische Ausgestaltung der Pitch-Systeme sorgt zudem für eine Steigerung hinsichtlich der Verfügbarkeit der Windenergieanlagen.
Durch Erhöhung der funktionalen Sicherheit in der jüngsten Vergangenheit konnte der Materialeinsatz deutlich reduziert werden, wodurch es zu einem entscheidenden Kostenvorteil kommt.
Wo wird dieser Kostenvorteil sichtbar?
- Zum einen wird das Material geschont, da es durch den Einsatz einer profilierten Not-/Sicherheitsfahrt zu einer Verringerung des „Durchschwingens“ des Maschinenturms kommt.
- Zum anderen wird auch bereits bei der Planung neuer Windenergieanlagen weniger Material berücksichtigt: So werden zum Beispiel von vorneherein dünnere Stahlwände und weniger dicke Bolzen eingeplant.
Zudem benötigen Anlagen mit Pitch-Regelung keine mechanische Hauptbremse, da das Pitch-System durch das Verdrehen der Rotorblätter die Funktion der Hauptbremse übernimmt und die Rotation so aerodynamisch abgebremst wird.
Ein weiteres Merkmal der Pitch-Systeme ist das Umsetzen des Anstellwinkels. Hierbei werden die Rotorblätter automatisch von Null- bis Maximalauftrieb gesteuert. Ebenso wird mit der Pitch-Regelung immer die optimale Drehzahl für den bestmöglichen Wirkungsgrad eingestellt.
Pitch-geregelte Anlauf- und Abschaltwindgeschwindigkeit
Die zentrale Steuerung der WEA (Windenergieanlage) ermittelt laufend die Windgeschwindigkeit, um sicherzustellen, dass die Anlage immer im optimalen Bereich läuft.
Dieser ist abhängig von verschiedenen Faktoren (z. B. Rotordurchmesser, Schallemissionen etc.): Zum Beispiel stellt die Tip-Geschwindigkeit (80-90 m/s) eine Auslegungsgrundlage zum aerodynamischen Design der Windenergieanlage dar.
Sobald die Windgeschwindigkeit für einen wirtschaftlichen Betrieb nicht mehr ausreichend ist (bei sehr schwachem Wind, circa unter 2,5 m/s), wird die Turbine in einen Trudelzustand bzw. in den Trudelbetrieb versetzt.
Bei starkem Wind (12 – 25 m/s) hingegen wird die Anlage in ihrer Leistungsabgabe begrenzt: Das Pitch-System stellt den geforderten Pitchwinkel ein, womit die Auftriebskraft des Rotorblattes reguliert und die Nennleistung der Anlage konstant gehalten wird.
Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten (bei circa 25 m/s) wird die Anlage abgeschaltet, um eine mechanische Überbelastung durch eine Überdrehzahl des Rotors zu vermeiden.
Die Vorteile der Pitch-Regelung auf einen Blick:
- Abbremsfunktion des Rotors
- der Rotor läuft immer mit der optimalen Drehzahl
- kaum Schwankungen des Drehmoments
- geräuscharmer Betrieb
Pitch-Control- und Azimut-Systeme gewährleisten eine bestmögliche Leistung von Windenergieanlagen
Azimut-Systeme
Bei der Windrichtungsnachführung hat sich der sogenannte Azimut-Antrieb (aus dem Arabischen: die Wege) mit geregeltem Mehrachs-Antriebssystem für effiziente Windenergieanlagen durchgesetzt. Als zukunftsweisende Methode dieser Antriebe gilt die dynamische Synchronisierung von Mehrachssystemen.
Und das aus gutem Grund: Denn im Vergleich zu konventionellen Konzepten bringt ein dynamisch synchronisiertes Mehrachs-Antriebssystem im Azimut zahlreiche Vorteile mit sich. Dazu zählen unter anderem ein aufgrund der genaueren Ausrichtung deutlich höherer Energieertrag der WEA.
Zudem lassen sich die Beschleunigungs- und Bremsmomente damit bestmöglich kontrollieren. Im Gegensatz dazu führen konventionelle Anwendungen mitunter zu ruckartigen Anfahrtsvorgängen. Die so entstehenden unerwünschten Belastungen führen wiederum zu einer größeren Materialbeanspruchung und dadurch zu einem erhöhten Verschleiß.
Mit dieser Methode fallen auch geringere Anlagenkosten insgesamt an: So könnte das hydraulische Bremssystem im Azimut eingespart werden.
Eine Entscheidung für ein Azimut-System ohne hydraulische Bremse ist allerdings sehr komplex: Das System muss in das gesamte Anlagenkonzept (Sicherheit für den Service mit anderen Systemen garantieren) bereits in der Designphase mitberücksichtigt werden. Intelligente Antriebskonzepte mit hohem Leistungsbereich und aktiver Rückspeisung sowie robuste und qualitativ hochwertige Drehgeber können die Vorteile des Azimut-Antriebs noch einmal deutlich steigern. Dies gilt auch für die Zuverlässigkeit und die Sicherheit der Anlage.
Auch teure Ausfallzeiten können so effektiv vermieden werden. Immerhin beträgt die Lebensdauer einer Windenergieanlage mindestens 25 Jahre. Vor diesem Hintergrund ist es umso wichtiger, dass ein verschleißarmes Regelungskonzept für die Windrichtungsnachführung eingesetzt wird.
Fazit: Pitch- und Azimut-Systeme – Lösungen für die optimale Auslegung von Windkraftanlagen
Windenergieanlagen haben im Energiemix geringe Stromgestehungskosten, was sie vor allem mit Blick auf die Herausforderungen der Energiewende zu einer wichtigen und wettbewerbsfähigen Methode gegenüber der konventionellen Stromerzeugung macht.
Die Stromgestehungskosten von Windenergieanlagen sind aber stark abhängig von den jeweiligen Standortbedingungen.
Um eine bestmögliche Leistung von Windenergieanlagen zu gewährleisten, kommen heutzutage vor allem Pitch-Control- und Azimut-Systeme zum Einsatz. Sie richten die Gondel samt Rotor und den Einstellwinkel der einzelnen Rotorblätter immer optimal auf die jeweils vorherrschende Windrichtung aus und sorgen dafür, dass konstante Leistung bei maximalem Ertrag in das Netz eingespeist werden.
Diese Systeme helfen die Kosten für die Windanlage deutlich zu reduzieren und garantieren darüber hinaus einen langjährigen Einsatz.
