Immer größere Windkraftanlagen fordern Prüfstandbau heraus

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Im November feierten Politik und Wissenschaft in Hamburg das Richtfest für den Neubau eines Großprüfstands für Blattlager von Windenergieanlagen. Die Testeinrichtung entsteht am Technologiezentrum Energie-Campus des Competence Center für Erneuerbare Energien und Energie Effizienz (CC4E) der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW) in Bergedorf. Dort wird sie künftig vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) betrieben. Mit dem neuen Prüfstand werden die Ingenieure Blattlager mit Durchmessern bis zu fünf Metern – wie sie für 10 MW-Windenergieanlagen der nächsten Generation zum Einsatz kommen sollen – dauerhaft unter realistischen Betriebsbedingungen testen können.

 "Wesentliches Merkmal des Großlager-Prüfstandes wird die realitätsgetreue Anbindung sehr großer Blattlager sein. Hierzu werden die erforderlichen Eigenschaften von Rotorblatt und Nabe nachgebildet. Mithilfe von Methoden zur beschleunigten Prüfung sollen dann die Lasten aus 20 Jahren Betriebsdauer innerhalb weniger Monate Testdauer aufgebracht werden und zusammen mit den Ergebnissen zu Alterung und Verschleiß die Auslegungsmethoden verbessern", erläutert Andreas Reuter, Institutsleiter des Fraunhofer IWES. Damit neu entwickelte Komponenten und Maschinen für Windkraftanlagen effizient und zuverlässig arbeiten, sind viele Tests notwendig. Bislang werden dazu in der Regel Prototypen unter realen Bedingungen beobachtet. Diese Feldmessungen dauern meist sehr lange, da alle normalen Betriebsbedingungen der Anlagen abgewartet werden müssen.

Langwierige Feldmessungen

Um sich vom Wind unabhängig zu machen, sind in den letzten Jahren weltweit mehrere große Gondelprüfstände errichtet worden, die es ermöglichen, unter kontrollierten Bedingungen neue Entwicklungen zu testen. Dazu werden einzelne Komponenten wie Getriebe und Generator oder auch die gesamte Gondel (der obere Teil der Windkraftanlage ohne die Flügel) einem künstlichen Wind ausgesetzt: Ein Motor sorgt für die Rotation, hydraulische Systeme ahmen Winddruck einschließlich Böen nach. Durch die Nähe zum Boden sind viel detailliertere Messungen möglich als bei Feldmessungen.

Gondelprüfung für 8-MW-Offshore-Windturbine

Im Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab) des IWES soll von April 2018 bis Jahresende der Prototyp einer neuen Offshoreanlage von Siemens Gamesa Renewable Energy eine umfangreiche Hardware in the loop (HiL)-Testkampagne durchlaufen. Im Fokus stehen dabei die Leistungsfähigkeit des Generators und die Netzverträglichkeit der Anlage. Mithilfe eines umfassenden Netzsimulators und eines hochdynamischen Antriebes bilden die Forscher des IWES die Lasten von Rotor- und Netzseite realistisch nach, um in kurzer Zeit belastbare Aussagen zu dem zu erwartenden Anlagenverhalten im Feld treffen zu können. "Die modernen Prüfverfahren des DyNaLab sind eine wichtige Ergänzung zu unseren Inhouse-Anlagentests", sagt Andreas Nauen, CEO Offshore bei Siemens Gamesa Renewable Energy. "So verkürzen wir die Testzeiträume und erhalten im Abgleich von Feld- und Labordaten besonders zuverlässige Ergebnisse."

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Windenergieanlagen-Zertifizierung auf dem Prüfstand

Unterdessen nimmt am DyNaLab das Projekt "Systematische Validierung von Systemprüfständen anhand der Typprüfung von Windenergieanlagen (CertBench)" an Fahrt auf: Um die Voraussetzungen für die Zertifizierung der elektrischen Eigenschaften von Windenergieanlagen auf Systemprüfständen zu schaffen, durchläuft die Gondel einer 3-MW-Anlage des Projektpartners Enercon umfangreiche Tests nach den zur Zertifizierung relevanten Richtlinien. Realistische Lasten und Wechselwirkungen zwischen Gondel und Rotor werden mithilfe von Echtzeitmodellen und prüfstandsseitigen Regelalgorithmen für HiL-Tests nachgebildet: Die Wissenschaftler wollen nachweisen, dass die netzseitigen Lasten durch das virtuelle 36.000 Volt-Mittelspannungsnetz im Fraunhofer DyNaLab realistisch abgebildet werden können. Dazu führen sie typische Netzfehler wie Spannungseinbrüche und Spannungsüberhöhungen "auf Knopfdruck" in ihrem künstlichen Netz herbei. Der Abgleich der Testergebnisse mit Felddaten ermöglicht eine Validierung der Testmethoden, sodass die elektrischen Eigenschaften einer Windenergieanlage künftig auf dem Prüfstand genau so zuverlässig bestimmbar sein werden wie im Feld.

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Riesen-Drehmomentsensor der PTB

Bei rotierenden Anlagen ist das Drehmoment ein wichtiger Messwert. Springer-Autor Horst Czichos gibt dazu in "Mechatronik" ab Seite 135 eine Übersicht. In den Gondelprüfständen sind solche Drehmomentmessungen derzeit jedoch noch nicht gut genug. Hier setzt das EU-Forschungsprojekt MNm Torque an. Im November wurde der größte Drehmomentsensor, der je an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) kalibriert worden ist, in den Prüfstand der RWTH-Aachen mit der Forschungsgondel der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. eingebaut. Mithilfe dieses neuen Transfernormals – es wiegt 1,8 Tonnen – wollen die PTB-Wissenschaftler die Präzision aus ihren Labors auf den Prüfstand übertragen und mit den Ergebnissen einer groß angelegten Messkampagne zum einen die Genauigkeit von Drehmomentmessungen bestimmen und zum anderen eine allgemeingültige Vorgehensweise empfehlen.

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Schadensprognose der Regenerosion an Rotorblättern

Die Flügelspitze einer Windenergieanlage erreicht im Betrieb eine Geschwindigkeit von 300 bis 350 km/h, sodass Regentropfen und Verunreinigungen in der Luft wie Schmirgelpapier auf der Materialoberfläche wirken. Besonders stark beanspruchte Teile wie die Flügelvorderkanten werden daher mit speziellen Schutzsystemen wie Folien oder Lacken ausgestattet. Im Rahmen des Forschungsprojektes "Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der Lebensdauer von Rotorblatt-Beschichtungen (BeLeB)" wollen die Forscher des Fraunhofer-IWES einen Beitrag zur Entwicklung zuverlässiger Prognosemodelle für Erosionsschäden leisten, um praxisrelevante Reparaturkonzepte entwickeln zu können.

Im seit zwei Jahren betriebenen Regenerosions-Prüfstand des Instituts können Menge und Größe der Tropfen, ebenso wie der Zeitpunkt und die Häufigkeit ihres Aufschlags, exakt reguliert werden. Im Projekt BeLeB soll nun ein zusätzliches Tropfeneinschlagssystem messen, wo genau die Tropfen aufprallen und welche Schädigungen sie dabei verursachen. Mithilfe einer CFD-Simulation wird dazu der gesamte Prüfstand nachgebildet. Zur Schadensdokumentation werden ein laserbasiertes Inspektionssystem und eine High-Speed-Kamera eingesetzt. Damit lassen sich die Topologie der Probe sowie Schäden im Mikrometer-Bereich dokumentieren. Ziel der Forschung an diesem Prüfstand ist die Entwicklung eines adäquaten Material- und Schadensmodells, um die Vorgänge auf Materialebene besser nachvollziehbar zu machen und auf dieser Grundlage die Wirksamkeit bekannter Schutzmechanismen für Rotorblätter spürbar zu erhöhen.

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