Förderprojekt koRola

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Verfahren zur kombinierten Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen

 

Motivation

Die Windenergienutzung ist die Schlüsseltechnologie um die Stromerzeugung in Deutschland auf erneuerbare Energien umzustellen. Mit zunehmendem Marktanteil und perspektivisch verringerter Förderung für Windstrom, werden deren Stromgestehungskosten zukünftig wesentlichen Einfluss auf die Strompreise der Verbraucher nehmen. Ein Hebel zur Reduktion der Stromgestehungskosten von Windenergieanlagen ist die Verringerung des Materialeinsatzes und die Erhöhung der Lebensdauer. Beides ist untrennbar mit den mechanischen Belastungen verknüpft, die eine Windenergieanlage während ihres Betriebes erfährt, verknüpft. Dieses Vorhaben widmet sich der Bestimmung und der Reduktion dieser Lasten.

Die mechanischen Belastungen einer Windenergieanlage werden hauptsächlich durch die vorherrschenden Strömungsverhältnisse am Rotor bestimmt. Durch regelungstechnische Eingriffe können diese Belastungen beeinflusst und sogar reduziert werden. Dazu ist es selbstverständlich von Vorteil, wenn die Belastungen direkt messbar oder in anderer Form erfassbar sind respektive geschätzt werden können. Schnittkräfte und -momente, hervorgerufen durch die Kraftverteilung entlang der Rotorblätter, können durch optische oder elektrische Messverfahren in den Rotorblättern bestimmt werden. Aufgrund der Vielzahl an notwendigen Sensoren, deren eingeschränkte Robustheit und hohe Kosten, sind derartige Messsysteme allerdings bisher nur in Prototypen installiert, jedoch nicht in Serienprodukten.

 

Projektziele und Methoden

Das primäre Ziel des Vorhabens koRola ist es, ein Messverfahren zu entwickeln, welches auf Basis einer minimalsensorischen Messkonfiguration und eines modellbasierten Algorithmus die dynamischen Belastungen der einzelnen Rotorblätter in Echtzeit bestimmt. Dabei wird angestrebt, die absoluten Werte der Belastungen mit einer Genauigkeit von 5-10% zu bestimmen.

Um den Nutzen dieses dynamischen Lastenschätzers darzustellen, ist das zweite Ziel dieses Vorhabens die Nutzbarmachung der ermittelten dynamischen Belastungen. Dazu wird eine bereits bestehende, modellbasierte Anlagenregelung als Ausgangspunkt genutzt und so weiterentwickelt, dass die ermittelten dynamischen Belastungen als Messgröße berücksichtigt und aktiv eine Verringerung der Maximalbelastung erreicht werden kann. Um die Periodizität der Belastungen auszunutzen, wird eine Prädiktion innerhalb der Regelung genutzt um weitere Verbesserungen hinsichtlich der Lastverteilung zu erzielen.

 

Innovationen und Perspektiven

Bezogen auf die Messtechnik liegt die Neuheit des hier vorgeschlagenen Messsystems darin, dass gänzlich auf eine Installation von Sensorik oder Rechentechnik im rotierenden System der Windenergieanlage verzichtet werden kann. Dadurch wird der Installationsaufwand massiv reduziert und die Wartbarkeit erhöht. Stattdessen wird das Verfahren lediglich durch Beschleunigungssensoren in der Gondel und gegebenenfalls wenige Dehnmessstreifen am Stahlturm – dessen Dehneigenschaften exakt bekannt sind – gestützt. Die Innovation steckt in der modellbasierten Auswertung dieser wenigen Sensoren.

Die Neuheit der Regelung in diesem Projekt wird dadurch erreicht, dass das Modellwissen, welches wie zuvor beschrieben zur Rekonstruktion der mechanischen Belastungen genutzt wird, ebenfalls in einer modellprädiktiven Regelung berücksichtigt wird. In diesem Vorhaben wird anhand der Lastverteilung über der Rotorfläche und der aktuellen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors prädiziert, wie sich diese Lasten zukünftig neu verteilen und welche Auswirkungen dies auf die Blattwurzelmomente und das Schwingungsverhalten der Rotorblätter und damit des Turms hat. Diese Prädiktion ermöglicht ein proaktives Eingreifen der Regelung in das Anlagenverhalten, um die Dynamik der Blattwurzelmomente zu reduzieren. In Abgrenzung zu anderen Arbeiten und Projekten, die mit prädiktiven Regelungen arbeiten, soll in diesem Vorhaben nicht die gesamte Regelung ersetzt werden – was hinsichtlich der Akzeptanz und Umsetzbarkeit äußerst risikoreich ist – sondern lediglich die Basisregelung um eine weitere Funktionalität ergänzt werden.

 

Projektpartner
W2E Wind to Energy GmbH