Windkraftanlagen im Betrieb erzeugen Schwingungen mit negativen Folgen für Performanz und Lebensdauer des Windrads. Das Fraunhofer LBF aus Darmstadt hat ein aktives Zusatzsystem entwickelt, um Schwingungen zu reduzieren. Das System wurde an einer Kleinwindanlage erfolgreich getestet.
Fraunhofer-Institut LBF (Darmstadt)
Schon im Namen des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF erkennt man die Bedeutung des Forschungsfeldes für Windkraftanlagen. Die bei hohen Windgeschwindigkeiten wirkenden immensen Kräfte, machen die Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit einer Windenergieanlage zu einer Herausforderung für die Entwicklungsingenieure.
Ein Fachgebiet des Fraunhofer LBF ist die Entwicklung von ganzheitlichen sowie material- und energieeffizienten Lösungen auf dem Gebiet der Schwingungstechnik. Leiter des Forschungsprojekts ist Roman Kraus aus der Abteilung Strukturdynamik und Schwingungstechnik des Fraunhofer LBF (siehe Kontaktdaten unten).
Probleme durch Schwingungen und Dynamik von Windenergieanlagen
Schwingungen bei Windrädern verursachen vielfältige Probleme. Zum einen wird die Lebensdauer der in der Windanlage eingesetzten Komponenten verringert. Ferner werden störende Geräusche verursacht, die Schallabstrahlung erhöht. Schwingungen entstehen vorwiegend an der Gondel und dem Rotor und breiten sich über weitere Bereiche wie Turm und Fundament aus. Prinzipiell sind Schwingungen bei Windrädern mit horizontaler Rotorachse deutlich geringer als bei vertikalen Windrädern.
Beschreibung des Forschungsprojekts
Passive Maßnahmen der Eindämmung oder Übertragung von Schwingungen können unzureichend sein. Zu den passiven Methoden zählt beispielsweise der Einbau von Lagerungen für die Körperschallentkopplung. Neben passiven Methoden können auch aktive Zusatzsysteme zur Schwingungsreduktion implementiert werden.
Für das Forschungsprojekt wurde eine Mini-Windanlage aus deutscher Produktion vom Typ Aerocraft mit einer Nennleistung von 750 Watt und einem Rotordurchmesser von 2,4 m eingesetzt. Die Aerocraft umfasst eine horizontale Rotorachse. Aufgrund der erprobten Qualität des Windrads wurde dieses in den Kleinwind-Marktreport aufgenommen.
Zunächst wurde eine experimentelle Modalanalyse durchgeführt, um das dynamische Verhalten der Kleinwindkraftanlage und dessen Eigenschwingungsgrößen zu ermitteln. Es wurden aktiv Schwingungen in der Windkraftanlage und am Mast angeregt, um mit Hilfe einer Spezialsoftware ein numerisches Simulationsmodell zu entwickeln. Ferner wurde das Anregungsspektrum der Kleinwindanlage im laufenden Betrieb bei starkem Windaufkommen ermittelt. Dafür wurden Beschleunigungssensoren am oberen Ende des Mastes und an der Gondel befestigt (siehe Foto). Auf Basis des Simulationsmodells und den Messergebnissen wurde das aktive Zusatzsystem entwickelt. Die Umdrehungen des Rotors sind für einen Großteil der auftretenden Schwingungen verantwortlich. Rückwirkungen aus der Leistungselektronik haben dabei einen besonders starken Einfluss.
Aktives System ermöglicht erhebliche Reduktionen von Schwingungen
Das Aktivsystem zur Erzeugung von schwindungsmindernden Gegenkräften ist ein elektrodynamischer Aktor, der direkt neben dem Generator montiert wird. Als Regelungskonzept zur Minderung der Schwingungen wurde ein Algorithmus gewählt, der z.B. auch für die Schallreduktion im Fahrzeuginneren eingesetzt wird. Der Algorithmus berechnet das Signal für den Aktor aus der Anlagendrehzahl und dem zu minimierenden Fehlersignal, das von einem Beschleunigungssensor auf Höhe der Nabe erfasst wird.
Das System wurde im laufenden Betrieb einer Kleinwindkraftanlage unter natürlichen Windverhältnissen getestet. Es konnte eine deutliche Reduktion der Schwingungen erzielt werden. In Abhängigkeit von der Anlagendrehzahl wurden Reduktionen von 80% erreicht.
Ansprechpartner
Das Fraunhofer LBF fungiert auch für Unternehmen der Kleinwind-Branche als Partner im Rahmen öffentlich geförderter Forschungsprojekte. Ferner ist das Forschungsinstitut als Dienstleister im Bereich der Messtechnik und der Entwicklung innovativer Produkte tätig.
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Roman Kraus
Bartningstr. 47
64289 Darmstadt
Telefon: 06151 705-8336
E-Mail:
www.lbf.fraunhofer.de
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