Welche Lebensdauer hat eine Windkraftanlage und wie kann sie verlängert werden?

Welche Lebensdauer hat eine Windkraftanlage?

Die Lebensdauer einer Windkraftanlage wird im Allgemeinen als die Zeitspanne definiert, über die eine Turbine bei oder nahe ihrer vorgesehenen Produktionskapazität effizient und zuverlässig laufen kann. Grundsätzlich hat eine Windkraftanlage eine Lebensdauer von etwa 20 bis 30 Jahren, damit sie in einem Windpark zuverlässig erneuerbare Energien erzeugen kann.

Die Lebensdauer einer Windkraftanlage kann allerdings in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren erheblich variieren. Zu diesen Faktoren gehören: die ursprüngliche Konstruktion und die Robustheit der Turbine, die Einwirkung von Umweltbedingungen und Belastungen, die Betriebshistorie und der Umfang der an ihr vorgenommenen Wartungsarbeiten.

Innerhalb einer Turbine unterliegen viele kritische Komponenten im Laufe der Zeit dem Verschleiß und der Ermüdung. Dazu gehören die Rotorblätter, das Getriebe, der Generator und der Turm selbst.An einem bestimmten Punkt erreichen bzw. übertreffen die Kosten für die Reparaturen dieser Teile die Kosten für den Austausch der Einheit, oder die Rendite der Reparaturen reicht nicht aus, um Reparaturen zu rechtfertigen, die zu einer Außerbetriebnahme führen.

Wie lässt sich die Lebensdauer von Windkraftanlagen verlängern? 

Ab dem Tag ihrer Inbetriebnahme müssen Windkraftanlagen während ihrer gesamten Lebensdauer permanent mechanischen und umweltbedingen Belastungen standhalten. Mit der Zeit führen diese Belastungen zu unterschiedlichen Ermüdungserscheinungen an der Anlage. Dies führt häufig zu verfrühten Ausfällen von Komponenten und der Gesamtstruktur.

Mit fortschrittlicher Steuerungssoftware lassen sich einige dieser Belastungen abmildern. Dies verlängert die Lebensdauer einer Windkraftanlage und erhöht oft zugleich die Energieproduktion. Die Einführung solcher Steuerungslösungen ist eine zeit- und kosteneffektive Alternative zu unvermittelt anfallenden Reparaturen oder der Aufrüstung von Bauteilen.

Belastungsminderung – Axialkraftbegrenzung und Leistungsbegrenzung bei Turbulenzen

Die Belastung einer Turbine resultiert hauptsächlich aus aerodynamischen Kräften infolge wechselnder Windgeschwindigkeiten und -richtungen sowie Reglerreaktionen. Diese Belastung kann schneller zu Materialermüdung führen, lässt sich aber über das Steuerungssystem reduzieren.

Eine gängige Methode zur Lastminderung sind Algorithmen zur Axialkraftbegrenzung und zur Leistungsbegrenzung bei Turbulenzen, die gemeinsam extremen Belastungen und Materialermüdung entgegenwirken können.

Ein Axialkraftbegrenzer schätzt die Axialkraft anhand der Windgeschwindigkeit. Je höher die geschätzte Axialkraft (durch die die Turbinenlast und die Belastung steigen), desto mehr wird das Rotorblatt in den Wind gestellt. Dies reduziert die Last um bis zu 5 %, kann aber die jährlich erzeugte Energie (AEP) etwas reduzieren.

Zusätzlich zu einem Axialkraftbegrenzer kann ein skalierter Axialkraftbegrenzer verwendet werden, der in Abhängigkeit von auftretenden Turbulenzen wirkt. In diesem Fall nimmt die Axialkraftgrenze mit zunehmender Windturbulenz ab. Dies führt im Vergleich zur statischen Axialkraftbegrenzung zu geringeren Auswirkungen auf die AEP.

Schließlich verringert ein System zur Leistungsbegrenzung bei Turbulenzen die Leistungsabgabe in Phasen starker Turbulenz, so dass die Belastungen durch extreme Windlasten reduziert werden. Dies geschieht durch eine Turbulenzabschätzung auf Grundlage der in der Gondel gemessenen Beschleunigung und Windgeschwindigkeit.

Belastungsminderung – Reduzierung der Schwingungen des Antriebsstrangs

Schwankende Windgeschwindigkeiten, Turbulenzen und Fehlausrichtung sind einige der Faktoren, die zu Schwingungen des Antriebszugs der Windkraftanlage führen können. Diese Schwingungen wiederum führen zu erhöhten Ermüdungsbelastungen des Antriebsstrangs.

Um dies zu beheben, kompensiert ein Dämpfer die Schwingungen des Antriebsstrangs bei dessen Eigenfrequenz. Dadurch entsteht eine phasenverschobene Schwingung (bzw. eine Kraft, die die Schwingung des Antriebstrangs dämpft), die zum Sollwert des Steuersystems addiert wird. Das Ergebnis ist ein Sollwert für das Generatordrehmoment, der die Eigenfrequenz des Antriebs dämpft. Durch die Dämpfung des Antriebs kann die Belastung des Antriebsstrangs um bis zu 10 % reduziert werden.

Belastungsminderung – Reduzierung der Schwingungen des Turms

Schwingungen des Turms erhöhen die Ermüdungsbelastung des Turms und können die Lebensdauer von Windkraftanlagen verkürzen - unabhängig davon, ob sie durch Turbulenzen, Resonanz oder eine Rotorunwucht verursacht werden. Eine Dämpfung des Turms kann solchen Turmschwingungen entgegenwirken. Dies geschieht mit Hilfe von Beschleunigungsmessern ganz oben am Turm, und zwar sowohl in transversaler als auch in axialer Richtung.

Für die transversale Richtung erzeugt das System eine Gegenphasen-Schwingung, die zum Sollwert der Leistung hinzugefügt wird. In axialer Richtung erzeugt die Dämpfung eine gegenphasige Pitch-Schwingung, die zum Pitch-Sollwert addiert wird. Das Ergebnis ist ein Sollwert für das Generatordrehmoment und sowie den Blattwinkel, der die Eigenfrequenz des Turms dämpft, wodurch die Ermüdungsbelastungen um bis zu 8 % reduziert werden können.

Turbinenoptimierung – Ausrichtung von Blattwinkel und Windrichtungsnachführung

Die unsachgemäße Positionierung infolge von unzureichender Windrichtungsnachführung oder eines falschen Blattwinkes kann die Ermüdungsbelastung von Windkraftanlagen erheblich erhöhen. Fehlausrichtungen der Windrichtungsnachführung können durch einen selbstkalibrierenden Gieralgorithmus korrigiert werden, der eine kontinuierliche Gierausrichtung ermöglicht. Bei Ausrichtungsfehlern des Blattwinkels wendet ein Algorithmus für die Erkennung von Rotorunwuchten eine automatische Korrektur der Winkelsollwerte an. Die Korrektur beider Fehlausrichtungen mittels fortschrittlicher Steuerungssoftware reduziert den Systemverschleiß und verlängert damit die Lebensdauer der Windkraftanlage bei zugleich erhöhter Energieerzeugung.

Ausbalancieren von Leistungsabgabe und Turbinenverschleiß

Wenn Ausrichtungsfehler bei Windnachführung und Rotorwinkel zu Materialermüdung führen sowie bei Schwingungen im Antriebsstrang und im Turm sind keine nennenswerten Kompromisse hinsichtlich der Leistungsabgabe notwendig. Fortschrittliche Steuerungslösungen haben sich bewährt, um die Lebensdauer einer Windkraftanlage ohne Leistungsminderung zu verlängern.

Bei der Implementierung von Lösungen zur Axialkraftbegrenzung müssen mitunter Kompromisse in Kauf genommen werden, aber eine fortschrittliche Steuerung kann über das Gleichgewicht zwischen Turbinenleistung und Materialbeanspruchung entscheiden. 

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