Mit Blick auf die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen der Windenergie, die mit immer leistungsstärkeren Windenergieanlagen (WEA), größeren Rotorblattdurchmessern und neuen Rotorblattdesigns einhergehen, ist eine permanente Weiterentwicklung von elektrischen Pitchsystemen von entscheidender Bedeutung.

Eine der wichtigsten Funktionen eines elektrischen Pitchsystems besteht darin, die Rotorblätter einer WEA zu jeder Zeit in die Fahnenposition zu verfahren, um einen sicheren Anlagen-Stopp zu gewährleisten. Über diesen sicherheitsrelevanten Aspekt hinaus hat ein solches System deutlichen Einfluss auf die Leistungsausbeute und damit auf die Profitabilität von WEA. Fehlerhaft eingestellte Blattanstellwinkel können sich aber nicht nur auf den Energieertrag, sondern aufgrund erhöhter Betriebslasten auch negativ auf die Lebensdauer einer WEA auswirken.

Entwicklung neuer Lösungen
Als ein Spezialist für elektrische Pitchsysteme arbeitet SSB Wind Systems unter Einsatz von neuen Technologien und Verfahren seit jeher an der Entwicklung neuer Lösungen. Dies belegt u. a. UniFlex Pitch, das wohl erste, weltweit einsetzbare universelle Pitchsystem für WEA. Vor diesem Hintergrund geht es aber nicht allein darum, die Entwicklungszeiten von elektrischen Pitchsystemen zu verkürzen, sondern mit echten Innovationen auch den Wirkungsgrad von WEA zu steigern.

Forschungsgebiet Windfeld
Wesentliche Informationen für die Regelung eines Pitchsystems liefern bislang das Anemometer und die Windfahne. Da beide Systeme auf dem Maschinenhaus montiert sind, finden die Messungen nicht am eigentlich relevanten Ort des Geschehens, nämlich im Bereich der Rotorblätter, statt. Ein zentrales Forschungsgebiet, mit dem sich SSB Wind Systems daher in den letzten Jahren intensiver beschäftigte, ist das Windfeld über der überstrichenen Rotorfläche. Da dies aufgrund bisherige, unzureichender Messverfahren nicht genauer bekannt ist, lässt sich u. a. der Wirkungsgrad einer Anlage nicht exakt messen.

Vollfeldmessung über die gesamte überstrichene Rotorfläche
Mit dem WindSensor hat SSB Wind Systems nun eine Entwicklung angestoßen, die eine Vollfeld-Messung des Windfeldes über die gesamte Fläche ermöglicht, die die Rotorblätter überstreichen. Grundlage hierfür liefert eine Technologie, die auf Messungen der Blattverformungen in Kombination mit einer hoch entwickelten Signalanalyse- und Auswerteeinheit basiert. Die Fähigkeit des Blattsensors, eine vollständige und vor allem sofortige Windfeldmessung durchzuführen, ermöglicht die Erstellung wesentlich präziserer Leistungskurven.


Pitch agiert, statt zu reagieren
Anhand einer exakten, klar definierten Leistungskurve und der Kenntnisse über die vorherrschenden Windfeldbedingungen bei der Messung kann letztendlich eine Beurteilung des tatsächlichen Wirkungsgrades einer WEA vorgenommen werden. Mehr noch: Mit der Messung des Windfeldes vor den Rotorblättern ließen sich zukünftig außerdem Yaw-Fehler, verursacht durch eine ungenaue Windfahne, vermeiden. Und auch der Pitch könnte dann auf Böen agieren, statt wie bisher, zu reagieren.

Direkter, schneller, effizienter
Im Zusammenhang mit dem WindSensor gehen die Überlegungen von SSB Wind Systems aber noch einige entscheidende Schritte weiter: „Wir haben mit der Entwicklung an dieser Lösung den Weg bereitet, um das elektrische Pitchsystem intelligenter zu machen. Zukünftig lassen sich solche Systeme in Anbetracht der zeitnahen Informationen aus dem Windfeld vor den Rotoren besser, direkter, schneller und damit weitaus effizienter steuern. Hierzu müssen jedoch die Reaktionszeiten zur Regelung des Pitchsystems kürzer werden,“ meint Hermann Kestermann, Director Strategic Marketing von SSB Wind Systems.

Komplett Sensor-Ready
Eine Bedingung hierfür ist, dass sich die Intelligenz zur Steuerung des Pitchsystems unmittelbar in der Rotornabe befindet. Das Pitchsystem muss somit bereits über alle hierzu notwendigen Schnittstellen verfügen. „Das elektrische Pitchsystem wäre damit auch komplett Sensor-Ready, sodass z. B. die Datenübertragung von den Sensoren zu einer Auswerteeinheit in der Nabe direkt und ohne Umwege über den Schleifring erfolgen würde. Das Pitch- und das Sensorsystem zur Ermittlung der Rotorblattlasten, also zwei bislang getrennte Systemwelten, wären dann miteinander verbunden. Außerdem könnte man die Voraussetzungen schaffen, die Komponenten in der Nabe einem umfangreichen Condition Monitoring zu unterziehen“, so Hermann Kestermann.

Verbessertes Zusammenspiel
Mit Blick auf die aktuellen Gegebenheiten im Windfeld vor den Rotorblättern würde ein derartiges System eine wesentlich exaktere Steuerung des Pitchsystems ermöglichen. „Die Daten von den Sensoren ließen sich durch die Kommunikation des intelligenten Pitchs mit der Hauptsteuerung der WEA für eine präzisere Nachführung des Maschinenhauses in den Wind nutzen und damit das Zusammenspiel zwischen Rotorblattpitch und Yaw verbessern“, beschreibt Hermann Kestermann die vielfältigen Potenziale einer zukünftigen Neuentwicklung.

Datenverarbeitung ohne Umwege
Gewissermaßen das Herzstück solcher Systeme bildet die gesamte Datenverarbeitung, die nach Vorstellungen von SSB Wind Systems über einen eigenständigen Rechner in der Nabe im Sinne eines Advanced Pitch Controllers ohne Umwege über den Anlagencontroller erfolgen würde.
Eine große Herausforderung besteht dabei allerdings in der Vorverarbeitung der Fülle an Daten, die von den Blattsensoren geliefert werden. Sie müssen so aufbereitet werden, dass die wirklich relevanten Informationen für eine schnelle, zielgerichtete Steuerung des Pitchsystems bereitstehen. „Dies setzt in Kombination mit äußerst cleveren Softwarealgorithmen eine überaus hohe Rechnerperformance sowie hohe Bandbreite für eine hocheffiziente Datenübertragung und -verarbeitung voraus.“

Neben den bewährten und neuen Technologien im Bereich elektrischer Pitchsysteme werden auch die aktuellen Aktivitäten von SSB Wind Systems zentrale Themen auf dem Stand des Unternehmens während der EWEA Offshore 2013 in Frankfurt sein.


SSB Wind Systems auf der EWEA Offshore 2013: Stand 31B90

(782 Wörter, 6.052 Zeichen mit Leerzeichen)

Bilder zum Download 

Hermann Kestermann, Director Strategic Marketing von SSB Wind Systems.
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Anemometer und Windfahne liefern keine ausreichenden Informationen für eine effizientere Regelung des elektrischen Pitchsystems.
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Die aufgezeichneten Daten zeigen, dass eine WEA bei einem angenommenen Wind von 8 m/s eine Leistung irgendwo zwischen 300 kW und 1,3 MW erzeugt. Die Daten über einen längeren Zeitraum zu mitteln, ist ebenfalls keine Lösung, da sich mit einem 10-Minuten-Mittel die Streuung zwar reduzieren lässt, aber eben nicht genug, um exaktere Aussagen zu treffen.
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Wie aus dem Vergleich des Signals einer WEA-Windfahne mit dem eines nabenmontierten Laserdopplers ersichtlich wird, zeigt die Windfahne manchmal korrekte Werte an, manchmal aber auch sehr fehlerhafte. Diese Abweichungen sind so nicht erkennbar, da nur der Wert des Anemometers zur Verfügung steht, womit der entsprechende Energieverlust unerkannt bleibt.
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