Fraunhofer LBF
Windkraftanlagen sicherer machen
Vibrationen aus dem Betrieb und auch durch das Wetter können die Sicherheit exponierter Windkraftanlagen gefährden. Das Fraunhofer LBF möchte die Konstruktion von Windkrafanlagen sicherer machen und Schwingungen aktiv begrenzen.
Windkraftanlagen sind hohen Belastungen ausgesetzt. Aus dem Betrieb, z.B. durch das Getriebe oder den Fliehkräften der Rotorblätter, aber auch durch das Wetter, z.B. bei kräftigem Wind und Sturmböen, sind die Stromerzeuger Vibrationen bzw. Schwingungen ausgesetzt. Hersteller von Windkraftanlagen kennen die Schäden, die auf Vibrationen zurückzuführen sind. Bereits in der Entwicklung setzten sie daher auf eine schwingungsarme Konstruktion.
Einen anderen Ansatz verfolgt das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF: Sie erzeugen mit Hilfe von Aktorik zusätzliche Kräfte und kompensieren so die in der Struktur vorhanden Schwingungen. So lässt sich die Lebensdauer verlängern und die an die Umgebung abgegebenen Emissionen gering halten. Für dieses Ziel der aktiven Schwingungsbegrenzung startete das Fraunhofer LBF ein Projekt mit dem Ziel, die Konstruktion von Windkraftanalgen sicherer zu machen. Dazu wurden bei Versuchen an einer Kleinwindanlage deren Schwingungen analysiert und geeignete Gegenmaßnahmen untersucht.
Um eben diese Schwingungen zu untersuchen, wurde auf einem Institutsgebäude in Darmstadt eine Kleinwindanlage des Modells AeroCraft 752 der Firma Gödecke Energie- und Antriebstechnik installiert. Im Rahmen des vom Land Hessen geförderten Projekts LOEWE (Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz) konnte das Fraunhofer LBF seine Expertise zur aktiven und passiven Schwingungsminderung am Zentrum AdRIA (Adaptronik – Rese-arch, Innovation, Application) erweitern und neue Technologien für die Anwendungen in Windkraftanlagen erproben.
Schwingungen von Windkraftanlagen aktiv begrenzen
Experiment auf dem Institutsgebäude
Zu Beginn wurde an der Windkraftanlage eine experimentelle Modelanalyse, kurz: EMA, durchgeführt. Dabei wurden rund 20 Sensoren mit jeweils drei Raumrichtungen an die Anlage angebracht und diese dann an verschiedenen Positionen mit einer definierten Kraft in Schwingungen versetzt. Aus den Ergebnissen konnte ein computergestütztes Simulationsmodell generiert und Aussagen über das dynamische Verhalten der Anlage getroffen werden. Beispielsweise lässt sich der Schwingweg des Mastes errechnen, wenn eine Windbelastung auf ein oder mehrere Rotorblätter wirkt. Aus der Schwingung des Mastes kann aber auch die anregende Windlast berechnet werden.
Im nächsten Schritt wurde ein Beschleunigungssensor an der Mastspitze angebracht und die Schwingungsamplituden des Mastes im Betrieb in einer Langzeitmessung erfasst. Daus wurde die Windanregung bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und Rotordrehzahlen bestimmt. Aus diesen Messungen konnten die Wissenschaftler Aussagen darüber treffen, wie ein Aktor dimensioniert werden muss, um ausreichende Gegenkräfte zur Schwingungsbegrenzung in die Struktur einleiten zu können.
Doch die Schwingungsbegrenzung war nicht das einzige Ziel der Forscher. Die Anlage bietet sich zudem als Plattform zur Demonstration von Strucutral Health Monitoring Systemen, kurz: SHM, an. Dabei wird das strukturdynamische Verhalten der Anlage über Sensoren erfasst. Aus den Veränderungen der Schwingformen an einer oder mehreren Resonanzfrequenzen können Rückschlüsse auf die Position und das Ausmaß von Schäden innerhalb der Struktur geschlossen werden. So könnten Inspektions- und Wartungsintervalle insbesondere bei Offshore-Anlagen besser gesteuert werden.
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