Schwingungen von Windkraftanlagen aktiv begrenzen

Mit einer definierten Kraft wird die Kleinwindanlage über einen Impulshammer zu Schwingungen angeregt. / Pressefoteo: Fraunhofer LBF
Mit einer definierten Kraft wird die Kleinwindanlage über einen Impulshammer zu Schwingungen angeregt. / Pressefoteo: Fraunhofer LBF

Für Hersteller von Windkraftanlagen ist bei der Sicherheit der rotierenden Stromproduzenten noch Luft nach oben.

Insbesondere Schwingungen setzen den exponierten Energiemühlen zu. Mit Versuchen an einer Kleinwindanlage hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF am LOEWE-Zentrum AdRIA ein neues Projekt mit dem Ziel gestartet, die Konstruktion von Windkraftanlagen sicherer zu machen.

(WK-intern) – Dazu werden die Schwingungen der Anlage analysiert, um zu klären, mit welchen Maßnahmen sich diese am wirksamsten reduzieren lassen.

Hersteller von Windkraftanlagen setzen bereits während der Entwicklung darauf, die Anlagen möglichst schwingungsarm zu konstruieren. Das Fraunhofer LBF bietet im Gegensatz dazu zusätzliche Schwingungsreduktionsmaßnahmen an. Aktive Maßnahmen leiten mit einer Aktorik zusätzliche Kräfte ein, um die in einer Struktur vorhandenen Schwingungen zu kompensieren. Diese Maßnahmen können die Lebensdauer verlängern und die an die Umgebung abgegebenen Emissionen gering halten.

Um die bereits in verschiedenen Projekten umgesetzten Technologien für den Einsatz in Windenergieanlagen weiterentwickeln zu können, hat das Fraunhofer LBF eine von der Firma Gödecke Energie- und Antriebstechnik zur Verfügung gestellte  Kleinwindanlage auf einem der Institutsgebäude installiert. Das Fraunhofer LBF konnte in den letzten Jahren seine Expertise zur aktiven und passiven Schwingungsminderung stark erweitern und neue Technologien erproben, die jetzt auch für die Windkraft eingesetzt werden sollen.   

Ziel: Aktor aufbauen und testen

In einem ersten Schritt führen die Wissenschaftler an der Windkraftanlage eine Experimentelle Modalanalyse (EMA) durch. Die Anlage wird dabei mit 20 Sensoren mit jeweils drei Raumrichtungen versehen und an verschiedenen Positionen mit einer definierten Kraft in Schwingungen versetzt. Aus den Ergebnissen generieren sie ein computergestütztes Simulationsmodell, das Aussagen über das dynamische Verhalten der Anlage bei vorgegebenen Belastungen zulässt.

In einem zweiten Schritt wird ein Beschleunigungssensor an der Spitze des Mastes platziert, um die Schwingungsamplituden des Mastes in Langzeitmessungen im Betrieb zu messen. Daraus wird die Windanregung bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und Rotordrehzahlen bestimmt. Anhand der Ergebnisse können die Forscher Aussagen darüber treffen, wie ein geeigneter Aktor zu dimensionieren ist, um ausreichend Gegenkräfte zur Schwingungsreduktion in die Struktur einleiten zu können. Das Ganze dient dem Ziel, einen solchen Aktor aufzubauen und zu testen.

Schadensanalyse erhöht Wartungsintervalle

Die Anlage bietet sich auch als Plattform zur Demonstration von Structural Health Monitoring Systemen (SHM) an. Hierbei wird über Sensoren das strukturdynamische Verhalten der Anlage erfasst. Erklärtes Ziel ist es, Inspektions- und Wartungsintervalle zu erhöhen, was insbesondere bei Offshore-Anlagen zu hohen Kosteneinsparungen führen kann.

Die in Windkraftanlagen herrschenden Vibrationen wirken sich in Form von Schall auch auf die Umwelt aus. Mit Hilfe von Zusatzsystem lassen sich diese unerwünschten Schwingungen deutlich reduzieren, so die Erwartung der Forscher. Langfristig könnten die an der Kleinwindanlage gewonnenen Erkenntnisse sogar hilfreiche Informationen für den Einsatz solcher Systeme an großen Windkraftanlagen liefern.

PM: Fraunhofer LBF

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