Windenergie Technik der Zukunft

Mess- und Regeleinrichtungen an einer Windkraftanlage
Für den Betrieb einer WKA sind zahlreiche Parameter relevant. Damit die Anlage angefahren werden kann, muss ein Minimum an Wind wehen. Windgeschwindigkeit, Windrichtung - und damit verknüpft - Luftdruck, Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit sind außen wirksame Messgrößen. Für die letzten drei genannten Messgrößen stehen im JUMO-Programm Sensoren für die unterschiedlichsten Anwendungen zur Verfügung. Ist das Windpotenzial hoch genug, wird die Gondel mit dem Rotor als Luv-Läufer in den Wind gedreht. Die Rotorblätter werden über eine Pitch- oder eine Stallregelung auf den optimalen Betriebswinkel angestellt. Hydraulische Systeme für Positionssensorik mit Druck- und Temperatursensoren von JUMO übernehmen diese Aufgabe. Bei klimatisch ungünstigen Bedingungen kann es zu einer Vereisung der Rotorblätter kommen, die zu Unwucht im Rundlauf sowie zu asymmetrischen Lagerbelastungen führt und somit zu vermindertem Ertrag durch schlechte Anströmung. Als Lösung bieten sich Rotorblatt-Heizsysteme an, welche ebenfalls temperaturüberwacht und geregelt werden. Anlege- oder Einsteck-Widerstandsthermometer von JUMO erfüllen die Aufgaben der Temperaturmessung. Ist alles in Ordnung, werden die drucküberwachten Sicherheits- und Bremssysteme gelöst und der Rotor beginnt sich zu drehen.

Betriebssysteme
Man unterscheidet hier zwischen drei Systemen:

WKA mit getriebelosem System
Bei getriebelosen Systemen sitzen die Polschuhe auf dem Rotor und der Stator ist das vordere ringförmige Gondelgehäuse. Der drehzahlvariable Energieeintrag wird über vollelektronische Hochleistungs-Wechselrichtersysteme spannungs- und phasengleich am Netzanschluss eingespeist. Überwacht werden die Polschuhe mit einzelnen, bei der Herstellung integrierten einfachen Temperatursensoren mit Anschlusslitzen oder durch mehrere Pt100-Temperatursensoren, die zwischen die dreipoligen Wicklungsstränge des Stators eingelegt und mit vergossen wurden. Großanlagen ab 5MW erreichen Statorring-Durchmesser von mehr als 12m! Da direkt zwischen den Wicklungslagen gemessen wird, können die Anlagen bis zur Leistungsgrenze und maximalen Temperaturbelastung der Isolierung der Kupferleitungen sicher betrieben werden. Die Hochleistungs- Wechselrichter erzeugen ebenfalls Verlustwärme, welche aus den Schaltschränken und der Gondel abgeführt werden muss. Temperatur- und Drucksensoren werden zur Regelung und Überwachung von Filtern und Lüftersystemen benötigt.

WKA mit regelbarem Getriebe
Bei Windkraftanlagen mit regelbarem Getriebe passen diese Getriebe windabhängige Rotordrehzahlen an die notwendige konstante Drehzahl des separat in der Gondel aufgestellten Generators an. Die enormen Belastungen an den Zahnflanken der Getriebe werden durch eine ausgeklügelte Schmiertechnologie handelbar. Verlustwärme, entstanden durch Reibungskräfte, bringt das Öl thermisch an die physikalischen Grenzen. Deshalb ist hier eine Ölstandsmessung mit Öldruck- und Öltemperaturmessung unumgänglich. Damit Maximalwerte nicht überschritten werden, wird bei Starkwind der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert oder gar mechanisch mit der Bremse die Drehzahl begrenzt. Die Temperaturmessung in den großen Getrieben erfolgt durch längenvariable Einsteck- oder Einschraub-Widerstandsthermometer mit gefederten Messspitzen oder gefederten Verschraubungssystemen. Neueste Versionen sind dabei mit Zweileiter-Messumformer-Ausgang 4...20mA oder mit CAN-Ausgang versehen. Neben den hochwertigen gefederten Varianten, teilweise mit integrierter Elektronik, setzt man in den USA besonders auf einfache gefederte und längenvariable Widerstandsthermometer mit Bajonettverschluss. Eingebaut im direkten Kontakt mit den Kugel- und Rollenlagern, widersteht die Bauform allen widrigen Bedingungen. Die schwingungs- und erschütterungsempfindlichere Elektronik bleibt dabei geschützt im Schaltschrank. Im klimatisch sauberen Umfeld kann die Abwärme zur Temperierung von Gondel und Turm genutzt werden. Überschüssige Energie wird einfach durch Luftaustausch ins Freie befördert.