Am vergangenen Dienstag wurde Deutschlands größter Gondel-Prüfstand eingeweiht. In diesem lassen sich Antriebsstränge von Windenergieanlagen bis acht Megawatt testen.© Fraunhofer IWES / Martina Buchholz

Forschungsprojekt nachgehakt: Teststand für Gondeln von Windenergieanlagen

26.10.2015

Feierliche Einweihung mit Nebelmaschine und Lichtshow: Der Betrieb startete mit der elektrischen Zertifizierung des Generators der Firma Jacobs Powertec nach Richtlinien der Fördergesellschaft Windenergie.© Anna Durst, BINE Informationsdienst

Der Prüfstandsantrieb (links im Bild) ist auf einem Betonfundament befestigt und um einen

Deutschlands größter Gondel-Prüfstand eingeweihtIn Bremerhaven steht Deutschlands größter Teststand für Gondeln von Windenergieanlagen. In diesem lässt sich ein Antriebsstrang bis acht Megawatt testen. Ein sogenanntes Lasteinleitungssystem simuliert mechanisch die im Feld wirkenden Windlasten. Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES nahm den Gondel-Prüfstand am vergangenen Dienstag offiziell in Betrieb.

Je größer die Bauteile von Windenergieanlagen, desto größer fallen die Belastungen aus. Kleine wie große Strukturen verhalten sich dabei elastisch. Dann entstehen Schwingungen, die hohe dynamische Belastungen hervorrufen. Das Belastungsniveau wird dabei bestimmt durch die Lasten, die auf den Rotor wirken, was sich auch auf die übrigen Bauteile auswirkt. Folgen können dann Frühausfälle, Montagefehler oder andere Fehler bei der Inbetriebnahme sein. Um solche Mängel  künftig zu reduzieren, entwickelten die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Bremerhaven einen Prüfstand für Windenergie-Gondeln bis acht Megawatt. Im sogenannten Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab) lassen sich Gondeln testen. Bisher einmalig ist das Lasteinleitungssystem, welches die im Feld wirkenden Windlasten mechanisch simuliert. Die Forscher untersuchten die elektrischen Komponenten mittels eines nachgeahmten Stromnetzes. Damit verfügt der Teststand über die weltweit leistungsstärkste Netzsimulationsanlage.

„Dieser Prüfstand mit seinem Gebäude wurde in nur 18 Monaten aufgebaut – von der Grundsteinlegung bis zur offiziellen Übergabe an den Nutzer, das Fraunhofer IWES“, ist der stellvertretende Institutsleiter des Bremerhavener Fraunhofer IWES Professor Jan Wenske stolz. Eine Gondel ist Wind, Wellen, weiteren Umwelteinflüsse und ihrem

Der Prüfstandsantrieb (links im Bild) ist auf einem Betonfundament befestigt und um einen Winkel von fünf Grad geneigt angeordnet. Dieser Winkel entspricht der tatsächlichen Lage einer Windenergieanlage im Feld.© Anna Durst, BINE Informationsdienst

Lasteinteilung: Sechs hydraulische Zylinder übertragen die Kräfte und Momente auf die Gondel. Der dahinter liegende Umrichterraum bildet das elektrische Netz ab.© Fraunhofer IWES

„Dieser Prüfstand mit seinem Gebäude wurde in nur 18 Monaten aufgebaut – von der Grundsteinlegung bis zur offiziellen Übergabe an den Nutzer, das Fraunhofer IWES“, ist der stellvertretende Institutsleiter des Bremerhavener Fraunhofer IWES Professor Jan Wenske stolz. Eine Gondel ist Wind, Wellen, weiteren Umwelteinflüsse und ihrem Netzanschluss über viele Jahre ausgeliefert. Tests im Labor haben immer ihre Grenzen. Aber einen entscheidenden Vorteil hat der DyNaLab, weiß Wenske: „Wir können hier unter komprimierten Bedingungen die Tests beliebig oft und mit hoher Genauigkeit produzieren.“

Nachgeahmtes Netz: Nachbildung realer WindlastenDas Winddrehmoment wird über zwei fremderregte Synchronmaschinen in Tandem-Anordnung mit einer Antriebsleistung von jeweils fünf Megawatt nachgebildet. Dadurch stehen für den Testbetrieb zehn Megawatt Antriebsleistung zur Verfügung. Das ermöglicht die Einleitung eines Nenndrehmoments von 8.600 kNm in den Prüfling. Der gesamte Antriebsstrang des Prüfstands ist um einen Winkel von fünf Grad geneigt angeordnet. Reale Belastungssituation: Dieser Winkel entspricht der tatsächlichen Lage einer Windenergieanlage im Feld. Das Motordrehmoment wird über eine sogenannte Lenkerkupplung auf den

Prüfling übertragen.

Mechanischen Windlasten, wie Schub- oder Biegemomente, bildet eine hydraulische Krafteinleitung nach. Die lasteinleitende Struktur ist über ein Momentenlager mit einem Flansch-Adapter verbunden. Die Momente und Kräfte können so von der nicht rotierenden Lastscheibe auf die drehende Welle übertragen werden. Einmalige Konfiguration: Es können Biegemomente von rund 20.000 kNm und Schub in der Größenordnung von 1.900 kN aufgebracht werden. Darüber hinaus lassen sich auch radiale Lasten dynamisch nachbilden. Die Krafteinleitung erweitert den Gondelprüfstand um fünf zusätzliche Freiheitsgrade.

Labortest schlägt FeldtestRealistische Tests werden für Hersteller von Windenergieanlagen immer unverzichtbarer, um bei stark beschleunigtem Entwicklungstempo neue Anlagendesigns in gesicherter Qualität auf den Markt zu bringen. Durch den Einsatz eines virtuellen 36.000 Volt-Mittelspannungsnetzes können Kurzschlüsse und andere kurzzeitige Ereignisse im Netz mit hoher Wiederholfrequenz getestet werden. So lässt sich die Prüfdauer an die Anforderungen des Herstellers anpassen. Um reale Lasten und Wechselwirkungen zwischen Gondel und Rotor im Prüfstand abzubilden, setzen die Wissenschaftler daher Echtzeitmodelle und Regelalgorithmen ein.

„Durch die Netz- sowie die Hardware-in-the-Loop-Windlastsimulationen können verschiedene Belastungsszenarien reproduzierbar abgebildet werden, um das Verhalten einer Anlage bei Notstopps, Multidips im Netz bei Sturm oder Netzkurzschluss durch fehlerhafte Pitchregelung experimentell zu testen“, erklärte Professor Andreas Reuter, Institutsleiter des Fraunhofer IWES. Auf diese Weise lassen sich auch Betriebsführung und Regelung optimieren sowie Modelle validieren. Der Betrieb startete mit der elektrischen Zertifizierung des Generators der Jacobs Powertec nach Richtlinien der Fördergesellschaft Windenergie (FGW). Ende Dezember kommt dann eine 8-MW-Gondel von Adwen auf den Prüfstand. Das Fraunhofer IWES teilte erfreut mit, dass der Teststand dann bis zum ersten Quartal 2017 ausgebucht sein wird.

Der Gondel-Prüfstand wurde mit rund 19 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und ist Teil der Energieforschung. Ausführliche Informationen zum DyNaLab bietet das BINE-Projektinfo „Gondeln im Schnelldurchlauf testen“ (15/2014).

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