Windkraftanlagen im Labormaßstab

Windkraftanlagen als wesentlicher Baustein der Energiewende

Windenergie zählt heute zu den leistungsstärksten erneuerbaren Energiequellen. Gerade im Verbund mit mehreren Einheiten, stellen moderne Windkraftanlagen große elektrische Leistungen bereit und können sowohl an Land (Onshore) als auch auf See (Offshore) installiert werden. Insbesondere Offshore-Anlagen profitieren von gleichmäßigeren Windgeschwindigkeiten, welche zu stabileren Einspeiseleistungen und verbesserter Planbarkeit am Netzanschluss führt.

Mit dem wachsenden Anteil erneuerbarer Erzeuger, steigen jedoch auch die Anforderungen am Netzanschluss. Windkraftanlagen übernehmen heute zunehmend Aufgaben, die früher konventionellen Kraftwerken vorbehalten waren. Dazu gehören Beiträge zur Primärregelung (Stabilisierung der Frequenz) über die in der Mechanik gespeicherte Rotationsenergie, als auch die Bereitstellung von Blindleistung zur Spannungshaltung.
 

Demonstrator und Lernfeld für studentische Arbeiten

Um dieses aktuelle Thema in die Lehre zu integrierten und den sich ergebenden interdisziplinären ingenieurwissenschaftlichen Aufgabenstellungen gerecht zu werden, wird eine Demonstrationsanlage zur Durchführung studentischer Arbeiten aufgebaut. Studierende sollen an diesem konkreten System zentrale Kompetenzen aus dem Studium zusammenführen und vertiefen. Durch Umgebung im Labormaßstab lassen sich perspektivisch Parameter des Systems gezielt variieren (Auslegung der Regelung, Windgeschwindigkeit, Mechanik, Verluste), wodurch ein idealer Kontext für Experimente und wiederholbare Auswertungen entsteht. Exemplarisch sollen hier drei Bereiche besonders hervorgehoben werden:
 

  • Pitch-Regelung (Blattverstellwinkel):
    Anpassung des Anstellwinkels der Rotorblätter zur Leistungsbegrenzung bei hohen Windgeschwindigkeiten. Die ist eine der zentrale Komponenten moderner Windkraftanlagen.
     
  • Regelung der elektrischen Maschine:
    Effiziente Strom-, Drehmoment- als auch Drehzahlregelungen sind entscheidend, um den aerodynamischen Arbeitspunkt der Anlage effizient einzustellen.
     
  • Regelung des netzgekoppelten Wechselrichters:
    Der Wechselrichter übernimmt die Kopplung der Anlage an das Versorgungsnetz und übernimmt die Stabilisierung der Zwischenkreisspannung, so wie die Leistungsregelung.

 

Der erste Schritt in Richtung Demonstrator: Skalierte 3D-gedruckte Windkraftanlage mit mechanischer Pitch-Regelung

Abb. 1: Montierte 3-D gedruckte Windkraftanlage für den Laborbetrieb (Foto: Tim Schlindwein)
Abb. 2: Experimentelle Verifikation mit Anemometer und skalierter Windkraftanlage (Foto: Tim Schlindwein)

Im Rahmen einer Studienarbeit wurde zunächst eine einfach herstellbare Windkraftanlage untersucht, die im 3D-Druck gefertigt und für Laborzwecke auf hochschuleigenen Druckern reproduzierbar hergestellt werden kann [1].

Im Fokus stand die Konstruktion, der mechanische Aufbau sowie die experimentelle Charakterisierung des mechanischen Systems.

Zur Untersuchung des Betriebsverhaltens wurde die Anlage mit einem Industriegebläse beaufschlagt und deren Verhalten experimentell untersucht.
Auf dieser Basis dieser Untersuchungen konnten erste Ergebnisse erzielt werden:

  • die Cut-in-Windgeschwindigkeit (Anlauf-/Einschaltwindgeschwindigkeit) wurde experimentell bestimmt
  • die in der Konstruktion integrierte Pitch-Regelung wurde hinsichtlich Funktion und Einstellverhalten untersucht

Dabei zeigte sich, dass die rein mechanische Blattverstellung, welche den Pitch-Winkel über Massenträgheit und Reibung erzeugt – nur begrenzt funktionstüchtig bzw. flexibel in den Einstellmöglichkeiten ist.

Aus den Untersuchungen wurde zudem abgeleitet, dass die passive integrierte Lösung durch eine elektromechanische Stelleinrichtung ersetzt werden kann. Das eröffnet die Möglichkeit einer aktiven Pitch-Regelung, welche in die Mechanik der Anlage integriert werden kann.

Abbildung 3: Mechanische Pitch-Regelung in der bestehenden Konstruktion (Foto: Tim Schlindwein)

Im Zuge der Weiterentwicklung wurde zudem der zunächst vorgesehene Schrittmotor durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) ersetzt. Dies ermöglicht es zudem Ansteuerungen und höhere Leistungsklassen zu erproben.

 

Ausblick: Aktive Pitch-Regelung und Umrichter Ansteuerung für BLDC Maschinen

Aufbauend auf den Ergebnissen sind in weiteren Arbeiten mehrere Entwicklungsschritte vorgesehen:

  • Implementierung einer aktiven elektromotorischen Pitch-Regelung
  • Erweiterung des BLDC-Antriebs um eine aktive Ansteuerung und Regelung mittels Wechselrichter
  • Perspektivische „Netzintegration" im DC-Kreis über elektronische Lasten

Quellenverzeichnis: