Drehmoment-Bestimmung für Windräder

Der größte Drehmomentsensor, der je an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) kalibriert worden ist, wurde in einem Teststand in Aachen eingebaut. Mithilfe dieses neuen Transfer­normals konnte ein neuer Kalibrier­ablauf getestet werden, der die Präzision aus der PTB in die Aachener Anlage übertragen soll. Das Ganze findet im Rahmen eines internationalen Projekts statt, an dem mehrere nationale Metrologie­institute und mehrere Teststand­betreiber beteiligt sind. Mithilfe der Ergebnisse aus der groß­angelegten Messkampagne wollen die Wissenschaftler zum einen die Genauigkeit herkömmlicher Drehmoment­messungen bestimmen und zum anderen eine allgemein­gültige Vorgehens­weise empfehlen, damit alle Prüfstände von präzisen Messungen profitieren können. So kommt am Ende die Verbesserung bei den Windkraft­anlagen und nicht zuletzt beim Strom­kunden an.

Ein Mitar­beiter über­prüft die Mess­technik, die an dem Dreh­moment­sensor befes­tigt ist, und wech­selt die Akkus, die einen eigen­ständi­gen Be­trieb er­mög­li­chen. (Bild: PTB / RWTH Aachen)

Das neue Transfernormal wiegt 1,8 Tonnen. An seiner Entwicklung, der Kalibrierung und dem aufwendigen Einbau waren alleine in der PTB nicht nur Experten für Windkraft­messungen, sondern auch IT-Fachleute sowie der wissenschaftliche Gerätebau beteiligt. Die Dimension des Projektes ist so groß wie der Einsatz der Windkraft: Immer mehr und immer komplexere Anlagen werden gebaut. Damit wachsen auch die Anforderungen an die nötigen Messungen.

Damit neuentwickelte Komponenten und Maschinen für Windkraft­anlagen effizient und zuverlässig arbeiten, sind viele Tests notwendig. Bisher werden dazu Prototypen unter realen Bedingungen beobachtet. Diese Feld­messungen dauern meist sehr lange, da alle normalen Einsatz­möglichkeiten der Anlagen abgewartet werden müssen. Um sich vom Wind unabhängig zu machen, sind in den letzten Jahren weltweit mehrere große Gondel­prüf­stände errichtet worden. Hier ist es möglich, unter kontrollierten Bedingungen neue Entwicklungen zu testen. Dazu werden einzelne Komponenten wie Getriebe und Generator oder auch die gesamte Gondel (der obere Teil der Windkraft­anlage ohne die Flügel) dem künstlichen Wind ausgesetzt: Ein Motor sorgt für die Rotation, hydraulische Systeme ahmen Winddruck einschließlich Böen nach. Durch die Nähe zum Boden sind viel detailliertere Messungen möglich als bei Feld­messungen.

Neben der Haltbarkeit wird auch die Effizienz der Anlagen bestimmt. Es wird also ermittelt, wie viel Strom wirklich aus dem Wind genutzt werden kann und welche Komponenten noch verändert werden müssen, um das Ergebnis zu verbessern. An dieser Stelle in der Entwicklung ist es häufig wichtig, die Prototypen bis ins letzte Detail zu durchleuchten. Dazu sind hochpräzise Messungen notwendig. Bei rotierenden Anlagen ist das Drehmoment meist der wichtigste Messwert, da es für die Bewegung sorgt. In den hoch­komplexen Prüfständen sind solche Messungen derzeit noch nicht gut genug, um allen Anforderungen zu genügen. Hier setzt das EU-Forschungsprojekt „MN·m Torque“ an.

Das Projekt wird vom EMPIR-Programm gefördert, das vom Rahmen­programm Horizon 2020 der Europäischen Union sowie von den teilnehmenden Staaten finanziert wird. Es wurde im Herbst 2015 gestartet, läuft über drei Jahre und ist direkt auf Gondel­prüf­stände zugeschnitten. Drei Betreiber von Testzentren – das Center for Wind Power Drives der Rheinisch-West­fälischen Technischen Hochschule in Aachen, das Fraunhofer Institut für Wind­energie und Energie­system­technik und das nationale Zentrum für erneuerbare Energien in Spanien – haben sich mit vier nationalen Metrologie­instituten – aus Deutschland, Spanien, Tschechien und Finnland – zusammengetan. Die Kompetenz der Partner wird genutzt, um die in den nationalen Instituten vorhandene Präzision in die Prüfstände zu bringen. Auch wenn viele Schritte auf diesem Weg theorielastig sind, wird es durch die gemeinsam zur Verfügung stehenden Mittel auch möglich, das Erdachte praktisch zu testen.

Nach diesem ersten erfolgreichen Einsatz des neuen Transfer­normals wird im weiteren Verlauf des internationalen Projektes jetzt detailliert untersucht, wie sich die Rotation und die zusätzlichen Windlasten auf die Drehmoment­messung auswirken. Ziel ist ein genauer Einblick in die Technik und die Mess­unsicherheit des Teststands. Außerdem wird ein „Best Practice Guide“ erstellt, in dem die Durchführung von Teststand­kalibrierungen und der Einsatz von Transfer­normalen im MN·m-Bereich beschrieben wird. Das entwickelte Transfer­normal steht auch nach dem Projekt für Messungen zur Verfügung. (Quelle: PTB / pro-physik.de)

Links: Arbeitsgruppe 1.22 „Darstellung Drehmoment“, Physikalisch-Technische Bundesanstalt BraunschweigEMPIR-Programm „Torque measurement in the MN·m range“

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