Wann Windenergieanlagen nach der Entwurfslebensdauer weiterbetrieben werden können

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Ansatz zur Rekonstruktion des ertragenen Lastkollektivs

Der aktuelle Projektansatz besteht darin, als Ergänzung zu den oben genannten zwei Nachweismethoden das ertragene Betriebslastkollektiv zu rekonstruieren und das Ergebnis mit dem Entwurfslastkollektiv aus der Typenprüfung zu vergleichen (Bild 1). Als Basis dienen die individuell gemessenen Betriebslasten und unter anderem die Betriebsdaten. Die Lastmessung muss durch eine geeignete Dauer und Sensoranzahl die Betriebszustände repräsentativ abbilden. Dem stehen jedoch hohe Kosten für lange Messzeiträume mit vielen Messkanälen sowie entsprechender Auswerteaufwand gegenüber.

Die mögliche Restnutzungsdauer sollte weder unterschätzt werden, damit nicht eine noch wirtschaftlich betreibbare Anlage wegen Fehleinschätzung stillgelegt wird. Noch darf bei einer stark vorgeschädigten Anlage ein zu langer Weiterbetriebszeitraum angegeben werden, da dies das Schadens- und Arbeitsrisiko erhöht.

Lastmessung an einer 15 Jahre alten Windenergieanlage

Im Rahmen des gemeinsamen Forschungsprojekts findet seit Juni 2014 an einer 15 Jahre alten, getriebelosen, drehzahlvariablen Windenergieanlage mit 600 kW eine kontinuierliche Lastmessung statt. Das eigenentwickelte 17-kanalige Lastmesssystem erfasst zusätzlich zur Strukturbeanspruchung, per DMS in Turmkopf und Turmfuß die Gondelbeschleunigungen sowie die Betriebsparameter Windgeschwindigkeit und -richtung, Luftdruck, -temperatur, Rotordrehzahl, Leistung und Gondelausrichtung.

Die aufgezeichneten Betriebsdaten der gesamten bisherigen Betriebsdauer stehen zur Verfügung – für die ersten fünf Jahre nur stundenweise, danach für alle zehn Minuten. Für Windgeschwindigkeit, Rotordrehzahl und Leistung liegen neben den 10-min-Mittelwerten auch die jeweiligen Maximal- und Minimalwerte vor. Bei der Rekonstruktion des Betriebslastkollektivs lassen sich also die mögliche Reduktion der Sensoranzahl und verschiedene Rekonstruktionsstrategien erproben sowie umfangreiche Sensitivitätsanalysen durchführen.

Lasten bei Stoppvorgängen durch Turmschwingungen

Der untersuchte WEA-Typ ist serienmäßig mit einer Schwingungsüberwachung ausgestattet, weil die kritische Drehzahl (die erste Turmeigenfrequenz) im Betriebsdrehzahlbereich liegt (Bild 2). Durch die Fehlermeldung „Turmschwingungen“ lässt sich die Abschaltursache identifizieren und dies in den Lastmessdaten untersuchen. Abschaltungen wegen Fehlern sind beim Entwurf nicht nur als Extremlastfälle zu untersuchen, sondern auch bei der Analyse der Betriebslasten zu berücksichtigen.

Bild 3 zeigt das Zeitsignal eines Stopps wegen Turmschwingungen. Schwingungsüberlagerung (Turmeigenfrequenz und Blattpassierfrequenz) führt zum Aufschaukeln, die Schwingungsüberwachung schaltet erst mit etwa 40 s Verzögerung ab, nachdem ein bestimmter Messzeitraum ausgewertet wurde. Dies zeigt, dass ein angemessener Zeitabschnitt vor der Abschaltung berücksichtigt werden muss. Beide Messrichtungen, axial und lateral, sind auszuwerten, da letztere aufgrund von geringerer aerodynamischer Dämpfung oft deutlich höhere Amplituden aufweist.

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