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Mit Metrologie in die Zukunft - Herausforderung Energie

Forschungsprojekt zur rückgeführten Wirkungsgradbestimmung von Windenergieanlagen in Prüfständen

30.10.2020

Windenergieanlagen müssen innovativ, kostenreduziert und vor allem leistungsoptimiert sein, um sich am Markt behaupten zu können. Besonders für die Leistungsoptimierung, aber auch für die Qualitätssicherung sind standardisierte Tests und Validierungsmethoden wichtig. Der dazu notwendige Leitfaden zur rückgeführten Wirkungsgradbestimmung von Windenergieanlagen in Prüfständen wird im Rahmen eines disziplinenübergreifenden EMPIR Projekts namens 19ENG08 WindEFCY erstmalig entwickelt.

 

 

Windenergieanlagen müssen innovativ, kostenreduziert und vor allem leistungsoptimiert sein, um sich am Markt behaupten zu können. Besonders für die Leistungsoptimierung, aber auch für die Qualitätssicherung sind standardisierte Tests und Validierungsmethoden wichtig. Der dazu notwendige Leitfaden zur rückgeführten Wirkungsgradbestimmung von Windenergieanlagen in Prüfständen wird im Rahmen eines disziplinenübergreifenden EMPIR Projekts namens 19ENG08 WindEFCY erstmalig entwickelt.

Windenergieanlagen sind ein wichtiger Bestandteil der nachhaltigen Energiepolitik; dabei wird kinetische Windenergie in elektrischen Strom umgewandelt. Zur Maximierung der Stromausbeute wird nicht nur die Leistung der Windenergieanlagen gesteigert, sondern auch der Wirkungsgrad der Einzelkomponenten und der gesamten Anlage stetig verbessert. Die erforderlichen Tests hierfür werden – unabhängig von vorherrschenden Windverhältnissen – in sogenannten Windenergieanlagenprüfständen (Abbildung 1 und [1]) durchgeführt.

 

Abbildung 1: Schaubild einer Windenergieanlage auf einem Prüfstand mit Angabe der möglichen Messpunkte zur mechanischen und elektrischen Leistungsmessung und zur Bestimmung des Wirkungsgrades. Grafik in Anlehnung an [2].

In einem solchen Prüfstand wird die Windenergieanlage ohne Rotor und Turm ausgiebig getestet indem sie von einem Motor angetrieben und an eine Netznachbildung angeschlossen ist. Die mechanische Leistungsmessung setzt sich aus der Messung der Rotationsgeschwindigkeit und dem Drehmoment zusammen. Auf der Rotorseite einer Windenergieanlage können Drehmomente bis 5 MN m und größer bei bis zu 20 Umdrehungen pro Minute auftreten. Wohingegen auf der Generatorseite des Getriebes hauptsächlich Drehmomente bis 100 kN m bei bis zu 1600 Umdrehungen pro Minute gemessen werden.

Ein Verfahren - inklusive Messunsicherheitsbetrachtung und geeigneter Transfernormale - zur Rückführung der mechanischen Leistung fehlt derzeit noch. Die Signale der elektrischen Komponenten von Windenergieanlagen, die für die elektrische Leistungsmessung aufgenommen werden, weisen erhebliche Oberschwingungen und Zwischenharmonische auf, die vom Messsystem toleriert und korrekt verarbeitet werden müssen. Außerdem liegen in Prüfständen große elektromagnetische Felder vor, die die Messsysteme beeinträchtigen können. Um dies zu vermeiden, ist eine korrekte Erdung aller Systeme und Abschirmung der Signalleitungen von großer Bedeutung. Ein metrologischer Rahmen zur elektrischen Leistungsmessung und geeignete Transfernormale fehlen auch hier. Zur Bestimmung des Wirkungsgrads ist eine präzise Synchronisation der mechanischen und elektrischen Leistungsmessung erforderlich. Um eine verlässliche Aussage über die Effizienz von Windenergieanlagen und einzelner Komponenten treffen und die Ergebnisse verschiedener Anlagen untereinander vergleichen zu können, bedarf es standardisierter Verfahren mit rückgeführten Messgeräten.

Hierfür wurde im September 2020 das von der PTB koordinierte europäische Forschungsprojekt „Traceable mechanical and electrical power measurements for efficiency determination of wind turbines“, kurz 19ENG08 WindEFCY (Abbildung 2) gestartet. Die elf internationalen Projektpartner arbeiten disziplinenübergreifend an der Entwicklung einer rückgeführten Wirkungsgradbestimmung von Windenergieanlagen und deren Komponenten in Prüfständen. Im Projekt ist insbesondere die Entwicklung und Bereitstellung von Methoden zur Rückführung mechanischer und elektrischer Leistungsmessungen und der dazu notwenigen Transfernormale für Drehmoment, Drehzahl, Strom und Spannung vorgesehen. Die besondere Herausforderung dieses Projekts besteht in der Zusammenarbeit unterschiedlicher Fachbereiche. Die PTB vereint alle Kompetenzen vertreten durch die Fachbereiche 1.2 – Festkörpermechanik, 2.3 – Elektrische Energiemesstechnik und der Arbeitsgruppe 3.63 – explosionsgeschützte elektrische Antriebssysteme. Die Laufzeit des Projekts beträgt drei Jahre. Weitere Informationen und die Anmeldung zum Newsletter sind auf der Projektwebseite zu finden: Opens external link in new windowhttps://www.ptb.de/empir2020/windefcy/.

 

Abbildung 2: Übersicht über die Aufgliederung des Projektvorhabens.

 

Literatur:

[1] PTB-Pressemitteilung „Genaue Drehmomentmessung für die Windkraft“ Opens external link in new windowLink

[2] Tobias Duda et al 2018 J. Phys.: Conf. Ser. 1037 052031. DOI: 10.1088/1742-6596/1037/5/052031. Opens external link in new windowLink

[3] EMPIR Projekt MN∙m Torque Opens external link in new windowLink

Ansprechpartner:

Rolf Kumme, FB 1.2, E-Mail: Opens local program for sending emailrolf.kumme(at)ptb.de