Wie das Gierregelungssystem in Windkraftanlagen funktioniert
Moderne Windkraftanlagen sind so konstruiert, dass sie die sich ändernde Windrichtung und -geschwindigkeit optimal nutzen. Damit der Rotor (das Rotorblatt) stets im richtigen Winkel zum Wind steht, benötigt die Anlage einen Mechanismus, der die Gondel (den Rotorkopf) entsprechend der Windrichtung dreht. Dieser Mechanismus wird als Gierregelungssystem bezeichnet. Vereinfacht gesagt, beschreibt die Gierregelung die Drehung der Turbine um eine vertikale Achse, sodass die Rotorebene parallel zur Anströmrichtung bleibt. Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise des Gierregelungssystems in Windkraftanlagen, seine Hauptkomponenten, Regelungsstrategien sowie Herausforderungen und Wartungsarbeiten.
1. Warum ist die Giersteuerung wichtig?
Das Hauptziel der Gierregelung ist die Minimierung der Gierfehlausrichtung, also der Winkelabweichung zwischen Windrichtung und Rotordrehrichtung. Ist der Rotor nicht optimal zum Wind ausgerichtet, geht ein Teil der Windenergie ungenutzt verloren. Die Folgen:
1. Verringerte Ausgangsleistung. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Fehlausrichtung, desto größer die Verringerung der Ausgangsleistung.
2. Die strukturellen Belastungen nehmen zu. Wenn der Wind von der Seite kommt, werden die aerodynamischen Kräfte asymmetrisch und verursachen dynamische Belastungen an den Rotorblättern, der Nabe, der Achse und dem Turm.
3. Vibrationen und beschleunigter Verschleiß. Fehlausrichtungen können Vibrationen verstärken und den Verschleiß an mechanischen Bauteilen beschleunigen.
Durch eine gute Giersteuerung kann die Turbine ihre Effizienz beibehalten und ihre Lebensdauer verlängern.
2. Grundprinzipien des Giersystems
Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWTs) nutzen typischerweise ein aktives Giersystem, das die Gondel mithilfe eines Motors aktiv dreht. Im Gegensatz zu kleinen Turbinen, die mitunter ein Leitwerk (Windleitblech) verwenden, um dem Wind passiv zu folgen, setzen Großanlagen aufgrund der großen Gondelmasse und der Notwendigkeit einer präzisen Steuerung fast immer auf ein aktives Giersystem.
Sobald der Sensor eine Änderung der Windrichtung erfasst, berechnet die Steuerung (SPS/SCADA-Steuerung) den erforderlichen Drehwinkel der Turbine. Überschreitet der Fehlausrichtungswinkel einen bestimmten Schwellenwert, greift der Giermotor in die Zahnräder des Gierlagers ein und bewirkt so die Drehung der Gondel, bis die Ausrichtung wiederhergestellt ist.
3. Hauptkomponenten des Gierregelungssystems
a) Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensor
Über der Gondel befinden sich üblicherweise:
– Windfahne zur Messung der Windrichtung relativ zur Gondel.
– Anemometer zur Messung der Windgeschwindigkeit.
Diese Daten sind die wichtigste Eingangsgröße, um festzustellen, ob eine Gierkorrektur erforderlich ist.
b) Gierachse
Das Gierlager ist ein großes, ringförmiges Lager, das die Drehung der Gondel am Turm ermöglicht. Dieses Lager muss der kombinierten Belastung standhalten können: dem Gewicht der Gondel, dem Rotorschub und den durch Turbulenzen verursachten dynamischen Belastungen.
c) Gierantrieb und Giermotor
Ein Gierantrieb besteht typischerweise aus mehreren Elektromotoren (oftmals redundant), die ein Ritzel antreiben, welches mit einem Hohlrad am Gierlager kämmt. Die Motoren können je nach Konstruktion und Drehmomentanforderungen abwechselnd oder gleichzeitig arbeiten.
d) Gierbremse
Neben dem Motor gibt es ein Bremssystem, das ein freies Drehen der Gondel verhindert. Gierbremsen sind unerlässlich für:
– die Position stabilisieren, sobald die Turbine den gewünschten Winkel erreicht hat,
– ständige kleine Bewegungen (Gierbewegungen) verhindern,
– Halten der Gondel bei bestimmten Windverhältnissen oder wenn die Turbine stillsteht.
e) Turbinenregler (Regler)
Die Steuerung empfängt Sensorsignale, wendet die Steuerlogik an und sendet anschließend Befehle an die Motoren und Bremsen. Sie implementiert außerdem Sicherheitsverriegelungen, beispielsweise um ein Gieren zu verhindern, wenn ein Sensor ausfällt, die Turbine sich in bestimmten Betriebszuständen befindet oder extreme Windgeschwindigkeiten auftreten.
4. Wie bestimmt die Turbine den Zeitpunkt der Gierbewegung?
Turbinen korrigieren nicht immer sofort bei geringfügigen Windänderungen. Sind sie zu empfindlich, bewegt sich das System häufig und erhöht den Verschleiß am Motor, am kleinen Getriebe des Gierantriebs und an den Gierlagern. Daher nutzt die Gierregelung üblicherweise die Konzepte der Schwellenwertregelung (Totzone) und der Zeitverzögerung.
a) Gierfehler und Totzone
– Gierfehler = gemessene Windrichtung – aktuelle Gondelposition
– Die Totzone ist ein Toleranzbereich, zum Beispiel ±5° bis ±15° (variiert je nach Hersteller und Regelungsstrategie).
Wenn der Gierfehler noch innerhalb des Totbereichs liegt, bewegt sich die Turbine nicht.
b) Zeitverzögerung und Datenfilterung
Die Windrichtung schwankt aufgrund von Turbulenzen. Daher sind die Sensordaten typischerweise:
– gefiltert mit gleitendem Durchschnitt,
– über einen bestimmten Zeitraum bewertet (z. B. 10–60 Sekunden),
damit die Turbine nicht auf kurzzeitige „Störungen“ reagiert.
c) Gierschrittstrategie
Turbinen drehen sich nicht kontinuierlich, sondern bewegen sich oft in kleinen Schritten. Sie drehen sich um einige Grad, halten an, überprüfen die Lage und setzen die Drehung gegebenenfalls fort. Dieses Verfahren trägt dazu bei, Schwingungen zu reduzieren und mechanische Belastungen zu kontrollieren.
5. Ablauf der Gierregelung (sequenziell)
Im Folgenden wird ein üblicher Arbeitsablauf für Großturbinen beschrieben:
1. Messung der Windverhältnisse. Die Windfahne zeigt die Windrichtung relativ zur Gondel an, das Anemometer die Windgeschwindigkeit.
2. Berechnung der Fehlausrichtung. Der Regler berechnet den Gierfehler und prüft, ob er den Totbereich überschreitet.
3. Überprüfung des Betriebszustands. Das System stellt sicher, dass sich die Turbine in einem sicheren Gierzustand befindet: keine kritischen Alarme, Bremsen betriebsbereit, Motoren verfügbar und die Kabelrotationsgrenzen sind sicher (bei Konstruktionen mit Kabeln im Inneren des Turms).
4. Lösen Sie gegebenenfalls die Gierbremsen. Die Bremsen können gelöst werden, damit sich die Triebwerksgondel bewegen kann.
5. Aktivierung des Giermotors. Der Motor dreht die Gondel in den Wind. Die Gierrate wird relativ gering gehalten, um die Belastung zu reduzieren (z. B. einige Grad pro Sekunde).
6. Bremsen und Positionsarretierung. Sobald der Zielwinkel erreicht ist, stoppt der Motor und die Bremsen halten die Gondel in Position.
7. Überprüfung. Der Sensor misst erneut, um festzustellen, ob der Gierwinkelfehler abgenommen hat. Falls nicht, wiederholt sich der Zyklus.
6. Zusammenhang zwischen Giersteuerung, Nick- und Leistungssteuerung
Die Gierregelung existiert nicht isoliert. Moderne Turbinen verfügen über drei sich ergänzende Hauptregelungssysteme:
– Blattverstellung: Verändert den Winkel der Rotorblätter, um Leistung und Last zu regulieren.
– Rotordrehzahlregelung: Passt die Rotorrotation an (über Generator und Umrichter).
– Giersteuerung: sorgt dafür, dass der Rotor dem Wind zugewandt ist.
Bei sehr starkem Wind kann die Turbine beispielsweise bei einem bestimmten Anstellwinkel in den Leistungsbegrenzungsmodus wechseln. Unter diesen Bedingungen wird das Gierregelungssystem konservativer eingestellt, um eine Laststeigerung zu vermeiden. Im Normalbetrieb hingegen arbeitet die Gierregelung aktiver, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.
7. Häufige Herausforderungen und Probleme bei Giersteuerungssystemen
a) Gierjagd
Dies tritt auf, wenn die Turbine aufgrund eines ungenauen Windrichtungssignals oder einer sehr geringen Totzone zu häufig ihre Gierrichtung ändert. Dies führt zu Verschleiß an Motor, Bremsen und Lagern.
b) Verschleiß des Gierlagers und des Zahnrads
Aufgrund der hohen Belastungen und der sich wiederholenden Bewegungen sind Schmierung und Inspektion unerlässlich. Fehlausrichtung der Zahnräder, mangelhafte Schmierung oder das Eindringen von Verunreinigungen können Schäden beschleunigen.
c) Sensorausfall
Ist die Windfahne beschädigt oder liefert das Anemometer falsche Messwerte, könnte die Turbine in die falsche Richtung ausgerichtet sein. Viele Turbinen nutzen Diagnosesysteme und Redundanz, um fehlerhafte Sensoren zu erkennen.
d) Kabelverdrehungsgrenze
Bei manchen Konstruktionen können sich die elektrischen und Signalkabel im Inneren der Triebwerksgondel verdrehen, wenn die Gierachse zu stark in eine Richtung gedreht wird. Daher sind Verdrehungsschutzsysteme, wie beispielsweise ein Verdrehungssensor und ein Entdrehungsverfahren, vorhanden, um die Triebwerksgondel wieder in ihre ursprüngliche Position zu bringen.
8. Pflege und bewährte Verfahren
Damit das Giersystem optimal funktioniert, wenden die Bediener üblicherweise Folgendes an:
– Kalibrieren Sie den Windrichtungssensor regelmäßig.
– Brems- und Motorprüfung: Temperatur, Stromstärke und Bremsverhalten.
– Schmieren Sie die Gierlager und Zahnräder gemäß dem Schmierplan des Herstellers.
– SCADA-Datenanalyse: Überwachung von Gierfrequenz, -dauer und Fehlermustern. Veränderungen in den Mustern können auf frühe Probleme hinweisen.
– Sichtprüfung des Zahnkranzes, der Bolzen und der Gondelstruktur.
Abschluss
Das Gierregelungssystem ist entscheidend dafür, dass Windkraftanlagen stets optimal im Wind ausgerichtet sind und effizient Strom erzeugen, ohne die zulässigen strukturellen Belastungen zu erhöhen. Mithilfe von Windgeschwindigkeits- und -richtungssensoren ermittelt die Steuerung, wann eine Fehlausrichtung groß genug ist, um korrigiert zu werden. Anschließend wird der Gierantrieb über den Motor aktiviert und die Position mit Bremsen gehalten. Strategien wie Totzone, Signalfilterung und schrittweises Gierrudern dienen dazu, zwei oft gegenläufige Ziele in Einklang zu bringen: die schnelle Reaktion auf Windänderungen und die Minimierung des Komponentenverschleißes. Da Gierregelungssysteme unter extremen Bedingungen und bei hohen Belastungen arbeiten, benötigen sie eine zuverlässige Konstruktion und regelmäßige Wartung, um die optimale Leistung der Turbine über ihre gesamte Lebensdauer zu gewährleisten.
