Hoe werkt het gierregelsysteem in windturbines?
Moderne windturbines zijn ontworpen om zoveel mogelijk energie op te vangen uit de veranderende richting en snelheid van de wind. Om ervoor te zorgen dat de rotor (het rotorblad) altijd onder de juiste hoek op de wind gericht is, heeft de turbine een mechanisme nodig dat de gondel (de gondel) kan roteren afhankelijk van de veranderende windrichting. Dit mechanisme wordt een gierregelsysteem genoemd. Simpel gezegd is gieren de rotatie van de turbine om een verticale as, zodat het rotorvlak parallel blijft aan de inkomende windrichting. Dit artikel bespreekt hoe het gierregelsysteem in windturbines werkt, de belangrijkste componenten, regelstrategieën, uitdagingen en onderhoud.
1. Waarom is giercontrole belangrijk?
Het primaire doel van gierregeling is het minimaliseren van de gierafwijking, oftewel het hoekverschil tussen de windrichting en de draairichting van de rotor. Als de rotor niet is uitgelijnd met de wind, gaat een deel van de windenergie door de rotor heen zonder optimaal te worden benut. Het gevolg:
1. Verminderd vermogen. Over het algemeen geldt: hoe groter de uitlijningsfout, hoe groter de afname van het vermogen.
2. De structurele belastingen nemen toe. Wanneer de wind van opzij komt, worden de aerodynamische krachten asymmetrisch en veroorzaken ze dynamische belastingen op de bladen, de naaf, de as en de toren.
3. Trillingen en versnelde slijtage. Een verkeerde uitlijning kan trillingen versterken en de slijtage van mechanische onderdelen versnellen.
Met een goede gierhoekregeling kan de turbine zijn efficiëntie behouden en zijn levensduur verlengen.
2. Basisprincipes van het giersysteem
Windturbines met horizontale as (HAWT's) maken doorgaans gebruik van een actief giersysteem, waarbij de gondel actief roteert met behulp van een motor. In tegenstelling tot kleine turbines, die soms een staartvlak (windvaan) gebruiken om passief de wind te "volgen", gebruiken turbines op utiliteitsschaal bijna altijd een actief giersysteem vanwege de grote massa van de gondel en de noodzaak van nauwkeurige besturing.
Wanneer de sensor een verandering in de windrichting detecteert, berekent de controller (PLC/SCADA-controller) hoeveel de turbine moet draaien. Als de uitlijningshoek een bepaalde drempel overschrijdt, grijpt de giermotor in op de tandwielen van het gierlager, waardoor de gondel draait totdat deze weer is uitgelijnd.
3. Belangrijkste componenten van het gierbesturingssysteem
a) Sensor voor windsnelheid en -richting
Boven de gondel bevinden zich gewoonlijk:
– Windvaan om de windrichting ten opzichte van de gondel te meten.
– Een anemometer om de windsnelheid te meten.
Deze gegevens vormen de belangrijkste input om te bepalen of een giercorrectie nodig is.
b) Gierrichting
Het gierlager is een groot, ringvormig lager dat de gondel op de toren laat draaien. Dit lager moet bestand zijn tegen de gecombineerde belasting: het gewicht van de gondel, de stuwkracht van de rotor en de dynamische belastingen veroorzaakt door turbulentie.
c) Gieraandrijving en giermotor
Een gieraandrijving bestaat doorgaans uit meerdere elektromotoren (vaak meer dan één voor redundantie) die een rondsel aandrijven dat ingrijpt op een ringtandwiel in het gierlager. De motoren kunnen afwisselend of gelijktijdig werken, afhankelijk van het ontwerp en de koppelvereisten.
d) Gierrem
Naast de motor is er een remsysteem om te voorkomen dat de gondel vrij ronddraait. Gierremmen zijn essentieel voor:
– stabiliseer de positie wanneer de turbine de gewenste hoek bereikt,
– voorkom continue kleine bewegingen (yaw hunting),
– het vasthouden van de gondel tijdens bepaalde windomstandigheden of wanneer de turbine stopt.
e) Turbinecontroller (Controller)
De controller ontvangt sensorsignalen, past de besturingslogica toe en stuurt vervolgens commando's naar de motoren en remmen. De controller implementeert ook veiligheidsvergrendelingen: bijvoorbeeld om gieren te voorkomen wanneer een sensor uitvalt, wanneer de turbine in bepaalde modi staat of wanneer de windsnelheden extreem hoog zijn.
4. Hoe bepaalt de turbine wanneer er gegierd moet worden?
Turbines corrigeren niet altijd direct wanneer de wind enigszins verandert. Als ze te gevoelig zijn, zal het systeem frequent bewegen, wat de slijtage van de motor, de kleine versnellingsbak in de gieraandrijving en de gierlagers versnelt. Daarom maakt gierregeling over het algemeen gebruik van de concepten drempelwaarde (dode zone) en tijdsvertraging.
a) Gierfout en dode zone
– Gierfout = gemeten windrichting – huidige positie van de gondel
– De dode zone is een tolerantiebereik, bijvoorbeeld ±5° tot ±15° (dit varieert per fabrikant en regelstrategie).
Als de gierfout nog binnen de dode zone valt, kiest de turbine ervoor om niet te bewegen.
b) Tijdvertraging en gegevensfiltering
De windrichting fluctueert door turbulentie. Daarom zijn de sensorgegevens doorgaans:
– gefilterd met behulp van een voortschrijdend gemiddelde,
– beoordeeld over een bepaalde tijdsperiode (bijv. 10-60 seconden),
zodat de turbine niet reageert op kortstondig "geluid".
c) Strategie voor het maken van een gierstap
In plaats van continu te draaien, bewegen turbines vaak in kleine stapjes. Ze draaien een paar graden, stoppen, evalueren de situatie opnieuw en hervatten indien nodig. Deze aanpak helpt trillingen te verminderen en mechanische belastingen te beheersen.
5. Werkproces van de gierregeling (sequentieel)
Het volgende is een veelvoorkomende workflow voor grootschalige turbines:
1. Het meten van de windomstandigheden. De windvaan meet de windrichting ten opzichte van de gondel, de anemometer meet de windsnelheid.
2. Berekening van de uitlijnfout. De controller berekent de gierfout en controleert of deze de dode zone overschrijdt.
3. Controle van de operationele staat. Het systeem zorgt ervoor dat de turbine zich in een veilige gierstand bevindt: geen kritieke alarmen, remmen gereed, motoren beschikbaar en veilige kabelrotatielimieten (voor ontwerpen met kabels in de toren).
4. Laat de gierremmen los (indien nodig). De remmen kunnen worden losgelaten om de gondel te laten bewegen.
5. Activering van de giermotor. De motor draait de gondel in de richting van de wind. De giersnelheid wordt relatief laag gehouden om de belasting te verminderen (bijvoorbeeld een paar graden per seconde).
6. Remmen en positievergrendeling. Wanneer de gewenste hoek wordt bereikt, stopt de motor en houden de remmen de gondel stabiel.
7. Verificatie. De sensor meet opnieuw of de gierhoekafwijking is afgenomen. Zo niet, dan herhaalt de cyclus zich.
6. Relatie tussen gierregeling en stamp- en vermogensregeling
Gierbesturing bestaat niet op zichzelf. Moderne turbines beschikken over drie belangrijke, complementaire besturingsmechanismen:
– Pitch control: hiermee wordt de hoek van de bladen aangepast om het vermogen en de belasting te regelen.
– Rotorsnelheidsregeling: past de rotorrotatie aan (via generator en omvormer).
– Gierbesturing: zorgt ervoor dat de rotor in de windrichting draait.
Bijvoorbeeld, bij zeer sterke wind kan de turbine bij een bepaalde bladhoek in de vermogensbegrenzingsmodus terechtkomen. Onder deze omstandigheden kan het giersysteem conservatiever worden ingesteld om een verhoogde belasting te voorkomen. Omgekeerd zal het giersysteem onder normale bedrijfsomstandigheden actiever zijn om een zo hoog mogelijk rendement te behalen.
7. Algemene uitdagingen en problemen bij giersystemen
a) Yaw-jacht
Dit gebeurt wanneer de turbine te vaak van draairichting verandert als gevolg van een ruisend windrichtingssignaal of een zeer kleine dode zone. Dit leidt tot slijtage aan de motor, remmen en lagers.
b) Slijtage van het gierlager en de tandwielen
Door de zware belasting en de herhaalde bewegingen zijn smering en inspectie essentieel. Een verkeerde uitlijning van de tandwielen, slechte smering of het binnendringen van verontreinigingen kunnen schade versnellen.
c) Sensorstoring
Als de windvaan beschadigd is of de anemometer onjuiste metingen geeft, kan de turbine de verkeerde kant op wijzen. Veel turbines maken gebruik van diagnose- en redundantiesystemen om defecte sensoren te detecteren.
d) Kabelverdraaiingslimiet
Bij sommige ontwerpen kunnen de elektrische en signaalkabels in de gondel verdraaid raken als de gierhoek te ver in één richting wordt gedraaid. Daarom zijn er systemen voor het beheersen van verdraaiing, zoals een verdraaiingssensor en een ontwarringsprocedure, aanwezig om de gondel weer in de oorspronkelijke positie te brengen.
8. Zorg en beste praktijken
Om het giersysteem optimaal te laten werken, passen operators doorgaans de volgende handelingen toe:
– Kalibreer de windrichtingssensor periodiek.
– Controle van remmen en motor: temperatuur, stroomsterkte en remrespons.
– Smeer de zwenklagers en tandwielen volgens het schema van de fabrikant.
– SCADA-data-analyse: monitor de frequentie, duur en foutpatronen van de gierbeweging. Veranderingen in patronen kunnen vroegtijdige problemen signaleren.
– Visuele inspectie van het tandwiel, de bouten en de gondelconstructie.
conclusie
Het gierregelsysteem is essentieel om windturbines op de wind gericht te houden en efficiënt energie op te wekken, terwijl de structurele belastingen veilig blijven. Met behulp van sensoren voor windsnelheid en -richting bepaalt de controller wanneer de uitlijningsafwijking groot genoeg is om te corrigeren. Vervolgens activeert de controller de gierbeweging via de motor en houdt de turbine in de gewenste positie met behulp van remmen. Strategieën zoals dode zone, signaalfiltering en gierstappen worden gebruikt om twee vaak tegenstrijdige doelen in evenwicht te brengen: snel reageren op windveranderingen en slijtage van componenten minimaliseren. Omdat ze in extreme omstandigheden werken en aanzienlijke belastingen dragen, vereisen gierregelsystemen een betrouwbaar ontwerp en regelmatig onderhoud om optimale turbineprestaties gedurende hun levensduur te garanderen.
