Pitch-Antriebe haben viele Gesichter 1

Dass der Wind ein himmlisches Kind ist, wissen wir schon seit es Märchen gibt. Er ändert oft seine Richtung und Stärke. Doch Konstrukteure und Betreiber von Windenergieanlagen wissen sich zu helfen: Pitch-Antriebe sorgen nicht nur für einen optimalen Leistungsfluss, sie sind auch für die Sicherheit der gesamten Anlage bei Starkwind und Sturm verantwortlich.

Für Dr. Torsten Schütt, Mitbegründer der Ingenieurgesellschaft W2E (Wind to Energy) in Rostock, steht fest: „Mit dem Einsatz von Pitch-Systemen ist es gelungen, die mechanischen Lasten von Windenergieanlagen zu reduzieren, deren Lebensdauer zu erhöhen und gleichzeitig den Ertrag zu steigern.“ Weil das Pitch-System dafür sorgt, dass die Rotorblätter jederzeit in der richtigen aerodynamischen Stellung sind, arbeitet der Rotor immer im optimalen Arbeitspunkt. Da er auch im Fehlerfall zur Bremse des Triebstrangs wird, gehört der Pitch-Antrieb zu den wichtigeren Anlagenteilen in einer Windenergieanlage (WEA).

Bei sehr schwachem Wind (0 bis 4 m/s) ist der Luftstrom zu gering, um die mechanischen Verluste des Triebstrangs zu überwinden. Die Blätter sind dann in so genannter Fahnenstellung (Pitchwinkel 90°). Die Windenergieanlage steht still. Beim geringem bis mittlerem Wind (4 bis 10 m/s) dreht sich die Windenergieanlage und produziert Strom. Der Pitchwinkel ist dann 0°. Von der Windleistung wird so viel wie möglich in mechanische Energie umgewandelt.

Ab der Nenngeschwindigkeit (11 bis 16 m/s) muss die Anlage in ihrer Leistungsabgabe mehr und mehr begrenzt werden. Es wird dann „gepitcht“. Der Pitchwinkel der Rotorblätter nimmt dabei mit der Windgeschwindigkeit von 0° bis 30° zu. Die Auftriebskraft wird so beeinflusst, dass die Leistungsabgabe der Windkraftanlage in Höhe der Nennleistung konstant bleibt. Beim Sturm (ab 22 bis 25 m/s) ist der Wind zu stark, sodass die Windkraftanlage ausgeschaltet werden muss, um Schäden zu vermeiden. Der Pitchwinkel ist dann wieder 90°. Diese Stellung muss unter allen Umständen erreicht werden, um die Anlage zu sichern.

Varianten der Pitchverstellung

Die Blattwinkelverstellung gibt es mechanisch, elektrisch und hydraulisch. Vor allem kleinere Windkraftanlagen werden oft nur mit mechanischen Systemen gebaut und mit einer Vorspannfeder beim Notfall gesichert. Schon seit 2002 beschäftigt sich Baß Antriebstechnik mit der Entwicklung und Fertigung eines Getriebes mit Federspeicher für Windkraftanlagen. Erste Antriebe wurden seinerzeit an Enron ausgeliefert. Das Neue an diesen Antrieben war, dass der Rotor der Windkraftanlage durch die Kraft eines Federspeichers, der an das Getriebe angeschlossen ist, auch bei totalem Stromausfall zurückgestellt werden kann. Nach erfolgreicher Freigabe durch den Germanischen Lloyd war sichergestellt, dass Baß-Getriebe zur Verstellung von Rotorblättern in Anlagen der 1,5 MW-Klasse zuverlässig eingesetzt werden können.

Die Wirtschaftlichkeit von WEA soll durch den Einsatz wartungsarmer und langlebiger Komponenten und durch eine hohe Verfügbarkeit der Anlagen optimiert werden. Von W2E wurden für das Pitch-System der 2,5-MW-Anlage W100 von Fuhrländer wartungsfreie Drehstromantriebe vorgesehen. Diese Motoren laufen mit spezifisch geringer Drehzahl zur Reduzierung der Planschverluste in den Planetenstufen des Getriebes.

Sämtliche Pitch-Funktionen sind in einer Logic-Unit vereinigt, die unabhängig vom Betriebsführungssystem arbeitet. In Rostock wird darüber hinaus an einem neuen Verfahren gearbeitet, welches das typische lastspitzenerzeugende Luv-Nicken des Turmkopfes vermeiden soll. W2E hat dafür ein Verfahren entwickelt, das auf einer Einzelblatt-Pitch-Steuerung beruht und die Betriebslasten um bis zu 25 Prozent reduzieren soll.

Bosch Rexroth bezeichnet seinen neu entwickelten elektrischen Pitch-Antrieb als „System mit hoher Sicherheit“. Eine WEA soll auch dann noch Strom produzieren, wenn eine Komponente ausfällt. Diese Forderung der Windenergieanlagenhersteller erfüllt Rexroth nach eigenen Aussagen mit der elektrischen Pitchverstellung.

Bei dieser Lösung überwachen sich die Antriebsregler wechselseitig. Tritt ein Fehler bei einem Antrieb auf, übernimmt ein anderer Antrieb sofort die Ansteuerung und hält die Anlage in Betrieb. Statt einer ungeregelten Notfahrt produziert die Windenergieanlage zumindest auf reduziertem Niveau weiterhin Strom. Der hydraulische Pitch-Antrieb von Rexroth wiederum vereint hohe Stellkräfte, geringes Bauvolumen und lange Lebensdauer. Die Pitch-Antriebe können sofort nach der Auslieferung eingebaut und in Betrieb genommen werden.

Ein aufwendiger Abgleich von Signalen und Verstärkungen entfällt. Eine logische Verknüpfung der einzelnen hydraulischen Komponenten ermöglicht das Fail-Safe-Verhalten der einzelnen Pitch-Antriebe. Die Funktion der Komponenten baut auf rein mechanischen Prinzipien auf und gilt als höchst zuverlässig. Sollte es trotzdem zu Komplikationen kommen, fährt das Blatt, angetrieben mit Energie aus hydropneumatischen Speichern und ohne Eingriff einer externen Steuerung, zuverlässig in die sichere Endstellung.

Mit einer Generatorkonstruktion, die den Einsatz von WEA selbst in Schwachwindgebieten noch rentabel macht, ist Vensys Energy am Markt. Der Pitch-Antrieb nutzt Zahnriemen. Die Kräfte verteilen sich auf viele Zahneingriffe, was den Verschleiß minimiert und die Sicherheit erhöht.

Rotorbremsen sind nicht nötig. Um Störungen zu vermeiden, setzt man auf zuverlässige Messtechnik: In jeder Vensys-Anlage kontrollieren sechs uprox+-Sensoren von Turck die Stellung der Rotoren. Ein siebter Sensor ermittelt, in welcher Position die Wartungsluke steht. Mit diesen Daten sorgt die Steuerung dann für die jeweils korrekte Rotorblattstellung.

In 90 Windkraftanlagen, die die Firma Repower einmal von der Husumer Schiffswerft HSW übernommen hatte, sind seit zwölf Jahren Hydraulik-Zylinder der Firma Hänchen störungsfrei für die Blattwinkel-Verstellung im Einsatz. Repower arbeitet derzeit in den Windkraftanlagen mit elektromechanischen Blattwinkelverstellungen.

Grund dafür ist die Sicherheitsphilosophie des Unternehmens: Damit der Rotor im Notfall unter allen Umständen zum Stehen gebracht wird, sind bei einer Konstruktion ohne Betriebsbremse drei voneinander unabhängig arbeitende Blattverstellmechanismen notwendig. Die mit den Hänchen-Zylindern ausgerüsteten Anlagen verfolgen eine andere Sicherheitsphilosophie. Die Zylinder bewegen durch eine Schubstange drei Rotorblätter gleichzeitig um ihre Längsachse. Dabei muss der Zylinder die Blätter mit einer Präzision von bis zu 0,1 Grad positionieren.

Als Hersteller von Elektroantrieben für Flurförderzeuge, Textilmaschinen und Krananlagen nutzen die Ingenieure von ABM Greiffenberger die dort gemachten Erfahrungen mit Getrieben und Elektromotoren für die elektrische Pitch-Verstellung. In der industriellen Antriebstechnik sind aus Sicht von ABM Greiffenberger Windkraftanlagen eine Benchmark-Anwendung, weil die Antriebe extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.

Dies gilt vor allem für Offshore-Anlagen. Deshalb müssen die Antriebe aus Marktredwitz wartungsarm sein, weil sie nicht ohne Weiteres zugänglich sind. Eine andere Forderung ist, dass auch unter den ungünstigen Einsatzbedingungen in luftiger Höhe ein Ölwechsel einfach und schnell durchgeführt werden kann. Besonders groß sind jedoch die Anforderungen an die Lebensdauer: 20 Jahre gelten als Mindeststandard. ABM Greiffenberger setzt deshalb auf hochwertige Komponenten aus eigener Fertigung.

Für die hydraulische Steuerung von Pitch-Antrieben bietet Hawe Hydraulik komplette Lösungen an. Alle druckbelasteten Teile sind grundsätzlich aus Stahl gefertigt. Deshalb können Steuerblöcke und Ventile sehr kompakt gebaut werden. Die Ventiltechnik dieser Lösungen hat den Vorteil, dass anstelle der bisher üblichen Proportional-Wegeschieberventile nun Proportional-Wegesitzventile eingesetzt werden können. In geschlossener Stellung sind diese leckagefrei.

Auch Sperrventile können nun entfallen. Der eingestellte Winkel des Rotorblatts wird so über einen längeren Zeitraum hinweg gehalten. Die Größe der eingesetzten Druckspeicher kann erheblich reduziert werden, und kann im Notfall trotzdem das Rotorblatt aus dem Wind drehen. Die Wegesitzventile sorgen außerdem für eine deutlich höhere Schaltsicherheit als Wegeschieberventile, da Schmutzpartikel im Öl beim Öffnen des Ventils immer wieder herausgespült werden.

Berührungslos arbeiten die Temposonics-Postionssensoren von MTS Sensor Technologie aus Lüdenscheid und bestimmen bei der Pitch-Control präzise die Position der Rotorblätter. Wie der Hersteller mitteilt, ermöglicht die magnetostriktive Technologie eine Positionsmessung mit einer Linearitätsabweichung, die kleiner als +/- 0,01 Prozent ist.

Für die direkte Hubmessung in den Hydraulikzylindern der Verstellmechanismen bietet sich die Stabform mit verschiedensten Ausgängen an. Möglich sind Analog-, Start/Stop, CAN- oder Ether-CAT-Ausgänge. Da zur Wegerfassung kein direkter Kontakt zwischen dem positionsgebenden Magnet und dem Messelement notwendig ist, wird die Position der Blätter vollständig berührungslos, verschleiß- und wartungsfrei aufgenommen.