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31. Jul. 15

Maschinenhaus im Dauerstress

Wuchtiger Ring auf haushohem Betongestell: Der Gondelprüfstand DyNaLab beeindruckt durch seine Dimensionen. Nun nimmt er die Maschinenhäuser von Offshore-Windrädern in die Mangel – und trägt so zu ihrer Optimierung bei.

Im DyNaLab wird die Gondel auf Herz und Nieren getestet. Eine Welle angetrieben von einem Elektromotor simuliert die Belastungen, denen der Generator durch die Rotorenbewegung ausgesetzt ist.

Sie gilt als das Herzstück eines Offshore-Windrads: Die Gondel enthält den Generator sowie jede Menge Elektronik. Am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Bremerhaven steht seit kurzem der erste deutsche Prüfstand, der Maschinenhäuser in Originalgröße testen kann. Das DyNaLab (Dynamic Nacelle Testing Laboratory) nimmt in seiner 30 Meter hohen Halle die Gondeln von Offshore-Windrädern auf, die groß wie Einfamilienhäuser sind und bis zu 400 Tonnen wiegen.

In der Halle wird die Gondel an den Prüfstand angeflanscht – zwei Elektromotoren, montiert auf einem stabilen Betongestell. Sie versetzen eine zwei Meter dicke Welle in Drehung. Diese Welle ist mit jener Stelle der Gondel verbunden, an der sonst die Nabe samt den Rotorblättern sitzt. Beginnt die Welle zu rotieren, treibt sie den Generator im Maschinenhaus auf dieselbe Art an wie ein vom Wind bewegter Rotor.

Damit der Test realitätsgetreu gerät, befindet sich zwischen Betongestell und Gondel eine Art beweglicher Schild. Angetrieben von Hydraulikzylindern verpasst er der Gondel Stöße und bildet Windböen und sonstige Störeinflüsse nach. Doch der Teststand prüft nicht nur die mechanischen Belastungen, sondern auch den Einfluss des Stromnetzes auf die Gondel eines Offshore-Windrads.

„Wir können Kurzschlüsse und Spannungsschwankungen simulieren“, beschreibt Prof. Jan Wenske, Bereichsleiter Anlagen- und Systemtechnik bei Fraunhofer IWES. Schaltschränke erzeugen Signale mit bis zu 50.000 Volt, die über ein Kabel zur Gondel geleitet werden. Damit lässt sich herausfinden, wie die Elektronik in der Gondel einen Kurzschluss im Stromnetz verkraftet.

Jan Wenske, Bereichsleiter Anlagen- und Systemtechnik beim Fraunhofer IWES, erklärt: „Die meisten Ausfälle passieren in der Gondel. So können Lager, Elektronik und Kühlung kaputtgehen.”

Messreihen über Monate

Während der Tests überwachen Hunderte von Sensoren die Gondel. Zwar werden Offshore-Windräder auch im Feld geprüft. Aber ein Teststand besitzt mehr Messtechnik und kann eine Gondel unter Laborbedingungen checken. „Unser Prüfstand soll die Maschinenhäuser in Extremsituationen stressen“, sagt Wenske. „Aber wir haben nicht vor, sie kaputtzumachen. Dafür sind die Prototypen zu teuer.“

Der Aufwand für die Testreihen ist beträchtlich: Mindestens zwei Wochen dauert es, bis eine Gondel installiert ist. Danach wird über Wochen und Monate gearbeitet. Während der Messreihen beobachten die Experten, ob Komponenten verschleißen oder ein ungewöhnliches Betriebsverhalten zeigen. „Die meisten Ausfälle bei einer Offshore-Windenergieanlage passieren in der Gondel“, erläutert Wenske. „So können Lager, Elektronik und Kühlung kaputtgehen.“

Die Tests helfen, die Zahl der Ausfälle zu minimieren – zumal Offshore-Windräder im Computer entworfen werden. Mit den Versuchen in Bremerhaven lassen sich entsprechende Rechnermodelle validieren. Nur: Wie stellen die Fachleute sicher, dass ihre Arbeit am Teststand wirklich aussagekräftig ist? „Wir gleichen unsere Messdaten mit Feldtests ab“, antwortet Wenske. „Zusätzlich vergleichen wir unsere Ergebnisse mit denen von Computersimulationen.“

Hersteller, die ihre Gondel-Prototypen im DyNaLab prüfen wollen, müssen pro Monat rund 300.000 Euro auf den Tisch legen. Dafür sparen sie sich einen eigenen Teststand – und Investitionskosten von 30 Millionen Euro. Zwar ist DyNaLab nicht der weltweit stärkste Gondelprüfstand – der steht bei Vestas in Dänemark, erzählt Jan Wenske. „Doch dafür haben wir die Einrichtung mit dem größten Funktionsumfang sowie ein enormes Know-how, was die Methoden anbelangt.“

Ricarda Schuller
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