Das neue System von SSB Wind Systems für eine Vollfeld-Windmessung besteht aus einer Auswerteeinheit, Kameras sowie Reflektoren und lässt sich in WEA leicht nachrüsten.
Mit BladeVision präsentiert SSB Wind Systems eine neue Technologie, die es ermöglicht, den Wirkungsgrad einer Windenergieanlage (WEA) genauer zu bestimmen.
Während sich der Wirkungsgrad bspw. einer Gasturbine sehr exakt ermitteln lässt, ist das bei einer WEA bis dato nicht möglich. Der wesentliche Grund hierfür ist die Unstetigkeit des „Treibstoffs“ Wind. Ständig wechselnde Windgeschwindigkeiten und -richtungen, vertikale bzw. horizontale Schwerwinde sowie Turbulenzen machen diesen Treibstoff unberechenbar und bereiten daher bislang verfügbaren Technologien bei der genaueren Beurteilung der Leistung sowie der Energieausbeute einer WEA erhebliche Probleme. Erschwerend hinzu kommt, dass die derzeitigen Erzeugungsprognosen eine Reihe an möglichen Fehlerquellen bergen.
Unzureichende Datenbasis zu Windrichtung und -geschwindigkeit
Die Leistung einer Anlage wird vor allem über Leistungskurven beurteilt. Sie basieren auf den Daten des auf einem Maschinenhaus montierten Anemometers sowie dem 10-Minuten-Mittel der erzeugten Leistung. Diese Daten (Leistung-zu-Windgeschwindigkeit) sind jedoch vieldeutig, da die Windmessung durch das Anemometer Scherwinde, die Windrichtung sowie die Drehung der Windrichtung nicht berücksichtigt. Der tatsächliche Wirkungsgrad einer WEA lässt sich somit auf diese Weise nicht ermitteln.
Ein weiteres Problem stellt die Ermittlung der Energieausbeute dar. Die möglichen Ursachen für Verluste in diesem Bereich sind vielfältig und liegen mitunter an einer unzureichenden Bestimmung der Windrichtung durch die Windfahne. Da die Windfahne auf dem Maschinenhaus hinter den Rotorblättern montiert ist, befindet sie sich in einer turbulenten Strömung, sodass Werte zur Windrichtung über einen längeren Zeitraum ermittelt werden müssen, um verwertbare Daten zu erhalten. Darüber hinaus misst die Windfahne nur an einem Punkt im Strömungsfeld an der überstrichenen Fläche des Rotors und kann daher nicht alle wichtigen Daten aufnehmen. Hinzu kommt die Beeinflussung der Windfahne durch die Strömungsverhältnisse auf dem Maschinenhaus selbst, wodurch weitere Messfehler entstehen.
Mögliche Fehlerquellen von Prognosen
24-Stunden-Vorhersagen zur erzeugten Energiemenge einer WEA gliedern sich in der Regel in eine Wettervorhersage für den Anlagenstandort und der Berechnung der Abgabeleistung unter spezifischen Bedingungen. Prognosen für den nächsten Tag basieren zumeist auf numerischen Simulationen, die auf ein Gitter projiziert werden, dessen Knotenpunkte circa ein bis zwei Kilometer auseinanderliegen. Schätzungsweise 70 Prozent der Vorhersagefehler sind möglicherweise auf dieses Verfahren zurückzuführen, weil sich Durchgänge von Wetterfronten im Vorhersagegebiet nur sehr schwer prognostizieren lassen. Rund 30 Prozent an Prognosefehlern können außerdem aus dem sogenannten Downscaling resultieren, bei dem die vorhergesagte Windrichtung an den Knotenpunkten auf den jeweiligen Anlagenstandort übertragen wird.
Der „Treibstoff“ Wind ist unberechenbar und bereitet daher bislang verfügbaren Technologien erhebliche Probleme bei der genaueren Beurteilung der Leistung sowie der Energieausbeute einer WEA. Mit BladeVision von SSB Wind Systems soll sich das nun ändern.
Eindeutige Analysen und Aussagen unmöglich
Eindeutige und damit wirklich exakte Aussagen, ob eine Anlage die erwartete Leistung erbringt oder ob Potenziale für Verbesserungen bzw. Optimierungen bestehen, waren somit bisher ebenso wenig möglich, wie eine effektive Ursachenanalyse, um die Defizite bei der Stromerzeugung einer WEA näher zu beziffern. Vor diesem Hintergrund erschweren zu erwartende Ertrags- und Umsatzschwankungen zudem die Finanzierung von Windparkprojekten unter guten Konditionen.
Blattverformung bildet Basis für wegweisende Lösung
Durch eine Vollfeld-Windmessung mit BladeVision von SSB Wind Systems lassen sich diese Probleme jetzt in den Griff bekommen. Grundlage für die Neuentwicklung liefert eine Technologie, die auf Messungen der Verformungen von Rotorblättern in Kombination mit einer hochentwickelten Signalanalyse- und Auswerteeinheit basiert. Eine Digitalkamera erfasst hierbei die Blattverformungen, indem sie die Auslenkungen von Reflektoren aufzeichnet, die sich tief im Inneren der Rotorblätter befinden. Die Auswertung und Aufbereitung der aufgezeichneten Signale erfolgt anschließend in Echtzeit über einen PC im Maschinenhaus. Das System kann, gemittelt über die überstrichene Fläche der Rotorblätter, den Wind mit einer Genauigkeit messen, die mit einem auf einer Rotorblattnabe montierten LIDAR vergleichbar ist. Hierbei werden sowohl Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Drehung der Windrichtung, vertikale und horizontale Scherwinde sowie vertikale Windgeschwindigkeiten als auch Turbulenzen bis zu 0,03 Hz gemessen. Die Windsignale sind für einen Zeitraum von 15 Sekunden gemittelt, was in etwa dem Wind-Konvektionsabstand als Äquivalenz zum Rotordurchmesser entspricht, der jede Sekunde ermittelt wird. Die Biegemomente, die bei jeder Umdrehung der Rotorblätter entstehen, werden alle 50 Millisekunden ermittelt.
Präzisere Leistungskurven
BladeVision ermöglicht eine sofortige und vollständige Windfeldmessung und damit die Erstellung wesentlich präziserer Leistungskurven. Anhand der Informationen über die kompletten Windfeldbedingungen werden nicht nur die Windgeschwindigkeit, sondern insbesondere Faktoren wie Windscherung, Turbulenzniveau und Winddrehung zum Zeitpunkt der Energieerzeugung ermittelt. Hierdurch lässt sich die gemessene Leistung gemäß der genannten Faktoren in Kategorien unterteilen, und jede kategorisierte Windfeldbedingung in Leistungskurven darstellen. Das Ergebnis ist eine eindeutige Leistungskurve, die auf 15-Sekunden-Daten anstatt 10-Minuten-Daten basiert, und somit den aktuellen Wirkungsgrad der Anlage wesentlich besser beschreibt.
Tatsächlichen Wirkungsgrad einer WEA bestimmen
Die Genauigkeit einer eindeutig definierten Leistungskurve und die Kenntnis über alle vorherrschenden Windfeldbedingungen bei der Messung ermöglichen es somit, den tatsächlichen Wirkungsgrad einer WEA zu beurteilen. Über exaktere Leistungskurven, einer höheren Energieproduktion sowie verbesserten 24-Stunden-Prognosen hinaus wird durch BladeVision von SSB Wind Systems auch eine genauere Zustandsüberwachung der Rotorblätter realisiert.