Wie Pitch einer Windkraftanlage

Mit über 350.000 Windkraftanlagen weltweit, die derzeit im Einsatz sind, ist Wind weiterhin eine der am schnellsten wachsenden Formen erneuerbarer Energien. Im Jahr 2021 brachten 93,6 GW an Neuinstallationen die weltweite kumulierte Windkraftkapazität auf 837 GW, was einem Wachstum von 12 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Der Global Wind Report 2022 stellt fest, dass in den nächsten fünf Jahren 557 GW neue Kapazität hinzukommen werden – mehr als 110 GW an Neuinstallationen pro Jahr bis 2026.

Frage:Wir wissen, dass Windkraftanlagen eine Quelle erneuerbarer Energieerzeugung sind. Wie viel Energie wird aus einer einzelnen Turbine erzeugt?

Bucci: Heutige Windkraftanlagen sind hochtechnische Präzisionsmaschinen, die die neueste Digital- und Computertechnologie nutzen, um die Wattleistung jeder Windböe zu maximieren. Eine durchschnittlich große 2-MW-Windkraftanlage kann genug Strom erzeugen, um etwa 1.000 Haushalte zu versorgen. Windkraftanlagen laufen rund um die Uhr und haben eine Betriebserwartung von 98 % über einen Zeitraum von 20 Jahren. Sie arbeiten in extrem dynamischen Umgebungen, in denen Zuverlässigkeit von größter Bedeutung ist.

Q:Werden Windkraftanlagen auch in den kommenden Jahren das globale Null-Emissions-Ziel ergänzen?

Bucci: Windkraftanlagen spielen eine entscheidende Rolle bei der Verwirklichung des Ziels der Internationalen Energieagentur, bis zum Jahr 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Das bedeutet, dass der gesamte erzeugte Strom keine CO2-Emissionen verursacht und dazu beiträgt, den globalen Temperaturanstieg auf 1,5 °C zu begrenzen. Und da Windkraftanlagen immer größer werden, steigt auch ihre Leistungsfähigkeit, wobei pitchgesteuerte Systeme zur Standardwahl für Effizienzsteigerungen werden.

Q:Können Sie uns mehr über pitchgesteuerte Systeme erzählen?

Bucci: Mit geformten Rotorblättern, die sich anpassen und drehen lassen, um die Produktivität zu maximieren, ermöglicht die aktive Pitch-Steuerung die Konfiguration einer Windkraftanlage für einen effizienten Betrieb bei jeder Windgeschwindigkeit. Durch die aktive Steuerung des Blattwinkels können Betreiber die Rotationsenergie des Windes unabhängig von der Windgeschwindigkeit optimieren.

Im Pitch-Aktuator der Windkraftanlage ist ein hydraulischer Pitch-Zylinder untergebracht, der die Bewegung steuert, die Rotorblätter der Turbine leicht dreht und den Pitch an wechselnde Windgeschwindigkeiten anpasst. Bei langsamen Windgeschwindigkeiten passt der Pitchzylinder den Blattwinkel an, um die Blattoberfläche zu vergrößern und die Windenergie einzufangen. Wenn die Windgeschwindigkeit zunimmt, werden die Rotorblätter abgewinkelt, um die mit dem Wind in Berührung kommende Oberfläche zu verringern und so übermäßige Drehzahlen zu verhindern und so die Systemintegrität zu schützen. Der Luftwiderstand bei höheren Windgeschwindigkeiten wirkt sich ebenfalls negativ auf die Systemeffizienz aus und eine Änderung der Blattneigung kann die Leistung erheblich verbessern.

Q:Welche Dichtungskonfigurationen sind für den Pitchzylinder erforderlich?

Bucci: Das Dichtungssystem muss bei Drücken von 3.625 psi (250 bar) mit konstantem linearem Druck auf die Stangen- und Kolbendichtungen und unterschiedlichen Seitenkräften, die die Positionierung steuern, arbeiten können. Während eine Turbinenschaufel beim Aus- und Einfahren der Pitchzylinderstange schräg gehalten wird, darf das Dichtungssystem keine Drift oder Schlupf aufweisen. Dies kann dazu führen, dass sich die Blattneigung verschlechtert und die Effizienz drastisch sinkt. Außerdem müssen Dichtungen ihre Halteposition mit minimaler Vibration und Reibung oder Ruckgleiten leicht lösen und sich gleichmäßig linear bewegen können. Dies erfordert reibungsarme Dichtungsmaterialien.

Darüber hinaus müssen Dichtungen minimale Verschleißeigenschaften aufweisen und eine dynamische Bewegung ermöglichen, die kontinuierlich in kurzen Hüben erfolgt. Diese treten durchschnittlich 900 Mal pro Stunde auf und können zu besonders aggressivem Verschleiß führen, da sich die Dichtung nicht vollständig biegen und Spannungen abbauen kann, wie dies bei Langhubanwendungen der Fall wäre.

Q:Welche Materialien werden für die Abdichtung von Windkraftanlagen verwendet?

Bucci:Standardmäßige Dichtungsmaterialien für Hydraulikzylinder reichen möglicherweise nicht aus, und zur Verlängerung der Lebensdauer sind Materialien mit geringem Verschleiß erforderlich, z. B. Verbindungen auf der Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE), gefüllt mit Verschleißschutzmitteln und einem harten Durometer sowie stabilem Urethan.

Standard-Verschleißringe auf Polymerbasis sind möglicherweise auch nicht in der Lage, die gewünschte längere Lebensdauer zu erreichen. Alternativ sind Verschleißringe aus Verbundwerkstoffen so konstruiert, dass sie hohen Belastungen standhalten und Verschleiß widerstehen.

Q:Wie wirken sich unterschiedliche Klimabedingungen auf die Dichtungsbedingungen in Windkraftanlagen aus?

Bucci: In Windkraftanlagen verwendete Dichtungen müssen standardmäßig Kältetemperaturen von bis zu –22 °F (–30 °C) und in sehr kalten Klimazonen sogar noch niedrigeren Temperaturen bis zu –40 °F (–40 °C) standhalten. Wenn die Temperaturen unter diese Werte fallen, kann das Öl im Zylinder nicht mehr richtig funktionieren und muss mit Heizelementen erwärmt werden.

Die maximale Temperaturbeständigkeit für Dichtungen in Hydraulikzylindern von Windkraftanlagen beträgt 140 °F (60 °C). Darüber hinaus sind Kühlsysteme erforderlich, damit das Öl nicht belastet wird, die Viskosität abnimmt und verkohlt. Darüber hinaus müssen Aktuatordichtungen anspruchsvollen Bedingungen wie hoher Luftfeuchtigkeit, Schmutzpartikeln, Salznebel sowie den Strapazen von Wind und Regen standhalten.

Q:Wie kann die Leistung des Pitchzylinders optimiert werden?

Bucci: Die Dichtungen in den Hydrauliksystemen sind für die Gesamtleistung der Turbine von entscheidender Bedeutung und die Optimierung ihrer Lebensdauer ist entscheidend für die langfristige Wirksamkeit des Gesamtsystems. Ein Beispiel für eine Dichtungsanordnung für eine Windkraftanlage ist die Kombination von Trelleborgs Turcon Stepseal V LM, einer einfachwirkenden O-Ring-Dichtung aus PTFE-basierten Materialien, die für dynamische Anwendungen entwickelt wurde, mit Trelleborgs Verbundwerkstoff Orkot Slydring, der Metall-an- Metallkontakt zwischen den statischen und dynamischen metallischen Komponenten. Speziell entwickelte Konfigurationen verbessern die Schmierung, optimieren die Reibungseigenschaften und maximieren die Lebensdauer, während sie gleichzeitig jegliche externe Ölleckage verhindern.

Q:Wie sonst könnten Betreiber die Lebensdauer der in Windkraftanlagen eingesetzten Dichtungen verlängern?

Bucci: Um die Lebensdauer und Leistung der Dichtungen weiter zu verlängern, sollten Betreiber alle dynamischen Dichtungslaufflächen mit einer fortschrittlichen korrosionsbeständigen Beschichtung versehen. Korrosionsschutzbeschichtungen verringern die Möglichkeit von Rost und Lochfraß bei Eisenmetalloberflächen. Diese sind entsprechend der Oberflächenbeschaffenheitsempfehlung eines Dichtungslieferanten poliert und sorgen für glatte Laufflächen der Hardware, um die Reibung zu verringern, den Verschleiß zu reduzieren und die Gesamtzuverlässigkeit des Systems zu erhöhen.

—Dieser Artikel wurde zu POWER beigetragen vonTrelleborg Sealing Solutions Americas.

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