Wind und Wetter simuliert

Lebensdauerberechnung von Windenergieanlagen

Unter den regenerativen Verfahren zur Energieerzeugung hat die Windenergie das größte Potenzial, da die Kosten vergleichsweise niedrig sind und die Technik im Alltagsbetrieb ihre Tauglichkeit bewiesen hat. Die Wirtschaftlichkeit nimmt mit der Größe der Windenergieanlage zu, so dass die Baugrößen sehr schnell gewachsen sind und heute Anlagen mit bis zu sechs MW gebaut werden. Auch zukünftig wird man versuchen, die Leistungsgrenzen der Anlagen weiter nach oben zu verschieben ohne dass die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit darunter leiden dürfen: Die Lebensdauer einer Windenergieanlage sollte 20 Jahre betragen. Das Ulmer Steinbeis-Transferzentrum Neue Technologien in der Verkehrstechnik hat Tools entwickelt, die Entwickler bei der Simulation der Lebensdauer unterstützen.

Die technische Herausforderung bei einer Windenergieanlage besteht darin, dass sich eine große Masse – Rotor und Maschinenhaus – auf einem relativ elastischen Stab, dem Turm, befindet. Dieses schwingungsfähige System wird hohen dynamischen Belastungen durch den Wind, bei Off-Shore-Anlagen zusätzlich auch Wellen, ausgesetzt. Zur Lebensdauervorhersage einer Windenergieanlage werden unter verschiedenen Windbedingungen gemessene Daten – beispielsweise die Kräfte und Momente in der Rotornabe – als Basis für eine Lebensdauerberechnung verwendet. Auch Sonderereignisse wie die Notabschaltung müssen simuliert werden. So kommt eine große Zahl von mehreren hundert Szenarien zu Stande, deren Schädigung, der Häufigkeit des Auftretens entsprechend gewichtet, addiert werden muss, um möglichst die Ereignisse im „Leben einer Windenergieanlage“ realitätsnah abzubilden.

Der hohe Stand der Windenergie in Deutschland hat dazu geführt, dass deutsche Regelwerke weltweit ein großes Ansehen genießen und daher auch Auslegungsprinzipien weltweit übernommen werden. Die von den Steinbeis-Transferzentren Neue Technologien in der Verkehrstechnik und Verkehrstechnik. Simulation.Software seit 20 Jahren entwickelte und vertriebene Software winLIFE hat daher diese Regeln zur Generierung der Wöhlerlinien implementiert. winLIFE wurde ursprünglich für den Automobilbau entwickelt. Da die Probleme und Verfahren bei Windenergieanlagen sehr ähnlich sind, wird seit einigen Jahren winLIFE auch hier mit Erfolg eingesetzt und wird auf Grund der großen Nachfrage auch speziell für Windenergieanlagen erweitert. Ein Schwerpunkt ist die Steigerung der Effizienz des Programmeinsatzes insbesondere der automatisierten Berechnung in Kombination mit der Finite Element Method (FEM), um den großen Bedarf an Variantenrechnung effizient zu ermöglichen.

Auf Grund der Komplexität der Einsatzbedingungen ist es für Grundsatzuntersuchungen und auch Zuverlässigkeits- und Lebensdaueraussagen notwendig, die Windenergieanlage als komplettes System zu simulieren. Dazu werden die gesamten Umgebungsbedingungen in die Simulation ein- bezogen. So wird der Wind als Vektorfeld mit seiner gesamten Turbulenz und – im Falle von Off-Shore-Anlagen – auch die Wellenhöhe als Funktion der Zeit vorgegeben. Die gesamte Dynamik der Windenergieanlage wird in einem MKS (Mehrkörpersimulation)/FEMModell abgebildet, so dass sich alle dynamischen Phänomene berücksichtigen lassen. Die Software S4WT (Samcef for Windturbines) der SAMCEF Gruppe ist ein MKS/FEM-System, das genau dies leistet und als Ergebnis auch die Spannungstensoren für jeden interessierenden Punkt berechnet. Zur Lebensdauerberechnung haben die Steinbeis-Experten eine Integration der Software winLIFE in die Software S4WT realisiert. Nach einer MKS/ berechnung durchgeführt werden. Viele Regelwerke und Standards zur Bemessung von Komponenten der Anlage sind in die Software winLIFE integriert. Es werden nun nahezu alle Komponenten der Windenergieanlage ausgelegt und deren Lebensdauer nachgewiesen.

Riesige Investitionsvolumina werden weltweit in Windenergieanlagen investiert. Der Simulation bei der Entwicklung kommt dabei eine sehr große Bedeutung zu, damit die Funktionsfähigkeit der Anlage über den Auslegungszeitraum von Jahre 20 Jahren möglichst ohne Ausfälle gegeben ist. FEM-Simulation kann nun eine Lebensdauerdert

Seite teilen