slide 1

Gondeltest im Labor – Center for Wind Power Drives Aachen 25. September 2013

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs

slide 2 Gondeltest im Labor – Center for Wind Power Drives Aachen

CWD – Organisation und Infrastruktur 2

Testverfahren für WEA Antriebssysteme 3

1 Forschungsbedarf bei WEA-Antriebssystemen

slide 3 Ausgangssituation Schadenshäufigkeit und Verfügbarkeit

Technische Verfügbarkeit von On-Shore Windparks

Der Antriebsstrang und seine Komponenten sind

maßgebend für die Verfügbarkeit der WEA

Abnehmende Verfügbarkeit mit

zunehmender Anlagengröße

Schadenshäufigkeiten und Ausfallzeiten nach Komponenten

Verfü

gbar

keit

[%]

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Durchschnittliche Onshore-Verfügbarkeit

Zeitpunkt der Inbetriebnahme

2006

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2004

2005

2006

2004

2005

2006

2005

2006

2007

2006

2007

2007

2004

/200

520

05/2

006

2006

/200

7

Utg

rund

en

Mid

delg

rund

en

Nys

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Nor

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San

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Flat

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Egm

ond

Bar

row

2006

/20

07

1,5 MW2 MW2,3 MW3 MW

Quelle: ISET, IWES , 2010

Quelle: Erhöhung der Verfügbarkeit von Windkraftanlagen, 2009

slide 4 Ausgangssituation Zum Teil neuartige, bisher wenig bekannte Schadensmechanismen

Quelle: ISET, IWES , 2010

Bauteil- Schadens-

mechanismen

- Ermüdung - Anschmierung - Neuhärtung - Graufleckigkeit

- Fressen - Zahnbruch - Pitting - Graufleckigkeit

- Kurzschluss - Überhitzung - Vibration

slide 5

Bauteil-Design

Ableitung des Forschungsbedarfes

Bauteilschädigung

Bauteil- Beanspruchbarkeit

Bauteil- Beanspruchung

Netz

Wind WEA-System-Design

WEA-Controller

Ermüdung

Verschleiß

Bauteiltestverfahren

Messung

Berechnung Validierung von Simulations- Modellen

Entwicklung von HIL-Testverfahren für WEA-Maschinenhäuser

Berücksichtigung realer Bauteilgröße & Bauteilschäden

innere Lasten

Systemdynamik

äußere Lasten

slide 6

CWD – Organisation und Infrastruktur 2

Testverfahren für WEA Antriebssysteme 3

1 Forschungsbedarf bei WEA-Antriebssystemen

Gondeltest im Labor – Center for Wind Power Drives Aachen

slide 7 CWD – Organisation und Infrastruktur Beteiligte Institute

Prof. Hameyer

Prof. Schröder

Prof. Monti

Prof. De Doncker

Prof. Brecher

Prof. Abel

Prof. Jacobs

Vorstand: Abel, Brecher, De Doncker, Hameyer, Monti, Jacobs, Schröder

Wissenschaftlicher Beirat : Industrieunternehmen

Geschäftsführer: Dr. Schelenz

© 2011 rha reicher haase architekten

slide 8

Prof. Hameyer

Prof. Schröder

Prof. Monti

Prof. De Doncker

Prof. Brecher

Prof. Abel

Prof. Jacobs

Getriebehersteller

Generatorhersteller

Netzbetreiber

Wälzlagerhersteller

…

Anlagenhersteller

Gemeinsame Forschungsroadmap

Gemeinsame Forschungsanträge

Gemeinsame Forschung

Markt

Produkt

Technologie

Effizienz Verfügbarkeit Herstellkosten

2013 2014 2015

Neue EU-Emissionrichtlinie NRMM

US EPA Tier 4

In Use Compliance - Messungen

Reduktion der Kraftstoffkosten ( = Kraftstoffverbrauch)

Effizienzbewertung durch physikalische Berechnungsmodelle

Effizienzsteigerungspotentiale durch konsequente Elektrifizierung

Steigerung der Produktivität und Effizienz durch Kombination von Hybridtechnologien und selbstlernender Betriebsstrategie

Anwendungs- und leistungsdifferenzierter Konzeptkatalog zur technisch-wirtschaftlichen Bewertung effizienzsteigernder Fahrantriebe

Antrag

Hersteller Antriebstechnik 05

101520253035

050100150200250300350Rotorspeed rpm

Torque kNm

-505

1015202530

-200020040060080010001200Windspeed m/s

Pitchangle degElectric Power kW

140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440-200-150-100

-500

50100150200

-200-150-100-50050100150200

Thrust kNRadial Force kNTilt Bending Moment kNmYaw Bending Moment kNm

CWD – Organisation und Infrastruktur Beteiligte Industrieunternehmen

slide 9 CWD – Organisation und Infrastruktur Workshop CWD-Forschungsroadmap

Energiegestehungskosten

Total Cost Of Ownership (TCO)

Kaufpreis Trans-aktions-kosten

Infra-struktur-kosten

Handling-kosten

Erhaltungs- & Ersatz-kosten

Verdeckte Kosten

Produzierte Energiemenge

Energie-potential

Verfüg-barkeit Effizienz

Marge des Anlagenbetreibers

Verfüg-barkeit

Erhaltungs- & Ersatz-kosten

Kaufpreis

Effizienz

+

slide 10 CWD – Organisation und Infrastruktur 4 MW Prüfstand für WEA-Antriebssysteme Forschungsbegin im September 2014

Quelle: GE

Nennleistung Pn = 4000 kW Bereich konst. Moment Tk = 4-14 1/min Nennmoment Tn = 2,7 MNm Maximalmoment Tmax = 3,4 MNm

Axialkraft Fx = 4 MN Radialkraft Fy = 3,3 MN Vertikalkraft Fz = 3,3 MN Biegemoment My = 7,2 MNm Biegemoment Mz = 7,2 MNm

slide 11

120 t Hallenkran 90 t Zuwegung für Tieflader 1773 m² Laborfläche 181 m² Werkstatt 550 m² Büros

CWD – Organisation und Infrastruktur 4 MW Prüfstand für WEA-Antriebssysteme Forschungsbegin im September 2014

slide 12

slide 13

CWD – Organisation und Infrastruktur 2

Testverfahren für WEA Antriebssysteme 3

1 Forschungsbedarf bei WEA-Antriebssystemen

Gondeltest im Labor – Center for Wind Power Drives Aachen

slide 14 Testverfahren für WEA Antriebssysteme „Verbesserung des Betriebsverhaltens von On-Shore Windenergieanlagen …“

New drive train concepts

Test rig construction PN = 1 MW

Certification Condition monitoring

RWTH Aachen Bosch Rexroth GE (Converteam) FIS (Schaeffler) Vestas

RWTH Aachen FIS (Schaeffler) TÜV Rheinland Vestas

RWTH Aachen Bosch Rexroth FIS (Schaeffler) Vestas

RWTH Aachen FIS (Schaeffler) Winergy

Research for and with the 1 MW-system test rig Part I Part II Research with the

4 MW-system test rig

Hightech.NRW

slide 15 Testverfahren für WEA Antriebssysteme 1 MW Prüfstand für WEA-Antriebssysteme mit aufgebautem Prüfling - Vestas V52

Asynchronmotor mit Getriebe Nennleistung Pn = 1000 kW Nenndrehzahl nn = 29 1/min Bereich konst. Moment Tk = 1-29 1/min Nennmoment Tn = 329 kNm Maximalmoment Tmax = 395 kNm

Hightech.NRW

slide 16 Testverfahren für WEA Antriebssysteme Gondel mit realer Belastung im HIL-System

M Last-

Einheit 1MW Motor

Maschinenhaus (Gondel)

G Getriebe

WEA Controller

Generator/ Umrichter

Torsions- Moment Drehzahl

Pitchwinkel

Echtzeit-Berechnung mechanische Lasten

Aerodyna-mische Kräfte

am Rotor

Massen-trägheit Rotor

Nick-Moment Gier-Moment Axialschub Radialkraft

Windgeschwindigkeit Turbulenzgrad

Gewicht Rotor

Echtzeit-Berechnung elektrische Lasten

Netz- verhalten

Netzfrequenz Netzspannung

Spannung Frequenz Strom

Hightech.NRW

Umrichter

slide 17 Testverfahren für WEA Antriebssysteme Hochlauf bei zunehmendem Wind

05

101520253035

050100150200250300350Rotorspeed rpm

Torque kNm

-505

1015202530

-200020040060080010001200Windspeed m/s

Pitchangle degElectric Power kW

140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440-200-150-100

-500

50100150200

-200-150-100-50050100150200

Thrust kNRadial Force kNTilt Bending Moment kNmYaw Bending Moment kNm

1 2 3

4 5 6

Hightech.NRW

slide 18 Testverfahren für WEA Antriebssysteme Spannungseinbruchs-Test

vwind = 15 m/s

-1000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1000 U_PCC_U VU_PCC_V VU_PCC_W V

369.9 369.95 370 370.05 370.1 370.15 370.2 370.25 370.3 370.35 370.4-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000 I_PCC_U AI_PCC_V AI_PCC_W A

7

8

dU/dt = 5200 V/s

generator disconnect

Hightech.NRW