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Special Erneuerbare Energien Rotative Sensorlösungen für Wind- und Solarkraftanlagen

| Autor / Redakteur: Heiko Krebs / Reinhard Kluger

Ob es darum geht, Rotordrehzahlen einer Windkraftanlage zu messen, deren Rotorblätter entsprechend der Windverhältnisse zu verstellen oder Solarpanels dem Lauf der Sonne nachzuführen – überall sorgen rotative Encoder von Sick Stegmann für eine effiziente Energiegewinnung.

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Allein im Bereich drehzahlgeregelter Wind-kraftanlagen im On- und Offshore-Betrieb sind bereits heute mehr als 20.000 Multiturn-Encoder vom Typ ATM60 im Einsatz
Allein im Bereich drehzahlgeregelter Wind-kraftanlagen im On- und Offshore-Betrieb sind bereits heute mehr als 20.000 Multiturn-Encoder vom Typ ATM60 im Einsatz
( Archiv: Vogel Business Media )

Encoder als hochpräzise, messende Systeme zur Weg-, Positions- und Winkelbestimmung bieten deutlich mehr Möglichkeiten bei der Automatisierung von Wind- und Solarkraftanlagen als Sensoren, die nur einzelne Schaltpunkte oder Endlagen erfassen. So sind allein im Bereich drehzahlgeregelter Windkraftanlagen im On- und Offshore-Betrieb bereits heute mehr als 20.000 Multiturn-Encoder vom Typ ATM60 im Einsatz – Tendenz steigend. Hinzu kommen Aufgabenstellungen in Solarkraftanlagen, in denen rotative Encoder wie der neue programmierbare DFS60 oder der DKS40 Wege und Positionen in Nachführsystemen für Photovoltaik-Module bestimmen.

Windkraft: Encoder sorgen Energieerzeugung mit hohem Wirkungsgrad

Eine Windkraftanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern und einer drehbar auf einem Turm gelagerten Maschinengondel, die den Generator und ein Getriebe beherbergt. Über die Rotorblätter wird die Bewegungsenergie der Windströmung aufgenommen und in eine Drehbewegung umgewandelt. Aus dieser Rotationsenergie erzeugt der Generator elektrischen Strom. Eine Windkraftanlage erreicht dabei dann ihr Optimum, wenn die Rotordrehzahl und die Generatordrehzahl auf die augenblicklich herrschende Windgeschwindigkeit abgestimmt sind. Zur Messung der Rotordrehzahlen werden in zahlreichen Windkraftanlagen Incremental-Encoder des Typs DFS60 eingesetzt. Hier wie auch in anderen Anwendungen ist das Gerät eine vielseitig einsetzbare Lösung für die Ermittlung von Winkel, Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung. Der Grund: Der DFS60 kann je nach Genauigkeitsanforderung einfach mit einem PC und dem Programming Tool vom Anwender oder Systemintegrator auf jede Strichzahl zwischen eins und 65.536 frei eingestellt werden.

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Pitchen mit Präzision

Ab Erreichen des maximalen Generatormoments, aber auch dann, wenn bei sehr großen Windstärken von etwa zehn bis zwölf Beaufort die Anlage abgeschaltet wird, um Schäden durch mechanische Überbelastung zu vermeiden, muss die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors begrenzt bzw. reduziert werden. Hierzu wird der aerodynamische Wirkungsgrad der Rotorblätter verschlechtert, indem sie aus ihrem optimalen Anstellwinkel herausgefahren werden. Diesen Vorgang, den man Pitchen nennt (von Englisch to pitch = neigen), erfolgt in zahlreichen Windkraftanlagen mit Hilfe von absoluten Multiturn-Encodern der Baureihe ATM60. Der Sensor im robusten Metallgehäuse mit Schutzart IP67 liefert auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig die benötigten Positionsinformationen über die jeweilige Rotorblattstellung. Bei diesem rotativen Messsystem für Wege, Winkel und Positionen werden permanentmagnetische Elemente auf einer magnetischen Maßverkörperung von einem Sensor abgetastet. Durch die große Grundauflösung von 8192 Schritten pro Umdrehung bietet der ATM 60 eine hohe Präzision. Die Multiturn-Eigenschaft des Drehgebers wird durch mehrere mechanische Untersetzungsgetriebe mit aufgesetzten Magneten erreicht. Dadurch sind die Absolutwerte des ATM60 im Gegensatz zu elektronischen Geräten mit batteriegepufferten Zählern sicher vor Störimpulsen – und somit immer für die Steuerung der Windkraftanlage verfügbar.

Dank Encodern immer die Nase im Wind

Zur Stromerzeugung haben sich heute drehzahlvariable, pitchgeregelte Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse durchgesetzt. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen und auch, weil Wind keine konstante Größe ist, muss bei diesen Anlagen neben der Neigung der Rotorblätter auch die Maschinengondel entsprechend der Windrichtung nachgeführt werden – zumal es sich bei den meisten Rotorsystemen um sogenannte „Luvläufer“ handelt, die sich auf der dem Wind zugewandten Seite des Turms drehen. Dafür, dass die Gondel mit dem Rotor immer die „Nase im Wind“ hat, sorgen mehrstufige Planetengetriebe — sogenannte Azimutantriebe — , die horizontal drehbar auf dem Turm angebracht sind. Bei der Ausrichtung der Gondel entsprechend der Daten von Windrichtungsgebern bewähren sich bei der Azimutsteuerung die Encoder die ATM60 ebenfalls als robuste und präzise Sensoren – sowohl in Onshore- als auch in Offshore-Windenergieanlagen.

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