Höherer Ertrag durch korrekte Blattwinkeljustage
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- Justus Adenauer
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1 23. Windenergietage, November 2014 in Potsdam Dr.-Ing. C. Heilmann, BerlinWind GmbH, Bundesallee 67, Berlin 1 / 18
2 Inhalt Unternehmensprofil Einfluss von Blattwinkelfehlern auf Leistungskurve und Ertrag Definition von absoluten und relativen Blattwinkelfehlern Woher kommen die Grenzwerte? Statistische Ergebnisse zu Blattwinkelfehlern an 277 WEA: - Wie viele WEA sind betroffen? - Welches Niveau ist zu erwarten? - Welcher Ertragsverlust ist im Mittel zu erwarten? Indirekte Ertragsverluste durch Blattwinkelfehler-bedingte Schäden Kosten-Nutzen-Verhältnis von Blattwinkelmessung und Rotorauswuchten Zusammenfassung 2 / 18
3 Unternehmensprofil 2009 gegründetes, unabhängiges Ingenieurbüro, Teil der Holding Corporate Energies Group Mitglied u.a. BWE-Sachverständigenrat und AK WEA-Weiterbetrieb sowie AK VDI Ingenieure mit Windenergie-Erfahrung seit über 14 Jahren in Rotorauswuchten WEA, 80+ WEA-Typen von 20+ Herstellern: 600W 5+ MW Lastmesskampagnen bis zu 3 Jahre und über 120 Sensoren Consulting, Schadensanalysen, WEA-Performance-Optimierung Messtechnik-Lösungen für Spezialmessungen an WEA und Rotoren - BalancingBox zur Rotorunwucht-Prüfung und zum Auswuchten - Photometrische und Distanz-Laser basierte Blattwinkelmessung - Drei-Ebenen-Auswuchten des WEA-Triebstrangs - Kompaktes Lastmessungssystem für Weiterbetriebs-Analyse 3 / 18
4 Blattwinkelfehler verschlechtern die WEA-Leistungskurve Elektrische Leistung in MW Leistung in kw Windgeschwindigkeit in m/s Hersteller-Leistungskurve Blattfehlstellung nach Fahne Blattfehlstellung nach Stall Design- WEA-Auslegung: Leistungskurve Festlegung des optimalen Fehljustiert nach Soll-Blattwinkel für Fahne gewünschte Leistungskurve Fehljustiert nach Stall Soll- Blattwinkel Nach Fahne Nach Stall Wind Fahnenposition Windgeschwindigkeit Schlechtere Leistungskurve = Weniger Ertrag bei gleichem Wind Justage nach Stall : ggf. leichte Leistungserhöhung aber signifikant erhöhte Schwingungen, d.h. beschleunigte Materialermüdung bei Pitch-WEA 4 / 18
5 Blattwinkelfehler reduzieren den WEA-Ertrag deutlich gsverlust bzw. uktionsverlust 30% Ertrags- bzw. Produktionsverlust in % 25% 20% 7,4% je 1,0 - Trend aus 2 Jahren Betriebsdaten und Messung der absoluten Blattwinkel in einem Windpark mit 10 x 1,5 MW WEA. Durchschnittl. Minderertrag, incl. Schadenstillstandsverluste, im Vergleich zur Referenz-WEA 10% je 1,0 - für Teillast bei Pitch-WEA, theoretisch; Abschätzung der Zunahme des Leistungsverlusts bei Blattwinkelfehlstellung aus Windkanal-Profildaten Leistung in kw Elektrische Leistung in MW 2000 Ertragsverlust streut wegen weiterer Einflussparameter 15% 1500 Hersteller-Leistungskurve Blattfehlstellung nach Fahne Blattfelhstellung nach Stall 10% 5% 0% 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 0 Mittlere absolute Abweichung vom Design-Blattwinkelsetting in Grad 1000 Anmerkung: Blattwinkel-bedingter Ertragsverlust variiert mit - WEA-Typ (Blatt-Design und Regelung), - Anzahl der fehljustierten 500 Blätter, - Standorteinflüssen (mittlere Windgeschwindigkeit) - Einrechnung der Stillstands-Ertragsverluste. Design- Blattwinkel Nach Fahne Nach Stall Wind Fahnenposition Windgeschwindigkeit in m/s Windgeschwindigk 5 / 18
6 Woher kommen Blattwinkel-Grenzwerte? Blattwinkelfehler erhöhen Lebensdauerverbrauch, d.h. Materialermüdung und Schadenskosten steigen, Nutzungsdauer sinkt Nachweis der Stand- und Betriebssicherheit für WEA-Typenprüfung (DIBt-Richtlinie) und Zertifizierung (DIN EN , GL-Richtlinie) erfordert Berücksichtigung von definierten maximalen Blattwinkelfehlern in der Simulation der Betriebslasten für die gesamte Nutzungsdauer Absolute Blattwinkelabweichung zum Referenzwert des WEA-/Blatt-Herstellers. Beispiel: GL-Richtlinien: Grenzen. +/- 0,3 vorgeschlagen, OEM: oft strenger, z.b. +/-0,25 * Für Justage: exakter Soll-Blattwinkel, Grenzwert und weitere Daten notwendig Relative Blattwinkeldifferenz der 3 Blätter eines Rotors zueinander: Grenzwert aus absolutem Grenzwert abgeleitet, typisch: 0,5-0,6 * Nachteil: Unbekannter Offset zum Soll-Blattwinkel bewirkt weiterhin Ertragsverluste 6 / 18
7 Durch Blattwinkelfehler bei Multi-MW WEA Schwingungsschäden bis ins Fundament Normierte Unwuchtamplitude (richtungsweise normiert auf Werte nach Schritt 3) 65, ,6 53,0 5,2 2,0 2,8 1,3 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 axial lateral torsional Messrichtung der Gondelschwingung Vor der Justage: Blattwinkeldifferenz 5,8, über 12faches des Grenzwerts Schritt 1: Justage auf den AU-Grenzwert (ein Blatt 0,5, zweites Blatt 0,2, MU 1,5 faches des Grenzwerts) Schritt 2: Justage deutlich unter AU-Grenzwert (MU weiterhin 1,5 faches des Grenzwerts) Schritt 3: Nach Blattjustage und Auswuchten: AU und MU deutlich unter den Grenzwerten Viele Fundamentrisse nach einem Betriebsjahr 7 / 18
8 Statistik von Messungen der absoluten Blattwinkel an 277 WEA-Rotoren (70% über 2 MW) Statistik der absoluten Blattwinkel bei 277 WEA Wieviele betroffen? Grenzwerte eingehalten für absolute Abweichung vom Soll-Blattwinkel und für relative Blattwinkeldifferenz 7% Ertrag und Schwingungsverhalten normal Grenzwert für absolute Abweichung vom Soll- Blattwinkel überschritten, aber für relative Blattwinkeldifferenz eingehalten 43% Grenzwertüberschreitung für absolute Abweichung vom Soll-Blattwinkel und für relative Blattwinkeldifferenz 50% Ertragsverluste, Schwingungsschäden Erhöhte Ertragsverluste Vermehrte Schwingungsschäden - Verfahren: Photometrische, statistisch sichere Blattwinkelmessung - Stichprobe: 277 WEA mit und ohne Verdacht untersucht, teilweise komplette Windparks - 70% mit Nennleistung > 2 MW, mittlere Leistung 2 MW 7% unter abs. GW 76% über 2*GW (0,6 ) 50% über 3,5*GW (1,1 ) 25% über 6*GW (1,8 ) 5% über 18*GW (5,4 ) 8 / 18
9 Statistik der absoluten Blattwinkel bei 277 WEA Betroffene Blätter je Rotor Anzahl der fehljustierten Blätter je Rotor bei 277 WEA (70% über 2 MW) Drei Blätter fehljustiert 57% Alle Blätter ok 7% Ein Blatt fehljustiert 9% Zwei Blätter fehljustiert 27% Relative Blattjustage bei 84% der Rotoren nicht ausreichend, bei 27% würde drittes, korrektes Blatt aus den zulässigen Grenzen heraus justiert! Nur absolute Blattwinkelmessung findet alle betroffenen Blätter 9 / 18
10 Photometrische Messung der absoluten Blattwinkel von 813 Rotorblätter (= 277 WEA) Statistik der absoluten Blattwinkel bei 277 WEA 831 Einzelblätter zu weit "nach Fahne" 32% innerhalb +/- 0,3 21% zu weit "nach Stall" 47% nach Fahne Soll- Blattwinkel nach Stall Fahnenstellung Im Schnitt je Rotor mehr als ein Blatt betroffen Mittelwert -0,34, Standardabweichung 1,9 Extreme: -8,8 und + 11,8 Mittlerer Ertragsverlust je 2 MW WEA der Stichprobe: 9,4% 10 / 18
11 Leistung in kw Leistungszunahme je Klasse in % Leistungskurvenverbesserung durch Justage absoluter Blattwinkel Mittlerer abs. BW-Fehler des Rotors: -0,7 NACH BW-Justage VOR BW-Justage 7% 6% 5% Leistungszunahme NACH BW-Justage 4% 3% Vergleich der Leistungskurven im gleichen jahreszeitlichen Abschnitt Mittl. Windgeschwindigkeit in m/s 2% 1% 0% 11 / 18
12 Ursachen von Blattwinkelfehlern Alle Stadien des WEA-Lebenszyklus sind betroffen: Design, Produktion, QM, Lagerung, Transport, Errichtung+IBN, Betrieb Justage-unfreundliches Design QM: Fehlende / falsch sitzende Blattmarken Unkorrekte BW-Einstellung, u.a. wegen schwieriger Prozedur und bedingt taugliche, ungenaue Hilfsmittel Controller-Änderungen, Software-Updates Pitch-System-Störungen, -Leckage, -Reparaturen, Pitchgeber-Tausch, Blattlager-Tausch, Schlechte Dokumentation (Rücknahme von Justagen) Verbogene Blätter (Falsche Lagerung oder Stillstand mit Rotor-Arretierung) 12 / 18
13 Optimierte Kombination von Schwingungsmessung mit optischer Blattwinkelmessung Schwingungsmessung zur WEA-Unwuchtprüfung bei definierten Messbedingungen auf MU und AU MU? AU? MU- und AU- Kennzahlen Torsion Aufnahme von Fotoserien Statistische Auswertung Blattjustage notwendig? Blattwinkelgrenzwert, Design-Blattwinkel Schwingungsmessung zur Qualitätskontrolle und MU-Prüfung Blattwinkeljustage Schwingungsmessung Rotor-Urzustand Anbringen MU- Kalibriermasse Schwingungsmessung zur MU-Bestimmung Anbringen der Ausgleichsmassen Schwingungsmessung zur Qualitätskontrolle 13 / 18
14 Vielfältige Folgen von Blattwinkelfehlern mit entsprechenden Folgekosten Blattwinkelfehler Verfälschung der MU-Messung Bewirkt viele Fehldiagnosen 14 / 18
15 Blattwinkelfehler und / oder Massenunwucht an mehr als 70% aller WEA Unzulässige abs. + rel. BW, unzulässige Datenbasis (aus > 1000 WEA-Prüfungen): 253 MU; VERDACHTSLOS 17% geprüfte WEA Unzulässige abs. + rel. BW, zulässige MU; 16% Statistik zu relativen und absoluten Blattwinkelfehlern und Massenunwucht bei WEA-Rotoren (Kombination Statistik 2013 und 2014) Zulässige rel. + abs. BW, MU; 27% BW: Blattwinkel MU: Massenunwucht Unzulässige abs. BW und MU, zulässige rel. BW; 7% Grenzwerte Zulässige für rel. Massenunwucht + abs. und absolute sowie relative Blattwinkelfehler BW, unzulässige betrachtet MU; 5% Kombination der Studie 2014 an 277 WEA zu absoluten Blattwinkeln und der Studie zu verdachtslos geprüften WEA (EWEA2013) 15 / 18 Unzulässige abs. BW, zulässige rel. BW und MU; 28%
16 Kosten-Nutzen-Verhältnis im WEA-Leben von Blattwinkeljustage und Auswuchten Worst case Unwucht-Folgekosten mit "Worst case" Unwucht-Folgekosten, 5 WEA mit absoluten Blattwinkelfehlern und Ertragsverlust 5 betroffenen 40 T /WEA p.a., WEA MU-Schadenskosten und BW-Ertragsverlust 2,5fach erhöht, verkürzte Nutzungsdauer 18 Jahre bei 2 WEA 40T p.a., 2 WEA fallen 2 Jahre eher aus Summe 6953 T Moderate Unwucht-Folgekosten mit 5 betroffenen WEA und BW-Ertragsverlust 10T p.a., 1 WEA fällt 1 Jahr eher aus Moderate MU-Folgekosten, 5 WEA mit absoluten Blattwinkelfehler, erhöhter AU- Ertragsverlust 10T /WEA p.a., verkürzte Nutzungsdauer 19 Jahre bei 1 WEA T Moderate Unwucht-Folgekosten mit je 5 betroffenen WEA und AU-Ertragsverlust 7T p.a. Moderate Unwucht-Folgekosten, aber 5 statt 3 WEA mit AU, AU-Ertragsverlust 7T /WEA p.a T Moderate Unwucht-Folgekosten mit Moderate Unwucht-Folgekosten mit bei je WEA MU- und AU-Schadenskosten incl. Stillstands-Ertragsausfall, (nur rel. Blattwinkeldifferenz), je 3 betroffenen AU-Ertragsverlust WEA 7T /WEA und p.a. AU-Ertragsverlust 7T p.a MU-Schadenskosten + Stillstands-Ertragsausfall AU-Schadenskosten + Stillstands-Ertragsausfall 1184 T Strategie 2: Periodische BW-Messung Strategie 2: Nur periodische optische Messung der abs. Blattwinkel alle 3 Jahre; daher MU-Schadenskosten aller WEA, und Stilstands-Ertragsausfall, keine Schwingungsmessungen, verkürzte Nutzungsdauer 19 Jahre bei 1 WEA 1 WEA fällt wegen MU 1 Jahr eher aus Ertragsausfall durch Blattwinkelfehler Ertragsausfall durch verkürzte WEA-Nutzungsdauer Kosten für Blattwinkelmessungen T Strategie 1: Optimiertes, periodisches Strategie 1: Auswuchten und Blattjustage aller WEA bei Inbetriebnahme, periodische RU-Schwingungsprüfung aller WEA alle 2 Jahre, 3x je Auswuchten und Blattjustage alle 4 Komplett-Wuchten Jahre wg. häufigen betriebsbedingten (BW- MU und AU; MU-Messung), alle Unwucht-Folgekosten vermieden häufige betriebsbedingte Unwucht Kosten für RU-Schwingungsprüfungen und Massenunwuchtmessungen 97 T Fallstudie für Windpark 10x 2 MW Pitch-WEA mit je 410 T Jahresertrag Schadens- und Ertragsausfallkosten sowie Messkosten in 20 Jahren in T 16 / 18
17 Zusammenfassung Design-Grenzwerte für Blattwinkelfehler aus der WEA-Auslegung sind Null-Toleranz -Grenzwerte bezüglich der Überschreitung, da sonst unzulässiger Lebensdauerverbrauch (sowie Renditegefährdung) Unwuchtstatistik: knapp 70% der verdachtslosen WEA mit unzulässigen Blattwinkelfehlern Absolute Blattwinkelfehler bei 277 WEA: 93% der untersuchten WEA über absolutem BW-Grenzwert, hoher Anteil davon für relative Blattwinkel-Messung unsichtbar, da zulässige Blattwinkeldifferenz: Heutige Standardmethoden für Blatt- und Rotor-QM sowie BW-Justage sind oft unzureichend Signifikante Erhöhung der Stromgestehungskosten und Ertragsminderung durch RU, bei betroffenen WEA im Mittel über 10% des Jahresertrags durch Schäden, Folgeschäden, Stillstand, Ertragsverlust, MU-Fehldiagnosen Unwucht-Folgekosten um ein Vielfaches höher als die Messkosten Qualität der Gesamtstrategie zur WEA-Schwingungsberuhigung und Performance-Optimierung entscheidend für die Anzahl an detektierten betroffenen WEA und das finanzielle Plus ( oder Minus bei Fehldiagnosen): - Geeignete kosteneffiziente Blattwinkel-Messmethoden sind erprobt und verfügbar. - Statistisch abgesicherte Auswertung und Berücksichtigung von Twistfehlern notwendig - Schwingungstechnische Validierung der Blattwinkel-Justage ist notwendiger Bestandteil Unabhängige Blattwinkelmessung und validierte Blattwinkel-Justage bringen die WEA in ihren Sollzustand, sind also konform mit WEA-Zertifizierung/-Typenprüfung, sofern richtige Grenzwerte verwendet werden. Erst danach ist ggf. weiteres WEA- und Rotor-Tuning langfristig nutzbringend. WEA mit gut justiertem Rotor sind zuverlässig und hocheffizient und haben eine lange Nutzungsdauer! 17 / 18
18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? BerlinWind GmbH Bundesallee 67, Berlin, Germany Tel.: Internet: 18 / 18
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