Entwicklung gondelbasierter Lidar-Technologien für die Messung des Leistungsverhaltens und die Regelung von Windenergieanlagen

Fragestellungen

  • Wie kann ein robustes und kostenoptimiertes gondelbasiertes Lidar-System für die Messung des Leistungsverhaltens und die Regelung von Windenergieanlagen demonstriert werden?
  • Wie kann das Leistungsverhalten von Windenergieanlagen innerhalb von Windparks mithilfe gondelbasierter Lidar-Messungen erfasst und überwacht werden?
  • Wie können gondelbasierte Lidar-Messungen für prädiktive Regelstrategien genutzt werden, um Böen zu kompensieren und den Energieertrag zu optimieren?

Zukünftige große Multi-Megawatt-Windenergieanlagen in Offshore-Windparks mit Kraftwerksmaßstab erfordern neue und erweiterte Regelungs- und Monitoringstrategien. Es gilt, dynamische Windbelastungen effektiv und mit minimalem Reglereinsatz zu reduzieren und ertragsoptimiert Elektrizität ins Verbundnetz einzuspeisen. Hierfür muss die Windenergieanlage einerseits mit neuartigen Instrumenten - Lidar - den einströmenden Wind erfassen sowie andererseits selbstständig bereits kleine Abweichungen vom Normalbetrieb erkennen.

Bisher steht die Realisierung einer derartigen Vision trotz vieler Fortschritte in Teilbereichen der Windenergietechnologie vor einem grundlegenden Hindernis. Bei der Regelung und der Betriebsüberwachung von Windenergieanlagen treten große Unsicherheiten durch die allenfalls statistisch zu beschreibende momentane Einströmung in der überstrichenen Rotorfläche auf. Die zunehmende Anlagengröße mit Durchmessern über 120 m verschärft diese Problematik. Derzeitige Regelungskonzepte können nur auf Änderungen im Windfeld reagieren, die bereits Drehzahl- oder Belastungsänderungen hervorgerufen haben. Bei der Beurteilung der zeitlich gemittelten oder der momentanen Leistungsabgabe ist unklar, welche Windverhältnisse am speziellen Standort im Windpark diese hervorgerufen haben. Ein präziser SOLL-IST-Vergleich ist dadurch unmöglich.

Im abgeschlossenen RAVE-Projekt LIDAR (Entwicklung von Lidar-Windmessung für das Offshore-Testfeld) einschließlich dessen Aufstockung LIDAR+ stand der Einsatz bestehender Lidar-Technologie und die Entwicklung von Methoden und Messverfahren bei weitgehend vorgegebener Gerätetechnik im Vordergrund. In dem laufenden Folgeprojekt LIDAR II werden die folgenden zur Realisierung der oben genannten Vision einer “intelligenten Offshore-Windenergieanlage” entscheidenden Technologiebausteine entwickelt:

  1. Entwicklung und Erprobung eines Prototypen eines robusten, industrietauglichen und kostengünstigen Lidar für den gondelbasierten Einsatz auf WEA,

  2. Methoden zur Bestimmung des Leistungsverhaltens von WEA mittels gondelbasiertem Lidar bei inhomogener Einströmung in Windparks und unter offshore Bedingungen, die im Gegensatz zu den idealisierten Standortbedingungen entsprechend der IEC 61400-1-12 die alltäglichen Betriebsbedingungen im Feld darstellen,

  3. Verfahren zum Monitoring der dynamischen Leistungscharakteristik mit dem robusten, industrietauglichen Lidar,

  4. Regelstrategien zur Optimierung des Ertrages und zur Reduzierung der Belastungen von WEA, gestützt auf gondelbasierten Lidar-Messungen.

Diese Bausteine sollen unter Hinzunahme bereits im Offshore-Testfeld alpha ventus installierter Messtechnik entwickelt und auch dort erprobt werden.

Zusätzlich sollen die Erkenntnisse zu gondelbasierter Lidar-Technologie und der Bestimmung des Leistungsverhaltens über die Richtlinienarbeit im FGW-Fachausschuss “Leistungskurve” standardisiert und in der Windenergiebranche verbreitet werden. Neben der gondelbasierten Messtechnik sollen auch Unsicherheiten über den Einfluss des Vorstaus bei standardisierten Leistungskurvenvermessungen geklärt werden.

Das Verbundforschungsprojekt RAVE-LIDAR II führt die erfolgreiche Arbeit aus dem abgeschlossenen LIDAR-Projekt fort und zielt auf Ergebnisse, die direkt in die Entwicklung kosteneffektiverer großer Windenergieanlagen einfließen können. Das Offshore-Testfeld alpha ventus stellt eine ideale Erprobungsmöglichkeit für die Lidar-Entwicklung und neuartige Regelungs- und Monitoringstrategien dar und sichert gleichzeitig über die Herstellerbeteiligung die wirtschaftliche Anschlussfähigkeit ab.


Bild 1: Gondelbasierte Messung des einströmenden Windfeldes (Skizze)
 
Bild 2: Der im Projekt LIDAR entwickelte Lidar-Scanner im Einsatz auf der Windenergieanlage AD 5-116
 
Bild 3: Gondelbasierte Messung des einströmenden Windfeldes


Bild 4: Driftfeld zur Bestimmung der dynamischen Leistungscharakteristik einer Windenergieanlage

 
Bild 5: Vorausschauende (prädiktive) Regelung gestützt auf Lidar-Messung des einströmenden Windfeldes

Verbundpartner

ForWind - Zentrum für Windenergieforschung, Universität Oldenburg (Koordinator) Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie (SWE), Universität Stuttgart

Partner

  • UL International GmbH (DEWI)
  • Fördergesellschaft Windenergie e.V.

Publikationen des Projektes

Die Publikationslisten von LIDAR II finden Sie hier:
LIDAR II - ForWind
LIDAR II - SWE