Um eine möglichst effiziente Umwandlung von Wind in elektrische Energie zu erreichen, ist eine ständige Überwachung der Windkraftanlage erforderlich. Dabei steht nicht nur der Wirkungsgrad im Zentrum der Aufmerksamkeit; sicherheitstechnisch gilt es, die Eigensicherheit der Anlage bezüglich Beschädigung und Verschleiß sowie den Personenschutz stets im Auge zu haben. Windkraftanlagen fallen in den Anwendungsbereich der Maschinenrichtlinie 98/37/EG sowie 2006/42/EG. Mit der Ende 2009 anstehenden Ablösung der EN 954-1 durch die EN ISO 13849 verändern sich die Anforderungen an die funktionale Sicherheit - Schlagworte wie Safety Integrity Level (SIL) oder Performance Level (PL) sind hierbei zentrale Begriffe zur Definition der Sicherheitsanforderungen. Ergo rücken die in Windkraftanlagen eingesetzten Komponenten und Systeme hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit vermehrt in den Fokus.

Für verschiedene Anwendungen in der Windkraftanlage zählen Drehgeber zu den bevorzugten Sensoren. Beispielsweise übernehmen sie die Messung der Generator- oder Rotordrehzahl, wozu in der Regel Inkrementaldrehgeber eingesetzt werden. Sie sind an der Nabe des Rotors oder im Antriebsstrang positioniert und erfassen dort die augenblickliche Drehzahl der Windkraftanlage. Diese Informationen leiten sie zur Verarbeitung in übergeordnete Steuerungssysteme weiter. Die Drehzahl wie der Stillstand des Rotors gehören in einer Windkraftanlage zu den sicherheitsrelevanten Funktionen.

Das Gleiche gilt für die Rotorblatt- Anstellwinkel. Bei der Einstellung der Rotorblätter kommen Absolutwert-Drehgeber zum Einsatz. Bei diesen Sensoren wird bei einem Ausfall der Spannungsversorgung nach Wiederkehr der Spannung der genaue Positionswert ausgegeben - eine Referenzfahrt ist überflüssig. Der richtige Positionswert ist nicht allein wegen des Wirkungsgrades, sondern ebenso wegen einer Vermeidung von Beschädigungen der Anlage von sicherheitsrelevanter Bedeutung. Angesichts der Folgen möglicher Ausfälle sind funktional sichere Drehgeber, die sich durch eine niedrige Ausfallwahrscheinlichkeit und umfangreiche Möglichkeiten zur Eigendiagnose auszeichnen, eine sinnvolle Investition. In diesen Zusammenhang gehört auch die Azimut-Position der Anlage: Wie die Rotorblattstellung ist sie für die optimale Ausrichtung der Windkraftanlage sowie die Bestimmung steuerungstechnischer Maßnahmen zur Abwendung von Schäden in Störfällen eine der wichtigsten Informationen.

Advanced Load Control

Die Summe all dieser Informationen stellt mit die Grundlage für die intelligente Steuerung einer Windkraftanlage dar. Eine wichtige Funktion ist dabei die so genannte Advanced Load Control - die dynamische Steuerung der Rotorblattstellung. Sie hat zum Ziel, eine möglichst gleichmäßige Belastung des Antriebsstranges einer Windkraftanlage sowie die frühzeitige Erkennung von Störungszuständen zu ermöglichen. Die Resultate sind reduzierter Verschleiß, ein verbesserter Wirkungsgrad sowie die Reduktion und Vermeidung von Schäden.

Sensoren bringen Sicherheit und reduzieren den Verschleiß zum Beispiel durch Advanced Load Control.

Nur wenn als Basis solch intelligenter Steuerungsmechanismen die Sensoren zuverlässig korrekte Werte liefern und Aktoren ebenso zuverlässig ihre Funktionen erfüllen, erhöht sich die Sicherheit und Effizienz der Anlage dauerhaft. Hierzu sollten sichere Sensoren verwendet werden, die durch eine unabhängige Eigendiagnose redundanter Funktionseinheiten eigene Fehlerzustände erkennen und über sichere Kanäle kommunizieren. Die funktional sicheren Drehgeber von Pepperl+Fuchs beispielsweise wurden in Struktur und Funktionalität von Anfang an auf sicherheitsrelevante Aspekte abgestimmt. Sie erreichen eine vom TÜV zertifizierte Zulassung für höchste Sicherheitskategorien wie SIL3 nach IEC 61508 oder PL e nach EN ISO 13849-1. Damit können die Anforderung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und der darunter gelisteten einschlägigen EU-Normen erfüllt werden.

Um Anlagenherstellern einen zügigen Übergang zu den Sicherheitsanforderungen der neuen Normen zu erleichtern, ist eine einfache Integration der Komponenten auch in vorhandene Entwicklungen notwendig. Das Safety-Konzept von Pepperl+Fuchs bietet eine einfache Schnittstelle für den Anwender, die ohne zusätzliche Leitungen, Interface-Karten und Sicherheitsmodule auskommt. Die Sensoren sind mechanisch kompatibel zu Standard-Komponenten und nutzen vorhandene Kommunikationswege.

Das Aufstellen und Betreiben einer Windkraftanlage ist mit hohen Investitionen und damit auch finanziellem Risiko verbunden. Je und sicherer und effizienter eine Anlage arbeitet, desto geringer das Versicherungsrisiko. Mit ein Grund, warum Anlagensicherheit nicht nur der Sicherheit der Anlage dient, sondern auch den wirtschaftlichen Betrieb optimiert.

Autor:
Oliver Springmann ist Produktmanager für Encoder bei Pepperl+ Fuchs Drehgeber in Tuttlingen.