Wie funktioniert die Bremse einer Windkraftanlage?

Das Bremssystem einer Windkraftanlage ist ein komplexes und präzises Ingenieurprojekt, das nicht nur aus einem einfachen „Bremsbelag“ besteht, sondern aus einem mehrstufigen, kollaborativen Sicherheitssystem.

Das Hauptziel ist es, das große Laufrad bei Bedarf sicher und kontrolliert anzuhalten oder seine Drehzahl zu reduzieren.

Bei Bedarf umfasst dies üblicherweise folgende Situationen:

Übermäßige Windgeschwindigkeit (in der Regel über 25 Meter pro Sekunde): Um zu verhindern, dass der Ventilator zu schnell läuft und strukturelle Schäden verursacht.

Stromnetzausfall oder Stromunterbrechung: erfordert sicheres Abschalten.

Tägliche Wartung oder Generalüberholung: Gewährleisten Sie eine sichere Arbeitsumgebung für die Techniker.

Notfallsituation: Wenn der Sensor eine schwerwiegende Fehlfunktion feststellt (übermäßige Vibrationen, Überhitzung des Getriebes usw.).

Moderne Großwindkraftanlagen nutzen hauptsächlich die folgenden drei Bremsmethoden, die zusammenwirken:

1. Pneumatische Bremsen – primäre und Hauptmethoden
Dies ist die am häufigsten verwendete und wichtigste Bremsmethode, die durch die Veränderung der aerodynamischen Eigenschaften der Rotorblätter erreicht wird.

Prinzip: Das Ende jedes Blattes kann sich um einen bestimmten Winkel (üblicherweise 90 Grad) um seine Achse drehen. Diese Bewegung wird als „Rudern“ bezeichnet.

Verfahren:

Unter normalen Umständen sind die Rotorblätter im optimalen Anstellwinkel zum Wind ausgerichtet und nutzen so die Windenergie effizient.

Wenn eine Bremsung erforderlich ist, gibt das Steuerungssystem den Befehl zur Drehung der Rotorblätter, wodurch sich entweder die Vorderkante oder die Blattkante in Windrichtung dreht.

Auf diese Weise verwandeln sich die Blätter von effizienten „Flügeln“ in „Holzbretter“ mit hohem Luftwiderstand, wobei der Auftrieb stark abnimmt und der Luftwiderstand deutlich zunimmt, was zu einer raschen Verringerung der Geschwindigkeit führt, bis sie zum Stillstand kommen.

Vorteile:

Kein mechanischer Verschleiß: Da es den Luftwiderstand nutzt, ohne Reibung durch physischen Kontakt.

Zuverlässig: Selbst bei Stromausfall kann die Batterie die Stromversorgung des Propellersystems sicherstellen.

Einstellbare Bremskraft: Die Bremskraft kann durch stufenweises Antippen oder durch vollständiges Antippen bis hin zur Notbremsung angepasst werden.

2. Mechanische Bremsen (Scheibenbremsen) - Hilfs- und Feststellbremsen
Ähnlich wie Scheibenbremsen bei Autos, werden sie jedoch üblicherweise nicht als primäres Mittel zur Verzögerung eingesetzt.

Einbauort: Auf der Hochgeschwindigkeitswelle (nach dem Getriebeausgang und vor dem Generator) montiert, da diese Welle eine hohe Drehzahl und ein niedriges Drehmoment aufweist, kann die erforderliche Bremsvorrichtung kleiner dimensioniert werden.

Funktion:

Parken: Nachdem die pneumatische Bremse das Laufrad nahezu zum Stillstand gebracht hat (die Drehzahl ist auf ein extrem niedriges Niveau gesunken), klemmt der mechanische Bremssattel die Bremsscheibe fest und blockiert den Ventilator, um ein langsames Drehen durch leichten Luftzug oder Trägheit zu verhindern. Dies ist für die Sicherheit des Personals unerlässlich.

Notfall-Backup: In Extremfällen, in denen die pneumatische Bremse komplett ausfällt, dient sie als letzte Sicherheitsbarriere.

Merkmale: Um übermäßigen Verschleiß und Wärmeentwicklung zu vermeiden, minimieren moderne Lüfterkonstruktionen die Häufigkeit des mechanischen Bremsens und verwenden es typischerweise nur nach vollständigem Abschalten.

3. Elektrische Bremse (Stromerzeugungsbremse) - Hilfseinstellungsmodus
Die Bremswirkung wird durch den Generator selbst erzielt.

Prinzip: Wenn der Generator vom Stromnetz getrennt ist, kann die Energie des rotierenden Systems genutzt werden, indem elektrische Energie am Bremswiderstand verbraucht wird (kinetische Energie wird in thermische Energie umgewandelt und abgeführt), oder indem das Rückdrehmoment des Generators mittels leistungselektronischer Geräte zur Unterstützung der Verzögerung gesteuert wird.

Funktion: Es wird hauptsächlich zur Justierung und Unterstützung der Verzögerung eingesetzt, insbesondere während des Trennvorgangs, in Verbindung mit pneumatischen Bremsen, um ein sanftes Anhalten zu erreichen.

Gemeinsamer Arbeitsablauf des Bremssystems (am Beispiel der Abschaltung bei starkem Wind):
Der Windgeschwindigkeitssensor erkennt, dass die anhaltende Windgeschwindigkeit die Abschaltgeschwindigkeit (z. B. 25 m/s) überschreitet.

Das Steuerungssystem gibt zunächst einen Befehl zur Aktivierung der pneumatischen Bremse: Die Schaufeln beginnen zu schwingen und die Drehzahl des Laufrads nimmt ab.

Gleichzeitig können elektrische Bremsen aktiviert werden, um Energie zu verbrauchen.

Wenn die Drehzahl des Laufrads auf nahezu Null sinkt (z. B. auf wenige Umdrehungen pro Minute), wird die mechanische Bremse aktiviert, die die Bremsscheibe festklemmt, um den Ventilator vollständig zum Stillstand zu bringen und zu blockieren.

Der Lüfter schaltet in einen sicheren Abschaltzustand.

Sonderfall: Bremsen bei Stromausfall
Sicherheit hat oberste Priorität. Der Ventilator ist mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) oder einer Notstrombatterie ausgestattet. Selbst bei einem vollständigen Ausfall des externen Stromnetzes kann die Notstromversorgung die Steuerung und das Pitchsystem weiterhin mit Strom versorgen und so sicherstellen, dass die Rotorblätter korrekt eingestellt werden und die aerodynamische Bremswirkung erzielt wird. Dies ist die wichtigste Sicherheitsmaßnahme im Fehlerfall.

Zusammenfassung
Kurz gesagt, das Bremsen einer Windkraftanlage ist ein „Kombinationsschlag“:

Hauptkraft: Aerodynamische Bremsung (Federweg), verantwortlich für den Großteil der Bremswirkung und der Leistungssteuerung.

Feststellbremse: Mechanische Bremse, die nach einem stabilen Stillstand die Position blockiert, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Unterstützung: Elektrische Bremsen zur Unterstützung eines sanfteren Bremsvorgangs.

Dieses mehrfach redundante Sicherheitssystem gewährleistet, dass auch bei widrigen Wetterbedingungen oder Störungen massive Windkraftanlagen sicher und zuverlässig abgeschaltet werden können.