Optimér vindmøllens ydeevne med det rette pitch- og yawsystem

Hvad er et pitchsystem?

Pitchsystemet sørger for, at vindmøllevingerne står i den optimale vinkel mod vinden. Under drift justerer pitchsystemet konstant vingernes position for at opnå den bedst mulige effektivitet. Skulle vindhastigheden blive for kraftig, kan pitchsystemet vinkle vingerne ud af vinden, så møllen ikke producerer energi og samtidig bremser. Pitchsystemet er dermed essentielt for både kontrol og sikkerhed i vindmøller – uden dette system ville man ikke kunne stoppe møllen på en kontrolleret måde.

Typisk benytter pitchsystemer enten elektriske eller hydrauliske mekanismer til at justere vingernes vinkel. FRECON har primært arbejdet med hydrauliske pitchsystemer. Disse har en række fordele i forhold til elektriske systemer, især når det kommer til præcision og kraftoverførsel. Hydrauliske pitchsystemer bruger ofte to hydraulikcylindere, der sammen trækker i vingernes indre eller ydre ringe og dermed skaber rotation. Dog kan hydrauliske systemer også have deres udfordringer, herunder en ujævn belastning, der kan påvirke cylinderslid og vedligeholdelsesbehov over tid. 

Hvordan fungerer et yawsystem?

Yaw-systemet styrer vindmøllens orientering i forhold til vinden ved at dreje hele nacellen (topdelen af vindmøllen) rundt på tårnet. Yawsystemet sørger for, at vinden altid rammer vingerne fra den rigtige vinkel. Dette system arbejder tæt sammen med pitchsystemet for at sikre, at vindmøllen løbende justerer sig efter ændringer i vindretningen og derved opnår den optimale effekt. Yaw-systemet består af en stor ring af tandhjul og motorer, der er monteret lige under nacellen. 

I yawsystemet kan der opstå nogle udfordringer. I tidens løb har man i branchen forsøgt at reducere omkostningerne ved at bruge færre gear eller svagere materialer i yawsystemerne. Dette kan medføre, at tænderne på tandhjulene slides hurtigere og nogle gange knækker, hvilket kræver dyr reparation. Hvis et yawsystem går i stykker, kan det være svært at reparere det på stedet, hvilket medfører både økonomiske og praktiske udfordringer. Derfor er det afgørende at finde en balance mellem kvalitet og pris, når yawsystemer designes og implementeres. Efter 25 år i vindindustrien, har FRECON meget erfaring med dette, og kan derfor altid være behjælpelig med at rådgive omkring den bedste løsning.  

Design og teknologi: Valg af pitch- og yawsystem 

Valget mellem hydrauliske og elektriske pitchsystemer afhænger af en række faktorer. Hydrauliske systemer er kendt for deres pålidelighed og kraft, men de er også dyrere og kræver mere vedligeholdelse end elektriske systemer. Elektriske systemer, derimod, kan være billigere og lettere at integrere, men de kan have udfordringer med præcision og mekanisk slør, hvilket kan påvirke driftseffektiviteten.

Hos FRECON har man i visse tilfælde kombineret elektriske og hydrauliske pitchsystemer for at udnytte fordelene fra begge teknologier. En kombineret løsning gør det muligt at have en elektrisk styreenhed, der aktiverer hydrauliske cylindre, hvilket kan reducere behovet for hydraulikkomponenter i hubben og dermed potentielt forenkle vedligeholdelsen.

Yawsystemer skal også dimensioneres med omtanke. Designet skal tage højde for den store vægt og de kræfter, som systemet skal kunne modstå, samtidig med at det skal være til at producere og vedligeholde til en rimelig pris. 

FRECON har erfaring med at dimensionere yawsystemer, herunder beregning af tandhjulsmoduler, beregning af tandkræfter og udvælgelse af motorer, så systemet kan levere pålideligt og langtidsholdbart. 

Beregning af pitch- og yawsystemer

For at opnå en pålidelig og sikker drift anvender FRECON forskellige beregningstyper for at vurdere og optimere disse systemers komponenter og samlinger. Vi gennemfører en omfattende række analyser, som omfatter ekstremlastberegninger, udmattelsesberegninger og servicelastberegninger for at sikre, at hvert system kan modstå de kræfter, det vil blive udsat for over tid.

FRECON gennemfører tre hovedtyper af beregninger for både pitch- og yawsystemer:

Ekstremlastberegning (ULS – Ultimate Limit State): 
I ekstremlastberegningen vurderes systemet mod ekstreme belastninger, der opstår sjældent, men som kan påvirke komponenternes integritet. Her indgår både lastfaktorer og materialesikkerhedsfaktorer for at skabe en designlast, som komponenterne skal kunne modstå. Disse faktorer bruges som grundlag for materialevalg og design, der er i stand til at håndtere de ekstreme kræfter uden risiko for kritiske fejl.

Udmattelsesberegning (FLS – Fatigue Limit State):
For at sikre komponenternes levetid under langvarig belastning udføres udmattelsesberegninger. Denne analyse fokuserer på gentagne belastninger, som skaber stressvariationer over tid. Ved at modellere lastserier og spændingsamplituder kan vi beregne de forventede spændingsvidder, som komponenterne udsættes for. Dette inkluderer test af både basiskomponenter og samlingsforbindelser såsom svejsninger og bolte for at sikre, at de kan modstå belastningen uden at svækkes over tid.

Servicelastberegning (SLS – Service Limit State):
Ved servicelastberegninger analyseres de belastninger, systemet udsættes for under vedligeholdelse og inspektion. Det er vigtigt, at materialerne og samlingerne kan modstå disse belastninger. Disse beregninger hjælper med at fastlægge grænserne for komponenternes strukturelle ydeevne og sikkerhed i deres daglige drift. 

Software og standarder i designprocessen

Hos FRECON benytter vi 3D-modellering, FEM-beregninger (Finite Element Method) og fx Python til at simulere og analysere komponenter i pitch- og yawsystemerne. Ved hjælp af programmer som CREO til modellering og Ansys til strukturel analyse kan vi teste og finjustere både lastfordeling og de enkelte komponenters styrke. Vores proces starter ofte med en analytisk dimensionering og følges op af detaljerede FEM-simuleringer for at sikre maksimal optimering og pålidelighed af konstruktionen. Disse værktøjer er essentielle, når man skal sikre, at designet lever op til branchens krav og de specifikke behov, som kunderne har.

Desuden er der flere internationale standarder og normer inden for vindenergi, som vi følger: 

IEC 61400-1 – specifikationer for vindmøller 

Eurocode 3 – krav til stålstrukturer 

DNVGL – retningslinjer for beregning 

IIW – standarder for svejseteknik og strukturel integritet

Disse standarder sikrer, at komponenterne lever op til de sikkerhedskrav og ydeevneforventninger, der gælder for moderne vindmøller, men hvilke standarder der præcist anvendes, afhænger af vindmøllens anvendelse og placering. 

Eksempler på projekter FRECON har lavet

FRECON arbejder løbende på test-rigs og beregninger for at optimere design og forbedre systemernes ydeevne. For eksempel har vi udviklet testplatforme til pitchcylindre, som kan afprøve belastning og bevægelse i kontrollerede omgivelser. Testene bidrager til udviklingen af mere robuste og økonomisk fordelagtige løsninger. 

Fremtidsperspektiver og optimering

Fremtidens vindmøllekomponenter vil fortsat fokusere på optimering af pitch- og yawsystemernes holdbarhed og kosteffektivitet. Med øget konkurrence inden for vindenergi er det afgørende at minimere omkostningerne og samtidig sikre pålidelighed og kvalitet i alle komponenter. 

Har I brug for en erfaren partner inden for vindindustrien, så står FRECON klar til at hjælpe. Kontakt os for en uforpligtigende snak om, hvordan vi kan hjælpe jer.