Kühllösungen Wind- und wetterfeste Kühlung von Windkraftanlagen

Autor / Redakteur: Wilfried Schmitz * / Kristin Rinortner

Kühlkörper zur effektiven Entwärmung der elektronischen Bauteile in Windenergieanlagen müssen korrosionsfest sein und möglichst lange zuverlässig und mit sehr geringem Wartungsaufwand funktionieren.

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Kühlung von Windkraftanlagen: Entlegen gelegene Windkraftanlagen benötigen wartungsarme, effektive und dauerhaft zuverlässig arbeitende Kühllösungen.
Kühlung von Windkraftanlagen: Entlegen gelegene Windkraftanlagen benötigen wartungsarme, effektive und dauerhaft zuverlässig arbeitende Kühllösungen.
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Windenergieanlagen sind extremen Wettereinflüssen ausgesetzt und oft schwer zugänglich. Daher werden an die verwendeten Materialien und Komponenten besondere Anforderungen hinsichtlich Korrosionsschutz und Lebensdauer gestellt.

In Windkraftanlagen wandeln Wechselrichter den vom Generator der Anlage erzeugten dreiphasigen Drehstrom in netzkonformen einphasigen Strom um. Steuereinheiten – separat oder integriert in Frequenzumrichter – sorgen für die Blattverstellung und die Windnachführung des Rotors.

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Da keines dieser Geräte über einen Wirkungsgrad von 100% verfügt, treten bei ihrem Betrieb Verlustleistungen auf, die in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Um die Funktionsfähigkeit zu erhalten, verfügen alle über Kühleinrichtungen zur schnellen und gerichteten Wärmeableitung.

Bei der Auswahl der jeweiligen Kühllösung spielen viele Kriterien eine Rolle. Neben der Höhe der abzuführenden Verlustleistung ist auch die Einbausituation maßgeblich. Dabei gilt es nicht nur die allgemeine Frage nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum zu klären. Wichtig ist auch, ob das zu kühlende elektronische Bauteil im vergleichsweise kühlen Fuß der Windkraftanlage installiert werden soll oder in der Gondel, die sich bei Sonneneinstrahlung stark aufheizen kann.

Zudem sind die Zuverlässigkeit und Wartungsarmut der jeweiligen Kühllösung maßgebliche Auswahlmerkmale. Schließlich stehen Windkraftanlagen üblicherweise an entlegenen Standorten. Die Technik in der Gondel liegt in großer Höhe und beim Offshore-Einsatz kommen die Belastung der eingesetzten Materialien durch das korrosive Meerwasser sowie die kompliziertere Erreichbarkeit hinzu.

Modulare Hochleistungskühlkörper für den Offshore-Einsatz

Bei Offshore-Einsätzen wird man daher weitgehend auf Flüssigkeitskühlkörper verzichten. Durch den Flüssigkeitskreislauf mit Pumpe sind sie wartungsintensiver als andere Kühllösungen.

Hier bieten sich stattdessen leistungsstarke Lamellenkühlkörper mit schwarz eloxierter Oberfläche zum Schutz vor der korrosiven Meerwasseratmosphäre an.

Eine typische Kühllösung dieser Art ist der lüftergestützte SuperPower des italienischen Herstellers Pada Engineering. Diese modularen Hochleistungskühlkörper aus der Aluminiumknetlegierung AW6060 (EN755-9) werden aus einzelnen Aluminiumrippen aufgebaut.

Dadurch lassen sie sich exakt an das elektronische Bauteil und dessen Verlustleistung anpassen. Kühlkörperlängen und -breiten bis zu 600 mm sind möglich. Ebenso kann bei den Basisstärken und Auslegungen (Einzel- oder Doppelbasis) sowie den Lamellenhöhen und -abständen und der Stärke der Seitenwände variiert werden.

Dank eines Verzahnungsverfahrens zur Bindung der einzelnen Kühlrippen besitzen die modular aufgebauten Hochleistungskühlkörper die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40% leichter und kleiner. D.h., bei gleichem Volumen steigt die Kühlleistung um 30% verglichen mit herkömmlichen Druckgusskühlkörpern.

Für eine zusätzliche Steigerung der Kühlleistung kann eine Kupferplatte auf den Kühlkörper montiert werden. Dies verbessert die wärmeabführenden Eigenschaften. Außer zur Kühlung der Generatorsteuerung in Windkraftanlagen können SuperPower-Hochleistungskühlkörper in fast allen Bereichen der Industrie eingesetzt werden. Selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.

Profilkühlkörper kommen in Windkraftanlagen beispielsweise bei kleineren Wechselrichtern, der Steuerung der Windkontrolle oder der Rotorblattsteuerung zum Einsatz. Die Klassiker unter den Elektronikkühllösungen leiten große Wärmemengen zuverlässig ab. Sie sichern damit den stabilen Betrieb und eine lange Lebensdauer der Elektronikbauteile.

Profilkühlkörper für Wechselrichter und Blattverstellung

CTX Thermal Solutions bietet ein breites Portfolio dieser Kühllösungen an. Es umfasst Standardausführungen sowie individuelle, CNC-bearbeitete Stranggussprofile. Die Größe der Standard-Profilkühlkörper reicht von 12,4 bis 750 mm Breite. Ihr Gewicht beträgt je nach Modell zwischen 130 g und 75,1 kg. Der Wärmewiderstand der Standard-Profilkühlkörper liegt bei Rth-Werten zwischen 81,6°C/W und 0,04°C/W.

Länge und Gewicht der in Windkraftanlagen eingesetzten Modelle schwankt je nach Anwendung. So sind beispielsweise Kammprofilkühlkörper für die Entwärmung kleiner Wechselrichter 220 mm lang und 3,5 kg schwer. Die Ausführungen für die Ableitung der Verlustleistung der Rotorblattverstellung sind dagegen 455 mm lang und 19 kg schwer.

Für den Einsatz in Offshore-Anlagen werden die Profilkühlkörper zum Schutz vor Korrosion üblicherweise eloxiert. Weitere Oberflächenbehandlungen sind Pulverbeschichten, Chromatieren und Lackieren. Eine ergänzende CNC-Bearbeitung zur Eliminierung von Bauteiltoleranzen sorgt für einen guten Übergang zwischen Bauteil und Kühlkörper und verbessert damit die Kühlfunktion zusätzlich.

Für die Kühlung elektronischer Bauteile in Windkraftanlagen an Land bieten sich bei geringem Platz oder extrem hoher Wärmeentwicklung Flüssigkeitskühlkörper an. Sie bilden die oberste Leistungsklasse der Kühlkörpertechnik und kommen immer dann zum Einsatz, wenn passive oder lüftergestützte Kühllösungen an ihre Grenzen stoßen.

Flüssigkeitskühlkörper für den Onshore-Einsatz

Flüssigkeitskühlkörper bieten höchste Kühlleistung auf kleinstem Raum und leiten hohe Wärmemengen schnell und effizient ab. Ihre thermische Leistungsfähigkeit liegt bis zu 25% über der vergleichbarer Kühlsysteme. Dabei werden hartgelötete Flüssigkeitskühlkörper mit eingefrästen Kühlkanälen, Kühlkörper mit Kühlplatten aus Aluminium oder Kupfer und integrierten Kühlrohren aus Kupfer oder Edelstahl sowie Aluminiumkühlplatten mit kernlochgebohrten oder gezogenen Bohrungen unterschieden. Die Dimensionierung ist in jedem Fall abhängig von Verlustleistung und Platzangebot.

* Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer bei CTX Thermal Solutions in Nettetal.

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