16. April 2020

Rotorblätter aus der Ferne vermessen

Ein innovatives Messkonzept soll in Zukunft die Wartung von Windenergieanlagen unterstützen. Auch das Anlagen-Design soll so weiter optimiert werden.

Rotorblätter und Turm einer Windenergieanlage schwingen auch bei normalen Windgeschwindigkeiten bis zu einem Meter mit. Das Material wird durch diese unvermeidlichen Schwingungen stark belastet, was zu Schäden und im schlimmsten Fall zum Ausfall der Anlage führen kann. Windparkbetreiber prüfen daher anhand fest verbauter Sensoren kontinuierlich, ob eine Anlage auffällige Abweichungen vom regulären Vibrationsverhalten zeigt. Daraus können Rückschlüsse auf den Funktionszustand der Anlage, sowie für ihre Bewertung und Wartung gezogen werden.

Hierbei kann immer nur an den Stellen gemessen werden, an denen bei der Herstellung der Anlage Sensoren verbaut wurden. Die Erfassung des umfassenden Schwingungsmusters der gesamten Anlagen ist deshalb nicht möglich. Zudem können integrierte Vibrationsmesser oftmals nicht ersetzt werden, wenn sie defekt sind.

Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB hat deshalb ein innovatives Messkonzept entwickelt. Es wendet die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV), mit der bereits heute Vibrationseigenschaften stationärer Maschinen untersucht und bewertet werden, erstmals auf Rotorblätter im laufenden Betrieb an. Gemeinsam mit dem Projektpartner Nawrocki-Alpin GmbH entwickelt das Fraunhofer IOSB das Messverfahren für die unterschiedlichen Fragestellungen im Feldeinsatz weiter.

 

Der Laser folgt dem Rotorblatt

Folgendes IT-basiertes Trackingsystem hat diese Innovation ermöglicht: Das Lasermodul ist auf einem Schwenk-Neige-Kopf montiert, damit der Laserstrahl den Bewegungen der Windenergieanlage folgen kann. Eine Kamera macht Aufnahmen der Anlage und leitet sie an eine Bildverarbeitungssoftware weiter. Diese erstellt aus den Daten ein virtuelles 3D-Modell des Bewegungsablaufs. Mithilfe dieser Daten wird der Schwenk-Neige-Kopf so gesteuert, dass der Laser entsprechend der Bewegung eines gewünschten Messpunktes nachgeführt wird. Gleichzeitig sammelt die Kamera Informationen über die exakte Position des Laserpunkts auf dem Rotorblatt, um dessen Position auf dem sich drehenden Flügel zu stabilisieren.

Das neue Messsystem bietet gegenüber fest verbauten Sensoren klare Vorteile: Aus einer Entfernung von bis zu 300 Metern können die Schwingungen der Windenergieanlage mit hoher räumlicher Auflösung erfasst werden. So können Windparkbetreiber in Zukunft deutlich Kosten sparen: Schäden und Vibrationsursachen können besser lokalisiert und analysiert werden, Stillstandszeiten und Ausfälle lassen sich durch rechtzeitige, gezielte Maßnahmen minimieren.

Diese Innovation wurde in einem Forschungsprojekt erarbeitet und 2013 beim Europäischen Patentamt zum Patent angemeldet. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojekt WEADYN konnten Windenergieanlagen dann unter Feldbedingungen vermessen werden. So lieferte das innovative Messsystem erstmals Daten großer Anlagen. Nun ist das Folgevorhaben WEALyR gestartet. Die Forscherinnen und Forscher arbeiten daran, das Messsystem weiter zu optimieren, sodass die Vibrationsmessung schnell, reproduzierbar und auch an einer größeren Zahl von Anlagen möglich ist.

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