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Wissenschaftler des Fraunhofer IOSB messen mit dem neu entwickelten Lasersystem „VibroTrack“ das Schwingungsverhalten von Windenergieanlagen aus bis zu 1.000 Meter Entfernung.
© Gerisch/Fotolia
Windenergieanlagen
31.01.2014

Der Laser folgt dem Rotorblatt und verharrt auf einer bestimmten Position. So können Betreiber von Windenergieanlagen das Schwingungsmuster der Bauteile messen – an jedem beliebigen Punkt.
© Fraunhofer IOSB

Lasergestützte Ferndiagnose für Rotorblätter

Rotor und Turm von Windenergieanlagen schwingen bei normalem Betrieb und besonders bei Böen mit. Die Analyse dieser Schwingungen spielt bei der Anlagenentwicklung und -wartung eine wichtige Rolle. Bisher war dies nur punktuell und direkt an der Anlage möglich. Zu diesem Zweck entwickelte das Fraunhofer IOSB ein lasergestütztes Verfahren, welches Schwingungen an Turm, Gondel und Rotorblatt im laufenden Betrieb der Anlage erfasst – aus bis zu einem Kilometer Entfernung.

Konstruktionsbedingt verfügen Windenergieanlagen über hochgradig schwingungsfähige Komponenten, wie etwa den Turm, die Rotorblätter oder Teile des Triebstrangs. Die hohe Schwingungsbelastung ist oft Ursache für Schäden, die zum Ausfall der Anlage führen können. Die Erfassung und Bewertung von Schwingungen ist somit unverzichtbare Grundlage der Betriebszustandsüberwachung und der Diagnose sowie der Konstruktion.
Condition-Monitoring-Systeme, basierend auf in der Gondel angebrachter Sensorik, sind mittlerweile Standard moderner Windenergieanlagen. Mit diesen Systemen wird das Schwingungsverhalten des Triebstranges überwacht. Auch werden zunehmend Systeme eingesetzt, die mittels fest installierter Sensoren am Turm oder in den Rotorblättern das Schwingungsverhalten dieser ausgedehnten Anlagenkomponenten im Betrieb erfassen. Berührungslose, insbesondere laserbasierte Messverfahren werden zunehmend interessanter, die ohne Anbringung von Sensorik an der Anlage Schwingungen auch aus größerer Entfernung erfassen können.

„Windräder schwingen auch bei normalen Windgeschwindigkeiten bis zu einen Meter mit. Eine große Belastung für das Material, die zu Schäden und im schlimmsten Fall zum Ausfall der Anlage führen kann“, erklärt Dr. Ilja Kaufmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Optronik des Fraunhofer IOSB in Ettlingen. Betreiber prüfen daher kontinuierlich, wie stark die Schwingungen sind – mit Hilfe von Sensoren, die in Turm und Rotorblättern eingebaut sind. Der Nachteil: Es kann immer nur an den Stellen gemessen werden, an denen Sensoren angebracht werden. „Ein umfassendes Schwingungsmuster der gesamten Anlage ist mit dieser Technologie nicht möglich“, sagt Kaufmann.

Lasermesssystem zur Schwingungserfassung

Das System „VibroTrack“ besteht aus einem Laser, der auf die Anlage gerichtet wird und die Schwingungen auf beliebigen Stellen der Oberfläche messen kann – aus bis zu 1.000 Metern Entfernung. Damit das auch auf den beweglichen Bauteilen – wie den Rotorblättern – geschehen kann, führt der Laser deren Bewegung automatisch nach.

Eine Kamera und der Laser sind auf einem Schwenkneigekopf montiert, damit sie den Bewegungen der Rotorblätter folgen können. Die Kamera macht Aufnahmen der Anlage und leitet sie an eine Software weiter, die die Bilder verarbeitet und aus den Daten ein virtuelles Modell der Flügel erstellt. Mit Hilfe dieser Informationen wird der Schwenkneigekopf so angesteuert, dass der Laser den Rotorblättern folgt. Gleichzeitig sammelt die Kamera Daten über die exakte Position des etwa zwei bis drei Zentimeter großen Laserpunkts auf dem Rotorblatt, um diesen auf den drehenden Blättern zu stabilisieren. Der Laser folgt also dem Rotorblatt und verharrt exakt auf derselben Position. So lassen sich beliebig viele Punkte der Anlage im laufenden Betrieb scannen. „In kurzer Zeit entstehen wesentlich umfassendere Analysen, als sie mit den fest verbauten Sensoren möglich sind“, erklärt Kaufmann und ergänzt: „Die Messdauer ist dabei variabel: Je langsamer die Schwingungen, desto länger misst der Laser.“

Prototyp des Diagnosemodells auf der CeBIT

Auf der CeBIT zeigen die IOSB-Forscher einen Prototyp des Diagnosesystems. An einem zwei Meter großen Windradmodell des Fraunhofer-Gemeinschaftsstands (Halle 9, Stand E40) können Besucher den Weg des augensicheren Laserstrahls als grünen Punkt auf den Rotorblättern verfolgen. Auf zwei angeschlossenen Bildschirmen sind die Aufnahmen der Kamera und die Schwingungsanalyse zu sehen.

Die Bundesregierung fördert das Projekt „Entwicklung von Verfahren zur lasergestützten Erfassung des Schwingungsverhaltens von Windkraftanlagen“ noch bis Ende März dieses Jahres mit rund 690.000 Euro.

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