Überwachung von Windenergie-Rotoren

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Damit Windenergieanlagen (WEA) noch mehr Strom erzeugen können als bisher, werden künftig optimierte Glasfasersensoren auf und in den Rotorblättern die lokalen Belastungen durch den Wind messen, um die Leistungsfähigkeit der Windräder optimal auszunutzen – wenn es nach vier Nachwuchswissenschaftlern der Technischen Universität München geht. Insbesondere bei großen WEA ist der Nutzen einer sensoroptimierten Blattregelung erheblich – Literaturquellen nennen Effizienzsteigerungen zwischen 10 und 15 %. Gegenüber bestehenden Systemen erhoffen sich die Forscher mit ihrer ausgefeilten Messtechnik, die insbesondere Vibrationen sehr genau erfassen kann, eine noch exaktere Blattregelung. Zudem erwarten sie Kostenvorteile. Als eine erste grobe Abschätzung errechnen sie einen Netto-Kapitalwert von ca. 30000 € pro Prozentpunkt Effizienzsteigerung für große Anlagen.

Fehlerfrüherkennung

Die Fasern, kaum dicker als ein Haar, können exakt feststellen, wie und wo das Material der Rotorblätter vibriert, sich dehnt oder winzige Schäden nimmt. Damit eignet sich das System, Defekte frühzeitig zu erkennen, Wartungsintervalle zu planen und so Stillstandzeiten zu minimieren. Auch Vereisungen, Blattrisse oder Schäden durch Blitzeinschläge können registriert werden. Eine Überwachung der Schwingungsform ermöglicht eine aktive Schwingungsdämpfung. Im Falle eines Schadens unterstützt das System bei der Eingrenzung des Schadensortes der Analyse der Schadensursache etwa bei Fertigung, Transport, Montage, Betrieb, Wartung. Eine Erweiterung der Messtechnik auf Wälzlagerüberwachung, Generatortemperatur- oder auch Drehschwingungsmessung ist denkbar.

Messprinzip

Die Wissenschaftler nutzen Glasfasern, wie sie auch in der Telekommunikation verwendet werden – mit einem Unterschied: In gewissen Abständen sind die Glasfasern mit Lasern bearbeitet, so dass an diesen Stellen jeweils eine Art Spiegel entsteht, ein Faser-Bragg-Gitter. Schicken die Messtechniker Infrarotlicht durch die Faser, wird es vom Gitter reflektiert. Bei Dehnung oder Stauchung der Faser verändert sich die Wellenlänge des reflektierten Lichts. Da jedes Gitter nur Licht einer bestimmten Wellenlänge zurückwirft und die anderen Wellenlängen ungehindert passieren lässt, können die Wissenschaftler Dehnungen und Stauchungen an vielen Stellen der Faser gleichzeitig messen. Die größte Herausforderung war es, auch hohe Frequenzen von Vibrationen noch genau zu messen, erklärt Dr. Mathias Müller, einer der vier beteiligten Forscher: "In verschiedenen Projekten haben wir die Sensortechnik weiterentwickelt. Als wir unsere Messtechnik so weit optimiert hatten, dass wir die Vibrationen messen konnten, wie sie bei einer Ariane-Rakete beim Start entstehen, war das der Durchbruch für unser dynamisches Messverfahren." Mit dem Physiker Thorbjörn Buck hat er zweieinhalb Jahre an der Technologie gearbeitet. Dazu stießen noch der Informatiker Rolf Wojtech und der Wirtschaftsingenieur Dr. Lars Hoffmann.