Bisher einzigartig: Um Materialschäden und Verschleißerscheinungen feststellen misst ein technisches System die Schwingungen von Windkraftanlagen. Weil es nicht direkt an der Anlage montiert werden muss, sondern in einer Entfernung von bis zu 300 Metern aufgestellt werden kann, ermöglicht es wesentlich umfassendere Analysen als bisherige Systeme. Dabei wird ein computerbasiertes Trackingsystem mit einem Laservibrometer kombiniert.

Über 24.100 Windkraftanlagen verwandeln derzeit in Deutschland Wind in Strom und jedes Jahr kommen neue Anlagen hinzu. Allein im ersten Halbjahr 2014 wurden laut dem Bundesverband WindEnergie 650 neue Windkraftanlagen an Land errichtet. Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, dass der Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2020 auf mindestens 35 Prozent ansteigen soll. Onshore- und Offshore-Windenergieparks werden dabei eine wichtige Rolle spielen. Die Windenergie macht bereits heute den größten Anteil an erneuerbaren Stromquellen in Deutschland aus, der Anteil der Windenergie an der gesamten Energieproduktion liegt bei über 13 Prozent. An Land und auf See trotzen die teils über 100 Meter großen Türme mit Rotorblättern von einer Länge bis zu 65 Metern auch extremen Witterungsbedingungen. Doch die Schwingungen, die durch die Bewegung der Rotorblätter erzeugt werden, wirken sich mit der Zeit auch auf das robusteste Material aus. Das lässt sich nicht verhindern, denn selbst bei normaler Windgeschwindigkeit bewegt sich der Turm bis zu einem Meter hin und her. Das belastet natürlich das Material.

Verschleißerscheinungen sind mit der Zeit unvermeidlich. Im schlimmsten Fall kann dies zu Materialschäden und zu einem Ausfall der Anlage führen. Deshalb ist eine Analyse der Schwingungen sowohl für die Entwicklung neuer Anlagen als auch für die Wartung bestehender Windräder enorm wichtig. Denn: Die Materialermüdung, die die Lastwechsel im Laufe der Zeit verursachen, wäre an sich nicht problematisch, würde man diese frühzeitig feststellen. Je später man sie aber erkennt, desto höher fallen die Kosten für Wartung und Reparatur aus. Deshalb sollte der Zustand einer Anlage kontinuierlich überprüft werden. Das aber ist leichter gesagt als getan: Eine manuelle Überprüfung, bei der alle Teile gründlich inspiziert werden, bedeutet für den Betreiber, dass die Anlage für den Zeitraum der Inspektion abgeschaltet werden muss. Moderne Anlagen verfügen zwar über Sensoren, mit denen die Schwingung an bestimmten Punkten gemessen werden kann. Diese Sensoren können jedoch nicht in allen Teilen einer Anlage verbaut werden. Das gilt insbesondere für die Rotorblätter der meisten Anlagen, die deshalb nicht automatisch auf Schwingungsschäden kontrolliert werden können.

Bisher war es also unmöglich, ein umfassendes Schwingungsmuster einer Anlage zu erstellen. Den Forschern am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB ist es gelungen, dieses Problem zu lösen: Gemeinsam haben die Spezialisten der Abteilungen Optronik und Objekterkennung ein neuartiges System entwickelt, das eine Kombination aus einem Laservibrometer und einem Trackingsystem ist. Es misst das die Schwingung einer Windkraftanlage aus der Ferne: 

Das Trackingssystem VibroTrack von Fraunhofer IOSB misst Schwingungsschäden bei Windkraftanlagen. Bild: Fraunhofer IOSB

Ein Laservibrometer erfasst Vibrationen an den Oberflächen. Mit dem leistungsstarken Laser des Fraunhofer IOSB können diese Schwingungen auf der Oberfläche von Windkraftanlagen aus einem Abstand von bis zu 300 Metern gemessen werden. »Der Laser ist auf einer mobilen Anlage mit einem Schwenkneigekopf montiert. Er wird auf die Anlage gerichtet und der Laserstrahl bewegt sich dann mit den Rotorblättern. So können wir die Schwingungen auf beliebigen Stellen der Oberflächen messen«, erklärt Projektleiter Dr. Ilja Kaufmann vom Fraunhofer IOSB. Werden dabei Veränderungen festgestellt, kann das auf nicht sichtbare Schäden am Material hinweisen. Das kompakte System kann mit einem Fahrzeug zur Windkraftanlage transportiert werden.

Das Trackingssystem VibroTrack von Fraunhofer IOSB misst Schwingungsschäden bei Windkraftanlagen. Bild: Fraunhofer IOSB

»Die Messung eines bestimmten Punktes dauert etwa eine Sekunde. Das macht die Sache natürlich kompliziert, wenn der zu vermessende Punkt permanent in Bewegung ist. Deshalb haben wir den Laser mit einem Trackingsystem kombiniert, das anhand von Videodaten Objekte verfolgen kann«, erläutert Kaufmann. Mit dem computerbasierten Trackingsystem »VibroTrack« können die Flügel auch dann vermessen werden, wenn das Windrad in Bewegung ist. Zu dem System gehört eine Bildverarbeitungssoftware, die an eine Kamera gekoppelt ist. Die Kamera macht Aufnahmen von der Windkraftanlage und leitet sie an die Software weiter. Diese erstellt dann daraus ein virtuelles 3-D-Modell und kann so die Bewegung vorhersagen. Mit Hilfe dieser Informationen ist der Laser in der Lage, rechtzeitig die richtige Position einzunehmen und die Bewegung in Echtzeit zu verfolgen. So kann aus der Distanz das Schwingungsmuster der gesamten Anlage gemessen werden.

Das Trackingssystem VibroTrack von Fraunhofer IOSB misst Schwingungsschäden bei Windkraftanlagen. Bild: Fraunhofer IOSB

Es ist das erste Mal, dass solche umfassenden Messungen möglich sind. Die Methode eröffnet den Konstrukteuren und Betreibern von Windkraftanlagen ganz neue Möglichkeiten: »Zum Beispiel kann das System bei der Entwicklung von Windkraftanlagen und Schwingungsmodellen genutzt werden, um sie bereits im Vorfeld zu validieren und gegebenenfalls zu optimieren«, sagt Kaufmann. Aber auch bestehende Anlagen lassen sich mit dem System beurteilen. »Das ist besonders wichtig, um Materialschäden wie Risse oder Brüche festzustellen, bevor sie sichtbar sind. Solche Veränderungen kann man mit regelmäßigen Messungen aufdecken und Mängel beheben, bevor sie einen Schaden verursachen.« Auch zur einmaligen Bewertung einer Anlage bietet sich das System an. »Die Windkraftanlagen der ersten Generation haben mittlerweile ihre auf etwa 20 Jahre angesetzte Lebenszeit erreicht. Jetzt stellt sich für die Betreiber die Frage, was sie damit machen: Abreißen, weiterbetreiben, verkaufen? Da wäre es natürlich enorm hilfreich, eine fundierte Aussage über den Zustand der Anlage treffen und bewerten zu können, wie gut das Material in Schuss ist«, so Kaufmann. Die hohe Distanz, aus der gemessen wird, ermöglicht es prinzipiell sogar, Offshore-Anlagen auf dem Wasser von einem Schiff aus abzuscannen und zu vermessen.

Nachdem die Forscher am Fraunhofer IOSB den Prototypen des Systems bereits im Frühjahr auf der CeBIT präsentiert haben, werden die einzelnen Komponenten, die zunächst für ein Windradmodell entwickelt wurden, für den Einsatz außerhalb des Labors umgerüstet. Daraus wollen die Wissenschaftler dann in den kommenden Monaten ein markttaugliches System entwickeln. (mdi)

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  • Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
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