Messen wie Windräder schwingen

Rotor und Turm einer Windkraftanlage können auch bei normalem Betrieb mitschwingen. Die Analyse dieser Schwingungen spielt eine wichtige Rolle, wenn die Anlagen entwickelt und gewartet werden. Bisher war dies nur punktuell und direkt an der Anlage möglich. Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB nutzt moderne Informationstechnologie, um das Schwingungsmuster der gesamten Anlagenstruktur aus einer Entfernung von mehreren hundert Metern zu messen.

„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", sagt Ilja Kaufmann aus der Abteilung Optronik des 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 dabei: Es kann immer nur an den Stellen gemessen werden, wo Sensoren angebracht wurden. „Ein umfassendes Schwingungsmuster der gesamten Anlage ist mit dieser Technologie nicht möglich", so Kaufmann. Bei Offshore-Anlagen, draußen auf dem Meer, kommen weitere Anforderungen hinzu.

Kaufmann und seine Kollegen haben sich dieses Problems angenommen. Auf der CeBIT in Hannover stellen sie ein technisches System vor, mit dem die Schwingungsanalyse umfassend für die gesamte Anlage und aus mehreren hundert Metern Entfernung funktioniert. Es besteht aus einem Laser, der auf die Anlage gerichtet ist und die Schwingungen auf beliebigen Stellen der Oberfläche messen kann. Damit das auch auf den beweglichen Bauteilen wie den Rotorblättern geschehen kann, führt der Laser deren Bewegung automatisch nach.

Dafür ist das Herzstück des Systems zuständig – ein IT-basiertes Trackingsystem. Die Wissenschaftler haben es intelligent mit Kamera und Laser verknüpft. Diese 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 Flügeln zu stabilisieren.

So lassen sich beliebig viele Punkte der Anlage im laufenden Betrieb scannen – auch aus großer Entfernung. „In kurzer Zeit entstehen wesentlich umfassendere Analysen, als sie mit den fest verbauten Sensoren möglich sind. Die Messdauer ist variabel: Je langsamer die Schwingungen, desto länger misst der Laser", sagt Kaufmann.

Das kompakte System ist mobil und lässt sich mit einem Fahrzeug an die gewünschte Stelle bringen. Wegen der hohen Reichweite lassen sich Offshoreanlagen auch von einem Schiff aus untersuchen – vorausgesetzt man kompensiert dessen Eigenbewegungen. „Viele Windparks in Deutschland laufen bereits seit gut 20 Jahren – oft die maximale Lebensdauer. Betreiber können unsere Technologie nutzen und ihre Anlagen bewerten. Wir liefern Entscheidungshilfe bei Fragen wie: Ist sie so gut in Schuss, dass ich sie weiterbetreiben kann, verkaufe ich sie oder baue ich eine neue an derselben Stelle", so Kaufmann.

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

Fh.-IOSB / PH