Lasertechnik erfasst die Schwingungen von Windrädern aus großer Distanz
Windräder sehen aus der Ferne oft majestätisch aus. Was man aber nicht sehen, sondern nur messen kann, sind die Schwingungen der Anlagen. So wie ein Hochhaus an der Spitze oft mehrere Meter hin und her schwingt, sind auch die Rotorblätter enormen Belastungen ausgesetzt. Bislang mussten die Rotorblätter aufwendig mit Sensoren ausgestattet werden, um ihre Schwingungen zu messen. Jetzt soll der Blick eines Messgerätes aus der Ferne genügen.
Windkraftanlagen in der Nähe von Brüssow (Mecklenburg-Vorpommern): Manche Anlage in Deutschland ist schon 20 Jahre und älter. Jetzt haben Ingenieure eine Lasertechnik entwickelt, mit der man die Schwingungen und den Zustand von Anlagen aus der Ferne messen kann.
Foto: dpa/Jens Büttner
„Windräder schwingen auch bei normalen Windgeschwindigkeiten bis zu einen Meter mit“, schildert Dr. Ilja Kaufmann aus der Abteilung Optronik des Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) in Ettlingen. „Das ist eine ganz erhebliche Belastung für die Masten und Windräder. Sie zu messen, ist über Sensoren möglich, die am Mast wie an den Rotorblättern angebracht sind.“ Allerdings haben solche Messverfahren diverse Nachteile. Zum einen müssen für jeden Mast, für jedes Windrad Sensoren eingebaut und zur Auswertung verkabelt werden. Zum anderen lassen sich damit nur die Schwingungen an jenen Punkten messen, an denen die Sensoren angebracht sind. „Ein umfassendes Schwingungsmuster der gesamten Anlage ist mit dieser Technologie nicht möglich“, erklärt Kaufmann.
Laser-Messtechnik scannt Rotoren aus der Ferne
Eine vom Fraunhofer-Institut IOSB entwickelte Messanlage nutzt Lasertechnik, um die Schwingungen aus mehreren hundert Metern Entfernung aus jedem Winkel und von jedem Punkt aus erfassen zu können. Das Besondere dabei ist, dass der Laser die gesamte Anlage abtasten und damit die Schwingungen an jedem Punkt messen kann. Das gilt auch für die sich bewegenden Rotorblätter. Dabei folgt der Leser automatisch den Drehbewegungen der Blätter.
Der Laser folgt dem Rotorblatt und verharrt exakt auf derselben Position auf dessen Oberfläche. Betreiber von Windkraftanlagen können das Schwingungsmuster der Bauteile so aus mehreren hundert Meter messen – an jedem beliebigen Punkt.
Quelle: Fraunhofer IOSB
Dafür sorgt als Herzstück der Messtechnik ein Tracking-System, das mit Kamera und Laser verknüpft ist, die auf einem Schwenkneigekopf montiert sind.
Die Windkraftanlage wird von der Kamera erfasst. Eine Software deutet die Aufnahmen und entwickelt aus den Daten ein virtuelles Modell der Flügel. Diese Informationen werden genutzt, um den Schwenkneigekopf so einzustellen, dass der Laser automatisch den Rotorblättern folgt.
Gleichzeitig sammelt die Kamera Daten über die exakte Position des kleinen Laserpunktes auf dem Rotorblatt. Dabei lassen sich beliebig viele Punkte der Anlage im laufenden Betrieb scannen. Die Messdauer ist dabei variabel. Je langsamer die Schwingungen verlaufen, desto länger misst der Laser. All das ist nicht nur auf Land möglich, sondern infolge der großen Reichweite der Anlage auch auf See, wo die Fraunhofer-Anlage dann von einem Schiff aus vermisst. In letzterem Falle müssen allerdings die Eigenbewegungen des Schiffs bei den Messungen berücksichtigt werden.
Große Hilfe bei der Bewertung alter Windkraftanlagen
„Viele Windparks in Deutschland laufen bereits seit gut 20 Jahren – oft die maximale Lebensdauer“, so Kaufmann. Mit der Fraunhofer-Technik ist nun eine umfassende Bewertung der einzelnen Anlage möglich. „Wir liefern Entscheidungshilfe bei Fragen wie: Ist sie so gut in Schuss, dass ich sie weiter betreiben kann, verkaufe ich sie oder baue ich eine neue an derselben Stelle“, erläutert der Ingenieur.
Vorgestellt wird die neue Technik auf der CeBIT vom 10. bis 14. März in Hannover. An ihrem Stand in Halle 9 demonstrieren die Forscher ihre neue Messtechnik mit Hilfe eines Windradmodells. Und das ist schon von ganz Weitem zu erkennen – dank eines grünen, augensicheren Laserpunktes.
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