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Ist die Anlage noch in Schuss?

Qualitätssicherung
Ist die Anlage noch in Schuss?

Ist die Anlage noch in Schuss?
Per Laser können die Betreiber von Windkraftanlagen das Schwingungsmuster der Bauteile aus einer Entfernung von mehreren hundert Metern messen. Bild: Fraunhofer IOSB
Messtechnik | Rotor und Turm einer Windkraftanlage können auch bei normalem Betrieb mitschwingen. Die Analyse der Schwingungen spielt eine wichtige Rolle, wenn die Anlagen entwickelt und gewartet werden.

Bisher waren entsprechende Messungen nur punktuell und direkt an der Anlage möglich. Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB nutzt moderne Informationstechnik, 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“, versichert Dr. Ilja Kaufmann aus der Abteilung Optronik des IOSB in Ettlingen. „Das ist eine große Belastung für das Material, die zu Schäden und im schlimmsten Fall zum Ausfall der Anlage führen kann.“

Betreiber prüfen daher kontinuierlich, wie stark die Schwingungen sind. Das geschieht über Sensoren, die in Turm und Rotorblättern eingebaut sind. Der Nachteil dabei: Es kann immer nur an den Stellen gemessen werden, wo die Sensoren angebracht wurden. „Ein umfassendes Schwingungsmuster der gesamten Anlage ist so nicht möglich«, weiß Kaufmann. Bei Offshore-Anlagen, draußen auf dem Meer, kommen weitere Anforderungen hinzu.
Kaufmann und seine Kollegen haben sich dieses Problems angenommen. Heraus kam ein System, mit dem die Schwingungsanalyse umfassend für die gesamte Anlage und aus mehreren hundert Metern Entfernung funktioniert. Die Lösung 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 funktioniert, 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 Daten wird der Schwenkneigekopf so eingestellt, dass der Laser automatisch den Rotorblättern folgt. Gleichzeitig sammelt die Kamera Daten über die exakte Position des etwa 2 bis 3 cm großen Laserpunkts auf dem Rotorblatt, um diesen auf den drehenden Flügeln zu stabilisieren. Auf diese Weise lassen sich beliebig viele Punkte der Anlage im laufenden Betrieb scannen. Auch aus großer Entfernung. „In kurzer Zeit entstehen umfassendere Analysen, als sie mit den fest verbauten Sensoren möglich sind“, so Kaufmann. „Die Messdauer ist dabei variabel. Je langsamer die Schwingungen, desto länger misst der Laser.“
Das kompakte System ist mobil und kann mit einem Fahrzeug an die gewünschte Stelle gebracht werden. Wegen der hohen Reichweite lassen sich Offshore-Anlagen auch von einem Schiff aus untersuchen. Dabei müssen allerdings dessen Eigenbewegungen kompensiert werden.
Viele Windparks in Deutschland laufen bereits seit gut 20 Jahren. Das entspricht praktisch der maximalen Lebensdauer. Betreiber können die Technik nutzen und ihre Anlagen bewerten. Die Spezialisten vom Fraunhofer IOSB liefern dabei Entscheidungshilfe bei wichtigen Fragen: Ist die Anlage noch so gut in Schuss, dass ich sie weiterbetreiben kann? Oder verkaufe ich sie besser und baue eine neue Anlage an der alten Stelle?
Auf der letzten Fachmesse Cebit in Hannover haben die Forscher bereits einen Prototyp des Diagnosesystems gezeigt. An einem 2 m großen Windradmodell konnten die Besucher den Weg des augensicheren Laserstrahls als grünen Punkt auf den Rotorblättern verfolgen. Auf zwei angeschlossenen Bildschirmen waren die Aufnahmen der Kamera und die Schwingungsanalyse zu sehen. (ub) •
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