Windenergie: Mit hochgenauen Sensoren gegen Unwuchten

Von außen sehen alle Windenergieanlagen (WEA) gleich aus. Selbst Fachleute erkennen Veränderungen am Material oder in der Struktur nur durch eingehende Untersuchungen. Da viele Windparks schwer erreichbar sind, finden Inspektionen aus Kostengründen aber oft nur ein bis zweimal pro Jahr statt. In der Zeit zwischen den Überprüfungen sind die Anlagen oft monatelang sich selbst überlassen. Das hat zur Folge, dass sich kleinere Schäden unbemerkt ausbreiten und zu einem Sicherheitsrisiko für die Anlage werden können. Darüber hinaus wirken sich Anomalien auch negativ auf den Ertrag einer WEA aus: Eine 2-MW-Anlage verzeichnet etwa aufgrund von Unwuchten jährliche Ertragsverluste von rund 20 000 €.

An Rotoren von WEA treten sowohl aerodynamische als auch massebedingte Unwuchten auf, oder eine Kombination aus beiden. Die Ursachen sind vielfältig: Massebedingte Unwuchten können etwa durch Eisbildung, Wasseraufnahme oder bereits in der Herstellung der Rotorblätter entstehen, während aerodynamische Unwuchten unter anderem aus einer fehlerhaften Blattwinkelverstellung, Fehlern im Profil von Blättern oder Blatterosion resultieren.

Anlagenkontrolle oft noch unzureichend

Mittlerweile werden einige WEA durch ein spezialisiertes Monitoring Center überwacht, um Veränderungen frühzeitig erkennen zu können. Diesen Service bietet eta Dynamics weltweit für Anlagenbetreiber an und verfügt über eine jahrzehntelange Erfahrung in dem Bereich. Nach Ansicht von Geschäftsführer Roman Wolff steht die Branche beim Condition Monitoring von WEA, einem Teilbereich des übergreifenden Health-Monitoring-Konzepts, allerdings noch ganz am Anfang: „Selbst viele Energieversorger vernachlässigen das Thema sträflich und tasten sich erst langsam an einen professionellen Anlagenbetrieb heran.“

Energiewende ohne lückenloses Monitoring nicht erreichbar

Der Windenergie-Experte findet das nicht nur in ökonomischer Hinsicht problematisch: „Ohne die lückenlose Überwachung von WEA werden wir auch die Energiewende nicht schaffen“, ist Wolff überzeugt. Er hat in seinem Berufsleben schon viele Schäden an WEA gesehen und weiß, dass viele von ihnen schon bei deren Konstruktion hätten vermieden werden können. Dem stünde aber der enorme Kostendruck gegenüber, dem die Hersteller ausgesetzt seien. „Sie sparen an Material und verwenden sehr dünne Strukturen“, so Wolff. Durch die immer leichtere Bauweise der WEA verringern sich laut Wolff auch die Auslegungsreserven kontinuierlich – also die Toleranzen, die man als Sicherheitspuffer bei der Entwicklung der Anlagen mit einberechnet. Sie sollen dafür sorgen, dass die WEA auch punktuellen Überbelastungen problemlos standhalten.

„Da die Auslegungstoleranzen in den letzten Jahren stetig kleiner geworden sind, ist eine permanente Überwachung der Anlagen umso wichtiger“, beschreibt Wolff die Herausforderung. Schon geringste Abweichungen beim Blatteinstellwinkel können erhebliche aerodynamische Unwuchten verursachen. Passieren etwa beim Aushärten der Rotorblätter in der Fertigung Fehler, können sich Verformungen bilden. Dadurch liegt die Strömung anders an den Rotorblättern an als berechnet und es wirken völlig andere Kraftmomente auf die Gondel und den Turm der Anlage bis hinunter in das Fundament ein.

Hochgenaue Beschleunigungssensoren erfassen kleinste Veränderungen

Bei der Überwachung der WEA setzen Wolff und seine Kolleginnen und Kollegen auch auf Sensorik: „Wir verwenden für das Condition Monitoring unter anderem Partikelzähler und Ölqualitätssensoren, aber auch einfache Beschleunigungssensoren.“

Mit der herkömmlichen Messtechnik können aber bei weitem nicht alle Vorgänge an den Anlagen erfasst werden, denn sie ist ausschließlich am Antriebsstrang zwischen Rotorlager, Getriebe und Generator verbaut. „Am Rotor mit den einzelnen Rotorblättern sowie dem Stahlrohrturm, Betonturm oder Stahlrohr-Beton-Hybridturm und dem Fundament passiert ebenfalls eine Menge“, so Wolff.

Um auch diesen Bereich künftig lückenlos überwachen zu können, hat eta Dynamics hochgenaue Beschleunigungssensoren von ASC getestet. Wolff war über ein Fachmagazin auf das Unternehmen aufmerksam geworden, das eine große Bandbreite hochgenauer Inertialsensoren für anspruchsvolle Test- und Messapplikationen anbietet. Der Ingenieur nahm Kontakt mit den Sensor-Spezialisten aus Pfaffenhofen auf und merkte schnell, dass er dort finden würde, was er suchte: „ASC ist einer der ganz wenigen Hersteller am Markt, die so präzise Beschleunigungssensoren fertigen, wie wir sie benötigen. Die Sensoren passen optimal in unser messtechnisches Konzept.“

Hochgenaue Messungen an den Windenergieanlagen

Wolff überzeugte vor allem das sehr gute Signal-Rausch-Verhältnis der kapazitiven triaxialen Beschleunigungssensoren ASC 5511LN und ASC 5515LN, das die hochgenauen Messungen an den WEA überhaupt erst möglich macht. Die Low-Noise-Sensoren bieten in Abhängigkeit des Messbereiches eine geringe Rauschdichte von 7 bis 400 µg/√vHz auf und verfügen über einen Frequenzbereich zwischen DC und 2 000 Hz (± 5 %). Nur durch das kapazitive Messprinzip der Sensoren auf Basis qualitativ hochwertiger mikro-elektronisch-mechanischer Systeme (MEMS) können die niedrigen Rotordrehfrequenzen von WEA (< 0,5 Hz) zuverlässig erfasst werden. Mit Signal- und Amplitudenauflösungen von < 20 µg (< 0,2 mm/s²) sind die Sensoren nicht nur ideal geeignet, um aerodynamische und massebedingte Unwuchten an WEA zu detektieren, sondern kommen auch in zahlreichen weiteren Anwendungen zum Einsatz.

Erfassung der gesamte Turm-Gondel-Dynamic

Wolff und sein Team montierten je einen Sensor vom Typ ASC 5511LN und ASC 5515LN auf einer Test-WEA – im Maschinenträger in der Gondel. Diesen Installationsort hatten das Team gewählt, weil sich die Schwingungen und Vibrationen, die hier durch die Rotorblätter induziert auftreten, auf die gesamte WEA auswirken. „Die Kräfte, die durch den Wind in die Rotoren und damit auch in die Gondel und den Turm induziert werden, sind enorm“, weiß Wolff.

Die Beschleunigungssensoren wurden mithilfe einer Montageplatte am Maschinenträger befestigt und den Achsen entsprechend ausgerichtet. Sie erfassten dort über einen Zeitraum von acht Wochen die gesamte Turm-Gondel-Dynamic. Die Messwerte flossen bidirektional an eine Datenerfassungseinheit im Schaltschrank der Gondel und von dort über eine VPN-Verbindung an ein Rechenzentrum, wo sie aufgezeichnet wurden.

Tests lieferten breites Spektrum an Messdaten

„Wir wollten bei den Untersuchungen wissen, wie die Anlage auf die unterschiedlichen Strömungsverhältnisse reagiert“, beschreibt Wolff das Projektziel.

Man suchte für den Test deshalb eine WEA aus, die in einem Hauptwindrichtungssektor teils frei angeströmt wurde, sich aber auch teilweise im direkten Nachlauf anderer WEA befand. Steht eine Anlage hinter anderen WEA, herrschen dort völlig andere Strömungsverhältnisse als bei Anlagen, die frei angeströmt werden.

Da die Tests im Sommer durchgeführt wurden, herrschten ideale Bedingungen: Es gab auch Gewitter mit starken Windrichtungswechseln und Böenbeaufschlagungen. So konnten alle kritischen Betriebslasten erfasst werden, die im Laufe des Lebenszyklus einer WEA auftauchen.

Sensoren werden künftig im Regelbetrieb eingesetzt

Mit den Ergebnissen der Untersuchungen ist der Kieler Ingenieur-Dienstleister sehr zufrieden: „Wir haben gesehen, dass wir mithilfe der Sensoren selbst geringste Veränderungen an den WEA messen konnten“, freut sich Wolff. Jetzt werden noch kleinere Anpassungen an den Sensoren vorgenommen, damit sie sich reibungslos in das Messkonzept einfügen. Für ASC ist das selbstverständlich: Der Sensor-Spezialist fertig nicht nur hochgenaue Messtechnik, sondern bietet auch einen individuellen Service. Sämtliche Sensoren werden in enger Zusammenarbeit mit der Kundschaft so modifiziert, dass sie die Anforderungen der jeweiligen Applikation optimal erfüllen.

Künftig werden die kapazitiven Beschleunigungssensoren von ASC also Windparks im Regelbetrieb überwachen. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Effizienz von WEA – und somit auch zum Klimaschutz.