Realitätsnaher Regenerosions-Prüfstand für Windkraftanlagen - mit der Mess- und Regelungsplattform PMX

Schneller als ein Formel-1-Wagen: Der neue Regenerosionsprüfstand des Fraunhofer IWES beschleunigt ein Modellrotorblatt auf bis zu 550 km/h, um die abrasive Wirkung von Regentropfen auf der Oberfläche zu testen. Rotorblätter sind starken Umweltbelastungen ausgesetzt: Regen, Hagel, Sand, salziges Meerwasser und Schmutz treffen auf die Oberflächen und führen insbesondere an den Flügelvorderkanten zu Verschmutzungen und Aufrauhungen der Lack- und Beschichtungssysteme. Temperaturwechsel und UV-Strahlung verstärken diese Effekte noch.

Gestiegene Klima- und Umweltanforderungen

Materialabtrag sowie Rissbildung durch Regenerosion und damit sich zunehmend verschlechternde aerodynamische Eigenschaften der Flügel sind die Folge. Diese Veränderungen beeinträchtigen nicht nur die Effizienz der Windenergieanlage (WEA), sie verursachen auch höhere Geräuschemissionen.

Da Rotoren künftig schneller drehen sollen, um die Effizienz von Offshore-WEA zu steigern, verschärft sich die Problematik: Mit zunehmender Geschwindigkeit treffen die Regentropfen mit noch mehr Energie auf die Beschichtungen und führen schneller zu Schäden. Besonders an den Flügelvorderkanten an der Blattspitze kommt es häufig zu Aufrauhungen und Beschädigungen der Lacke und Beschichtungen, was die aerodynamischen Eigenschaften einer Windenergieanlage beeinträchtigt und damit die Performance verschlechtert.

Flügelvorderkante (Ausschnitt)

Klimatisierter Regenerosionsstand

Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik in Bremerhaven (IWES) entwickeln Unternehmen aus der Industrie im Rahmen des BMUB-geförderten Projekts „Regenerosion an Rotorblättern“ einen klimatisierten Teststand mit rotierenden Armen, in dem Modellflügel mit Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 600 km/h getestet werden können.

Darin kann die Beständigkeit von Rotorblattbeschichtungen gegen Regenerosion unter voller Klimatisierung (UVA-Einfluss, variabler Tropfengröße, Temperatur, Salzumgebung) nachvollzogen und bewertet werden. Durch die Optimierung von Beschichtungssystemen für Rotorblätter sollen Schäden vermieden, Wartungsintervalle verlängert und somit Kosten gesenkt werden. Gleichzeitig können in der Kammer der Eisansatz am rotierenden Arm und in Kombination bzw. nacheinander die Beschichtungen gegen Regenerosion und Eisansatz geprüft werden. Auch können die Proben UVA-Strahlung ausgesetzt werden, um der Alterung der Polymere unter Sonnenlicht gerecht zu werden.

Integrierte Mess- und Regelungstechnik

Um den Prüfstand effizient zu betreiben, wurde ein Mess- und Steuerungssystem ausgesucht, das zum einen schnell zu Konfigurieren ist und zum anderen die nötige Messgenauigkeit und Störsicherheit aufweist. Dazu wurde die Mess- und Steuerungsplattform PMX von Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH eingesetzt. PMX verfügt über verschiedene Mess- und Signalausgabeeinschübe, die passend zur Anzahl der benötigten Ein- und Ausgangssignale im Grundgerät eingesetzt wurden.

Bild: PMX als zentrales Mess- und Automatisierungssystem

Messdatenerfassung

Alle Signale werden einzeln und synchron mit 24 Bit aufgelöst und dies 19200 Mal pro Sekunde. Damit wird eine Messwertverarbeitung in Echtzeit erreicht. Durch den Einsatz der integrierten Ethernet-Schnittstelle werden alle relevanten Messwerte auf einem Prüfstands-PC gespeichert. Die Speicherung der Rohdaten und nachfolgende Auswertung erfolgt mittels der Messtechnik-Software catman von HBM.

Automatisierung

Ein wesentlicher Effizienzgewinn ergibt sich durch die integrierte CODESYS-Soft-SPS und die Diagnose im PMX. Diese arbeitet nach der weltweiten Industrienorm 61131 und erlaubt deterministische Echtzeitregelungen, die in diesem Projekt für die synchrone Steuerung des Antriebs des Arms im Prüfstand und der Steuerung der Beregnung und des Klimas wichtig sind. Der Code wird einmal in der CODESYS-Entwicklungsumgebung erstellt. Danach mittels eines Compilers auf Fehler überprüft und als Maschinencode in das PMX geladen. Dort läuft die Applikation dann eigenständig. Über die integrierte CANopen-Schnittstelle von PMX können weitere Sensorsignale eingelesen und auch Steuersignale an den Abtrieb gesendet werden. Zusätzliche Steuerungsaufgaben werden durch die digitalen Ein-/Ausgänge sowie die Analogausgänge des PMX ausgeführt.

Visualisierung und Bedienung

Ein weiteres ausschlaggebendes Kriterium für den Einsatz des PMX war die Möglichkeit, das Gerät über den integrierten Webserver auf allen gängigen Webbrowsern zu bedienen. Damit entfiel das Installieren von PC-Software und man gewann die Möglichkeiten der Fernwartung und Fernbedienung über vorhandene Netzwerktechnik. Die integrierte CODESYS Soft-SPS verfügt ebenfalls über eine Web-Visualisierung, die nun passgenau an die Anwendung angepasst wurde. Damit sind alle relevanten Signale und Bedienelemente für den Betrieb des Prüfstands inklusive der Regelung für den Bediener verfügbar.

Benjamin Buchholz vom IWES koordiniert im Rahmen des Verbundprojekts „Regenerosion an Rotorblättern“ das Projekt:

„Die Testbedingungen sind hierbei variabel – Umlaufgeschwindigkeiten und klimatische Bedingungen können entsprechend realer Einsatzbedingungen der jeweiligen Rotorblätter individuell eingestellt werden“, erläutert Buchholz. „Die nötigen Grundlagen bieten uns Wetter-und Betriebsdatenaufzeichnungen. So möchten wir gleichermaßen die Qualität des Prüfstands als auch die Validität der erhaltenen Ergebnisse sicherstellen. Mit dem integrierten Mess-und Regelungssystem PMX von Hottinger Baldwin Messtechnik war es möglich alle geforderten Mess- und Regelungsaufgaben effizient und kostengünstig zu realisieren.“

Mess- und Regelungssystem PMX im Steuerschrank des Prüfstands
CODESYS-Prüfstands-Web-Visualisierung

Fazit und Ausblick

Die Beurteilung der Schadensmechanismen dient als Grundlage für die Optimierung von Beschichtungsmaterialien wie Folien und Lacke und für das Einleiten weiterer Maßnahmen wie z. B. Änderung der WEA-Betriebsführung oder Anpassung der Wartungsintervalle. Die Wissenschaftler vertiefen mit dem Prüfstand ihr Verständnis des Schädigungsvorgangs und entwickeln auf dieser Basis wirkungsvolle Schutzkonzepte. Das Projekt „Regenerosion an Rotorblättern“ hat ein Gesamtvolumen von 1,4 Mio. Euro und wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert (Kennziffer 41V6477). Es läuft noch bis September 2016.

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