Der einfache Weg zu einem ganzheitlichen Structural-Health-Monitoring-System

Mit steigendem wirtschaftlichen Druck auf Hersteller und Betreiber von Windkraftanlagen gehören „Structural Health Monitoring“-Systeme u.a. zur Messung von Belastungen an Flügeln, Gondeln, Türmen und Fundamenten fast schon zum Standard. Der Trend geht dabei deutlich zu ganzheitlichen Systemen für das Monitoring der kompletten Anlage. Hier bieten sogenannte hybride messtechnische Systeme eine interessante neue Option für Anwender: Sie verbinden das Beste aus „optischer“ und „elektrischer“ Messtechnik.

Mit einer weltweit installierten Leistung von nahezu 450 Gigawatt ist die Windenergie längst aus ihren Kinderschuhen entwachsen. Und obwohl der Wind als Energiequelle schon seit tausenden Jahren genutzt wurde, ist die heutige Form dieser Energiegewinnung noch jung – und es bestehen für ihre technologische und kommerzielle Nutzung noch viele offene Fragen. Dazu gehört auch die Frage nach der möglichen Lebensdauer einer solchen Anlage, weil hier noch viele Erfahrungswerte fehlen.

(Nicht nur) im Offshorebereich sind die Windkraftanlagen starken physikalischen Kräften, Momenten und anderen Einflüssen ausgesetzt. Um aus einer Windkraftanlage auch einen möglichst großen wirtschaftlichen Nutzen zu ziehen, stellen sich aus diesen Umständen unweigerlich Fragen an Betreiber, Investoren und Entwickler von Windanlagen:

  • Gibt es eine Möglichkeit, die Lebensdauer einer Windenergieanlage zu schätzen?

  • Gibt es Varianten, den Ersatzteilbedarf möglichst optimal zu steuern, um „Downtimes“ zu reduzieren und den Output zu maximieren?

  • Gibt es möglichst effiziente Möglichkeiten, dass Betreiber immer über den aktuellen Zustand ihrer Windkraftanlage informiert sind?

Moderne Messtechnik kann mit „Structural Health Monitoring“-Systemen helfen, deutlich bessere und aussagekräftigere Daten zur Beantwortung dieser Fragen zu erhalten, als es jemals zuvor möglich war. Structural Health Monitoring-Systeme können zwar auch nicht die Zukunft vorhersagen – aber sie können sie in gewisser Weise „messbar“ und „berechenbar“ machen.

Was gilt es bei der Installation von Structural Health Monitoring-Systemen (SHM) in Windkraftanlagen genau zu beachten? Hier könnte man an dieser Stelle viel über Technologien und mögliche Produkte reden. Doch dies sollte eigentlich erst die zweite Frage sein, wenn es über die Installation eines solchen Systems geht. Wichtiger als alle anderen Punkte ist eine klare Erörterung der Zielsetzung: Kann mir das Structural Health Monitoring-System wirklich helfen, relevante Daten auch zur optimalen wirtschaftlichen Nutzung der Windkraftanlage zu gewinnen?

Trend zu ganzheitlicher Sichtweise

„Klassischerweise“ werden Structural Health Monitoring-Systeme vor allem im Antriebsstrang von Windkraftanlagen eingesetzt. Dies ist auch zunächst ein logischer Ansatz: Treten in diesem zentralen Bereich doch erhebliche Drehmomente und Belastungen am Herzstück der Windenergieanlage auf, die genauestens überprüft werden müssen.

Doch viele Windkraftanlagenbetreiber haben erkannt, dass dieser Ansatz nicht weit genug geht. Sie streben eine Gesamtbetrachtung ihrer Anlage an, also auch für die Verifizierung der Stabilität, dem Condition Monitoring nach schwerwiegenden Wetterereignissen (wie zum Beispiel Stürmen), oder der Ermittlung von Daten für eine Abschätzung der restlichen Lebensdauer von Windkraftanlagen.

Diese Fragestellungen lassen sich jedoch nicht einfach mit einer reinen Messung am Antriebsstrang beantworten, sondern auch mit einer Ausweitung der Messsysteme an Türmen, Fundamenten und Flügeln von Windkraftanlagen.

Schnelle Armortisation der Installationskosten durch geringere Ausfallzeiten

Diese ganzheitliche Sichtweise wird dabei immer dringlicher angesichts der wirtschaftlichen Herausforderungen an die Windkraft. Um am Markt wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die Herstellungskosten für Windkraftanlagen immer weiter gesenkt werden. Dies bringt unweigerlich Reduzierungen beim Materialeinsatz mit sich. Doch je stärker hier optimiert wird, umso wichtiger ist auch die Verfügbarkeit von aktuellen Daten über den Zustand von Windkraftanlagen – um zum Beispiel Materialbrüche an Türmen oder Fundamenten als katastrophale Ereignisse zu vermeiden.

Und dabei gilt: Ein ganzheitliches Structural Health Monitoring-System zahlt sich unter dem Strich immer aus, denn hier können Nutzer frühzeitig Probleme erkennen und noch kostengünstig agieren. Ausfallzeiten können so geplant und minimiert werden. Anders ausgedrückt: Die begrenzten Kosten für die Installation eines Structural Health Monitoring-Systems amortisieren sich in Windeseile durch eine Verkürzung der Ausfallzeiten fast von alleine.

Die Komponenten eines Structural Health Monitoring-Systems

Wie sieht nun solch ein System in der Praxis aus? Wie jedes Messsystem besteht ein Structural Health-Monitoring-System aus drei Komponenten: Der Sensorik, die an den zu überwachenden Bestandteilen der Windkraftanlage installiert ist. Dies können zum Beispiel Dehnungsmessstreifen sein, um Dehnungen und Spannungen im Material zu überwachen, oder natürlich auch Sensoren für andere Messgrößen wie Temperatur, Kraft, Neigung, Drehmoment. Diese Sensorik kann auf klassischer elektrischer Messtechnik basieren, oder auch auf innovativen faseroptischen Bragg-Sensoren. Hier entscheidet der Typ der Anwendung, welches System die bessere Wahl ist.

Als zweite Komponente im Messsystem kommt die Messelektronik hinzu: Also Messverstärker und Datenrekorder, die die Messdaten digitalisieren und gegebenenfalls kontinuierlich lokal speichern. Für optische Sensoren heißen diese Verstärker „Interrogatoren“.

Und schließlich die dritte, für den Anwender letztendlich entscheidende Komponente: Die Software. Hier werden die Messdaten angezeigt (visualisiert), und verschiedene Berechnungen bzw. Trigger bei kritischen Gegebenheiten können eingerichtet werden. Interessant auch bei Structural Health-Monitoring-Aufgaben: Moderne messtechnische Software geht mittlerweile weit über das reine Anzeigen und Weiterverarbeiten der Daten hinaus.

Ermüdungs- und Belastungssoftware wie z.B. HBM nCode GlyphWorks ermöglicht komplexe Lebensdaueranalysen und –berechnungen, teilweise schon basierend auf den CAD-Daten der Anlage. Auch diese Software wird bereits in zahlreichen Windkraft-Anwendungen eingesetzt.

Elektrische und optische Messtechnik: Zwei starke Technologien im Vergleich

Doch zurück zu der typischen messtechnischen Anwendung. Wie beschrieben, stehen für die Sensorik von Structural Health Monitoring-Systemen zwei unterschiedliche Technologien zur Verfügung: Die optische und elektrische Messtechnik.

Insbesondere die optische Messtechnik basierend auf  Faser-Bragg-Technologie hat in den vergangenen Jahren kontinuierlich an Bedeutung für Überwachungssysteme von Windkraftanlagen erhalten. Warum ist das so?

Wie der Name schon sagt, messen optische Sensoren mit „Licht“. Die Sensorik besteht aus Lichtwellenleiter, in die ein spezielles Muster, das „Faser-Bragg-Gitter“ (FBG) eingearbeitet ist. Aufgrund von Unterschieden in den übermittelten Lichtwellen ist es so möglich, physikalische Messgrößen zu ermitteln.

Diese technologischen Eigenheiten bringen einige Vorzüge für den Einsatz der Faser-Bragg-Sensoren in Windkraftanlagen. So arbeiten die optischen Sensoren „passiv“, das heißt sind immun gegen Blitzschläge. Sie sind sehr resistent gegenüber Ermüdungserscheinungen und ermöglichen Messungen von sehr hohen Dehnungen und mit hohen Lastwechselzahlen. Durch die Multiplex-Eigenschaft (mehrere Sensoren können in einen Lichtwellenleiter mit nur einem Interrogator als Verstärkereinheit eingesetzt werden) reduziert sich der Verkabelungsaufwand erheblich; zudem ermöglichen die optischen Sensoren eine sichere Datenübertragung nahezu ohne Informationsverlust auch über lange Kabellängen hinweg.

Was bedeuten diese vielen guten Eigenschaften für den Einsatz in Windkraftanlagen? Die Antwort ist klar: Sie sind prädestiniert für die Bereiche der Windturbine, in denen hohe Lastwechselzahlen und sehr hohe Dehnungen auftreten sowie der Verkabelungsaufwand minimiert wird. Dies ist zum Beispiel für Dehnungsmessungen an Flügeln der Windkraftanlage der Fall, bei denen zahlreiche optische Dehnungssensoren in nur einem Kabel installiert werden können (Multiplexing).

Unter der Produktlinie „HBM FiberSensing“ bietet der Messtechnik-Anbieter HBM Test and Measurement ein breites Portfolio an optischen FBG-Sensoren und Interrogatoren an – unter anderem mit Sensoren zum Messen von Dehnungen, Neigungen, Temperatur und mehr. Für Betreiber von Windkraftanlagen empfiehlt sich hier insbesondere das Komplettsystem „FiberSensing WindMETER“: Dies ist eine zuverlässige Gesamtlösung, die speziell für die Überwachung von Rotorblättern in Windkraftanlagen entwickelt wurde. Das System umfasst einen verbrauchsarmen opto-elektronischen Interrogator für den Einsatz in einem weiten Temperaturbereich sowie einen Satz Faser-Bragg-Gitter (FBG)-basierter Dehnungs- und Temperatursensoren.

Dieses innovative System bietet dauerhafte Leistung durch ein eingebautes Normal, das die Autojustierung aller Messdaten alle 10 ms ermöglicht.

WindMETER lässt sich in viele verschiedene Anwendungen integrieren und unterstützt Lösungen wie Blattverstellung, Zustandsüberwachung, Lastbewertung, Validierung der Rotorblattkonstruktion, Schwingungsüberwachung, Eiserkennung. WindMETER ist immer auch auf kundenspezifische Anforderungen anpassbar.

Hybride Systeme: Das Beste aus zwei Welten

Wie gesagt geht es nicht nur um die Überwachung von Flügeln von Windkraftanlagen, sondern um eine Gesamtbetrachtung der Stabilität. Hier lassen sich auch viele Messungen mit optischer Messtechnik vollziehen, aber denkbar und sinnvoll ist hier der Einsatz „hybrider“ Systeme, in denen die klassische elektrische Sensortechnologie basierend auf Dehnungsmessstreifen zum Einsatz kommt. Diese punktet durch hohe Zuverlässigkeit, einfachere Installation und geringere Kosten.

So sind hybride Structural Health Monitoring-Systeme im Einsatz, in denen auch die elektrische Messtechnik zum Einsatz kommt. Diese eignet sich zum Beispiel für die Installation an Türmen oder Fundamenten. HBM bietet für diesen Bereich üblicherweise ein „elektrisches Toolkit“ basierend auf den Dehnungssensoren SLB und den KMR-Kraftaufnehmern. Diese Sensoren lassen sich sehr einfach an den zu überprüfenden Stellen der Windkraftanlage installieren und sind auch für den Außeneinsatz bestens geeignet.

So lassen sich die aus rostfreiem Edelstahl gefertigten Dehnungssensoren SLB noch einfacher installieren als konventionelle Dehnungsmessstreifen. SLB-700A dient  dem Monitoring von Dehnungen unter statischen oder dynamischen Belastungen.

Die KMR-Kraftmessringe messen statische und dynamische Druckkräfte und eignen sich besonders zur Überwachung von Kräften, z.B. in Fertigungsprozessen oder Schraubenverbindungen. Durch die Schutzart IP67 sind auch Messungen im Freien möglich.

Neben diesen beiden häufig in Windkraftanlagen eingesetzten Sensoren bietet HBM noch eine große Bandbreite weiterer Sensoren, wie zum ein umfangreiches Sortiment von hunderten Typen an Dehnungsmessstreifen, sowie Messverstärker und Datenrekorder mit unterschiedlichen Präzision – und Schutzeigenschaften.

Ein Baukasten-System für die passende Lösung

Das Aufsetzen einer Structural Health-Monitoring-Lösung an der gesamten Windturbine ist eine komplexe Aufgabe – aber nicht unlösbar. Insbesondere wird es einfacher, wenn wie bei HBM als Komplettanbieter von messtechnischen Lösungen über die gesamte Messkette hinweg ein ganzes Baukastensystem von unterschiedlichen Sensoren, Messverstärkern und Softwarepaketen anbietet, das optimal auf die jeweilige Messaufgabe zugeschnitten werden kann. Hier bestimmt letztendlich die Zielsetzung des Monitorings die gewählte Technologie, und nicht umgekehrt.

 Gerade im Bereich der Windkraft setzen viele Kunden auch auf die Installations-Services von Technikern von HBM, die sogar „offshore“ arbeiten können. Ergänzende Services wie z.B. das Verwiegen von ganzen Windkraftanlagen werden außerdem angeboten.

Betreiber von Windkraftanlagen profitieren mit HBM also von umfassender messtechnischer Kompetenz, plus hoher Anwendungserfahrung im Bereich der Windenergie: Immerhin waren die HBM-Sensoren schon 1976 bei der Entwicklung einer der ersten deutschen Windkraftanlagen, dem „GROWIAN“ mit dabei. Damals hätte niemand den grandiosen Siegeszug der Windkraft vorhersehen können – aber die Resultate „made by HBM“ sind weiter ein sicherer Begleiter in der technologischen Entwicklung der Branche.

PES - Power and Energy Solutions

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