Innovative Ansätze für das Monitoring von Rotorblättern

Aufwändige Inspektion von hoch belasteten Bauteilen

Rotorblätter von Windenergieanlagen gehören zu den am stärksten belasteten technischen Bauteilen überhaupt [1]. Schäden an Rotorblättern sind daher nicht ungewöhnlich und werden durch regelmäßige manuelle Inspektionen oder Inspektionen mittels Drohnen erfasst. Auf Grundlage dieser Kontrollen werden bedarfsgerechte Reparaturen durchgeführt.

Die manuelle Inspektion von vielen tausend Windrädern (aktuell etwa 29 000 in Deutschland [2]) ist sehr aufwändig. Die eingesetzten Ressourcen könnten durch den Einsatz einer automatisierten Zustandsüberwachung deutlich gesenkt werden.

Bisher ist eine automatische Detektion von Schäden an Rotorblättern jedoch kein technischer Standard. Daher ist es äußerst erstrebenswert die bestehenden Technologieansätze zum Monitoring weiter zu entwickeln. Dadurch könnte der Aufwand für manuelle Inspektionen und Reparaturen verringert und Totalausfälle vermieden werden. Dies würde die Stromgestehungskosten senken und die CO₂ -Emissionen während der Nutzungszeit einer Windenergieanlage senken.

Herausforderungen für das Monitoring

Die Überwachung der Rotorblätter von Windenergieanlagen birgt gleich mehrere Herausforderungen. Zum einen ist die Energieversorgung und die Datenübertragung von Sensoren, welche sich mit dem Rotor mitdrehen nicht trivial. Ein einfaches Kabel zwischen feststehender Gondel und rotierenden Blatt würde durch die Drehung sofort zerstört. Außerdem ist es sehr anspruchsvoll, die extrem langen und unregelmäßig geformten Blätter nicht nur in einem kleinen Bereich, sondern möglichst großflächig zu überwachen.

Das neue Sensorsystem

Vor diesem Hintergrund hat cp.max gemeinsam mit einer interdisziplinären Forschungsgruppe [3] ein neuartiges Monitoring-System für Rotorblätter entwickelt und getestet. Im Kern besteht dieses System aus einem einzelnen Radarsensor, welcher einen großen Teil aller 3 Rotorblätter prüfen kann.

Der Sensor kann leicht an- und abgebaut werden, da er am Turm der Windenergieanlage installiert ist [Abbildung 1]. Es müssen also keine Komponenten am/im drehenden Rotor befestigt werden. Die Stahlrohrtürme der 3 Testanlagen wurden nicht beschädigt, da die Radarsensoren mit starken Magneten an den Turmwänden fixiert wurden. Lediglich eine wenige Millimeter große Bohrung durch die Turmwand war nötig, um den Sensor mit Strom zu versorgen und die Daten zu übertragen.

Die Installation des Sensors am Turm bietet also für diesen Anwendungsfall folgende entscheidende Vorteile:

• Es muss lediglich ein Sensor zur Überwachung aller 3 Rotorblätter installiert werden.
• Mittels Seilzugangstechnik ist der Sensor am Turm gut erreichbar.
• Es ist lediglich eine kleine Bohrung durch den Turm nötig. Der Sensor haftet mit Magneten an der Stahlwand.
• Es müssen keine Komponenten am drehenden Rotor installiert und per Kabel angebunden werden.

(In diesem Forschungsprojekt wurde der Radarsensor zur Vereinfachung in Hauptwindrichtung fest am Turm installiert. Der Sensor konnte also nicht dem Rotor folgen, wenn der Wind aus anderen Richtungen wehte.)

Identifikation der Rotorblätter

Eine Voraussetzung um den Zustand der Rotorblätter prüfen zu können, ist natürlich die Zuordnung der Messwerte zum richtigen Blatt. Es muss also bekannt sein, ob sich ein erkannter Schaden am Blatt 1, 2 oder 3 befindet.

Gelöst wurde diese Aufgabenstellung zunächst durch das Anbringen von Symbolen an der Blattoberfläche [Abbildung 1]. Diese Markierungen konnten vom Sensorsystem zuverlässig erfasst und mittels eines neuronalen Netzwerks erkannt werden. Sie dienten zur Zuordnung der Messwerte zum jeweiligen Rotorblatt. Im späteren Verlauf des Projektes konnten die Blätter auch allein anhand der individuellen Messwerte, sozusagen dem Radar-Fingerabdruck der Blätter, unterschieden werden [Abbildung 2].

Bis zu diesem Punkt konnten die Projektziele komplett erreicht werden. Der Radarsensor war also am Turm einer Windenergieanlage installiert und konnte selbstständig Radargramme der vorbeiziehenden Rotorblätter aufnehmen und sie dem jeweiligen Blatt zuordnen. Die Daten wurden anschließend über das Internet übertragen.  

Probleme beim Erkennen von Schäden

Das neuronale Netzwerk zur Verarbeitung der Messwerte konnte die drei Rotorblätter an sich unterscheiden. Während des Projektes war es jedoch nicht möglich Veränderungen in der Struktur der Rotorblätter festzustellen. Dies muss jedoch nicht auf einen Mangel des Messsystems hinweisen, da bei einer zusätzlich durchgeführten manuellen Inspektion ebenfalls keine Schäden an den Blättern gefunden wurden.

Zum Test des Messsystems wurde daher eine etwa 1 m² große Absorberfolie auf ein Rotorblatt geklebt. Nach einem kurzen Test im Labormaßstab wurde davon ausgegangen, dass diese Änderung der Blattoberfläche durch das neuronale Netzwerk deutlich erkannt wird.

Leider gelang dies im Feldversuch nicht. Eine mögliche Ursache könnten ungünstig gewählte Eigenschaften der Absorberfolie oder Umgebungsparameter sein.

Fazit

Obwohl nicht alle Projektziele erreicht wurden, konnten zahlreiche Erfahrungen für das Radarbasierte Monitoring von Rotorblättern gesammelt werden. Die Überwachung des Rotors mittels am Turm angebrachter Sensoren erscheint vielversprechende und kostengünstig.

Das Erkennen von Schäden an Rotorblättern sollte im Feld weiter untersucht werden. Da die Funktionalität im Labor bereits nachgewiesen wurde [4], geht cp.max auch von guten Erfolgschancen im Windpark aus.

_{Mehr Informationen [5].}

_{Messdaten des Projekts zur weiteren Forschung [6].}

[1] Hau, Erich: Windkraftanlagen; 4. Auflage; Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg; 2008

[2] https://www.windindustrie-in-deutschland.de/publikationen/aktuell/windenergieanlagen-in-deutschland-2024-uebersichtskarte

[3] Goethe University Frankfurt, University Siegen, IMST GmbH, BOREAS Energie GmbH, cp.max Rotortechnik GmbH & Co. KG

[4] Arnold, P., Moll, J., Mälzer, M., Krozer, V., Pozdniakov, D., Salman, R., ... & Nuber, A. (2018). Radar?based structural health monitoring of wind turbine blades: The case of damage localization. Wind Energy, 21(8), 676-680.

[5] Sercan ALIPEK, Moritz MAELZER, Sebastian BECK, Christian KEXEL, Jochen MOLL, Viktor KROZER, Jürgen KASSNER, Thomas HEINECKE, Jonas ROSE (2024). Potential and Limitations of Anomaly Detection via Tower-Radar Monitoring of Wind Turbine Blades in Regular Operation, EWSHM 2024

https://www.ndt.net/article/ewshm2024/papers/266_manuscript.pdf

[6] https://ewshm2024.com/frontend/index.php?page_id=385

Bilder:

[7] https://www.researchgate.net/publication/376535200_RADAR-BASED_STRUCTURAL_MONITORING_OF_WIND_TURBINES_BLADES_FIELD_RESULTS_FROM_TWO_OPERATIONAL_WIND_