Komplettlösung Lastmessung und Schadenserkennung an Rotorblättern

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Rotorblätter moderner Windenergieanlagen können über 70 m lang und mehr als 15 t schwer sein. Damit sind sie extremen dynamischen Belastungen ausgesetzt, die im schlimmsten Fall zu einer Beschädigung des Blattes führen. Um diese möglichst frühzeitig zu erkennen, setzt das chinesische Unternehmen CRRC Shandong Wind Power auf ein System zur Lastmessung an Rotorblättern von Bachmann.

Schäden an Rotorblättern einer Windenergieanlage sind kritisch. Im fortgeschrittenen Zustand können sie zur Zerstörung des Blattes oder gar der Windenergieanlage als Ganzes führen. Damit ist nicht nur eine große Gefährdung verbunden, auch die Reparatur wird aufwendig und kostenintensiv, die Anlage steht eine geraume Zeit und ihre Erträge fallen aus.

Das Bewahren der strukturellen Integrität der Rotorblätter ist von entscheidender Bedeutung nicht nur zum Erhalt der Anlagensicherheit, es dient auch der Maximierung des Energieertrags: Schäden an Rotorblättern können deren aerodynamische Effizienz beeinträchtigen und somit die Stromproduktion verringern. "Mit einer permanenten Strukturüberwachung erkennt man zum frühestmöglichen Zeitpunkt bereits kleinere Schäden, kann diese reparieren und so teure Instandsetzungen oder den Austausch ganzer Rotorblätter vermeiden", erläutert Yanhao Xu, Geschäftsführer von Bachmann electronic Technical Services, Shanghai.

Präzise Lasterfassung mit Cantilever-Sensoren

CRRC Shandong Wind Power, Hersteller großer Windenergieanlagen mit Sitz in China, hat sich deshalb dazu entschieden, die an den Rotorblättern wirkenden Kräfte mit einem Bachmann-System in Echtzeit zu erfassen und gegebenenfalls zu reduzieren. Ausschlaggebend für die Entscheidung zugunsten Bachmanns waren die Cantilever-Sensoren „CLS300“. Deren Langzeitstabilität, die einfache Installation sowie die unproblematische Inbetriebnahme im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten faseroptischen Sensoren überzeugten die Ingenieure des chinesischen Windenergiespezialisten.

Komplettsystem zur Messung an Rotorblättern

"Wir liefern CRRC Shandong Wind Power eine Komplettlösung zur Messung der Blattbelastung. Diese beinhaltet die Installation und Verkabelung der CLS300-Sensoren einschließlich des Schaltschranks sowie die Filterung und Kalibrierung der Signale und die Berechnung der Blattlasten", beschreibt Yanhao Xu das Bachmann-Paket. Je zwei CLS300-Sensoren werden in Nabennähe der drei Rotorblätter installiert und über Kabel mit dem Steuerschrank in der Nabe verbunden. Der Cantilever-Sensor misst die Belastungen an Rotorblättern und liefert so Daten für das Structural Health Monitoring (SHM). Für SHM-Projekte ermöglicht der CLS eine optimierte Lebenszeitverlängerung (LTE), indem er die Lasterfassung übernimmt. Optional ist er ist mit automatischer Sensorsignalkalibrierung erhältlich.

Langzeitstabiles Messsystem

Cantilever-Sensoren messen die Dehnung von Bauteilen und erzeugen ein Ausgangssignal, das mit dem elektrischer Dehnungsmessstreifen vergleichbar ist. Die Sensoreinheit, bestehend aus einem einseitig eingespannten Kragarm (Cantilever) und einem gegenüberliegenden Näherungssensor, ermöglicht die Überführung einer Dehnungsmessung in eine einfache Abstandsmessung.

Aufgrund des Prinzips der induktiven Wegmessung unterliegt der CLS selbst keiner mechanischen Verformung. Das bedeutet, er ist im Gegensatz zu den klassischen Dehnungsmessstreifen außerordentlich langzeitstabil. Außerdem misst der CLS über eine deutlich größere Messstrecke als ein Dehnungsmesstreifen. Lokale Materialinhomogenitäten am Messort beeinflussen die Messung somit weniger.

Im Schaltschrank in der Nähe der Nabe der Windanlage werden die Signale an einem "GIO212"-Modul der Bachmann "M200"-Steuerung mit "MX207"-Prozessor aufgelegt. Die Blattlastwerte werden über einen CANopen-Feldbus von den Sensoren an das Hauptsteuerungssystem der Windenergieanlage übertragen und dort in Echtzeit mit den Entwurfswerten des Herstellers verglichen. Überschreiten die berechneten Werte einen Grenzwert, wird über die Stellung der Rotorblätter zum Wind (Pitch) die Blattlast reduziert.

Ein wichtiges Argument für die Auswahl der CLS300-Sensoren waren die erkennbar geringeren Folgekosten, denn im Gegensatz zu optischen Sensoren können sie im Wartungsfall zerstörungsfrei ausgewechselt werden. Es ist jedoch sehr unwahrscheinlich, dass die Sensoren jemals ausgetauscht werden müssen: "Der Sensor ist gekapselt, liegt nicht im Kraftfluss und unterliegt damit keiner Alterung", betont Yanhao Xu.

Wirtschaftlichkeit im Fokus

Für CRRC Shandong Wind Power ist entscheidend, dass das System zu einer längeren Lebensdauer bei geringeren Wartungskosten der Anlagen und damit zur Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit der Windenergie beiträgt. Außerdem gelingt es auf diese Art, die mit zunehmender Anlagengröße immer strengeren regulatorischen Anforderungen in Bezug auf die Anlagensicherheit einzuhalten.