01.03.2011 | Windkraftanlagen (WKA) besitzen spätestens seit der letzten Novellierung des EEG 2009 ein enormes Marktpotenzial, da bei der Neuauflage die Steigerung der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien auf 25% bis 30% beschlossen wurde. Die relativ junge Technologie moderner Anlagen bietet dabei noch viel Optimierungspotenzial. Der Einsatz moderner Prüfmethodiken sorgt für hohe Qualität und sicheren Betrieb. Wegsensoren werden deshalb immer mehr bei der Entwicklung, Produktion und dem Betrieb von WKA herangezogen.
Sensorik zur
Steuerung von WKA ist sehr bedeutend, da die Bewegung der Gondel und der
Rotoren automatisch erfolgt und deshalb erfasst werden muss. Bereits bei
Anlagen auf dem Land bergen Reparaturen und Wartungsarbeiten ein hohes
Gefahrenpotenzial. Bei Offshore-Anlagen ist das hohe Gefahrenpotenzial
zusätzlich mit enormen technischen Aufwand verbunden, da spezielle Schiffe für
aufwendige Arbeiten lange Wartezeiten haben. Moderne Sensorik hilft Reparaturen
zu vermeiden und Wartungszyklen zu optimieren. Dies beginnt bereits bei der
Konstruktion der Bauteile.
Rotoren
unter Belastung
Bei der Entwicklung
neuer Geometrien und Fertigungstechniken für Rotoren wird immer mehr auf
sorgfältige Prüfungsmethoden gesetzt. Für Belastungstests an Rotorblätter für
WKA werden deshalb inzwischen eigene Prüfstände entwickelt, mit denen reale
Belastungen durch Wind und Wetter simuliert werden können. Wichtig ist dabei,
dass der kostspielige Rotor nicht zerstört wird. Übliche Rotoren haben derzeit
Längen zwischen 40 m und 60 m und werden in Halbschalen-Sandwichbauweise aus
glasfaserverstärkten Kunststoff gefertigt. Das Fraunhofer Institut IWES,
Bremerhaven hat einen Prüfstand entwickelt, mit dem Rotorblätter bis 70 m Länge
geprüft werden können. Durch mechanische Belastung kann die Spitze des
Rotorblattes um bis zu 10 m verzogen werden. Das Rotorblatt wird dafür in
horizontaler Lage an den Prüfstand montiert. Stahlseile werden über
Umlenkrollen zum Rotor geführt und an verschiedenen Positionen entweder direkt
oder über mechanische Klemmen am Rotorblatt befestigt. Zur Messung der
Verformung werden am Prüfstand zwölf Seilzugsensoren verwendet. Je Zugpunkt
messen zwei Sensoren die Auslenkung und Verwindung des Rotorblattes. Die
Sensoren sind dafür auf Schienen am Boden montiert; das Messseil wird in
vorgefertigte Ösen an den Klemmen eingehängt. Das einfache Handling und die
robuste Konstruktionsweise der Sensoren überzeugten. Die Seilzugsensoren
arbeiten in dieser Anwendung mit Messbereichen zwischen 3 m und 10 m. Das
ausgegebene Digitalsignal wird direkt für weitere Simulationen herangezogen.
Kontrollierte Schweißnaht
Der Turm einer WKA
wird meist als das unscheinbarste Bauteil erachtet. Dabei ist der Turm mit
Höhen von 130 m und einem Gewicht von mehreren hundert Tonnen das größte und
schwerste Bauteil einer WKA. Die unscheinbare aber äußerst wichtige Aufgabe,
die Gondel zu tragen und allen Witterungseinflüssen standzuhalten erfordert ein
hohes Maß an Qualität und Zuverlässigkeit. Eine sehr häufige Form sind
Stahlrohrtürme, die aus meistens zwei bis fünf Segmenten mit je 20 m bis 30 m
Länge bestehen. Ein Segment eines Turms wird aus 20 mm bis 40 mm starkem
Stahlblech gerollt und anschließend verschweißt. Die einzelnen Segmente werden
miteinander verschraubt oder auch geschweißt, wobei für die geschraubte
Variante ein Flansch an das Segment geschweißt werden muss. Jede Schweißnaht
muss dabei zwingend die hohen Belastungen des Turmes im fertigen Zustand
widerstehen. Eine Qualitätsprüfung der Schweißnähte ist deshalb aus
Sicherheitsgründen ein notwendiger Schritt.
Für die
automatische und präzise Kontrolle von Schweißnähten werden bereits in vielen anderen
Branchen Laserscanner von Micro-Epsilon verwendet. Einen passenden Vergleich
bietet die Schweißnahtkontrolle von Pipelines. Auch hier müssen die
Schweißnähte hohen Qualitätsanforderungen genügen.
Ein
Laser projiziert einen Punkt oder eine Linie auf ein Objekt. Das dort diffus
reflektierte Licht wird über die lichtempfindliche Empfangseinheit (CMOS)
aufgenommen. Entfernt sich das Objekt, ändert sich auch der Lichteinfallswinkel
und damit die beleuchtete Stelle auf dem Empfangselement.
Bei
einer Messung wird das diffus gestreute Licht der Linie von einem
hochempfindlichen CMOS-Chip detektiert, welcher ein präzises Abbild des
Oberflächenprofils erzeugt. Jede Veränderung des Profils verändert die
abgebildete Linie und resultiert damit in einem geänderten Abbild auf dem Chip.
Jede Linie kann als Aneinanderreihung von Punkten gesehen werden.
Wird
der Scanner über die Schweißnaht traversiert, entsteht durch aneinanderlegen
der einzelnen Linienprofile ein 3D-Abbild des Objekts. Dabei wird auch von der sog.
Punktewolke gesprochen, weil sich das Bild aus tausenden einzelner Messpunkte
zusammensetzt.
Für WKA kann mit
dieser Methodik eine einwandfreie Schweißnaht sichergestellt werden.
Weitere mögliche Anwendungen
Nach einigen Jahren
im Einsatz werden Bauteile nach der Demontage auf Verschleiß geprüft. Dabei
werden ebenfalls Profilscanner scanCONTROL verwendet, um vom Zahnrad ein
3D-Abbild zu erzeugen.
Für Tests der
Steifigkeit von Zahnrädern für die Pitch-Steuerung werden mehrere
Laser-Triangulationssensoren verwendet, die bei Belastung eine Bewegung des
Zahnrades feststellen. Sie messen mit einem Laserpunkt den Abstand zum Zahnrad,
jegliche Bewegung wird dabei registriert.
Viele weitere
Anwendungen mit Wegsensoren sind für WKA denkbar. Insbesondere in der
Qualitätssicherung von Bauteilen ist noch enormes Potenzial zu erwarten.
