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26.06.2019 | Sensortechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Intelligente Sensoren schützen Windräder vor Havarien

Autor:
Frank Urbansky
3 Min. Lesedauer

Kommen Windkraftanlangen in die Jahre, steigt die Gefahr von Havarien. Diese können jedoch mittels intelligenter Sensoren, die etwa Schraubverbindungen überprüfen, verhindert werden. 

Windenergieanlagen, die mit der Einführung des EEG vor knapp 20 Jahren gebaut wurden, haben eine erhöhte Havariegefahr, etwa durch Materialermüdung. Bei neueren Modellen wird dies nahezu ausgeschlossen. „Der Trend bei Windenergieanlagen (WEA) geht infolge des hohen Preisdrucks in Richtung größerer, intelligenterer und effizienterer Anlagen. Eine wesentliche Komponente der Anlagen sind die Rotorblätter. Mittels eingebetteter Sensoren und Aktoren können sich die Windenergieanlagen an ändernde Bedingungen optimal anpassen und dank Anlagenüberwachung unplanmäßige Stillstandszeiten vermeiden“, beschreiben die Springer-Autoren Ivo Drisga, Nikolai Glück, Tim Berend Block und Kai Ehrich auf Seite 1 ihres Zeitschriftenbeitrags "Schwingfestigkeits- und Klimawechselprüfung von Rotorblattkomponenten" den aktuellen Stand der Technik.  

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Nicht nur die Rotorblätter lassen sich automatisiert überwachen, sondern alle Komponenten. Das CiS Forschungsinstitut aus Erfurt, das der Technischen Universität Ilmenau angegliedert ist, hat neuartige, siliziumbasierte MEMS-Sensoren (für mikro-elektro-mechanisches System - Anm. d. Red.) entwickelt. Diese erlauben etwa die Überprüfung sicherheitsrelevanter Schraubverbindungen, wie sie zahlreich an Windrädern eingesetzt werden.

Problemloses Auslesen

Der Sensor wird dabei mit dem Schraubenkopf kombiniert und misst dessen Verformung, die etwa durch Vorspannkräfte, die wiederum auf die von der Schraube zusammengehaltenen Werkstücke wirken, auftreten können. Der Sensor ist einfach zu überwachen und kann problemlos ausgelesen werden. Er besteht aus vier piezoresistiven und dehnungsempfindlichen Messwiderständen. Ohne elektrische Anschlüsse misst er nur 200 x 200 μm² und ist 15 μm dünn. Der Sensor könnte damit das bisherige mechanische Messverfahren mittels Dehnmessstreifen ablösen.

Sensoren werden an Windkraftanlagen aber auch eingesetzt, um etwa Vibrationen zu messen. Liegen diese außerhalb einer bestimmten Bandbreite, ist dies ein Hinweis auf materielle Schäden oder Ermüdung der verwendeten Bauteile, die zu einer Havarie führen können.

Auch eine Überbeanspruchung der Windkraftanlage, etwa bei zu viel Wind oder zu viel Reibungswiderstand im Inneren, etwa am Getriebe, kann das dort befindliche Getriebeöl so weit erhitzen, dass es in Brand gerät. Auch hier helfen Sensoren, die Temperaturen zu überwachen und bei Überhitzung eine automatische Abschaltung der Windkraftanlange einzuleiten.

Witterungseinwirkungen überwacht

Sind Schrauben und sonstige Materialien den internen Havarie-Risiken zuzuordnen, so sind Wetterereignisse externe Ursachen. Wind, Regen und Sonne machen den Windrädern eher weniger zu schaffen, Eis hingegen etwa schon. Windkraftanlagen sind durch die Rotation dafür besonders anfällig, da die Geschwindigkeit an den Rotorblättern eine zusätzliche Abkühlung bewirkt und somit die Eisbildung befördert. Dieser so genannte Eisansatz, der zu Eiswurf, also dem Abfallen des Eises von Rotorblättern im beweglichen oder ruhenden Zustand führen kann, kann ebenfalls mittels Sensoren erfasst werden. Bei älteren Windkraftanlagen leiten sie eine Abschaltung ein. Moderne Windräder hingegen verfügen in den Rotorblättern über eine Heizung, die bei gemeldeten Eisansatz anspringen würde.

Sensoren sorgen also dafür, dass äußere und innere Ursachen für Havarien schnell entdeckt und Unfälle vermieden werden können.  „Die Korrosion fördert auch die Rissbildung, die besonders bei Stahl kritisch ist. Da ein unentdeckter Ermüdungsriss beim Rotorblatt verheerende Folgen nicht nur für die Windkraftanlage haben kann, ist eine laufende Überwachung unerlässlich“, beschreibt dies  Springer-Vieweg Autor Erich Hau in seinem Buchkapitel Rotorblätter auf Seite 303. 

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