Die LiDAR-Systeme zur Regelung der Windenergienanlagen sind bereits in aller Munde. Dank frühzeitigem Wissen über die jeweilige Windverhältnisse kann die Arbeitsweise der Turbine immer aktuell angepasst werden und somit steigt die Leistungsausbeute. Aber neben den Messgrößen über die Windfelder ist dabei auch das Rotorblatt selbst ein entscheidender Faktor. Eine umfassende Regelungsstrategie erfordert auch einen Üblick über den Zustand der der Rotorblätter.
Wissenschaftler der TU München haben daher Sensoren entwickelt, um die Belastungen von Rotorblättern exakt zu messen. Windräder könnten so auch bei großer Belastung hart am Wind bleiben und auf diese Weise ihren Ertrag auch dann steigern, wenn andere Turbinen schon längst vom Netz gegangen sind. Darüber hinaus erlauben die Sensoren selbst winzige Schäden frühzeitig zu erkennen. Mit ihrer Erfindung, die auch in weiteren Technikbereichen Perspektiven bietet, wollen die vier Forscher eine Firma gründen.
Die Glasfasern, kaum dicker als ein Haar, können exakt messen, wie und wo das Material der Rotorblätter vibriert, sich dehnt oder winzige Schäden nimmt. Damit eignet sich das System, Defekte frühzeitig zu erkennen, Wartungsintervalle zu planen und so Stillstandzeiten zu minimieren. Auch Vereisungen, Blattrisse oder Schäden durch Blitzeinschläge können registriert werden. Eine Überwachung der Schwingungsform ermöglicht eine aktive Schwingungsdämpfung. Außerdem können Schäden genau lokalisiert werden und auch eine Analyse der Schadensursache etwa bei Fertigung, Transport, Montage, Betrieb, Wartung ist möglich. Eine Erweiterung der Messtechnik auf Wälzlagerüberwachung, Generatortemperatur- oder auch Drehschwingungsmessung ist denkbar.
Worum geht es?
Die Wissenschaftler nutzen dieselben Glasfasern, wie sie auch in der Telekommunikation allgemein verwendet werden - mit einem Unterschied: In definierten Abständen sind die Glasfasern mit Lasern bearbeitet, sodass dort eine Art Spiegel entsteht, ein Faser-Bragg-Gitter. Senden die Messingenieure Infrarot-Licht durch die Faser, dann werden diese Strahlen vom Gitter reflektiert. Bei Dehnung oder Stauchung der Faser verändert sich jedoch die Wellenlänge des reflektierten Lichts. Und da jedes Gitter nur Licht einer bestimmten Wellenlänge zurückwirft und die anderen Wellenlängen ungehindert passieren lässt, können die Wissenschaftler Dehnungen und Stauchungen an vielen Stellen der Faser gleichzeitig messen.
Die größte Herausforderung war es, auch bei hohen Frequenzen von Vibrationen noch genau zu messen, erklärt Dr. Mathias Müller, einer der vier künftigen Firmengründer: „In verschiedenen Projekten haben wir die Sensortechnik weiterentwickelt. Als wir unsere Messtechnik so weit optimiert hatten, dass wir die Vibrationen messen konnten, wie sie bei einer Ariane-Rakete beim Start entstehen, war das der Durchbruch für unser dynamisches Messverfahren.“
Zusammen mit dem Physiker Thorbjörn Buck hat er insgesamt zweieinhalb Jahre an der Technologie gearbeitet. Zur Firmengründung stießen noch der Informatiker Rolf Wojtech und der Wirtschaftsingenieur Dr. Lars Hoffmann dazu.
Hoffmann sieht neben den Windrädern noch weitere Anwendungsgebiete für den neuen Sensor, etwa bei Flugzeugen oder Autos, die - wie die Windradrotoren - ebenfalls aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt werden. Der Wirtschaftsingenieur erläutert: „Die modernen Metallverarbeitung kann auf eine 200-jährige Erfahrung zurückblicken. Faserverstärkte Kunststoffe dagegen werden erst seit 20 Jahren in größerem Umfang verwandt. Unsere Messtechnik wird dazu beitragen, das Anwendungspotenzial dieser neuen Materialien beträchtlich zu erweitern." Auch im Bauwesen gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. So könnte die Überwachung von Hallendächern für eine erhöhte Sicherheit, etwa bei Schneelasten, sorgen.
Besondere Vorteile bietet die Messtechnik dort, wo starke elektromagnetische Felder eine konventionelle Messtechnik stören könnten, z. B. in der Nähe von Elektromotoren oder Generatoren oder auch Funkantennen. Auch chemisch aggressive Umgebungen können den chemisch inerten Sensoren nichts anhaben. (jw/pi)
