Messsystem zur Betriebszustandsanalyse von Windkraftanlagen

Third party funded individual grant


Project Details

Project leader:
PD Dr. Alexander Kölpin


Contributing FAU Organisations:
Lehrstuhl für Technische Elektronik

Funding source: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie (StMWIVT) (ab 10/2013)
Acronym: Wind-6P
Start date: 01/09/2014
End date: 30/11/2017


Short description (intelligible to all):


Unkontrollierbare Schwingungen auf den bis zu 75 m langen Rotorblättern von großen Windenergieanlagen können die Betriebssicherheit der Anlage gefährden. Zurzeit gibt es nur wenige Sensorsysteme die diese Schwingungen erfassen können, welche alle die adressierte Problemstellung nur teilweise lösen. Das System soll direkt auf der Windkraftanlage installiert werden. Im Rahmen des Projekts soll ein radarbasiertes Vibrometer entwickelt werden, welches die Moden der mechanischen Schwingungen der Flügel kontaktlos und aus der Distanz erfasst. Hierfür soll aufgrund der niedrigen Schwingfrequenzen im Sub-Hertz-Bereich ein neuer Weg der Modenrekonstruktion aus der Zeitbereichsanalyse von mikrometergenauen und hochratigen Abstandsmessungen beschritten werden. Die Sechstortechnik bietet hierfür einen vielversprechenden Ansatz. Als Betriebsfrequenz für dieses mikrowellentechnische Radarsystem wird 24 GHz gewählt, da hier ein guter Kompromiss aus Reichweite bzw. atmosphärischer Dämpfung und Messgenauigkeit erreicht werden kann. Aus den über die Messzeit aufgetragenen hochgenauen Positionsdaten gilt es die Moden der Schwingungen zu ermitteln. Hierbei muss an mehreren möglichst punktförmigen Messtellen des Rotorblatts während dessen Vorbeiflug an den statisch am Turm oder auf der Gondel montierten Radarsensoren die Blatteigenbewegung möglichst exakt aufgezeichnet und aus mehreren aufeinanderfolgenden Vorbeiflügen die Schwingungsverteilung berechnet werden (orangene Module in der Grafik). Zum Tracken der Modenanteile soll das System durch flächige Messungen ergänzt werden (gelbe Module), die als Kontrolle der Blattbewegungen Bewegungsdaten generieren während die hochfokussierenden Systeme das jeweilige Blatt nicht erfassen können. Für die hohe Fokussierung werden sehr große Brechungsindizes der geplanten quasioptischen und Linsen-Antennen benötigt. Dies lässt sich mit herkömmlichen Materialien nicht realisieren. Aus diesem Grund werden neue, dielektrisch gefüllte Kunststoffkomposite entwickelt und über Spritzgießen als dielektrische Antennen strukturiert. Je nach benötigtem Fokussierungsgrad bieten sich unterschiedliche Geometrien an (Linse; Dielectric-Rod; Quasioptische, direktgespeiste elliptische Struktur)



 



Die wissenschaftlichen Ziele des Projekts, die gleichzeitig auch eng mit dessen Risiken verknüpft sind, sind in folgenden Fragen zu sehen:




  • Kann der Radar-Strahl mit Hilfe der zu entwerfenden dreidimensionalen keramisch gefüllten Kunststoffstrukturen so stark fokussiert werden, dass punktförmige Messstellen in mehreren Metern Entfernung erreicht werden können? Angedacht sind für flächige Erfassung im mittleren Entfernungsbereich bis 10 Meter Linsensysteme. Für hochfokussierende Messungen bei mittleren Distanzen bis 40 Meter direkt-gespeiste quasioptische elliptische Geometrien und für weite Distanzen bis 80 Meter Dielectric-Rod-Strukturen mit sehr hoher Fokussierung.


  • Lässt sich der Füllgrad des keramischen Pulvers in der fokussierenden Kunststoffstruktur so stark erhöhen, dass die Gesamtstruktur für Frequenzen von 24 GHz als elektrisch homogen anzusehen ist und relevante relative dielektrische Werte aufweist, ohne die mechanischen Eigenschaften nennenswert zu verschlechtern? Hierfür sind sowohl geeignete Materialien zu finden, als auch deren Verarbeitbarkeit zu untersuchen.


  • Kann mit kommerziell verfügbaren Komponenten ein 24-GHz-Sechstor-Vibrometer aufgebaut werden, das selbstständig durch schaltungstechnische Komponenten Umgebungseinflüsse wie Schmutz-, Feuchtigkeit-, Eis- und Salzanhaftungen auf der Linse, sowie Temperatureinflüsse auf das Gesamtsystem erkennt und kompensiert, ohne dass ein Benutzer Einfluss nehmen muss? Hierfür sind spezielle hochfrequenztechnische Kalibrationsstrukturen und Referenzstrecken zu finden und zu bewerten.


  • Ist es möglich aus zeitlich begrenzten aber periodischen Messungen den kontinuierlichen Verlauf des Abstands über die Zeit zu rekonstruieren, wobei zusätzlich über eine flächige Detektion Informationen zum groben Tracken des Status‘ gewonnen werden?


  • Können mit Hilfe von neuen zeitbereichsbasierten Analyse-Ansätzen die dynamischen Vorgänge bei der Schwingungsentstehung direkt aus dem Zeitbereichssignal extrahiert werden, ohne dass eine Fourier-Transformation mit für niedrige Frequenzen großen Längen und der Voraussetzung statischer Signalverläufe angewandt werden muss?


  • Kann der Dynamikbereich des Sechstor-Empfängers so modifiziert werden, dass in allen Betriebszuständen und in allen Entfernungen die Überwachung gewährleistet ist?



External Partners

InnoSenT GmbH
RF-Plast
AREVA GmbH

Last updated on 2018-22-11 at 18:02