Entwicklung und Validierung eines drahtlosen Sensorsystems zur Erfassung der Rotorkinematik von Windenergieanlagen mit Inertialsensoren

Abstract

In den kommenden Jahrzehnten wird der Ausbau von Windenergieanlagen an Land sowie in sogenannten Offshore-Windparks eine zentrale Rolle bei der Realisierung der globalen Klimaschutzziele spielen. Dafür müssen eine hohe Auslastung und Verfügbarkeit der Windenergieanlagen über die gesamte Lebensdauer gegeben sein. Über das sogenannte Condition-Monitoring können die einzelnen Komponenten der Anlage mit Sensoren überwacht und gegebenenfalls prädiktive Wartungsmaßnahmen vorgenommen werden. Der Einsatz drahtgebundener Sensorsysteme im Rotorblatt von Windenergieanlagen ist aufgrund der elektrostatischen Aufladung des Rotorblattes während des Betriebs nur bedingt möglich. In der vorliegenden Arbeit wird daher der Einsatz drahtloser Sensorknoten zur Erfassung der Rotorkinematik mit Inertialsensoren untersucht. Dazu wird zunächst das kinematische Modell einer Windenergieanlage eingeführt, um die resultierende Beschleunigung und Drehrate auf dem Rotorblatt während des Betriebs der Anlage abzuschätzen. Aus dieser Modellbetrachtung wird der erforderliche Messbereich der Sensorik abgeleitet und ein drahtloser Sensorknoten auf Basis eines System-on-Chip-Mikrocontrollers mit integriertem Radio-Transceiver aufgebaut. In einem weiteren Schritt werden mit den aus dem Modell simulierten Sensordaten Algorithmen entwickelt, mit denen die Bewegung des Rotors sowie des Rotorblattes bestimmt werden können. Neben der Position und Drehzahl des Rotors ist es mithilfe der Algorithmen möglich, die Blattverstellung sowie die Auslenkung des Rotorblattes in Schlag- und Schwenkrichtung zu detektieren. Die abschließende Evaluierung des Sensorsystems wird auf einer Windenergieanlage mit einem Rotordurchmesser von 104 m durchgeführt. Insgesamt werden drei Sensorknoten in der Nabe, der Rotorblattwurzel und mittig im Rotorblatt positioniert. Es kann gezeigt werden, dass die Sensordaten aus dem Rotorblatt mit einer äußerst niedrigen Fehlerrate direkt in die Gondel der Windenergieanlage übertragen werden können. Die zuvor entwickelten Algorithmen werden auf die Sensorpositionen und den Anlagentyp angepasst und damit die Drehrate und Position des Rotors mithilfe des Sensors in der Nabe der Windenergieanlage ermittelt. Mit den Sensordaten aus der Blattwurzel kann die Blattwinkelverstellung während des Hochfahrens der Windenergieanlage eruiert werden. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass es mit den Sensordaten aus der Rotorblattmitte auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten möglich ist, die Auslenkung des Rotorblattes in Schlag- und Schwenkrichtung zu detektieren.