Thermografische Detektion und Lokalisierung von Strömungsablösung an Windenergieanlagen

Abstract

Strömungsablösungen an Rotorblättern von Windenergieanlagen (WEA) führen zu einer Minderung des aerodynamischen Wirkungsgrads, der gesellschaftlichen Akzeptanz sowie der Lebensdauer der Anlagen und sollten deshalb bei zukünftigen Generationen von WEA vermieden werden. Allerdings fehlt eine in-prozess-fähige Messtechnik zur Detektion und Lokalisierung von Strömungsablösungen an realen WEA. Infrarot-Thermografie (IRT) ist für indirekte Strömungsmessungen an WEA grundsätzlich geeignet, wurde zur Detektion von Strömungsablösungen bisher jedoch nur in Windkanaluntersuchungen eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist, die Messfähigkeiten eines auf IRT basierenden Messsystems zur nicht-invasiven Detektion und räumlich hochaufgelösten Lokalisierung von stationären und instationären Strömungsablösungen zu charakterisieren und für die In-Prozess-Messung an nicht-skalierten WEA anzuwenden. Um IRT zu einer eindeutigen Detektion und Lokalisierung von Strömungsablösungen zu befähigen, wurde die Messkette analysiert und geeignete Signalverarbeitungsansätze abgeleitet. Diese fußen auf der Auswertung spatio-temporaler Fluktuationen der Oberflächentemperatur. Die resultierenden physikalisch interpretierbaren Signalverarbeitungsansätze (UIC, DIT) wurden jeweils mit einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) kombiniert, um einen maximalen Bildkontrast zwischen Bereichen mit angelegter und abgelöster Strömung zu erreichen. In Windkanaluntersuchen wurde die Eignung des UIC-Ansatzes für eine eindeutige Erfassung stationärer Strömungsablösungen anhand charakteristischer Ablösesignaturen nachgewiesen. Bei der anschließenden Übertragung auf Feldmessungen ermöglichen die im Windkanal verifizierten thermischen Ablösesignaturen eine merkmalsbasierte Detektion und Lokalisierung stationärer Strömungsablösung über den gesamten Bildbereich. Die Messergebnisse wurden mit einer Referenzmessung validiert. Im Ergebnis wurde somit erstmalig eine in-prozess-fähige, nichtinvasive und eindeutige Detektion und Lokalisierung stationärer Strömungsablösung im Blattwurzelbereich einer nicht-skalierten WEA mittels IRT realisiert. Mit der PCA-basierten Auswertung wurde für die gewählte Messzeit von 305 s über 80 Umdrehungen des Rotors ein Kontrast- Rausch-Verhältnis zwischen angelegt-abgelösten Strömungsbereichen von 4 erreicht. Das zeitliche Auflösungsvermögen von IRT hinsichtlich sich ändernder Transitionspositionen und instationären Strömungsablösungen wurde mit einer numerischen Simulation in Abhängigkeit der Messbedingungen abgeschätzt. Dabei wurde gezeigt, dass die Trägheit des thermischen Antwortverhaltens die spatio-temporalen Auflösungsgrenzen bei der Erfassung instationärer Strömungsablösungen limitiert. Bei Freifeldmessungen mit Messbedingungen mit geringer solarer Erwärmung wurden mit dem eingeführten, kombinierten Bildauswertungsansatz die Detektion einer instationärer Strömungsablösung während des Auftretens einer starken Böe mit der messsystemseitig maximalen spatio-temporalen Auflösung erreicht. Bei einer Wiederholungsmessung wurden die Ergebnisse reproduziert, die abgelösten Strömungsbereiche bei einer zeitlichen Auflösung von 5 s mit einem Kontrast-Rausch-Verhältnis von 1,2 detektiert und die Ablöseposition mit einer Messunsicherheit von 6,5 px lokalisiert, was 5,9 % der Sehnenlänge entspricht. Insgesamt wurde somit die Eignung von IRT für die Erfassung stationärer und instationärer Strömungsablösungen analysiert und an in Betrieb befindlichen WEA nachgewiesen.