Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Distante Vibrationsmessung von Windenergieanlagen im Betrieb

Windrad-Tracking

Ausgangsituation

Wesentliche Kosten beim Betrieb von Windenergieanlagen (WEA) entstehen durch Wartung und Instandhaltung. Standzeiten durch solche Arbeiten müssen minimiert, Ausfälle durch nicht rechtzeitig erkannte Schäden aber ebenso vermieden werden. Wesentlich zur Belastung und Materialermüdung tragen die unvermeidbaren Schwingungen der Anlagen bei. Gleichzeitig geben Veränderungen in den Vibrationseigenschaften Hinweise auf möglicherweise verdeckte Schäden. „Condition Monitoring“ Systeme erfassen daher im Alltagsbetrieb neben anderen Werten auch Vibrationsdaten mittels Sensoren am Antriebsstrang und zunehmend auch in Turm und Rotorblättern. Besonders in den Blättern können nur an ausgewählten, festen Positionen Sensoren bei der Produktion verbaut und bei Ausfall im späteren Betrieb praktisch nicht ersetzt werden.

 

Projektidee und Anforderungen

Das Fraunhofer IOSB entwickelt ein Messsystem, mit dem die Schwingungen einer Windenergieanlage aus einer Entfernung von 200 m bis 300 m mit hoher räumlicher Auflösung erfasst werden können. Das besondere Augenmerk des Projektes liegt dabei auf der Vermessung der Vibrationen der sich drehenden Rotorblätter im laufenden Betrieb.

Die Basis der eigentlichen Messung bildet die Laservibrometrie: Ein Laserstrahl wird auf den zu vermessenden Punkt gerichtet. Bewegt sich die beleuchtete Oberfläche parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lasers, erfährt das zurückgestreute Licht durch den Dopplereffekt eine Frequenzverschiebung. Deren Wert kann durch Vergleich mit dem ausgesandten Laserlicht gemessen werden. Vibrationen der Oberfläche schlagen sich in einer zeitlichen Modulation der Frequenzverschiebung nieder. Um mit dieser Technik ein Rotorblatt einer WEA im Betrieb zu vermessen, muss der Laserfleck jeweils für einige Sekunden der Drehbewegung der gewünschten Position nachgeführt und dort auf wenige Zentimeter genau stabilisiert werden. Dafür ist das Vibrometer auf einen Schwenk-Neige-Kopf (SNK) montiert, eine um Horizontal- und Vertikalachse mit hoher Winkelpräzision drehbare Trägerplattform.

 

 

Die Herausforderungen im Projekt bestehen in der Entwicklung einerseits eines Vibrometers, das zur Vermessung eines bewegten Objektes geeignet ist, und andererseits eines Trackingverfahrens für die Erfassung der Rotorbewegung und Ansteuerung des SNK.

 

Tracking

Das Trackingsystem basiert auf einer stationären Kamera, die den Rotor formatfüllend erfasst. Als erster Schritt muss im Bild dieser Kamera das Windrad vom Hintergrund getrennt werden. Diese Segmentierung ist im visuellen Spektralbereich aufgrund der zeitlich und örtlich sehr starken Kontraständerungen problematisch. Daher kommt eine Infrarotkamera zum Einsatz. Im zweiten Schritt werden die Flügelspitzen detektiert und daraus die Bewegung des Windrads im Raum ermittelt. Die gesamte Bildverarbeitung muss in Echtzeit ablaufen. Aufgrund der unvermeidbaren Latenzzeiten der Datenverarbeitung und des Regelungssystems für die SNK-Steuerung, muss die Flügelposition für ein kleines Zeitintervall in die Zukunft vorausgesagt werden. Dazu wird anhand der detektierten Rotorblattbewegungen im Rechner ein dynamisches 3D-Modell des Windrads aufgebaut, das kontinuierlich aktualisiert wird. Die Projektion des 3D-Modells auf die Detektorebene ergibt die benötigten Azimut- und Elevationswinkel zur Ansteuerung des SNK. Zusätzlich wird im Kamerabild der Laserfleck des Vibrometers detektiert und seine Ist-Position mit der gewünschten Soll-Position verglichen. Die Abweichung fließt als Korrektur in die Regelung des SNK ein und kompensiert u.a. leichte Verzerrungen durch die Kameraoptik, Parallaxenfehler und schwer auszugleichende Trägheits- und Drehmomente des Aufbaus.

 

 

Die Gruppe „Tracker und Trackerbewertung“ der Abteilung OBJ steuert die Bildverarbeitungsmethoden bei. Die Gruppe „Heterogene Hardwarestrukturen“ entwickelt daraus die Echtzeitsteuerung des Schwenk-Neige-Kopfes.

 

Vibrometrie

Kommerzielle Laservibrometer besitzen zugunsten der Augensicherheit keine ausreichende Laserleistung für die hier notwendige Messdistanz. Zudem können mit solchen Vibrometern keine drehenden Rotorblätter abgescannt werden. Die Bewegung der Blätter würde zu einer zusätzlichen makroskopischen Dopplerverschiebung führen, die das Signal der Vibrationsmessung überlagert und die Bandbreite des Empfängers überschreitet. Daher wurde ein Vibrometer aufgebaut, das bei einer Laserwellenlänge von 1,5 µm arbeitet, so dass auch höhere Ausgangsleistungen noch augensicher sind und damit Messentfernungen von mehreren 100 Metern ermöglicht. Die Kamera, Optik und Filter für das Trackingverfahren werden so gewählt, dass sie für diese Wellenlänge des kurzwelligen Infrarots empfindlich sind und Windrad und Laserfleck in einem ausgeglichenen Kontrastverhältnis darstellen. Aufgrund der Eigenbewegung des anzumessenden Objektes - das drehende Rotorblatt - werden die Vibrationen durch eine makroskopische Geschwindigkeitskomponente überlagert. Die resultierende vergleichsweise starke Frequenzverschiebung der Laserlinie muss bereits im Empfänger kompensiert werden. Dabei muss diese Kompensation auch der kontinuierlichen Änderung des Fre­quenz­off­sets nachgeführt werden. Und schlussendlich müssen auch die Auswirkungen der Eigenbewegungen von Vibrometer und SNK auf das Messsignal neutralisiert werden.

 

 

Die Gruppe „Lasersensoren“ der Abteilung OPT entwickelt das Laser-Vibrometer, die Gruppe „Optronische Sensorsysteme“ ist für die Projektkoordination und das Zusammenspiel der Komponenten zuständig. In den Abteilungen OBJ und OPT werden Methoden zur Analyse verschiedener Aspekte der gewonnenen Vibrationsdaten untersucht.

 

Systemeigenschaften

  • Vibrationsmessungen im laufenden Betrieb, unter realen Umweltbedingungen.
  • Berührungsfreie Vermessung aller sichtbaren Anlagenkomponenten
  • Keine Vorkehrungen oder Veränderungen an der Windenergieanlage notwendig
  • Abtastung der Schwingungsmoden mit hoher räumlicher Auflösung.
  • Erfassung eines breiten Spektralbereichs von ~0,1 Hz bis ~10 kHz.
  • Empfindlich auch für sehr kleine Amplituden bis im µm-Bereich.

Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten

  • Hochaufgelöste Vibrationsdaten zur Validierung von Simulationsmodellen
  • Strukturelle und aerodynamische Optimierung von Rotorblättern
  • Bewertung des strukturellen Anlagezustandes - Laufzeitverlängerung oder Repowering?
  • Erkennung neuer, noch verdeckter Schäden durch regelmäßige Kontrollmessungen
  • Identifikation und Quantifizierung von Schallemissionen und ihren Quellen im Betrieb

 

Projektstand

Im Labor wurde die maßstabsgetreue Modellsituation des Blicks auf eine Windenergieanlage aufgebaut, die in Winkeln und Dynamik den realen Anforderungen entspricht. Sie diente insbesondere als Testanordnung für die Implementation der Tracking- und SNK-Steueralgorithmen. Der resultierende Prototyp wurde auf der CeBIT 2014 demonstriert. Er ermöglicht die stabilisierte Positionierung des Vibrometerlaserflecks auf einem frei wählbaren Punkt auf den rotierenden Flügeln eines Modellwindrads (Rotordurchmesser ca. 2 m, Messdistanz ca. 10 m). Das Vibrometer liefert den Signalverlauf und das Leistungsspektrum der Rotorblattvibrationen am gewählten Punkt. Zur Visualisierung wurde zusätzlich ein grüner Pilotlaser eingesetzt.

 

Video: CeBIT 2014

 

Weiterentwicklung

Im nächsten Schritt erfolgen Anpassungen des Systems für die Aufnahme von Vibrationsdaten einer echten Windenergieanlage, da für die Entwicklung der Methodik auf kurze Distanz im Labor Modifikationen hinsichtlich Laser und Kamera notwendig waren. Dann wird die Ansteuerung dahingehend erweitert, dass eine automatische Abtastung der räumlichen Schwingungsmuster der drehenden Rotorblätter erfolgt - bisher können Messpunkte nur einzeln von Hand angefahren werden.

Langfristig ist auch eine Erweiterung des Trackings für Offshore-Anwendungen denkbar. Durch eine Erweiterung der aktiven Nachführung der Laserausrichtung ist es denkbar, auch die unvermeidlichen Relativbewegungen zwischen Sensorplattform (z.B. auf einem Schiff) und der zu vermessenden Anlage zu kompensieren.

 

Veröffentlichungen

R. Ebert, "Laser vibrometry for wind turbines inspection". Keynote presentation at SPIE Smart Structures/NDE 2016.Proc. SPIE 9804, Nondestructive Characterization and Monitoring of Advanced Materials, Aerospace, and Civil Infrastructure 2016, 98040H (April 8, 2016); doi:10.1117/12.2219559

1 April 2016, SPIE Newsroom. Sensing & Measurement "Remote laser vibrometry for wind turbine blades" doi: 10.1117/2.1201603.006403

Laser Vibrometry for Wind Turbines Inspection, Ebert et al., ASSL Conference 2014, Shanghai, China

Laser Vibration Sensing: Overview and Applications, Lutzmann et al., Proc. of SPIE Vol. 8186, 818602, 2011.

Pressebericht zur CeBIT 2014

Produktblatt