Das Verständnis der mechanischen Beanspruchungen und weiterer Betriebseigenschaften von Windenergieanlagen ist unerlässlich, um deren Komponenten hinsichtlich ihrer Dynamik, Lebensdauer, Regelung und Betriebsführung beurteilen und optimieren zu können.

Die Forschungsgebiete des 2009 in Bremerhaven gegründeten Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (kurz: IWES) umfassen das gesamte Spektrum der Windenergietechnik von Windphysik bis zur Netzeinspeisung. Das Institut bietet Anlagenherstellern, Zulieferern, Windparkbetreibern und Energieversorgern wirtschafts-relevante Forschungsdienstleistungen und eine zielführende Kooperation zu allen technischen Fragestellungen der Windenergienutzung. Gemeinsam mit dem Institut für Windenergie der Hochschule Bremerhaven (kurz: FK-Wind) wurde 2014 das Anwendungszentrum für Windenergie-Feldmessungen (kurz: AWF) gegründet. Das AWF bietet umfangreiche Messungen und deren Auswertungen an aktuell laufenden Windenergieanlagen an.

Vorausschauende Wartung gefordert

Die Instandhaltung von Windenergieanlagen (WEA) erfolgt überwiegend in regelmäßigen, festen Abständen oder korrektiv. Allerdings kommen auch immer mehr Zustandsüberwachungssysteme zum Einsatz, die durch Erfassung relevanter Messgrößen zu schnellem, frühzeitigem Reagieren führen und somit Folgeschäden verhindern sollen. Andere Ansätze verfolgen die statistische Aufbereitung von historischen Daten der Windparks, um auf zukünftige Ausfälle schließen zu können. Ein bei allen Ansätzen auftretendes Problem ist die Verarbeitung von großen Datenmengen sowie die Interpretation dieser Daten.
Im Rahmen des vom Land Bremen aus dem Förderprogramm Angewandte Umweltforschung (AUF) des Senators für Umwelt, Bau und Verkehr geförderten Kooperationsprojektes Inno WEA-Wartung des Energiekon­tors (Bremen), des FK-Wind und des Fraunhofer IWES wurden die unterschiedlichen Strategien kombiniert, das heißt die Datenquellen zusammengeführt und miteinander verknüpft, um den Informationsgehalt über den Zustand von Windenergieanlagen sowohl quantitativ als auch qualitativ zu maximieren. Zu diesem Zweck wurde an einer seit dem Jahre 2000 betriebenen Onshore-Windenergieanlage ein zertifiziertes Condition-Monitoring-System für Beschleunigungsmessungen am Triebstrang installiert und durch Beanspruchungsmessungen am Turm, an den Wellen sowie am Rotorblatt ergänzt. Außerdem standen die historischen Daten der Anlage in Form von Statusmeldungen und 10-Minuten-Mittelwerten der Windgeschwindigkeit, der Leistung und unterschiedlicher Temperaturmessungen zur Verfügung. Die entwickelten Methoden der Analyse dieses Datenpools führen letztendlich zu einer Steigerung der Effizienz von Wartungsabläufen.

Messung auch an rotierenden Systemen

Die Beanspruchungsmessungen dienen der Beurteilung unterschiedlicher Lastzustände. Dabei sind folgende Parameter zu messen:

- Biegemoment am Turmfuß,
- Biegemoment und Torsion am Turmkopf,
- Biegemomente und Torsion an Haupt- und Generatorwelle,
- Biegemomente in Schwenk- und Schlagrichtung am Rotorblatt,
- Gondel- und Rotorposition, Blattwinkel,
- Ausgangsleistung der Anlage.

Eine Herausforderung stellt die Datenübertragung von den drehenden Komponenten dar - einerseits vom Rotorblatt/Nabe-System und andererseits von den Wellen in der Gondel. In einer ersten Pilotanwendung im Rahmen des Inno-WEA-Wartung-Projektes erfolgt die drahtlose Datenübertragung von den verschiedenen Messsystemen im Rotorblatt/Nabe-System über eine Wireless-CAN-Bridge, während an den Wellen in der Gondel modulare Dx-Telemetriesysteme von Caemax Technologie zum Einsatz kommen.
Zur Bestimmung des Torsionsmoments wird die Schubspannung auf den Wellen mittels DMS-Rosetten gemessen. Die kontinuierliche Energieübertragung für das mit der Welle rotierende Signalaufbereitungs- und Sendemodul SCT (Signal Conditioning Transmitter) erfolgt dabei induktiv. Die Messwerte werden noch auf der Welle aufbereitet, digitalisiert und dann per digitaler Funkstrecke an zwei Flachantennen - je eine auf zwei Seiten der Welle - übertragen. Von dort geht es per Kabel in die stationäre Empfangs- und Wiedergabeeinheit RCI (Receiver Control Interface). An dieser Anlage sind die Hauptwelle und die Generatorwelle über ein dreistufiges Getriebe mit der Übersetzung 69:1 verbunden. Die Anlage wird mit zwei Drehzahlen betrieben: 14 und 21 U/min an der Hauptwelle (Rotor), das entspricht ungefähr 1. 000 beziehungsweise 1.500 U/min an der schnelleren Generatorwelle.
Oliver Schultz, technischer Mitarbeiter am Fraunhofer IWES, zu den ersten Erfahrungen mit der Telemetrie-Anwendung: „Bei der Auswahl hat uns die Dx-Telemetrie durch den geringen Platzbedarf und das sehr gute Preis-Leistungs-Verhältnis überzeugt. Während der Inbetriebnahme hatten wir anfänglich Probleme mit der induktiven Energieversorgung. Durch verschiedene Experimente konnten wir aber den für diese Anwendung optimalen Abstand zwischen dem Induktivkopf am Stator und der Welle herausfinden. Seitdem läuft das System zuverlässig."

Erweiterte Anforderungen

Aufgrund der positiven Erfahrungen in der Pilotanwendung möchte nun das neu gegründete Anwendungszentrum das Caemax-Telemetriesystem in einem weiteren Projekt, diesmal mit der Firma Projekt aus Oldenburg, für die Erfassung und Übertragung der Messdaten vom Rotorblatt sowie von der Hauptwelle einsetzen. Der Rotor und die Hauptwelle sind zwar mechanisch miteinander gekoppelt, es bestehen aber keine Möglichkeiten, ein Kabel zwischen den zwei Systemen zu ziehen. Dazu wird ein Sendemodul SCT auf einem Blatt befestigt und das andere auf der Hauptwelle in der Gondel.
Um eine optimale Energieübertragung auch über den gesamten Umfang der mächtigeren Hauptwelle zu gewährleisten, wird in diesem Fall ein sogenannter Ringstator verwendet, der die Welle komplett umschließt. Als Vorteil erweist sich die flexible Konfiguration und Kanalbelegung der Dx-Telemetrie. So können am Rotorblatt neben den beiden Biegemomenten in Schwenk- und Schlagrichtung auch die Rotorposition und der Blattwinkel über freie Analogeingänge am Sendemodul erfasst und übertragen werden. Auf der Hauptwelle wird zusätzlich zu den Biegemomenten in zwei Richtungen auch noch das Torsionsmoment gemessen. Die beiden Sendemodule übertragen ihre Daten synchron zum Empfangsmodul RCI. Dort kann über einen separaten Eingang auch noch die Gondelposition von einem Winkelgeber in den Datenstrom eingespeist werden. Schließlich erfolgt über einen CAN-Ausgang die Übertragung der Messdaten über Lichtwellenleiter zum Turmfuß. Bei der Korrelation der Messdaten von unterschiedlichen Messorten ist eine synchrone Erfassung der Signale besonders wichtig. Die Dx-Telemetrie gewährleistet dies durch einen gemeinsamen Takt, der von der Empfangseinheit an die einzelnen Sendemodule vorgegeben wird.
„Sämtliche Messdaten auf der WEA werden im Turmfuß geloggt und über DSL auf den Hauptrechner übertragen, wo sie auch mit den Windmessdaten kombiniert werden. Dazu wird ein meteorologischer Messmast in der Nähe der Anlage installiert und die Windgeschwindigkeit und Windrichtung sowie die Luftdichte, -temperatur und -feuchtigkeit gemessen. Durch die zeitsynchrone Erfassung können wir die Messdaten bestimmten Ereignissen und Betriebszuständen zuordnen", erläutert Sarah Barber, Gruppenleiterin am AWF.