Schäden an Rotorblättern mithilfe einer Thermografiekamera frühzeitig identifizieren.

Die Quellen erneuerbarer Energien rücken zunehmend in den gesellschaftlichen Fokus. Im Mittelpunkt stehen dabei auch Windkraftanlagen (WKA), die auf Grund der Verknappung geeigneter Standorte und des gleichzeitig steigenden Energiebedarfs immer größer und effizienter werden müssen. Beeinflusst wird der Wirkungsgrad einer WKA maßgeblich durch ihre Rotorblätter. Deren Ausführung wurde im Zuge jahrzehntelanger Aerodynamik‐Forschung stark optimiert und stellt heutzutage sehr hohe Anforderungen an Maßhaltigkeit, Formstabilität und Oberflächenqualität.

Die Rotorblätter unterliegen im jahrelangen permanenten Betrieb sehr starken Beanspruchungen und sind Einflüssen wie Witterung, Blitzeinschlägen und bei Offshore-Installationen zusätzlich Salzwasser ausgesetzt. Treten hierdurch oder durch verdeckte Produktionsfehler Risse, Erosionsschäden oder innere Strukturveränderungen an den Rotorblättern auf, kann dies zum Ausfall der WKA und im schlimmsten Fall auch zu Personenschäden führen. Aus diesem Grund müssen die Rotorblätter regelmäßig geprüft und gewartet werden.

Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Detektion von Schäden
Ein bereits etabliertes zerstörungsfreies Prüfverfahren ist die maßgeblich vom Fraunhofer Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) eingeführte Wärmefluss- oder aktive Thermografie, bei der die Änderung der Oberflächentemperaturverteilung nach thermischer Anregung des Prüfteils detektiert wird. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat aktuell das Verfahren der passiven Thermografie adaptiert, um die Prüfung und Wartung an WKA für alle Beteiligten sicherer und kostengünstiger zu gestalten. Bei dieser Methode soll die thermische Anregung nicht „aktiv“ durch externe Quellen erfolgen, sondern stattdessen Sonneneinstrahlung, Wind oder der natürliche Temperaturverlauf über den Tag „passiv“ genutzt werden.

Mit einer im Projekt durch InfraTec zu entwickelnden drohnentauglichen Thermografiekamera mit gekühltem Detektor und entsprechend hoher thermischer Auflösung soll die Oberflächentemperatur auf den Rotorblättern aus der Luft aufgenommen werden, was den Aufwand für die Erfassung der kompletten Rotorblattoberflächen deutlich reduziert. Aus den räumlichen und zeitlichen Temperaturverläufen können anschließend Informationen über verborgene Schäden oder Veränderungen an der Strukturmechanik abgeleitet werden. Dabei müssen alle äußeren Umgebungsbedingungen, die die Temperatur beeinflussen können, wie Wind oder Sonneneinstrahlung – auch mit Hilfe numerischer Simulationen – berücksichtigt werden.

Zum Vergleich der Temperaturverteilung soll auch ein von der BAM patentiertes Verfahren, die Differenzmessung an drei Rotorblättern, eingesetzt werden. Mit diesem wird die Verteilung der Temperatur gleichzeitig an allen drei drehenden Rotorblättern der Windkraftanlage gemessen und die Werte im Anschluss miteinander verglichen. Auftretende Differenzen können ein Indikator für mögliche Schäden sein und ermöglichen das rechtzeitige Eingreifen.

Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Detektion von Schäden
Ein bereits etabliertes zerstörungsfreies Prüfverfahren ist die maßgeblich vom Fraunhofer Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) eingeführte Wärmefluss- oder aktive Thermografie, bei der die Änderung der Oberflächentemperaturverteilung nach thermischer Anregung des Prüfteils detektiert wird. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat aktuell das Verfahren der passiven Thermografie adaptiert, um die Prüfung und Wartung an WKA für alle Beteiligten sicherer und kostengünstiger zu gestalten. Bei dieser Methode soll die thermische Anregung nicht „aktiv“ durch externe Quellen erfolgen, sondern stattdessen Sonneneinstrahlung, Wind oder der natürliche Temperaturverlauf über den Tag „passiv“ genutzt werden.

Mit einer im Projekt durch InfraTec zu entwickelnden drohnentauglichen Thermografiekamera mit gekühltem Detektor und entsprechend hoher thermischer Auflösung soll die Oberflächentemperatur auf den Rotorblättern aus der Luft aufgenommen werden, was den Aufwand für die Erfassung der kompletten Rotorblattoberflächen deutlich reduziert. Aus den räumlichen und zeitlichen Temperaturverläufen können anschließend Informationen über verborgene Schäden oder Veränderungen an der Strukturmechanik abgeleitet werden. Dabei müssen alle äußeren Umgebungsbedingungen, die die Temperatur beeinflussen können, wie Wind oder Sonneneinstrahlung – auch mit Hilfe numerischer Simulationen – berücksichtigt werden.

Zum Vergleich der Temperaturverteilung soll auch ein von der BAM patentiertes Verfahren, die Differenzmessung an drei Rotorblättern, eingesetzt werden. Mit diesem wird die Verteilung der Temperatur gleichzeitig an allen drei drehenden Rotorblättern der Windkraftanlage gemessen und die Werte im Anschluss miteinander verglichen. Auftretende Differenzen können ein Indikator für mögliche Schäden sein und ermöglichen das rechtzeitige Eingreifen.

Die Projektpartner
In dem Projekt EvalTherm, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter dem Projektträger Forschungszentrum Jülich GmbH gefördert wird, soll das Verfahren der passiven Thermografie erprobt und praxisreif gemacht werden.

Dazu kooperieren in dem Verbundvorhaben unter der Leitung der BAM das WKI, das eine langjährige Expertise bei der Rotorblattinspektion besitzt, die InfraTec GmbH, die eine spezielle drohnentaugliche Infrarotkamera entwickeln wird sowie die clockworkx GmbH, die auf die Verknüpfung von Anlagendaten mit Mess- und Wetterdaten spezialisiert ist.

Der pyroelektrische Detektor wird digital und ergänzt das Portfolio der analogen Detektoren.

Seit über 30 Jahren entwickelt und produziert InfraTec analoge pyroelektrische Detektoren. Diese haben sich in den letzten Jahrzehnten für zahlreiche anspruchsvolle Kundenapplikationen bewährt. Um jedoch den Aufwand für Kunden zu reduzieren und die Systemintegration eines Detektors zu vereinfachen, hat InfraTec den digitalen pyroelektrischen Detektor (LRD) entwickelt.

Der digitale Detektor im Überblick
Wie alle Detektoren von InfraTec basiert auch der digitale Detektor auf Lithiumtantalat (LiTaO3) und wird im Bereich der Gasanalyse und Flammensensorik eingesetzt. Er ermöglicht volle Flexibilität bei der Konfiguration der Detektorparameter und somit eine variable Signalverarbeitung. Zudem bietet er eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), da die gesamte Signalwandlung des Detektors räumlich konzentriert und geschirmt ist. Der digitale Detektor bietet noch zahlreiche weitere Vorteile.

So verfügt er über einen Clock-Eingang (Pin), um den Strahler- und Detektortakt zu synchronisieren. Dadurch kann wiederum ein Zeitsignal mit hochpräziser Abtastrate generiert werden. Eine weitere Besonderheit ist die „Fast Recovery after Saturation“. Diese Funktion detektiert die Übersteuerung durch einen fehlerhaften Betriebszustand und setzt die analoge Eingangsstufe automatisch zurück.

Der digitale Detektor wandelt das analoge Signal mit einer 16-Bit-Auflösung direkt in ein digitales Signal um. Dabei kann das Analogsignal mehrstufig einstellbar gefiltert und verstärkt werden. Die gesamte Signalverarbeitung erfolgt über einen ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) mit integriertem A/D-Wandler, wobei die analoge Eingangsstufe wie ein Transimpedanzverstärker agiert. Anwender erhalten ein digitales Messsignal, welches über eine Standard-Kommunikationsschnittstelle ausgelesen und sofort weiterverarbeitet werden kann.

Zwei völlig verschiedene Detektoren
Der digitale Detektor wird das Portfolio um den analogen Detektor zukünftig erweitern. Welcher der beiden Varianten zum Einsatz kommt, hängt maßgeblich von der Komplexität der Messaufgaben ab. Beide Detektoren haben ihre Stärken und bieten unterschiedliche Vorteile.