Projekte

Sichere Energie durch Sensornetzwerke

Ausgangssituation

Sowohl Komponentenhersteller als auch Betreiber von Windkraftanlagen sind zur Prüfung, Überwachung und Inspektion der Abläufe während der gesamten Lebensdauer ihres Produktes verpflichtet. Laut einer aktuellen Studie von Frost & Sullivan erwirtschaftete der weltweite Markt für Condition Monitoring und zerstörungsfreie Prüfmethoden in der Windenergie im letzten Jahr Umsätze in Höhe von 60,7 Millionen US-Dollar, die bis 2015 auf 84,3 Millionen US-Dollar anwachsen sollen. Dabei beschränken sich viele Überwachungssysteme auf die Bewertung des Antriebsstranges, des Getriebes und Generators sowie der Turmschwingungen – die Überwachung der Rotorblätter spielte bis dato eine untergeordnete Rolle. Der Trend geht zu immer größeren Blattlängen. Beispiele dafür sind die Enercon-E-126- bzw. Nordex-N150-Anlagen mit Rotordurchmessern von 127 Metern bzw. 150 Metern. Bei solchen Ausmaßen und den daraus resultierenden Belastungen steigen die Anforderungen an das Material, und es kann vermehrt zu Rissbildung und Delamination kommen. Die Anwender sind deshalb stark an der Schaffung eines Überwachungssystems für Rotorblätter interessiert. Durch den Einsatz eines solchen Systems könnten Anlagen länger und sicherer betrieben werden und die Blätter zustandsorientiert gewartet bzw. ausgetauscht werden.

Kommerziell erhältliche faseroptische Datenübertragungssysteme gewährleisten diese galvanische Trennung für den Datentransfer, nutzen aber eine auf Kupferkabeln basierende Energieversorgung mit relativ hoher Leistungsaufnahme. Deswegen wurde ein auf faseroptischen Technologien beruhendes Energieversorgungs- und Kommunikationsnetzwerk entwickelt, welches die Blitzschlagsicherheit gewährleistet. Dieses setzt auf eine komplette faseroptische Verbindungstechnik bestehend aus der optischen Energieversorgung der einzelnen Sensorknoten und der optischen Sensordatenübertragung.

Abb. 1: Schematisches Systemkonzept eines 2×12-Kanal-Sensorsystems.

Aufgabe

Die bisher eingesetzten Systeme zum kabelgebundenen Transport von Sensordaten arbeiten aufgrund des hohen Blitzschlagrisikos in Windkraftanlagen mit speziell geschirmten Kupferkabeln. Das Problem der galvanischen Verbindung zwischen Sensorknoten und Auswerteeinheit ist damit nicht gelöst.

Abb. 2: Schematischer Aufbau eines Sensorknotens mit optischer Energieversorgung und Kommunikation.

Durchführung

Abbildung 1 zeigt das schematische Systemkonzept eines 24-Kanal-Sensorsystems für den Einsatz in Windkraftanlagen. Ein 12-Kanal-Sensorsystem besteht aus einem Lasermodul für die optische Energieversorgung, einem Empfängermodul für die optische Sensordatenerfassung und den Sensorknoten mit speziellen optoelektronischen Wandlern. Zusätzlich sind für eine vereinfachte Instrumentierung und zum Schutz vor augenschädlicher Laserstrahlung optische Verteilerboxen vorgesehen, die mittels spezieller faseroptischer Steckverbinder ein zufälliges Austreten von gefährlicher Laserstrahlung verhindern.

Die Sensorknoten beinhalten einen optischen Empfänger zur Wandlung des optischen Energiesignals in eine ausreichend große elektrische Versorgungsspannung und eine Lichtquelle für das Senden der Sensordaten (siehe Abbildung 2). Die komplette elektronische Schaltung des Sensorknotens wurde so optimiert, dass sie eine elektrische Leistungsaufnahme von nur 40 mWatt im Betrieb benötigt. Enthalten sind in diesem Falle die passive akustische Signalanalyse (Acoustic Emission) sowie die aktive akustische Strukturüberwachung (Acousto Ultrasonic). Der Sensorknoten empfängt somit nicht nur Ultraschallwellen, sondern kann zusätzlich definierte akustische Wellenformen in die Struktur einleiten.

Die erzeugten optischen Datensignale jedes einzelnen Sensorknotens werden mit einem zentralen Empfängermodul verknüpft. Abbildung 3 zeigt den schematischen Aufbau des Netzwerkknotens. Die optischen Signale aus einem 12-Kanal-Faserbündel werden von einem 12-Segment-Fotodiodenarray erfasst und in elektrische Signale umgewandelt. Nachfolgend werden diese verstärkt, gefiltert, digitalisiert und über eine eigens entwickelte Datendekodierung verlustfrei in das Ursprungssensorsignal dekodiert.

Abb. 3: Schematischer Aufbau eines Sensorknotens.

Ergebnis

Das gesamte faseroptische Energie- und Kommunikationssystem versorgt 12 Sensorknoten mit ausreichend Energie und kann auf Wunsch um ein Vielfaches von 12 Kanälen erweitert werden. Das System ist modular aufgebaut und kann somit direkt an die Überwachungsaufgabe angepasst werden. Die Kosten je Kanal sinken mit der Anzahl der Kanäle durch die höhere Kanalpackungsdichte.

Industriepartner

  • Nordex SE