Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMMediendienst
Die Kräfte ermüdender Mühlen messen
Windkraftanlagen schießen zurzeit wie Pilze aus dem Boden. Das Geschäft mit dieser Energiequelle entwickelt sich auch dank staatlicher Subventionen positiv. Bereits heute ließe sich mit allen in Deutschland installierten Windrädern die Stadt Berlin mit Strom versorgen. Die Lebensdauer und damit Wirtschaftlichkeit der Anlagen wird jedoch auch vom Energieträger selbst beeinflusst: Der Wind bläst in Böen, rüttelt an den Rotorblättern und erzeugt so häufige mechanische Lastwechsel. Drehmomentschwankungen an der Antriebswelle können zu Schwingungen führen, die auf Dauer Schäden an Welle, Kupplungen und dem Getriebe hervorrufen. Daher benötigen Hersteller und Betreiber moderner Windmühlen Sensorsysteme, die den Betriebszustand überwachen und rechtzeitig warnen, wenn sich Schäden anbahnen.
Einen solchen Wächter hat das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM zusammen mit einem Sensorhersteller und Professor Stefan Kulig von der Universität Dortmund entwickelt. »Wesentlich dabei ist, dass der Sensor berührungslos arbeitet, also nicht in die bestehende Mechanik der Anlage eingreift«, betont der Inhaber des Lehrstuhls für Elektrische Maschinen, Antriebe und Leis-tungselektronik. »Wie wir bereits in mehreren Projekten zeigen konnten, wissen Hersteller von Turbosätzen und Betreiber klassischer Kraftwerke das Minimum an Umbauten zu schätzen.« Der Sensor nutzt einen Effekt, der in Fachkreisen als Magnetostriktion bekannt ist. Unter dem Einfluss mechanischer Kräfte wie des Drehmoments ändern sich die magnetischen Eigenschaften der Stahlteile. Der Sensor induziert etwa in der rotierenden Antriebswelle ein Magnetfeld. Vier Mess-spulen registrieren die auftretenden Änderungen. Nach der Datenverarbeitung lässt sich daraus auf die Verwindung (Torsion) schließen.
»Moderne Windräder sollten online überwacht werden«, weiß Dr. Andreas Wirsen vom ITWM. »Denn der mit unseren Datenanalyse-programmen berechnete Systemzustand kann dann gleich an den Betreiber weitergegeben werden.« Die Programme analysieren die in hoher zeitlicher Auflösung ermittelten Daten besonders realitätsnah. Mit den mathematischen Verfahren lassen sich Torsionen sogar an Bauteilen berechnen, an die aus konstruktiven Gründen keine Sensoren angebracht werden können. Um Hersteller von Windkraftanlagen von ihrer Messtechnik zu überzeugen, treffen sich die Wissenschaftler vom 23. bis 27. September auf der weltgrößten Windenergiemesse HUSUMwind in Halle 3 am Stand A 306.