FiZ-E - Faserkunststoffverbunde mit integrierter Zustandsüberwachung in Echtzeit - Chemnitz

Das ForMaT-Vorhaben

Das Innovationslabor „Faserkunststoffverbunde mit integrierter Zustandsüberwachung in Echtzeit“ (FiZ-E) an der Technischen Universität Chemnitz entwickelt ein kostengünstiges Sensorsystem zur Überwachung von Faserverbundstoffen, speziell zur Überwachung von Rotorblättern an Windkraftanlagen.

Die Überwachung von Faserverbundbauteilen auf Schäden kann dabei helfen, Überdimensionierungen in der Konstruktion und häufige manuelle Inspektionen zu vermeiden. Das minimiert den Wartungs- und Instandhaltungsaufwand sowie die Kosten für einen vorzeitigen Austausch von dynamisch beanspruchten Faserverbundstrukturen.

Die Ziele

Ziel des Innovationslabors FiZ-E ist die Entwicklung eines funktionsfähigen, kostengünstigen Echtzeitüberwachungssystems für Rotorblätter von Windkraftanlagen. Eine umfassende Marktanalyse hat gezeigt

  • dass ein ausreichendes Marktpotenzial für Condition-Monitoring-Systeme an Rotorenblättern von Windkraftanlagen besteht;
  • dass es den beteiligten Wissenschaftlern technisch möglich ist, ein leistungsfähiges und robustes System zu entwickeln, welches durch innovative Kombination von Sensorsystemen ein klares und nachhaltiges Alleinstellungsmerkmal gegenüber allen bisher verfügbaren Systemen hat;
  • und dass die genutzten Technologien durch ihre Herkunft aus der Massenfertigung einen klaren Vorteil bei den Herstellungskosten ermöglichen, vermutlich weniger als 50% der Kosten des Wettbewerbs.

Die thematischen Schwerpunkte

Das FiZ-E-System soll frühzeitig Schäden erkennen, Eis auf den Rotorblättern detektieren und die Energieausbeute durch verbesserte Rotorblattverstellung steigern.

Schadensfrüherkennung
Durch die frühzeitige Erkennung von Schäden lassen sich kleinere Mängel rechtzeitig reparieren, sodass größere Schäden oft vermieden werden können. Die Wartungskosten lassen sich somit konservativ gerechnet um mindestens 10% senken. Selbst bei niedrigen Instandhaltungskosten von 150 € pro kW und einer Schadensreduzierung von 10% entsteht eine Kostenreduzierung von über 22.500 € bei einer Anlage mit 1.500 kW Nennleistung. Die Ertragserhöhung durch den geringeren Anlagenstillstand wurde dabei noch nicht einmal mit eingerechnet.

Eisdetektion
Es ist wirtschaftlich sinnvoll und teilweise baurechtlich vorgeschrieben, Windkraftanlagen an vereisungsgefährdeten Standorten mit Eisdetektoren auszustatten. Die Vereisung verändert die Aerodynamik der Rotorblätter, sodass die Wirkungsweise beeinträchtigt wird. Eisansatz führt zu zusätzlichen Lasten auf den Rotorblättern, was schnell zu Schädigungen des Triebstrangs und der Pitcheinstellung durch auftretende größere Kräfte, Momente und Unwuchten führen kann. An immer mehr Standorten wird auch genehmigungsrechtlich ein Eissensor vorgeschrieben, um die potenzielle Gefahr für Personen und Güter im Umgebungsbereich zu verringern. Die Eissensoren müssen in der Lage sein, den Eisansatz rechtzeitig zu bestimmen und die Anlage falls nötig abzuschalten. Sobald der Eisansatz zurückgegangen ist, sollten die Sensoren die Anlage verlässlich wieder anschalten.

Steigerung der Energieausbeute durch verbesserte Rotorblattverstellung
Neben der Schadensüberwachung können die eingesetzten Sensoren auch die Energieausbeute durch zeitnahe Rotorblattverstellung (Pitchregelung) optimieren. Unter Pitchregelung versteht man die Veränderung des Einstellwinkels eines Rotorblattes, wodurch die Leistung der Anlage geregelt wird. Je nach Windstärke verändert sich die Rotorblattstellung, was zu einer optimalen Ausnutzung der Windenergie führt.

Selbst bei den neuesten Anlagen kommt es immer wieder zu falschen Pitcheinstellungen. Durch die Messung der Eigenfrequenz bzw. der Belastungen im Rotorblatt mittels Dehnungsmessung ist es möglich, unterschiedliche Pitcheinstellungen bei den Rotorblättern zu erkennen. So kann rechtzeitig eingegriffen und damit eine Überbeanspruchung einzelner Rotorblätter vermieden werden. Zusätzlich reduziert dies die Gefahr einer Rotorunwucht und erhöht langfristig den Ertrag der Anlage.

Die Partner

Das Innovationslabor wird getragen von den Professuren Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung (Prof. Dr.-Ing. Lothar Kroll), Mikrosystem- und Gerätetechnik (Prof. Dr.-Ing. Jan Mehner), Schaltkreis- und Systementwurf (Prof. Dr.-Ing. Ulrich Heinkel) sowie Marketing und Handelsbetriebslehre (Prof. Dr. Cornelia Zanger) der Technischen Universität Chemnitz. Deren Kernkompetenzen bilden die Grundlage für die drei zu bildenden Forschungsgruppen Struktronik, Elektronik und Sensorik.

Kontakt

Tobias Meyhöfer
Technische Universität Chemnitz
Professur für Marketing und Handelsbetriebslehre
09107 Chemnitz
Tel.: (0371) 531-37419
Fax: (0371) 531-837419
E-Mail: Tobias.Meyhoefer[at]wirtschaft.tu-chemnitz.de
www.fibercheck.de