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 Windraedern 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 Leistungselektronik. "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 Messspulen 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.