Wie schnell bewegt sich Luft, was machen unterschiedliche Windverhältnisse mit Windkraftanlagen und wie helfen Kenntnisse über den Luftdruck dabei, die optimale Rotor-Geometrie zu finden? Althen zeigt auf der Windenergy 2022 in Hamburg verschiedene Anwendungen für Messtechnik in der Windindustrie. Aerodynamik ist seit langem ein Schwerpunktthema für den Sensor- und Messtechnikspezialisten Althen, ebenso wie Offshore-Anwendungen und Erneuerbare Energien generell.
Wann ein Rotor beginnt, sich zu drehen, wird wesentlich von seiner Geometrie bestimmt. In der Rotorkonstruktion wird an immer besserer Ausnutzung des vorhandenen Luftstroms gearbeitet. Um die Rotorblätter zu vermessen und das Verhalten des Luftdrucks in Abhängigkeit von Drehzahl und Luftgeschwindigkeit zu messen, bietet sich die Vielstellendruckmesstechnik mit MPS (Multiple Pressure Scanner)-Druckscannern an. Druckscanner helfen dabei, die Aerodynamik zu optimieren. Hierzu werden kleine Bohrungen in das Rotorblatt gesetzt. In diese Bohrungen werden über Druck-Patches die Luftschläuche angeschlossen, welche dann wiederum mit dem MPS4264 verbunden werden. Der Althen-Druckscanner MPS64 misst kleine bis mittlere Drücke (4 Millibar bis 3,5 bar) mit einer sehr guten Genauigkeit von bis zu ±0,04 %. Seine 64 Messkanäle sind in einem kaum zigarettenschachtelgroßen Gehäuse untergebracht. Der MPS64 verfügt über eine Ethernet-Schnittstelle zur Kaskadierung. Über einen Switch ist es möglich, beliebig viele Scanner, beispielsweise in einem Master-Slave-Betrieb miteinander zu verbinden. Die Sensorik ist für Temperaturen von 0 – 70 °C ausgelegt, ein Thermoschutzgehäuse erlaubt den Betrieb auch bei Frost bzw. höheren Temperaturen.
Ein Koordinatensystem der Luft
Rechenmodelle stoßen an ihre Grenzen, wenn es um konkrete aerodynamische Gegebenheiten geht, etwa zwischen den Anlagen eines Offshore-Windparks. Die hier entstehenden Verwirbelungen lassen sich am besten mit einem dreidimensionalen Luftgeschwindigkeitsmodell abbilden.
Hierzu wird eine Drohne mit einem Micro Air Data Computer und einer 5-Loch-Staudrucksonde (Pitch-Yaw-Sonde) ausgestattet. Die Luftgeschwindigkeit wird damit in festgelegten Abständen/Messpunkten gemessen. Der kompakte Micro Air Data Computer
verarbeitet die mit Hilfe der Sonde ermittelten Messdaten und erzeugt daraus über Algorithmen Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen (Vektoren), Mit der Zusammenführung der Messergebnisse eines jeden Messpunktes kann dann ein 3D-Bild erzeugt werden.
Größere Anlagen, mehr Messungen
Dehnmessstreifen sind vielseitig. Wo immer Rotation, Torsion oder andere Bewegungen an Strukturen auftreten, lassen sich mit dieser Messmethode Beschädigungen frühzeitig erkennen. In einer Windkraftanlage ist von der Statik im Fuß über die Turmneigung und die Beschleunigung der Generatorkanzel praktisch kein Element unberührt von ständiger Bewegung. Gleichzeitig erfordert die Entwicklung hin zu immer größeren Windkraftanlagen immer mehr Messungen. Auch die Forschung nutzt das Verfahren mit Dehnmessstreifen, um das Verhalten neuer Materialien zu testen. Gerade bei Verbundstoffen, wo Kunststoff auf Metall trifft, entstehen kritische Stellen, deren Stresslevel sich mit Dehnungsmessstreifen feststellen lässt.