Untersuchung und Bewertung des Einsatzes energieautarker, mikroakustischer Sensoren zur Eisdetektion an Rotorblättern von Windenergieanlagen
Projektdurchführung
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoff-
forschung Dresden e. V.
(IFW Dresden)
Helmholtzstr. 20
01069 Dresden
Zielsetzung
"Mikroakustische Sensorik zur Eisdetektion an Rotorblättern"
Die Rotorblätter bilden das erste Glied in der Energiegewinnung durch Windkraft – und dennoch sind sie bis heute kaum mit Sensorik ausgestattet. Das liegt vor allem an hohen technischen Anforderungen: Sensoren dürfen die Aerodynamik nicht stören, müssen über Jahre wartungsfrei funktionieren und dürfen keine zusätzlichen Risiken, wie etwa bei Blitzschlag, verursachen. Insbesondere für die Erkennung von Eisansatz am Rotorblatt fehlen bislang wirtschaftlich attraktive Lösungen. Dabei führt Eisbildung nicht nur zu Ertragseinbußen, sondern auch zu erheblichen Sicherheitsrisiken durch sogenannten Eiswurf. Gesetzlich vorgeschriebene Abschaltungen erfolgen bislang meist vorsorglich – und damit häufig zu früh oder zu spät. Die Folge: unnötige Stillstandszeiten und wirtschaftliche Verluste.
Dieses durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Projekt ging daher der Frage nach, ob sogenannte SAW-Sensoren (Surface Acoustic Wave) zur Eisdetektion an Rotorblättern eingesetzt werden können. Ziel war es, ein passives, funkabfragbares Sensorkonzept zu erproben, das wartungsfrei arbeitet, das Rotorblatt nicht beeinträchtigt und dennoch zuverlässig erkennt, wann sich Eis auf der Blattoberfläche bildet. Die SAW-Technologie, bei der hochfrequente akustische Oberflächenwellen auf kleinen piezoelektrischen Mikrochips angeregt werden, verspricht, dass diese herausfordernden Anforderungen erfüllt werden.
Arbeitsschritte
Die notwendigen Arbeitsschritte zur Zielerreichung umfassen die Konzeptionierung von Sensorarchitekturen, die Untersuchung erfolgversprechender Aufbau- und Verbindungstechniken sowie geeigneter Installations-/Montageverfahren. Ergänzend wurden Untersuchungen zur Materialbeständigkeit, zum Schutz und zur Funktion der SAW-Sensoren im Labormaßstab sowie unter realen Umweltbedingungen an einer Windenergieanlage (WEA) durchgeführt.
Ergebnisse
"Von der Entwicklung bis zum Praxistest"
Im Projektverlauf wurden verschiedene Sensorarchitekturen auf Basis mikroakustischer Oberflächenwellen erprobt. Ein Design zeigte sich besonders vielversprechend: Es konnte nicht nur Eisansatz zuverlässig erkennen, sondern sogar Eisschichtdicken von bis zu 15 mm messen. Auch in puncto Materialbeständigkeit wurden Fortschritte erzielt: Die Herstellung einer geeigneten Passivierungsschicht wurde erfolgreich getestet, um die empfindlichen Sensorstrukturen vor extremen Umweltbedingungen zu bewahren.
Die Entwicklung eines passenden Funkabfragesystems stellte sich jedoch als herausfordernd heraus. Während Labor- und Feldversuche an Gondel und Turm bereits positive Ergebnisse lieferten, konnte die zuverlässige Funkübertragung bei laufendem Rotorbetrieb noch nicht vollständig realisiert werden. Dafür sind spezialisierte Lesegeräte mit höherer Abfragegeschwindigkeit erforderlich, deren Entwicklung über den Projektzeitraum hinausgeht.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Projektergebnisse wurden auf mehreren internationalen Fachveranstaltungen vorgestellt – unter anderem auf der Sensor+Test in Nürnberg, dem SAW-Symposium in Dresden sowie der internationalen Acoustofluidics Conference, wo die projektspezifischen Ergebnisse mit dem „W. Terence Coakley Award“ ausgezeichnet wurden. Zusätzlich wurden Forschungsergebnisse im Fachjournal Sensors veröffentlicht und ein Patentantrag eingereicht. Auch eine Dissertation und eine studentische Projektarbeit greifen die Ergebnisse auf und werden zur Verbreitung beitragen.
Fazit
Die Ergebnisse des Projekts belegen die grundsätzliche Eignung von SAW-Sensoren zur Eisdetektion an Rotorblättern. Die Funkabfrage konnte unter Realbedingungen teilweise erfolgreich demonstriert werden. Um die Technologie in die industrielle Praxis zu übertragen, sind weitere Schritte notwendig – insbesondere im Bereich des Sensorgehäuses und der Funktechnik.
Der beteiligte Industrie-Partner sieht in der Weiterentwicklung großes Potenzial, sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich. Die gezielte Weiterführung der Forschung soll die Technologie bis zur Einsatzreife führen und damit einen wertvollen Beitrag zur Effizienz und Sicherheit von Windenergieanlagen leisten.