Wie können die Lasten und die Vereisung von Windturbinenblättern überwacht werden?
Im Bereich der Windenergie sind die Rotorblätter von Windkraftanlagen langfristig einer komplexen natürlichen Umgebung ausgesetzt und tragen unter rauen Betriebsbedingungen wie wechselnden aerodynamischen Lasten, Böenstößen und Kaltwettervereisung. Die Verwendung von Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensortechnik zur dynamischen Lasterfassung und Echtzeit-Eiswarnung von Rotorblättern ist die Kerntechnologie zur Realisierung der strukturellen Zustandsüberwachung (SHM) und optimierten Steuerung von Rotorblättern.
I. Prinzip und Implementierung der Lasterfassung von Windkraftanlagen-Rotorblättern
Die Biege-, Verdrehungs- und Schwingungsdeformationen von Windkraftanlagen-Rotorblättern während des Betriebs verursachen Änderungen der Dehnung im Inneren und an der Oberfläche des Rotorblatts. Das auf Faser-Bragg-Gittern (FBG) basierende Lasterfassungssystem funktioniert nach folgenden Prinzipien:
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Dehnungs- und Spannungsmesseung
Die Bragg-Zentralkanal-Reflexionswellenlänge \lambda_B eines Faser-Bragg-Gitters ändert sich mit der Dehnung \varepsilon und der Temperatur. Die Formel lautet:\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = C_{\varepsilon} \cdot \varepsilon + C_T \cdot \Delta TWobei C_{\varepsilon} der Dehnungsempfindlichkeitskoeffizient und C_T der Temperaturkoeffizient ist. Nach Eliminierung der Temperatureinflüsse (Temperaturkompensation) kann die lokale Mikro-Dehnung \varepsilon des Rotorblatts präzise gemessen werden. In Kombination mit dem Elastizitätsmodul E des Materials kann die lokale Spannung \sigma = E \cdot \varepsilon abgeleitet werden.
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Mehrpunkt- und Array-Anordnung
Mehrere FBG-Messpunkte mit unterschiedlichen Wellenlängen werden in Reihe auf einer einzelnen Faser geschaltet und entlang der Hauptträger (Spars) oder der Rotorblattwurzel (Blade Root) des Rotorblatts verklebt oder vorvergraben. Durch Demodulation der Dehnungsantwort jedes Messpunkts können die Biegeform, unausgeglichene Böenlasten und kumulative Ermüdungsschäden des Rotorblatts in Echtzeit rekonstruiert werden.
II. Prinzip und Implementierung der Eisüberwachung von Windkraftanlagen-Rotorblättern
Eisbildung verschlechtert die aerodynamische Form des Rotorblatts, stört die Rotorbalance und erhöht signifikant die Ermüdung der Struktur. Die FBG-Technologie überwacht die Eisbildung typischerweise durch Änderungen der folgenden physikalischen Eigenschaften:
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Massenakkumulation und Änderung der Zusatzlasten
Eisbildung fügt der Rotorblattoberfläche zusätzliche Masse hinzu, verändert die Massenverteilung entlang der Spannweite des Rotorblatts und führt zu einer Absenkung der Eigenfrequenz oder einer erhöhten statischen Durchbiege-Dehnung. Durch Überwachung der niederfrequenten dynamischen Dehnungsantworten und der statischen Dehnungsabweichung, die vom FBG-Sensorarray erfasst werden, kann die Eisdicke und -region indirekt berechnet werden. -
Oberflächentemperatur und Wärmeleitungsunterschiede
Der Vereisungsprozess wird von der Freisetzung latenter Schmelzwärme und Änderungen der Wärmeleitungseigenschaften begleitet. Durch die Installation von Hochpräzisions-FBG-Temperatursensoren in leicht vereisenden Bereichen des Rotorblatts (z. B. an der Vorderkante) können in Kombination mit Umgebungs- und Windgeschwindigkeitsdaten Temperaturanomalien zur Bewertung des Vereisungsrisikos und des Betriebszustands von Enteisungs-/Anti-Eissystemen verwendet werden.
III. Technische Vorteile der Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnik im Windenergiebereich
- Inhärente Blitzschutz- und EMV-Immunität：Fasern bestehen aus Quarzglas und bieten eine gute Isolierung, wodurch das Risiko von Blitzschlag durch Rotorblätter und starke elektromagnetische Interferenzen durch Frequenzumrichter vollständig vermieden werden.
- Quasi-Verteilte Multiplexing-Fähigkeit：Eine einzelne Glasfaserleitung kann Dutzende von Sensorpunkten in Reihe schalten, was die Komplexität und das Gewicht der internen Verkabelung des Rotorblatts erheblich reduziert.
- Ermüdungsbeständigkeit und lange Lebensdauer：Das Fasermaterial weist eine extrem hohe Ermüdungsfestigkeit auf und erfüllt die Anforderungen an die Langzeitbetriebsdauer von über 20 Jahren für Rotorblätter von Windkraftanlagen.
IV. Offizielle OFSCN®-bezogene Sensorprodukte
In praktischen technischen Anwendungen bietet Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) hochzuverlässige Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, die speziell für die Dehnungs- und Temperaturüberwachung entwickelt wurden:
1. Empfohlenes Produkt für die Dehnungs-/Lasterfassung von Rotorblättern:
OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Dieser Sensor verwendet eine Verpackungstechnologie mit flexiblen Legierungsrohren, die eine hohe mechanische Festigkeit sowie Wasser- und Feuchtigkeitsbeständigkeit bietet und sich ideal für die langfristige Dehnungs- und Lasterfassung im Inneren oder an der Oberfläche von Windkraftanlagen-Rotorblättern eignet. Ab Werk wird eine Standard-Kalibrierungsformel von \mu\varepsilon/\text{pm} bereitgestellt, mit einem Standard-Dehnungsbereich von \ge 6000\mu\varepsilon .
2. Empfohlenes Produkt für Eis-/Temperaturüberwachung von Rotorblättern:
OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Dieser Sensor verwendet eine nahtlose Stahlrohr-Verpackungstechnologie, die sich durch eine kompakte Bauweise (Standardaußendurchmesser nur 0,9 mm), schnelle Reaktion und hervorragende Witterungsbeständigkeit auszeichnet. Er eignet sich für die Überwachung der Umgebungstemperatur und der Temperatur von Anti-Eis-/Enteisungssystemen. Mehrere FBG-Messpunkte können in einem einzelnen Sensor integriert werden.
