Hightech für Windkraftwerke

Die Sicherheit vieler technischer Systeme lässt sich durch so genannte intelligente Strukturen erhöhen. Sensoren registrieren schon millimetergroße Veränderungen und reagieren darauf. So wird der Airbag im Auto genau zum richtigen Zeitpunkt ausgelöst und die Windkraftanlage automatisch abgeschaltet, bevor es zu stark stürmt.

Am POF-AC der Nürnberger Georg-Simon-Ohm-Hochschule forscht man schon seit Jahren an faseroptischen Sensoren. Nun hat die Paul und Helene Metz-Stiftung 18.600 Euro bewilligt, damit die bisherige analoge Schaltungstechnik der Sensoren auf Digitaltechnik umgestellt werden kann.

Weil das Interesse der Industrie an solchen Sensoren wächst, ist es nötig, ihre Möglichkeiten gezielt weiter zu entwickeln, beispielsweise im Bereich Energie. Verteilte Energiequellen, beispielsweise Solarparks oder Felder mit Windkraftwerken, sind zu Grundpfeilern der modernen Energieversorgung geworden. Dabei ist es wichtig, dass die Anlagen ständig überwacht werden. Zum einen, um sie optimal auszulasten, zum anderen aus Sicherheitsgründen.

Drei Haarbreiten sind schon zu viel
Das Anwendungszentrum für polymeroptische Fasern (POF-AC) des OHM hat sich im Rahmen des Forschungsverbunds „ForPhoton“ mit Untersuchungen zu faseroptischen Sensoren beschäftigt. Dabei ist ein Sensor entwickelt worden, der die Durchbiegung des Rotorblatts bei starkem Wind misst. Damit kann das Windkraftwerk länger und optimal gefahren werden und muss nicht wie bisher aus Sicherheitsgründen manchmal zu früh abgeschaltet werden. Dazu wird eine optische Kunststoff-Faser mit ins Blatt eingebaut und deren Längenänderung durch die Belastung mit hoher Genauigkeit gemessen. Derzeit können Längenänderungen von 10 Mikrometern bei einer Faserlänge von 1 m sicher nachgewiesen werden. Für ein Rotorblatt mit einer typischen Länge von 30 Metern entspricht dies einer Längenänderung von 0,3 mm oder drei Haarbreiten!

Mit Hilfe solcher intelligenter Strukturen kann generell der Zustand eines Bauwerks oder einer Konstruktion fortlaufend und zuverlässig überwacht werden. Die kleinen Helfer melden die Verformung von Rotorblättern oder der Knautschzone eines Autos ähnlich wie die Nerven im menschlichen Körper. Sie müssen in vielen Einsatzbereichen unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sein, denn ein Blitzschlag darf die Wächterfunktion nicht außer Kraft setzen. Außerdem brauchen sie wenig Platz und reagieren schnell auf Veränderungen.

Gute Vorarbeit im Anwenderzentrum
In den vergangenen Jahren wurde am POF-AC der Nachweis erbracht, dass ein faseroptischer Dehnungssensor für die Überwachung großer Bauwerke geeignet ist, und bereits Feldtests durchgeführt. Jetzt ist es Zeit für den nächsten Schritt: Die Technologie soll in komplette Monitoring-Systeme, die den Gesamtzustand eines Windkraftwerks überwachen, eingebettet werden. Dazu ist es nötig, die bisher analoge Schaltungstechnik des Sensors auf Digitaltechnik umzustellen. Ein entsprechender Projektvorschlag hat die Paul und Helene Metz-Stiftung überzeugt, und so wird die Masterarbeit von Jörg Diez am POF-AC, der bereits sein Diplom mit Arbeiten zum Sensor erwarb, mit 18.600 Euro gefördert. Das Projekt heißt DigifaD (Digitalisierung der Elektronik des faseroptischen Dehnungssensors) und startet im Februar.
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