Fasertechnik macht intelligente Windräder möglich
Jährlich werden weltweit etwa 25.000 neue Windkraftanlagen gebaut – und die Nachfrage nach dieser erneuerbaren Energiequelle steigt weiter. Bisher war die Antwort der Hersteller und Windparkbetreiber immer dieselbe: Sie bauten größere und damit leistungsstärkere Turbinen. Die Steuerungstechnik zur Leistungsbegrenzung und -optimierung blieb jedoch weitgehend identisch. Die Rotordurchmesser in Offshore-Windparks sind inzwischen mit 170 m größer als der Turm des Ulmer Münsters und damit an der Grenze des technisch Machbaren. Im Schnitt erreichen aber auch diese riesigen Windkraftanlagen nur einen Wirkungsgrad von rund 45 Prozent und laufen viel zu oft mit reduziertem Betrieb – zum Beispiel, wenn die Windlast zu hoch ist und die Windkraftanlage beschädigen könnte.
Die Münchner fos4X GmbH optimiert die Anlagen durch eine Kombination aus Fasermesstechnik und künstlicher Intelligenz und steigert damit deren Effizienz. So kann auch mit kleineren Rotoren erheblich mehr Leistung erzielt werden. Große, aber leichtere Rotoren lassen sich lasteffizienter und anlagenschonender betreiben.
Sensoren im Rotorblatt
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Die wichtigsten Komponenten für die Leistungssteigerung einer Windanlage sind, neben dem Generator, die Rotorblätter. Ihre Anströmungsrichtung entscheidet darüber, wie effizient die Energie des Windes in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Dabei soll nicht nur die generelle Windrichtung berücksichtigt werden, wie es in den herkömmlichen Anlagen geschieht. Auch die Ausrichtung der Rotorblätter, der sogenannte Pitchwinkel, lässt sich so anpassen, dass die Windenergie optimal genutzt wird.
Faseroptische Sensoren im Inneren der Blätter liefern rund um die Uhr Aussagen über die physikalischen Eigenschaften des Rotorblattes und die Windkräfte, die dort auftreffen.
Die Wellenlänge zeigt die Kräfte
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Für die Messungen nutzt fos4X industrialisierte Kantenfiltersysteme in Kombination mit Fiber-Bragg-Gittern (FBG). Speist man breitbandiges Licht in die Faser ein, wird durch das Gitter eine bestimmte Wellenlänge reflektiert. Diese ist abhängig vom effektiven Brechungsindex des Faserkerns und der Gitterkonstante.
Ändert sich einer dieser Faktoren durch äußere Einwirkung wie Temperaturschwankungen oder Dehnung der Faser, verändert sich auch die Bragg-Wellenlänge. Dieses Prinzip lässt sich in verschiedenen Sensoren einsetzen, um zum Beispiel die Beschleunigung oder Dehnung der Rotorblätter zu messen. So kann man dann auf Scher- und Torsionskräfte schließen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf die Anlage wirken.
Mit geringem Aufwand können diese Sensoren auch in bestehenden Anlagen montiert werden. Im Unterschied zur konventionellen elektrischen Sensorik ist die Fasertechnologie unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern. Dadurch ist es erst möglich, diese Sensorik an den entscheidenden Messstellen in Rotorblättern trotz der Blitzschlaggefahr zu verwenden. Des Weiteren ist die FBG Anwendung erheblich robuster als elektrische Sensorbauteile, die dem gewaltigen dynamischen Lastzyklenkollektiv nicht gewachsen sind.
Intelligente Steuerungstechnik
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Echter Mehrwert entsteht aus den erfassten Daten der Sensoren allerdings erst durch komplexe, selbstlernende Algorithmen. Diese digitale Technik verwandelt die Windkraftanlage auf Basis der Messdaten in einen intelligenten Stromerzeuger.
Dazu befindet sich in jeder Turbine ein Industrie-PC – ein sogenannter Thin-Edge-Client. Im Sinne der Industrie 4.0 sind die einzelnen Rechner über das Industrial Internet of Things (IIoT) miteinander vernetzt. Dadurch hat der Windparkbetreiber immer die Übersicht über Leistung und Betriebszustand jeder einzelnen Anlage. Gleichzeitig kann er die Werte des gesamten Parks im Blick behalten. Die gesammelten Daten werden kontinuierlich von einer künstlichen Intelligenz erfasst und ausgewertet.
Die selbstlernende Analysesoftware ist zunehmend in der Lage, die Rotoren der einzelnen Windräder so auszurichten, dass der gesamte Windpark stets optimale Leistung bringt. fos4X geht davon aus, dass sich auf diese Weise der Wirkungsgrad in der Windenergiebranche maßgeblich erhöhen lässt. Das fos4X Lastmesssystem liefert zuverlässige Daten, um Rotoren zu vergrößern und dadurch in den gleichen Windklassen 15-20% mehr Energieproduktion erzielen zu können.
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