Lichtbasierte Zukunft der Getriebeüberwachung bei Windkraftanlagen
Unser System lässt Echtzeiteinblicke in die Getriebeleistung zu und löst somit wichtige Probleme dieses Industriezweigs, wobei es um die mangelnde Transparenz hinsichtlich der tatsächlichen Lasten, unerwartete Ausfälle und suboptimale Betriebsabläufe in Windparks geht.
Eric van Genuchten, Projektkoordinator von GearUp
Getriebe von Windkraftanlagen sind wichtige Komponenten, die die langsam laufenden Rotorblätter einer Windturbine mit dem schnell laufenden Generator verbinden und somit eine effiziente Stromerzeugung ermöglichen. Durch Erhöhung der Drehzahl der Rotorblätter sorgt das Getriebe dafür, dass der Generator in optimalen Leistungsbereichen arbeitet. Verschiedene Faktoren wie schwankende Turbinenlasten und Umweltbelastungen können jedoch unerwartete Ineffizienzen oder Ausfälle bei Getrieben nach sich ziehen. Diese Getriebe zu überwachen ist unerlässlich, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, Ausfallzeiten zu verringern und die Energieerzeugung zu optimieren. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird im Rahmen des Projekts GearUp(öffnet in neuem Fenster) ein photonikbasiertes System zur Überwachung von Getriebelast und Drehmoment entwickelt. Diese innovative Lösung wurde mithilfe eines Gemeinschaftsunternehmens zwischen Sensing360(öffnet in neuem Fenster) und Sentea(öffnet in neuem Fenster) entwickelt und von der EU über Horizont Europa(öffnet in neuem Fenster) , RVO(öffnet in neuem Fenster) und VLAIO(öffnet in neuem Fenster) finanziert. Sie unterstützt den gesamten Windkraftanlagenlebenszyklus von der Entwurfsvalidierung bis zum Betrieb des Windparks. „Unser System lässt Echtzeiteinblicke in die Getriebeleistung zu und löst somit wichtige Probleme dieses Industriezweigs, wobei es um die mangelnde Transparenz hinsichtlich der tatsächlichen Lasten, unerwartete Ausfälle und suboptimale Betriebsabläufe in Windparks geht“, berichtet Projektkoordinator Eric van Genuchten.
Getriebezustand in Echtzeit „beleuchten“
Das GearUp-System besteht aus einem integrierten photonischen Chip mit einer eingebetteten Steuereinheit (Abfrageeinrichtung), die die vom Chip gesammelten Daten (wie Last, Drehmoment) verarbeitet. Dank dieses Aufbaus können mit dem System äußerst präzise und schnelle Messungen durchgeführt werden. Insbesondere kann es Veränderungen im Getriebe mit einer Frequenz von 20 kHz für jeden verwendeten Fasersensor messen. Die Genauigkeit dieser Messungen ist unglaublich hoch und liegt bei bis zu einem Pikometer, sodass selbst winzigste Veränderungen der Last oder des Drehmoments des Getriebes in Echtzeit erfasst werden können. Das System arbeitet unter Einsatz eines besonderen Sensortyps: eines Faser-Bragg-Gitters. „Diese winzigen, in die Faser eingebetteten optischen Sensoren werden direkt um das Getriebe herum angebracht, um Dehnung und Temperatur zu messen“, erklärt van Genuchten. „Wenn sich die Last oder die Beanspruchung des Getriebes ändert, verändert sich auch das durch die Faser ausbreitende Licht geringfügig. Die photonische Abfrageeinrichtung erkennt diese Lichtveränderungen mit hohen Abtastraten und wandelt sie in nützliche Daten um, beispielsweise wie viel Drehmoment oder Last auf das Getriebe wirkt, wie gut die Last verteilt ist und sogar die Drehzahl und Betriebstemperatur des Getriebes“, erläutert van Genuchten. „Resultat ist ein einfaches Allzwecksensorsystem, das leicht installierbar ist und reale physische Vorgänge in verwertbare digitale Daten umwandeln kann. Da die Signale optisch sind, ist das System immun gegenüber elektromagnetischen Störungen und Blitzen, was ein großer Vorteil bei Windkraftanlagen ist, die in schwierigen Umgebungen betrieben werden“, fügt van Genuchten hinzu.
Geringere Reparaturkosten, höhere Energieausbeute
Diese Technologie bringt dem Windenergiesektor erhebliche Vorteile. „Anhand der Überwachung von Drehmoment, Last und Planetengetriebe-Lastverteilungsindikatoren kann das System potenzielle Probleme erkennen, noch bevor sie eskalieren. So können beispielsweise die Kosten für eine größere Getriebereparatur in Höhe von 500 000 EUR dadurch gesenkt werden, dass eine kleinere Reparatur im Wert von 250 000 EUR erfolgt“, kommentiert van Genuchten. Das System liefert außerdem genaue Echtzeitdaten über die tatsächliche Last, was eine bessere turbineninterne Steuerung und einen Lastausgleich innerhalb des gesamten Windparks ermöglicht. Damit kann die Lebensdauer der Windkraftanlagen um 10-20 % verlängert und die Energieerzeugung auf Windparkebene um bis zu 7 % gesteigert werden. GearUp und seine erste industrielle Photonikanwendung bei Windkraftanlagengetrieben stehen für optimierte Getriebekonstruktion, Validierung, Inbetriebnahme, optimiertes Wartungsmanagement und optimierten Windparkbetrieb. Das auf Kosteneffizienz ausgelegte System weist einen angestrebten Verkaufspreis von 5 000 EUR auf und ist somit einer weitverbreiteten Anwendung zugänglich. Nach Projektabschluss werden in den nächsten Monaten die CE- und PLC-Zertifizierungen beantragt. Neben dem Windenergiesektor verfügt das GearUp-System über ein erhebliches Marktpotenzial in Industriebereichen wie der Öl- und Gasindustrie, der Schifffahrt, der Automobilindustrie und dem Schwermaschinenbau, wo ähnliche Planetengetriebe und -lager im Einsatz sind. Das Konsortium besteht aus Sensing 360 und Sentea und wird von Horizont Europa, der niederländischen Unternehmensagentur (RVO) und der Agentur für Innovation und Unternehmertum Flandern (VLAIO) kofinanziert.