Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFMethodensynthese aus Radar- und Referenzsensorik zur Detektion von Schäden
InsituWIND – Strukturüberwachung an Offshore-Windenergieanlagen
Im Forschungsprojekt InsituWIND werden kombinierte Methoden zur Strukturüberwachung der Grout-Verbindung an Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) erforscht und entwickelt, um die Sicherheit und Langlebigkeit der OWEA zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird in dem Projekt erstmalig eine Methodensynthese aus Radar- und Referenzsensorik eingesetzt, damit bisher nicht detektierbare Schäden an der Grout-Verbindung mittels einer automatisierten Erkennung identifiziert werden können. Die Methoden werden an einer 3,6 MW OWEA im Windpark Meerwind Süd/Ost und an einem Demonstrator in den Laboren des Fraunhofer LBF angewendet.
Schematischer Aufbau der Grout-Verbindung an einer OWEA.
Die Grout-Verbindung an einer Offshore-Windenergieanlage
Der Aufbau der Grout-Verbindung bei OWEA besteht aus einem mit Hochleistungsbeton gefüllten Raum zwischen zwei aufeinander gestülpten Stahlbauteilen (z.B. einem in den Meeresboden gerammten Pfahl und einer Tragstruktur für den Turm der OWEA). Im Offshore-Bereich wird dieser Aufbau verbreitet eingesetzt und ist dadurch rauen Witterungsbedingungen und hohen dynamischen Lasten durch Wind und Wellen ausgesetzt. Dies kann zu Verschleiß und Schädigung führen und damit die Lebensdauer der Anlagen reduzieren. Um die Strukturintegrität der hoch-beanspruchten Grout-Verbindung dauerhaft sicherzustellen und Wartungsmaßnahmen gezielt einzuleiten, sind Sensorsysteme von großer Bedeutung, die im Betrieb den Strukturzustand mit einem hohen Automatisierungsgrad bewerten. Dies gilt besonders für kleine Schäden (z.B. Risse und Ausspülung), die bisher nicht in vollem Umfang detektierbar sind.
Sensorsysteme und Algorithmen zur Strukturüberwachung
Im Rahmen von InsituWIND wird erstmalig eine Methodensynthese aus Radar- und Referenzsensorik für eine neuartige Strukturüberwachung der Grout-Verbindung von OWEA kombiniert. Zu diesem Zweck werden Radarantennen direkt auf der Betonstruktur der Grout-Verbindung appliziert, um mittels geführter elektromagnetischer Wellen und Referenzzuständen, die typischen Schäden (z.B. Risse und Ausspülungen) schon zu einem frühen Zeitpunkt zu detektieren. Die Referenzsensorik (Mikrofone, Beschleunigungssensoren, Dehnungsmesstreifen) wird ergänzend zur Struktur-überwachung der gesamten Anlage, nach normativen Richtlinien und ebenso schwingungsbasierten Strukturdynamikverfahren, verwendet. Ein Hauptaugenmerk bei der Schädigungsbewertung und deren Auswertealgorithmen liegt dabei zudem in der Analyse und Kompensation von veränderlichen Umgebungs- und Betriebseinflüssen, die ggf. zu Fehlinterpretationen von Schäden führen können.
Prüfaufbau am Fraunhofer LBF für die Methodentests an der Grout-Verbindung.
Prüfaufbau am Fraunhofer LBF mit applizierter Radar- und Referenzsensorik.
Methodentests an einer OWEA und im Laborversuch
Die Radar- und Referenzsensorik wurde an einer 3,6 MW OWEA im Windpark Meerwind Süd/Ost und an einem Demonstrator in den Laboren des Fraunhofer LBF appliziert. Für die Erfassung von aussagekräftigen Datensätzen über mehrere Jahre, erfolgte die umfangreiche Installation an der OWEA bereits direkt nach Projektbeginn, um dadurch einen umfassenden Parameterraum von veränderlichen Umgebungs- und Betriebsbedingungen abzudecken. Diese realen Einflussparameter können damit direkt qualitativ und quantitativ in den Ergebnissen bewertet werden und in den Auswertealgorithmen entsprechend Berücksichtigung finden.
Am Fraunhofer LBF wird in Laborversuchen an einem Demonstrator das Verhalten unter definierten Lasten und ohne Umgebungseinflüsse untersucht. Zu diesem Zweck werden Lastprogramme schrittweise, mittels eingeleiteter Axial- und Radialkräfte durch drei Hydraulik-zylinder, bis zum endgültigen Versagen der Grout-Verbindung durchgeführt. Ergänzt wird dies durch Dynamikversuche, mittels eines elektrodynamischen Shakers, zu definierten Zeitpunkten im Lastprogramm. Damit lassen sich die Schadensmechanismen bereits in der Entstehung mittels der referenzierten Radartechnik nachvollziehen und der Einfluss auf die Strukturdynamik und -integrität bewerten.
Förderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz