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IAPG: Projekte

Projekt „WindScan - Messung und Modellierung des aeroelastischen Verhaltens von horizontalen Windkraftrotoren im laufenden Betrieb durch Laserscanning und Photogrammetrie“

Projekt von Thomas Luhmann, Martina Große-Schwiep und Johannes Piechel

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Gruppenfoto bei einer Messung an einer Windenergieanlage

Projektbeschreibung

Die weltweite Nutzung regenerativer Energieformen ist eine der zentralen Zukunftsfragen in Bezug auf Klimafolgen und Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen. Die Windenergie hat hierbei einen großen Stellenwert. Das Design der Windkraftanlagen – insbesondere der Rotorblätter – wird ständig optimiert, wobei die Anforderungen an die Aerodynamik und Materialbeanspruchung steigen. Die Qualitätskontrolle spielt sowohl in der Produktion als auch im laufenden Betrieb eine wesentliche Rolle.

Ziel des Projektes WindScan ist die Entwicklung eines Verfahrens zur berührungslosen Messung von aeroelastischen Formparametern rotierender Windenergieanlagen basierend auf Photogrammetrie und Laserscanning. Die drehenden Rotorblätter werden dabei zeitsynchron mit mehreren terrestrischen Laserscannern und Digitalkameras beobachtet, ohne dass die Anlage vorübergehend angehalten und signalisiert werden muss.

FreiheitsgeradeWEA.png

Freiheitsgrade einer Windenergieanlage [nach Hau 2008]

Hau, Erich: Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 2008

Um die einzelnen Formparameter zu ermitteln, müssen zum gleichen Zeitpunkt verschiedene Freiheitsgrade (siehe Abbildung oben) der Windenergieanlage erfasst werden. Für die Bestimmung der Torsion des Rotorblattes werden mehrere Laserscanner eingesetzt. Dabei erfolgt eine Kombination von einem 3D- und einem 1D-Scan für die Orientierung der Scanner und für die Aufnahme von Profilen am Rotorblatt. Bei diesem werden der Vertikal- und Horizontalwinkel festgesetzt, so dass lediglich die Streckenmessung mit einer Messfrequenz von bis zu 1 Mio. Hz erfolgt. Die Synchronisierung der Scanner wird mittels GPS-Modulen sichergestellt. Somit erhält jeder Messwert einen Zeitstempel.

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Aufstellung der Laserscanner an einer Windenergieanlage

Die Beobachung der Gondelbewegung erfolgt mit einer Kamera

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Erfasste Rotorblattprofile von zwei Scannern im 1D-Modus - bei Sekunde 50 setzt die Drehung der Gondel ein.

profilScanner31.JPG profilScanner1Mio.JPG

Erfasste Punktwolke des Laserscanners,

die einen Durchlauf des Rotorblattes bei 31.000 Hz darstellt

Erfasste Punktwolke des Laserscanners,

die einen Durchlauf des Rotorblattes bei 1 Mio. Hz darstellt

Um weitere Bewegungen der Windenergieanlage zu ermitteln, wird mit einer Kamera die Gondel beobachtet. Für den zeitlichen Bezug wird auch hier mit einem GPS-Modul gearbeitet. Mittels eines Trackings markanter Punkte werden die Bewegungen der Gondel bestimmt, um diese bei den Laserscandaten zu berücksichtigen.

In der folgenden Animation werden die aufgenommen Daten der Kamera (oben) mit den getrackten Punkten (grüne Kreise) dargestellt. Daraus kann der Winkel berechnet werden, um den sich die Gondel gedreht hat (Mitte). Die Ergebnisse können anschließend bei den Daten des Laserscanners (unten) berücksichtigt werden.

DatenKamScan.gif

Auswirkung der Gondeldrehung auf die Laserscanning-Daten

Um die gemessenen Profile in das Koordinatensystem der Nabe zu transformieren, wird vorab ein 3D-Scan der Gondel vorgenommen. In der folgenden Abbildung (links) ist die Punktwolke eines Scans der Gondel dargestellt, in der Abbildung (rechts) ist diese überlagert mit dem CAD-Modell, die Berechnung erfolgte mit Geomagic Qualify 2012.

IntensitaesbildScanGondel.png GondelCadPkt.png

Punktwolke des 3D-Scans der Gondel (Streifen sind Treffer an Rotorblättern)

Punktwolke des 3D-Scans (rot) zusammen mit dem CAD-Modell (gelb)

Als Ergebnis liegen die Profile im Koordinatensystem der Nabe vor. Aus mindestens zwei Profilen kann die Torsion berechnet werden, indem das CAD-Modell der Rotorblätter dort eingepasst wird.

ProfileCAD.gif

Profile im CAD Modell (Vorderansicht) - links im Bild ist der Turm sowie die Gondel angedeutet, ebenso die Position der Profile auf dem Rotorblatt

Ein nächster Schritt im Projekt besteht in der Ableitung von Profilen aus den Daten, die im 3D-Modus des Scanners aufgezeichnet werden. Die Berechnung wird dadurch komplexer und weitere Sensoren müssen eingesetzt werden. Somit ist es jedoch möglich, eine Vielzahl von weiteren Verformungen am Rotorblatt zeitabhängig zu erfassen.

Profile3D-Scan.png

Punktwolke des 3D-Scans von der Gondel - die einzelnen Profile sind erkennbar (teilweise in rot hervorgehoben)

DatenKamScan.gif

 

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