Radarbasierte Zustandsüberwachung von Windkraftanlagen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der radarbasierten Zustandsüberwachung der Rotorblätter von Windkraftanlagen (WKA) im laufenden Betrieb.

Aeroelastische Effekte führen zu axialen Biegeschwingungen der Rotorblätter. Die auftretenden Schwingungsmoden und -amplituden geben Rückschlüsse über den strukturellen Zustand der Blätter. Radar wird zur Messung bisher nicht eingesetzt. Forschungsarbeiten beschränken sich ausschließlich auf Messungen vom Boden, oder vom Turm der Anlage aus. Der im Rahmen dieser Arbeit entstandene Sensordemonstrator ist nach aktuellem Stand der erste vom Maschinenhaus aus arbeitende Sensor. Die Arbeit umfasst die Konzeptphase bis zum Test des Sensors unter realen Bedingungen.

Unter Beachtung der Designrichtlinien für Rotorblätter und einer durchgeführten Schwingungsanalyse, werden zunächst die Anforderungen an den Sensor definiert. Neben der nötigen Leistungsfähigkeit (insbesondere Orts- und Frequenzauflösung) müssen die Kosteneffizienz, die Flexibilität und die Robustheit besonders beachtet werden. Das darauf ausgelegte Sensorkonzept beruht auf einem multistatischen frequenzmodulierten Radar im 24 GHz ISM (engl. Industrial, Scientific and Medical) Frequenzband. Der Sensor wird am hinteren Ende des Maschinenhauses montiert und schräg nach oben gerichtet. Auf diese Weise können die vorbeilaufenden Rotorblätter mit einer Ortsauflösung von unter einem Meter erfasst werden. Die Messung der axialen Auslenkung erfolgt durch interferometrische Datenauswertung. Die nötige Phasenkohärenz und deren Sicherstellung wird detailliert behandelt.

Die Arbeit umfasst alle Komponenten des Sensors, d.h. der Hochfrequenz-, Basisband- und Steuerelektronik, deren Synchronisation, sowie die interferometrische Signalverarbeitung. Besonderes Augenmerk wird den entworfenen dielektrischen Antennen- und Speisestrukturen gewidmet. Praktische Untersuchungen unter Laborbedingungen und ein Feldtest auf einer repräsentativen WKA unter normalen Betriebsbedingungen schließen die Arbeit ab.