Luisteren naar schade aan windturbines

Het onderhoud van windturbines en het opsporen van mogelijke kwetsbaarheden is duur en tijdrovend, vooral wanneer ze zich offshore bevinden. Als gevolg daarvan worden rotorbladen vaak gewoon vervangen, een kostbaar proces, wanneer er slechts een vermoeden van schade bestaat. Het Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS heeft in samenwerking met het Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES een oplossing ontwikkeld waarmee scheuren en breuken in de bladen van windturbines op afstand in een vroeg stadium kunnen worden opgespoord.

Scheuren, breuken en erosie in rotorbladen zijn veelvoorkomende oorzaken van storingen in windturbines. Offshore windparken lopen een bijzonder risico, omdat ze worden blootgesteld aan uitzonderlijk sterke wind, regen en andere zware weersomstandigheden op zee. Omdat windturbines moeilijk toegankelijk zijn, zijn inspecties kostbaar en tijdrovend. Daarom worden rotorbladen soms gewoon vervangen wanneer er slechts een vermoeden van schade bestaat. De kosten kunnen oplopen tot ruim 200.000 euro per blad per incident.

Structuurgeluidssensoren in windturbines

Een afdeling van Fraunhofer IIS werkt samen met Fraunhofer IWES aan een oplossing: “Ons doel is om met behulp van akoestische emissiesensoren schade aan rotorbladen op afstand betrouwbaar te monitoren, zodat windturbines beschikbaar blijven en niet uitvallen”, zegt Björn Zeugmann, groepsmanager bij Fraunhofer IIS op het gebied van analoog geïntegreerd circuitontwerp, over de doelstellingen van het project.

Speciale chip

Daartoe hebben hij en zijn collega’s samen een speciale chip ontwikkeld die in de sensoren wordt gebruikt. De sensoren, die aan de binnenkant op de afzonderlijke rotorbladen zijn bevestigd, absorberen geluidsgolven die door de structuur van de bladen reizen. Een uitdaging is dat het materiaal, in tegenstelling tot bijvoorbeeld een stalen balk, niet homogeen is. Rotorbladen bestaan namelijk uit verschillende lagen. De nieuw ontwikkelde chip vangt signalen op die bekend staan als oppervlaktegolven, die ontstaan bij schade zoals een scheur. Vervolgens verzendt hij deze signalen, bijvoorbeeld via mobiele communicatie.

Afwijkende informatie

Wat deze techniek zo bijzonder maakt, is dat in tegenstelling tot conventionele meetsystemen zoals radarsystemen of drones die alle ruwe gegevens verzamelen en verzenden, de nieuwe chip van de onderzoekers uit Dresden alleen afwijkende informatie doorgeeft: “We gebruiken een akoestisch systeem dat schade aan de windturbines detecteert op basis van de geluiden die het maakt, zodat het bijvoorbeeld het verschil kan zien tussen een scheur die zich in het rotorblad vormt en een breuk”, legt Zeugmann uit.

Karakteristieke kenmerken

Fraunhofer IWES heeft deze akoestische oplossing in een eerder project ontwikkeld. Door karakteristieke kenmerken te extraheren, kan het datavolume aanzienlijk worden verminderd, zodat het überhaupt via een mobiel netwerk kan worden verzonden. “Onze chip luistert altijd, wat betekent dat hij in het ideale geval informatie over mogelijke schade vanuit het rotorblad zelf kan classificeren en verzenden.”

Monitoring windturbines

In de toekomst moet dit het mogelijk maken om ten eerste vast te stellen of er daadwerkelijk schade is opgetreden en of de windturbine in het ergste geval moet worden stilgelegd. Ten tweede zal het ook helpen om het aantal onnodige onderhoudsmissies naar moeilijk bereikbare offshore windparken te verminderen en het onderhoud te optimaliseren, omdat schade over een langere periode kan worden gemonitord. Als de schade erger wordt en geluid produceert, wordt het geluid gedetecteerd, zodat technici een gerichte inspectie kunnen uitvoeren en het probleem indien nodig kunnen repareren.

Kleine en energiezuinige oplossing

In vergelijking met bestaande meetmethoden is de nieuwe oplossing kleiner en energiezuiniger en verbruikt deze aanzienlijk minder data, omdat er kleinere datapakketten worden verzonden. Dit betekent dat er ook geen breedbandinternetverbinding nodig is om relevante informatie van de windparken naar het vasteland te verzenden.

Uitbreiden systeem

In twee eerdere projecten hebben Fraunhofer IIS en Fraunhofer IWES al samengewerkt om een eerste prototype van de chip te ontwikkelen die kan worden gebruikt om schade op te sporen. Het vervolgproject, dat nu loopt, is op 1 juni van start gegaan. In het project zijn de onderzoekers van plan om het totale systeem uit te breiden, zodat het in de toekomst ook blikseminslagen – en de mogelijke gevolgen daarvan – kan detecteren. Tot nu toe was dit niet mogelijk, maar vooral voor offshore windparken is deze aanvullende informatie van cruciaal belang.

Waarde creëren

Zeugmann is verheugd over hoe ver de nieuwe technologie is gekomen: “Ik vind het fascinerend om te werken in een toekomstgericht vakgebied als de energietransitie en op die manier waarde te creëren voor de samenleving.”

Foto: Fraunhofer IWES/Gerrit Wolken-Möhlmann

Lees ook: AI-systeem ontwikkeld om defecten bij windturbines vroegtijdig te voorspellen