Distante Vibrationsmessung von Windenergieanlagen im Betrieb (WEALyR)

Das Trackingsystem basiert auf einer stationären Kamera, die den Rotor formatfüllend erfasst. Als erster Schritt muss im Bild dieser Kamera das Windrad vom Hintergrund getrennt werden. Dies erfolgt im Wesentlichen durch die Differenzbildung aufeinanderfolgender Bilder im Videostrom. Stationäre und somit in zwei Bildern identische Elemente löschen sich aus, übrig bleiben bewegte Objekte wie die Rotorblätter.

Im zweiten Schritt werden die Rotorblattspitzen detektiert und daraus der Bewegungsablauf des Rotors im Raum ermittelt. Die gesamte Bildverarbeitung muss in Echtzeit ablaufen. Aufgrund der unvermeidbaren Latenzzeiten der Datenverarbeitung und des Regelungssystems für die SNK-Steuerung, muss die Rotorblattposition für ein kleines Zeitintervall in die Zukunft vorausgesagt werden. Dazu wird anhand der detektierten Rotorblattbewegungen im Rechner ein dynamisches 3D-Modell des Windrads aufgebaut und kontinuierlich aktualisiert. Die Projektion des 3D-Modells auf die Detektorebene ergibt die benötigten Azimut- und Elevationswinkel zur Ansteuerung des SNK.

Zusätzlich wird im Kamerabild der Laserfleck des Vibrometers detektiert und seine Ist-Position mit der gewünschten Soll-Position verglichen. Die Abweichung fließt als Korrektur in die Regelung des SNK ein und kompensiert u. a. leichte Verzerrungen durch die Kameraoptik, Parallaxenfehler und schwer auszugleichende Trägheits- und Drehmomente des Aufbaus.

Um die Detektion des Messlaserflecks des Vibrometers zu ermöglichen, kommt für das Trackingverfahren eine SWIR-Kamera zum Einsatz (SWIR = Short Wave Infra Red, kurzwelliges Infrarot). Passende optische Filter (Bandpass) sorgen für ein ausgeglichenes Kontrastverhältnis zwischen Laser- und Umgebungshelligkeit im Bild, sodass Laserfleck und Rotorblätter gleichermaßen detektiert werden können.

Der so genannte Doppler-Effekt beschreibt die geschwindigkeitsabhängige Frequenzverschiebung einer Lichtwelle, wenn sie von einem relativ zum Beobachter bewegten Objekt ausgesandt oder reflektiert wird. Ein Laser-Doppler-Vibrometer nutzt diesen Effekt, indem es die Frequenz seines ausgesandten Laserstrahls mit dem Licht vergleicht, das ein zu vermessendes Objekt zurückstreut. Aus der Frequenzverschiebung lässt sich die Relativbewegung zwischen Messgerät und Objekt berechnen.

Eine Vibration ist eine periodische Bewegung und bewirkt somit eine zeitliche Modulation der gemessenen Frequenzverschiebung. Ähnlich wie die Musik beim UKW-Empfang des Radios erhält man die Vibrationsinformation durch eine Demodulation des gemessenen Signalverlaufs.

Kommerzielle Laser-Doppler-Vibrometer besitzen zugunsten der Augensicherheit keine ausreichende Laserleistung für die hier notwendige Messdistanz von mehreren hundert Metern. Daneben können mit solchen Vibrometern keine drehenden Rotorblätter abgescannt werden, denn die Eigenbewegung der Blätter führt zu einer zusätzlichen makroskopischen Doppler-Verschiebung. Nicht nur deren Betrag ist um ein Vielfaches größer als bei den zu messenden Vibrationen, zudem ändern sich ihr Wert und Vorzeichen beständig mit der Drehung des Rotors in hohem Tempo. Damit überschreitet das Signal einerseits die Bandbreite üblicher Empfänger und lässt sich andererseits aufgrund des schnell veränderlichen Frequenzoffsets nicht einfach demodulieren.

Das im Projekt aufgebaute Laser-Doppler-Vibrometer arbeitet bei einer Laserwellenlänge von 1,5 µm. So ist auch eine höhere Ausgangsleistung noch augensicher, die größere Messentfernungen ermöglicht. Zur Behandlung der makroskopischen Doppler-Verschiebung aufgrund der Rotoreigenbewegung werden verschiedene Konzepte genutzt. Bei der ursprünglichen Entwicklung am Laborsystem führte eine elektronische Regelschleife den Frequenzoffset des Empfängers kontinuierlich der Frequenzverschiebung nach, die durch die Messobjektbewegung entsteht. In Feldmessungen an großen WEA kamen A/D-Wandler mit ausreichender Bandbreite für die Aufnahme auch der makroskopischen Frequenzverschiebung zum Einsatz. Eine digitale Signalauswertung ermöglicht anschließend die Trennung und Analyse von Eigenbewegung und Vibrationsinformationen.