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Windrotor-Monitoring: Faserbasierte Sensoren ermöglichen präzise Funktionsvorhersagen

Smart Textiles gelangen nach Bekleidung, Medizintechnik, Architektur und Automotive jetzt in den Energiesektor. Nach Mitteilung des Forschungskuratoriums Textil ebnen zwei erfolgreiche Forschungsprojekte den Weg für den Einsatz textiler Sensorik in Windkraftrotoren, in einem Fall sogar mit Energy-Harvesting-Funktion.

Sensortrassierung im FVK-Rotorblatt Bildquelle: © ITM

Sensortrassierung im FVK-Rotorblatt

Rotorblätter bestehen in der Regel aus glasfaserverstärktem Kunststoff und bei starken Belastungen sowie besonders großen Längen (75 Meter im Offshore-Bereich) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Funktionalisierte Textilien finden in Form integrierter Sensoren, Solarzellen, textiler Schalter oder als teildurchlässige »intelligente« Membranen u.a. Einsatz in vielfältigen Bereichen.

Das Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM der TU Dresden entwickelte eine energietechnische Anwendung in Form einer sensorischen Permanent-Überwachung der Rotoren von Windkraftanlagen. Für das Dauer-Monitoring der schwer zugänglichen Faserverbundblätter nutzten die sächsischen Forscher den sogenannten piezoresistiven Effekt von Carbonfilamenten: Das Material, das bislang vor allem zur Verstärkung dient, ändert seinen elektrischen Widerstand bei auftretenden Belastungen – Zug, Biegung oder Torsion. Funktionsbedrohende Verformungen oder Risse im Material infolge von Materialermüdung oder -verschleiß lassen sich daher mittels integrierter Sensoren sicher registrieren und lokalisieren.

Zugleich wurde im Projekt eine Technologie zur automatisierten, flächigen Integration solcher textilen Dehnungssensoren und Sensornetzwerke in Multiaxialgelegen entwickelt, wie sie zum Aufbau von Rotorblättern in Faserkunststoffverbund-Bauweise standardmäßig eingesetzt werden. Hierzu implementierten die Wissenschaftler ein speziell entwickeltes Modul zur Veränderung des Kettfadenverlaufs in eine handelsübliche MALIMO-Kettenwirkmaschine.

»Die Anlage fügt zweidimensionale Carbon-Sensorstrukturen selbsttätig in nahezu beliebigen Ablagewinkeln in die multiaxial verstärkte Gelegestruktur ein«, erläutert Dr. Andreas Nocke, Forschungsgruppenleiter Mess- und Sensortechnik am ITM. Das erlaube erstmalig die Serienproduktion von funktionsintegrierten textilen Verstärkungshalbzeugen für Leichtbaukomponenten mit kontinuierlicher Strukturüberwachung über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. Dies reduziere die Betriebs- und Bauteilprüfkosten und ermögliche die frühzeitige Erkennung von Defekten, aber auch eine optimierte Bauteilgestaltung. Neben einem Rotorblatt-Demonstrator ging aus dem Projekt zugleich ein Produktmuster für textilbewehrte Membranbauten mit integrierten Sensornetzwerken hervor.

Während die Carbonfilamentgarne aus Dresden als passive Dehnungssensoren fungieren, generieren Piezosensoren des Thüringischen Instituts für Textil- und Kunststoff-Forschung TITK in Rudolstadt als Energiewandler den für die Sensorik benötigten Strom selbst. Die bereits in einem Vorgängervorhaben entwickelte, aus einem Polymer bestehende piezoaktive Faser wurde nun gemeinsam mit Industriepartnern an eine konkrete Anwendung zur Produktion von Windenergie angepasst. Dies geschah im Rahmen eines über das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand des BMWi geförderten Netzwerkprojekts.

»Als `Single´ oder im Faserbündel produziert sie bei mechanischer Belastung Strom, der als Messwert abgenommen werden kann«, erklärt Christian Döbel, Leiter der TITK-Forschungsgruppe POLYTRONIC, das Wirkprinzip: »Die flexible Faser kann sowohl in Verbundwerkstoffen zur Ultraschall-Selbstdiagnose als auch in Textilien z. B. als Bewegungssensor integriert werden.« Ebenso wie die Dresdner Faser ermöglichten die Filamente die dauerhafte Überwachung und verlässliche Versagensvorhersagen auch für größere Leichtbau-Komponenten. Eine entsprechend ausgerüstete Windenergie-Anlage sei als Prototyp in Planung. »Weitere Unternehmen aus der Windenergiebranche sind willkommen, sich an diesem Projekt zu beteiligen.«