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Das Mini-Kraftwerk für Windkraft-Sensoren

Windkraftanlagen sollen in Zukunft mit zahlreichen Sensoren ausgestattet werden. An der TU Wien wurde nun ein Energy Harvester entwickelt, der sie mit Strom versorgen kann.

Ein Windrad an einem blauen Gewässer. Links oben das TU Wien Logo, rechts oben das Ventus-Logo.

Levenmouth Demonstration Turbine

Nächster Schritt für Ventus: Die TripleCMAS-Technologie wird in der Levenmouth Demonstration Turbine von ORE Catapult installiert. (Bild: ORE Catapult / TU Wien)

Nächster Schritt für Ventus: Die TripleCMAS-Technologie wird in der Levenmouth Demonstration Turbine von ORE Catapult installiert. (Bild: ORE Catapult / TU Wien)

Auf den ersten Blick klingt es verwunderlich: Warum sollte man gerade auf einer Windkraftanlage Probleme mit der Stromversorgung haben? In Zukunft sollen Windkraftanlagen mit zahlreichen Sensoren ausgestattet werden, um kontinuierlich den Betriebszustand der Anlage zu überwachen und Wartungsintervalle zu optimieren. Dabei spielen Sensoren in den Rotorblättern eine entscheidende Rolle. Diese zuverlässig mit Energie zu versorgen ist allerdings eine Herausforderung. Eine elegante Lösung für dieses Problem wurde nun an der TU Wien entwickelt, in Kooperation mit der Wiener Windkraft-Firma Ventus Engineering GmbH, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster: Ein kleiner Energy Harvester, der direkt im Rotorblatt eingebaut wird, erzeugt den nötigen Strom. Es ist ein Mini-Kraftwerk, das auf dem großen Kraftwerk sitzt.

Wie kommt der Strom zum Sensor?

Die Größe von Windkraftanlagen ist in den letzten Jahren gestiegen. Damit wird es auch immer wichtiger, für optimale Produktionsleistung und Ausfallssicherheit zu sorgen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die richtige Ausrichtung des Rotors. Um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten, braucht man zuverlässige Sensordaten. 

„Sensortechnik spielt bei Windkraftanlagen eine immer größere Rolle – und dieser Trend wird sich in Zukunft weiter fortsetzen“, sagt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. „Viele verschiedene Messwerte sind nötig, um die Leistung zu optimieren, um zu erkennen, ob die Anlage gewartet werden muss, oder auch um bestimmte Ereignisse wie etwa einen Blitzschlag zu erfassen. Man misst daher etwa die Windrichtung, die Vibrationen der Rotorblätter, die mechanische Belastung oder auch das Ausmaß der Korrosion.“

Rotierende Bauteile mit Strom zu versorgen, ist immer schwierig. Eine Verkabelung ist kompliziert, daher werden Sensoren normalerweise mit Batterien ausgestattet. Wenn man viele Windräder mit vielen verschiedenen Sensoren betreibt, wird es allerdings sehr aufwändig, die Batterien regelmäßig auszutauschen. Außerdem arbeiten sie auch nur in einem beschränkten Temperaturbereich zuverlässig. Daher werden neue Konzepte benötigt.

„Die beste Lösung ist, die nötige elektrische Energie in einem eigenen kleinen Modul direkt vor Ort zu erzeugen – genau wie beim Sensor, wo der Strom auch benötigt wird“, sagt Matthias Schlögl, Dissertant im Forschungsprojekt mit der Fa. Ventus Engineering GmbH.

Energie durch Hinunterfallen

Die Energie dafür kommt aus der Rotationsbewegung und der Schwerkraft: In einer Röhre befindet sich ein Magnet, der bei jeder Umdrehung von einer Seite zu anderen fällt – und wieder zurück. Dabei bewegt er sich durch verschiedene Spulenelemente, die aus der Bewegung des Magneten elektrische Energie gewinnen.

Innovationspreis

Dieses Konzept wurde, mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien, bereits zum Patent angemeldet. Es ist ein wichtiger Teil des TripleCMAS-Sensorsystems, das – im Rahmen eines gemeinsamen, von der FFG kofinanzierten Forschungsprojekts – von der TU Wien und Ventus Engineering GmbH entwickelt wird. Das TripleCMAS-System gewann nun die „Sensors Innovation Challenge“, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, veranstaltet vom britischen Industrie-Förderprogramm „ORE Catapult“, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster und Siemens Gamesa Renewable Energy, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, bei der es speziell darum ging, wie Windturbinen mit innovativer Sensortechnologie überwacht werden können. Die Jury wies dabei explizit darauf hin, dass diese Technologie klare Vorteile gegenüber bisher verfügbaren Varianten aufweist.

Mehr dazu auf der Webseite der VENTUS Group, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Kontakt

Prof. Ulrich Schmid
Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme
Technische Universität Wien
T +43-1-58801-36689