Institut für Energietechnik (IET)
OST

AeroSense - ein innovatives MEMS-basiertes Messsystem
für Windenergieanlagen

Am 1. Mai hat das dreijährige Projekt AeroSense der Windenergiegruppe am Institut für Energietechnik IET gestartet. Mit dem Projekt soll erstmalig ein MEMS [1] -basiertes Oberflächendruck- und Akustik-Messsystem für Rotorblätter von laufenden Windenergieanlagen entwickelt werden. Durch den weltweit steigenden Einsatz von Windenergieanlagen besteht ein zunehmender Bedarf an kostengünstigen Überwachungs- und Datenanalyselösungen, um das komplexe aerodynamische und akustische Verhalten der Blätter zu verstehen. Dank dem neuartigen Messsystem für Windenergieanlagen kann danach sowohl die Leistung verbessert sowie die Betriebskosten gesenkt werden.

Projektförderung durch das BRIDGE-Discovery-Programm

AeroSense wird durch das "BRIDGE Discovery"-Programm des Schweizer Nationalfonds (SNF) finanziert. Das Förderungsangebot "BRIDGE Discovery" vergibt Beiträge an erfahrene Forschende, die gleichzeitig an Grundlagenforschung und angewandter Forschung arbeiten, um das Innovationspotenzial von Forschungsresultaten umzusetzen. Genau das ist das Ziel von AeroSense, welches unter Einbezug von sieben Forschenden zweier Hochschulen durchgeführt wird: drei von der HSR, zwei vom Integrated Systems Laboratory (Prof. Luca Benini) und zwei von der Structural Mechanics and Monitoring Group (Prof. Eleni Chatzi) der ETH Zürich.

Fehlendes Messsystem für Windenergieanlagen in Betrieb

Die Idee für das Projekt entstand im Jahr 2016, als Sarah Barber das Anwendungszentrum für Windenergie-Feldmessungen am Fraunhofer IWES geleitete. Im Rahmen eines Forschungsprojektes Smart Blades II sollten das aerodynamische und akustische Verhalten von neuartigen Rotorblättern untersucht werden. Leider konnten die relevanten Eigenschaften nicht im Feld gemessen werden, da kein passendes kommerzielles System für Anwendung an laufenden Windenergieanlagen gefunden werden konnte. Seitdem verfolgt Sarah Barber die Vision, ein solches System zu entwickeln und schlussendlich zu kommerzialisieren. Nach ihrem Wechsel zur HSR im Jahr 2017 haben sie und ihr Team eine erste Machbarkeitsstudie durchgeführt und daraufhin das Konsortium für ein BRIDGE-Discovery-Projekt zusammengestellt.

Neuartige Überwachung von Rotorblättern

Das Ziel dieses Projektes ist es, erstmalig ein MEMS-basiertes Oberflächendruck- und Akustik-Messsystem für Windenergieanlagen zu entwickeln, welches dünn, nicht-intrusiv, robust, modular, energieautark, drahtlos, einfach zu installieren und kostengünstig ist. Das System wird neuartige eingebettete Signalverarbeitungslösungen, gegebenenfalls einschliesslich künstlicher Intelligenz, zur On-Board-Kalibrierung und Korrektur der Messgrössen sowie eine digitale Zwillingsplattform zur effektiven Datennutzung und Wertschöpfung integrieren (Abbildung 1). Sein modularer und skalierbarer Aufbau wird die Überwachung von Windenergieanlagen in einem völlig neuen Massstab ermöglichen. Die Forschungsziele des Projekts sind in Abbildung 2 ersichtlich.

Abbildung 1 Darstellung des Messsystems

Abbildung 2 Forschungsziele


Internationale Zusammenarbeit

Im Rahmen dieses Projekts arbeitet das IET zusammen mit der IEA Wind Task 29 und mehreren internationalen Partnern, darunter folgende Mitglieder des Projektbeirats:

  • Enercon GmbH (Windenergieanlagenhersteller aus Deutschland)
  • GE Renewable Energy (Windenergieanlagenhersteller aus USA)
  • EKZ Renewables (Windparkbesitzer in der Schweiz)
  • Brüel & Kjaer (Sensorhersteller aus Dänemark)
  • Fraunhofer IWES (Forschungsinstitut aus Deutschland)
  • TU Delft (Universität aus den Niederlanden)
  • TNO ECN (Forschungsinstitut aus den Niederlanden)
  • NREL (Forschungsinstitut aus USA)
  • Dänische Technische Universität (Universität aus Dänemark

 


Autorin: Dr. -Ing. Sarah Barber

Sarah Barber leitet seit 2018 die Windenergiegruppe Windenergie@HSR am IET. Sie ist promovierte Ingenieurin (Universität Sheffield, Universität Cambridge und MIT) mit langjähriger internationaler Erfahrung als Führungskraft in der Forschung (ETH Zürich, Fraunhofer IWES), in der Lehre (ETH Zürich, Hochschule Bremerhaven) und in der Industrie (BKW FMB AG, Agile Wind Power AG) im Bereich der Windenergie. Sie ist auch selbstständig (www.windspire.ch) und Lehrbeauftragte an der Universität Kassel (Windenergiemaster), an der Universität Oldenburg (Windstudium), an der Hochschule St. Gallen (REM-HSG) und an der Fachhochschule Graubünden (MAS Energiewirtschaft).

25.05.2020

[1] MEMS: micro-electro-mechanical systems = Mikrosysteme mit Komponentengrössen im Mikrometerbereich