Institut für Energietechnik (IET)
OST

"Evaluierung der Drucksensoren für das Aerosense-Messsystem"

Im Herbstsemester 2020 hat Justin Lydement seine Masterarbeit zum Thema "Evaluierung der Drucksensoren für das Aerosense-Messsystem" in der Windenergie-Gruppe des Instituts für Energietechnik (IET) absolviert. Dieses Messsystem wird im Rahmen des dreijährigen Projektes , welches im Mai 2020 gestartet hat, entwickelt. In diesem 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.

Im Rahmen der der Masterarbeit wurden verschiedene MEMS-Sensoren durch eine Messkampagne an einem aerodynamischen Flügelmodell in einem Windkanal der ETH Zürich (ETHZ) miteinander verglichen und evaluiert. Zuerst wurde ein geeignetes Flügelprofil für die Versuche ausgewählt und ein Modell davon gebaut. Anschliessend wurde das Datenerfassungssystem ausgelegt, getestet und aufgebaut. Am Schluss wurden die Messungen durchgeführt und die Messergebnisse ausgewertet.

Auslegung und Bau des Flügelmodells

Für diese Arbeit wurde aufgrund der einfachen Bauweise ein symmetrisches NACA0018-Flügelprofil ausgewählt. Die Anforderungen an die Geometrie und die Struktur des Flügelmodells wurden durch die Dimensionen und die maximale Windgeschwindigkeit des ETHZ-Windkanals vorgegeben. Das Flügelmodell wurde in einer modularen Bauweise 3D-gedruckt und mit einer tragenden zylindrischen Struktur aus Stahl durch die Mitte des Profils verstärkt (Abbildung 1), um grosse Auslenkungen des Flügelmodells im Windkanal zu verhindern. Eine innovative, modulare Konstruktion hat den schnellen Auf- und Umbau vor und zwischen den verschiedenen Messreihen ermöglicht.

Ausserdem musste ein herkömmliches Druckmesssystem in das Flügelmodell eingebaut werden, um Vergleichswerte für die Druckmessungen mit dem Aerosense-System zu erzeugen. Dieses Messsystem bestand aus 41 bündig montierten Drucksensoren mit Messingrohren mit einem Innendurchmesser von 0.9 mm (Abbildung 2). Es gab 20 Messpunkte auf jeder Seite des Flügelprofils mit der gleichen Verteilung und einen Punkt direkt an der Vorderkante. Die Verteilung der Sensoren konzentrierte sich um die Vorderkante, wo die grössten Druckgradienten zu erwarten sind. Jedes Messingrohr wurde über einen 1.5 m langen Silikonschlauch mit einem Druckscanner verbunden. Die Schläuche wurden in das 3D-gedruckte Flügelmodell eingebaut.

Da das Aerosense-System nicht direkt in das Rotorblatt eingebaut sondern darauf geklebt wird, muss das ganze Messsystem in ein Gehäuse eingebaut werden. Dies verhindert, dass die Sensoren in die Luft herausragen und die Strömung beeinflussen. Das Gehäuse darf aber nicht zu dick sein, ansonsten wird die ganze Geometrie des Rotorblatts verändert und die Messungen verfälscht. Der Vorschlag von IndustriepartnerInnen war es, eine Dicke von 4 mm nicht zu übersteigen. Verschiedene Gehäuse-Geometrien wurden daher in dieser Arbeit auch getestet und mit den herkömmlichen Druckmessungen verglichen (Abbildung 3).

Auslegung und Aufbau des Datenerfassungssystems

In diesem Projekt wurden fünf verschiedene piezoelektrische MEMS-Drucksensoren von den Herstellern ST, Bosch und Honeywell ausgewählt und auf flexible PCBs[2] montiert ("Sensor-Strips") (Abbildung 4). Drei davon waren sogenannte "absolute" Drucksensoren und zwei waren "relative" Drucksensoren. Für den "absoluten" Sensortyp wurde eine Anordnung von zehn Sensoren mit einer Konzentration der Sensoren an der Vorderkante beschlossen. Das Layout umfasst einen direkt an der Vorderkante montierten Sensor, sieben auf einer Seite des Flügelprofils und zwei auf der anderen Seite. Für den "relativen" Sensortyp wurde eine Anordnung von vier Sensoren verwendet, weil diese Sensoren die Druckdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Sensors misst. Es wurde eine Dichtung gewählt, die einen Kanal enthält, der die Unterseite der Sensoren verbindet, um sie alle mit dem gleichen Referenzdruck zu versorgen.

Die "Sensor-Strips" wurden in verschiedene Gehäuse eingebaut, wie oben beschrieben. Die Daten für die MEMS-Sensoren wurden über ein Flachbandkabel erfasst, welches alle Sensoren über das I2C-Protokoll mit drei LabJack-Geräten verband. Auf dem Datenerfassungscomputer lief ein Python-Skript, welches die Daten von den MEMS-Sensoren erfasste, sie vorverarbeitete und die Daten für jeden Sensortyp in einzelnen .csv-Dateien speicherte.

Durchführung der Messungen und Auswertung der Ergebnisse

Erste Versuche wurden im Oktober 2020 im OST-Windkanal durchgeführt, um die Datenerfassungssysteme und die Sensor-Gehäuse zu testen und optimieren (Abbildung 5). Die Messkampagne im ETHZ-Windkanal wurde innerhalb von einer Woche im Dezember 2020 durchgeführt (Abbildung 3).

Eine Auswertung der Messergebnisse zeigt, dass die Messungen mit dem herkömmlichen Messsystem gut mit XFOIL[3]-Simulationen übereinstimmen (Abbildung 6). Ausserdem konnten verschiedene Konklusionen über die Performance der Aerosense-Sensoren gemacht werden:

  • Eine genaue Messung um die Vorderkante ist aufgrund der grossen Druckgradienten schwierig, daher kann eine kleine Ungenauigkeit in der Position entlang des Profils zu unerwarteten Messungen führen.
  • In einer Auswertung über den absoluten Mittelwert der Differenz zwischen den MEMS-Sensoren und den Vergleichsmessungen lieferte der "absolute" LPS27-Sensor vom Hersteller ST in fast allen Fällen die besten Ergebnisse.
  • Es wurde gezeigt, dass die "absoluten" Sensoren bei der Druckmessung deutlich besser messen als die "relativen" Sensoren. Lediglich bei einer Druckmessung war dies nicht der Fall. Dies ist höchstwahrscheinlich auf den Einfluss des Gehäuses auf die Druckverteilung zurückzuführen.

Zurzeit führt das Aerosense-Team eine vertiefte Auswertung der Ergebnisse durch. Weitere Versuche sind im Sommer 2021 geplant.

Für Fragen nehmen Sie gerne Kontakt mit der Aerosense-Projektleiterin Sarah Barber auf.

[1] MEMS: micro-electro-mechanical systems = Mikrosysteme mit Komponentengrössen im Mikrometerbereich
[2] Leiterplatten
[3] https://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/

Abbildung 1: Das modular aufgebaute Flügelprofil.
Abbildung 2: Das herkömmliche Messsystem im Flügelmodell.
Abbildung 3: Die Sensoren in einem Gehäuse auf dem Flügelmodell im ETHZ-Windkanal.
Abbildung 4: Die "Pressure-Strips" und das Datenerfassungssystem.
Abbildung 5: Versuche im OST-Windkanal.
Abbildung 6: Druckmessungen mit dem herkömmlichen Messsystem im Vergleich zu XFOIL-Simulationen.

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 Lehrbeauf-tragte an der Universität Kassel (Windenergiemaster), an der Universität Oldenburg (Windstudium), an der Hochschule St. Gallen (REM-HSG) und an der Fachhochschule Graubünden (MAS Energiewirtschaft).

21.05.2021

Artikel im EUT Newsletter
Mai 2021