Lambdasonde

von Dr. Lars Hoffmann

Wie kann die Effizienz von Windenergieanlagen gesteigert werden? Wie können Lehren aus anderen Bereichen in der Windenergiebranche umgesetzt werden? Dr. Lars Hoffmann gibt Antworten, indem er auf die Vorteile von Glasfasersensoren eingeht und dabei über den Tellerrand schaut.

Die längste Zeit hat ein rein mechanischer Vergaser bestimmt, wie viel Kraftstoff im Motor eines Autos verbrannt wird. In den letzten Jahrzehnten führten gesetzliche Anforderungen an die Emissionswerte sowie die Wünsche der Kunden nach verbrauchsarmen und dennoch leistungsstarken Autos zu einer beachtlichen Weiterentwicklung in der Automobiltechnik. Dies wird erreicht durch den Einsatz von Sensoren, die Parameter wie Ventilpositionen, Temperaturen, zugeführte Luftmenge und die Menge an Sauerstoff im Abgas in Echtzeit an das Motorsteuersystem liefern. Für einen wesentlichen Fortschritt sorgte dabei der Einsatz von Lambdasonden. Mit ihrer Hilfe wird die Menge an Sauerstoff im Abgas gemessen und das zugeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann entsprechend geregelt werden. So ist heute eine effiziente Verbrennung unter den jeweils aktuellen Anforderungen möglich.

Windenergie

Es ist Zeit, diese Lehren auch in der Windenergiebranche umzusetzen. Durch kontinuierliche Überwachung und Regelung der Anlagenparameter ließe sich die Effizienz von Windenergieanlagen weiter steigern. Für geschlossene Regelkreisläufe ist wie beim Kfz-Motor die Rückkopplung der aktuellen Zustandsinformation entscheidend. Dafür sind geeignete Sensoren und Messtechnik notwendig.
Bei den heute üblichen Windenergieanlagen sind drei Rotorblätter über Lager mit der Nabe verbunden. Die lastabhängige Regelung der individuellen Anstellwinkel der Rotorblätter ist der logische nächste Schritt. Damit wird eine höhere Anlageneffizienz bei gleichzeitig geringerer mechanischer Belastung erreicht, was letztlich zu einer Reduktion der Kosten der Energieerzeugung führt. Die aktuelle Belastung am Rotorblatt muss dazu gemessen und der Anstellwinkel kontinuierlich geregelt werden. Damit ergeben sich insbesondere neue Anforderungen an die Lager und an die Messtechnik. Über die ca. 20 Jahre Lebensdauer einer Windenergieanlage sind bis zu 1 Mrd. Lastwechsel zu erwarten. Das ist eine Größenordnung, die in anderen Bereichen der Technik wie z. B. beim Automobil oder beim Flugzeug bei Weitem nicht erreicht wird. Dehnungsmessstreifen überstehen so viele Lastwechsel schlicht nicht.
Glasfasersensoren auf Basis von so genannten Faser-Bragg-Gittern sind die Lösung: Faser-Bragg-Gitter sind etwa 5 mm lange Sensoren im Inneren einer Glasfaser, die Licht einer Wellenlänge (d. h. einer Lichtfarbe) reflektieren. Wirkt eine Dehnung auf den Sensor ein, so ändert sich die reflektierte Wellenlänge ein wenig. Die Änderung der reflektierten Wellenlänge ist dabei ein Maß für die Dehnung. Durch Verwendung der Wellenlänge als Informationsträger ist die Messung unabhängig von der Intensität des Lichtes und besonders robust gegen äußere Einflüsse.