Энергия ветра стала неотъемлемой частью экологически чистого энергоснабжения. Примерно 50 гигаватт, что эквивалентно 12 процентам всей электроэнергии в Германии, вырабатывается более чем 28 000 ветряных турбин, и эта тенденция имеет тенденцию к росту. По данным Глобального совета по ветроэнергетике, к 2030 году мировая мощность ветроэнергетики увеличится в четыре раза и составит 2110 гигаватт, что составит 20 процентов от мирового объема электроэнергии. Поэтому для этого растущего рынка тем более важно, чтобы ветряные турбины стали более эффективными, надежными и долговечными.
По мнению отраслевых экспертов, слабые места в производстве лопаток, например, могут привести к незапланированным дополнительным расходам на эксплуатацию и техническое обслуживание в размере нескольких сотен тысяч евро в течение всего срока службы турбины. Чтобы повысить эффективность и надежность ветряных турбин, Fraunhofer IAF разработала сканер материалов для проверки качества лопастей ротора. Использование радиолокационной технологии позволяет еще более детально обнаружить дефекты в составе лопастей ветряных турбин.Выявление дефектов в композитных пластиках
Роторы, которые обычно оснащены тремя лопастями, являются центральным элементом всех ветряных турбин. Они преобразуют ветер во вращательную энергию, а затем в электричество. Как и крылья самолета, лопасти подвергаются огромным внешним нагрузкам, поэтому их конструкция должна быть чрезвычайно прочной.
Лопасти современных ветряных турбин в основном изготавливаются из пластика, армированного стекловолокном и углеродным волокном (GFRP / CFRP), поэтому они могут упруго поглощать энергию ветра от сильных порывов ветра, не ломаясь. Для одного лезвия до 100 листов стекловолоконной ленты накладываются друг на друга, формируются и затем склеиваются эпоксидной смолой. На этом этапе производства очень важен контроль качества: «Сложность заключается в том, чтобы уложить листы стекловолокна плоскими слоями перед их склеиванием, не создавая неровностей и складок, и избегая образования комков смолы или участков ламината, которые не схватываются, когда нанесение эпоксидной смолы », — поясняет д-р Аксель Хулсманн, координатор проекта радаров и руководитель группы сенсорных систем в Fraunhofer IAF.
Такие дефекты, а также расслоения или трещины могут быть идентифицированы в крупном масштабе с помощью инфракрасной термографии. «Наш сканер материалов позволяет идентифицировать дефекты с еще большей точностью, поскольку разрешение по глубине также возможно с помощью радарной технологии — даже в тех местах, где ультразвуковые методы не работают», — говорит Хулсманн.Профили поперечного сечения с точностью до миллиметраВ основе сканера материалов лежит высокочастотный радар, который работает в диапазоне W от 85 до 100 ГГц с мощностью передачи всего лишь нескольких ватт.
Затем используется специализированное программное обеспечение для обработки сигналов передатчика и приемника и визуализации результатов измерений. «Это позволяет нам создать вид в разрезе лезвия, на котором можно идентифицировать дефекты в миллиметровом диапазоне, и делает наш сканер материалов значительно более точным, чем традиционные методы», — отмечает Хулсманн. В основе радиолокационного модуля лежит полупроводниковая технология на основе арсенида индия-галлия. Он чрезвычайно легкий и компактный благодаря своей монолитно интегрированной конструкции, в которой различные компоненты и функции интегрированы в один чип. Его размеры 42 x 28 x 79 мм, он размером примерно с пачку сигарет и весит всего 160 граммов.
Он имеет низкое энергопотребление, около 5 Вт, и оснащен встроенным микроконтроллером, который излучает сигналы измерений через Интернет-интерфейс.В будущих улучшениях частотный диапазон модуля будет расширен до 260 ГГц в так называемый H-диапазон. «Это в четыре раза увеличит полосу пропускания радиолокационного модуля с 15 ГГц до более 60 ГГц.
Хотя разрешение поперечного сечения лопастей ротора уже очень высокое, наша цель — еще больше улучшить его», — говорит Хулсманн.Уменьшение времени простоя означает снижение затрат на техническое обслуживаниеПомимо использования в производстве лопастей ротора, в будущем сканер материалов Fraunhofer IAF может также найти применение при техническом обслуживании, где его можно будет использовать для классификации дефектов, например, вызванных ударами птиц. «В настоящее время стандартная проверка лопастей ротора в основном выполняется вручную: специалист стучит по лопасти молотком и может определить по звуковому сигналу, есть ли какие-либо дефекты в этой секции. Автоматическое решение, дополненное нашей радарной технологией, могло бы значительно сократить время простоя ветряных турбин и, таким образом, сократить расходы », — поясняет Хулсманн.
Это особенно верно для ручного обслуживания морских ветряных турбин, до которого нужно добираться на лодке, иногда в суровых водах, — процесс, требующий много времени.Альтернативные технологии тестирования, такие как ультразвуковые решения, чрезвычайно сложно интегрировать в процедуры обслуживания. «В качестве связующего агента необходимо использовать воду или гель, поскольку каждый воздушный карман между датчиком и измеряемой деталью в значительной степени заглушает ультразвуковой сигнал. Хотя это влечет за собой определенные побочные эффекты, тем не менее, это возможно при проверке дефектов во время лопасти ротора.
Но нанесение воды или геля на лопасти ветряных турбин, которые находятся на высоте 100 метров в воздухе, чрезвычайно сложно. Поскольку это позволяет бесконтактное дистанционное зондирование, радар является оптимальным решением в этом случае », — говорит Хулсманн.Радиолокационный сканер Fraunhofer IAF может внести свой вклад в разработку инновационных методов контроля материалов и в других отраслях, например, в авиастроении. В более новых самолетах, таких как Boeing 787 Dreamliner или Airbus A350, крылья, в частности, в основном построены из легких композитных материалов. «В авиастроении, как и в индустрии пластмасс, точное и быстрое тестирование дефектов во время производства и технического обслуживания может снизить затраты и предотвратить повреждение, вызванное усталостью материала», — комментирует Хулсманн.
Сканер материалов на выставке Hannover Messe 2017IAF Фраунгофера представит сканер материалов для испытания лопастей ветряных турбин на общем стенде Баден-Вюртемберга в Hannover Messe, зал 17, стенд B76, с 24 по 28 апреля 2017 года.
Демонстрируемый радарный сканер будет проводить испытания лопастей. различные композитные пластмассы и демонстрируют потенциал инновационных радиолокационных технологий.