Blattwinkelmessung an Windenergieanlagen – Methoden im Vergleich

Für die Bestimmung von Blattwinkeln und geometrischen Abweichungen an Windenergieanlagen stehen unterschiedliche Messverfahren zur Verfügung. Von schablonenbasierten Messungen über Photogrammetrie, Drohnen und 3D-Totalstationen bis zur dynamischen Lasermessung verfolgen die Verfahren unterschiedliche Ansätze.

Der wesentliche Unterschied liegt nicht nur in der Art der Messung. Entscheidend ist auch, welcher Zustand der Windenergieanlage tatsächlich erfasst wird.

Eine statische Vermessung beschreibt die Geometrie in einer definierten Stillstandsposition. Eine dynamische Messung erfasst dagegen den Rotor unter den realen aerodynamischen und strukturellen Bedingungen des laufenden Betriebs.

Statische und dynamische Messungen beantworten unterschiedliche Fragen

Bei einer statischen Messung wird die Windenergieanlage angehalten und das Rotorblatt in einer definierten Position vermessen. Damit lassen sich geometrische Größen unter kontrollierten Randbedingungen bestimmen.

Im Betrieb verändern sich jedoch Blattlasten, Durchbiegung, Pitchwinkel und Strukturreaktionen kontinuierlich. Die Rotorblätter befinden sich dann nicht mehr in dem Zustand, in dem sie bei stillstehender Anlage vermessen wurden.

Eine dynamische Messung beantwortet deshalb eine zusätzliche Frage:

Wie verhält sich der Rotor tatsächlich während des Betriebs?

Gerade bei der Beurteilung von Blattwinkelabweichungen und deren Wirkung auf die Anlage kann diese Information entscheidend sein.

Schablonenbasierte Blattwinkelmessung

Ein klassischer Ansatz ist die Messung mit einer geometrischen Schablone. Dazu wird eine Schablone mittels Seilzugangstechnik an einer definierten Position des stillstehenden Rotorblatts angebracht und anschließend optisch beziehungsweise photogrammetrisch ausgewertet.

Das Verfahren erfordert einen Zugang zum Rotorblatt und einen Anlagenstillstand. Eine besondere Herausforderung ist die reproduzierbare Positionierung der Schablone.

Rotorblätter weisen fertigungsbedingt geometrische Toleranzen auf. Dadurch kann die vorgesehene Position der Schablone an den drei Rotorblättern geometrisch unterschiedlich ausfallen. Für einen belastbaren Vergleich muss deshalb sichergestellt werden, dass tatsächlich vergleichbare Bereiche der Blätter vermessen werden.

Hinzu kommt, dass ausschließlich der statische Zustand erfasst wird. Aussagen über Blattdurchbiegung, Rotorverhalten oder Strukturreaktionen im laufenden Betrieb sind mit der Schablonenmessung allein nicht möglich.

Photogrammetrie

Photogrammetrische Verfahren bestimmen geometrische Größen aus Bildaufnahmen. Aus geeigneten Aufnahmen lassen sich Positionen, Abstände und geometrische Zusammenhänge ableiten.

Für statische Vermessungsaufgaben kann dies eine geeignete Methode sein. Die Anlage beziehungsweise das zu vermessende Rotorblatt wird in einer definierten Position aufgenommen und anschließend geometrisch ausgewertet.

Soll dagegen untersucht werden, wie sich Blattwinkel, Blattbewegung und Strukturreaktionen unter realen Betriebsbedingungen zueinander verhalten, sind zusätzliche beziehungsweise dynamische Messansätze erforderlich.

Drohnenbasierte Vermessung

Drohnen ermöglichen die flexible optische Erfassung schwer zugänglicher Bereiche einer Windenergieanlage. Sie werden insbesondere für visuelle Inspektionen eingesetzt, können aber auch für geometrische Vermessungsaufgaben genutzt werden.

Der Vorteil liegt in der flexiblen Positionierung und darin, dass große Bereiche der Anlage optisch erfasst werden können.

Für reproduzierbare Messungen eines schnell rotierenden Rotors im normalen Anlagenbetrieb stellen Turmreaktionen Positionierung und zeitliche Referenzierung jedoch besondere Anforderungen.

Drohnenbasierte Vermessung und dynamische Rotorvermessung erfüllen deshalb unterschiedliche Aufgaben.

3D-Totalstation

3D-Totalstationen ermöglichen eine präzise geometrische Vermessung definierter Punkte und eignen sich insbesondere für statische Referenz- und Geometriemessungen.

Damit können Positionen und geometrische Beziehungen an einer stillstehenden Windenergieanlage bestimmt werden.

Für die kontinuierliche Erfassung schnell bewegter Rotorblätter während des normalen Anlagenbetriebs ist dieses Messprinzip dagegen nur eingeschränkt geeignet.

Auch hier steht damit vor allem die geometrische Vermessung eines definierten Zustands im Vordergrund.

Dynamische Lasermessung

Bei einer dynamischen Lasermessung durchlaufen die Rotorblätter nacheinander eine räumlich feste Messstrecke.

Die Distanzwerte werden mit hoher zeitlicher Auflösung aufgezeichnet. Dadurch können viele Blattdurchgänge während des normalen Anlagenbetriebs erfasst und miteinander verglichen werden.

Der wesentliche Vorteil liegt nicht allein in der berührungslosen Distanzmessung. Entscheidend ist, dass der tatsächliche Betriebszustand des Rotors erfasst wird.

Die Rotorblätter werden unter den real auftretenden aerodynamischen Lasten vermessen. Dadurch können neben relativen Blattwinkelabweichungen weitere Informationen über das Rotor- und Anlagenverhalten gewonnen werden.

Mehr als nur Blattwinkel messen

Aus den Blattdurchgängen lassen sich relative Blattwinkelunterschiede zwischen den drei Rotorblättern bestimmen.

Gleichzeitig kann die Lage der Rotorblätter bei jedem Durchgang erfasst werden. Wird diese auf eine feste Referenz wie die Turmachse bezogen, werden Unterschiede der Blattbewegung und Durchbiegung sichtbar.

Zusätzlich können Drehzahl sowie Bewegungen von Turm beziehungsweise Gondel betrachtet werden.

Damit können mehrere Messgrößen unter denselben Betriebsbedingungen miteinander in Beziehung gesetzt werden:

Blattwinkel → Blattbewegung → Strukturreaktion → technische Bewertung

Die Messung beschreibt damit nicht nur geometrische Unterschiede zwischen den Rotorblättern, sondern auch deren Verhalten unter realen Betriebsbedingungen.

Welches Verfahren ist das richtige?

Die Verfahren erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Eine statische Vermessung ist nicht grundsätzlich besser oder schlechter als eine dynamische Messung.

Entscheidend ist die Fragestellung.

Verfahren	Typischer Schwerpunkt	Anlagenstillstand	Rotor im Betrieb	Strukturreaktion
Schablonenmessung	Statischer Blattwinkel an definierter Blattposition	ja	nein	nein
Photogrammetrie	Geometrische und optische Vermessung	ja	nein	zusätzliche Messung
Drohne	Inspektion und geometrische Erfassung	nein	ja	zusätzliche Messung
3D-Totalstation	Präzise statische Geometrie- und Referenzmessung	ja	nein	zusätzliche Messung
Dynamische Lasermessung	Rotorverhalten unter Betriebsbedingungen	nein	ja	parallel erfassbar

Für Montage, Justage oder die Überprüfung einer definierten geometrischen Referenz kann eine statische Vermessung die passende Lösung sein.

Soll dagegen untersucht werden, wie der Rotor im laufenden Betrieb arbeitet, liefert eine dynamische Messung zusätzliche Informationen.

Vom geometrischen Zustand zum Betriebsverhalten

Die Entwicklung der Messverfahren reicht von punktuellen statischen Verfahren mit direktem Zugang zum Rotorblatt bis zur berührungslosen dynamischen Vermessung des arbeitenden Rotors.

Eine statische Vermessung beantwortet vor allem die Frage:

Wie ist der Rotor in diesem definierten Zustand geometrisch eingestellt?

Eine dynamische Rotorvermessung erweitert die Fragestellung:

Wie verhalten sich die Rotorblätter unter realen Betriebsbedingungen – und zeigt sich eine vorhandene Abweichung auch in der Reaktion der Anlage?

Vereinfacht:

Statische Vermessung → geometrischer Zustand

Dynamische Lasermessung → Blattunterschiede + Verhalten unter Betriebslast

Gerade bei der Beurteilung relativer Blattwinkelabweichungen ist dieser Unterschied relevant. Moderne Windenergieanlagen verändern ihren Pitchwinkel kontinuierlich. Für einen möglichst synchronen Rotorbetrieb ist deshalb insbesondere interessant, ob die drei Rotorblätter unter vergleichbaren Bedingungen gleich arbeiten.

Dynamische Rotorvermessung mit Rotor LDM

Rotor LDM erfasst die Rotorblätter während des laufenden Betriebs mit einer räumlich festen Lasermessstrecke.

Relative Blattwinkelabweichungen werden aus wiederholten Blattdurchgängen bestimmt. Gleichzeitig können Blattlage und Durchbiegung auf die Turmachse referenziert sowie die Reaktionen von Turm beziehungsweise Gondel betrachtet werden.

Damit liegt der Schwerpunkt nicht allein auf der geometrischen Vermessung, sondern auf der Erfassung und technischen Einordnung des tatsächlichen Rotor- und Anlagenverhaltens im Betrieb.