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Lasterfassung mit piezoelektrischen Sensoren an Rotorblättern von Windenergieanlagen

Park, Ye Ji (2016):
Lasterfassung mit piezoelektrischen Sensoren an Rotorblättern von Windenergieanlagen.
Technische Universität Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

Durch den wachsenden Bedarf an Windenergie gewinnt die Lasterfassung an Turbinen von Windenergieanlagen zunehmend an Bedeutung. Um die Lebenszeit einer Windturbine zu erhöhen, wird die mechanische Last an Rotorblättern mithilfe von Systemen zur aktiven Lastkontrolle detektiert. Dabei wird die Rotorblattwurzeldehnung gemessen, um die Last an Rotorblättern zu reduzieren. Die vorliegende Arbeit untersucht piezoelektrische Sensoren auf ihre Eignung für die Messung der Rotorblattwurzeldehnung, die bei einem quasi-statischen Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 8 Hz auftritt. Piezoelektrische Sensoren eignen sich prinzipbedingt nicht für statische Messungen, weshalb als Schwerpunkt dieser Arbeit piezoelektrische Sensoren für mechanische Belastungen bei einem quasi-statischen Frequenzbereich charakterisiert werden. Für die Charakterisierung wird ein Belastungsfall des Rotorblattes in Flügelschlagrichtung (Flapwise-Bending) betrachtet. Als vereinfachtes Modell zur Nachbildung des Flapwise-Bending wird ein Aufbau zur Durchführung des Vierpunkt-Biegeversuchs an piezoelektrischen Sensoren konstruiert. Die Versuche werden innerhalb einer Klimaprüfkammer durchgeführt, um die klimatischen Betriebsbedingungen einer Windenergieanlage zu generieren. Für die Bewertung der unterschiedlichen Sensoren wird der Amplitudenverstärkungsfaktor als Maßstab gewählt. Unter den Einflüssen der Temperatur, rel. Luftfeuchtigkeit, Frequenz, Dehnung und Material der Trägerstruktur wird für jeden Sensor der Amplitudenverstärkungsfaktor ermittelt. Für die Auswertung wird ein teilfaktorieller Versuchsplan verwendet. Es ergibt sich, dass der piezoelektrische Flächenwandler M8507-P2 des Herstellers Smart Material, der als Macro Fiber Composite bezeichnet wird, gute Eigenschaften aufweist. Das Untersuchungsergebnis zeigt, dass eine quasi-statische Messung in einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 8 Hz mit dem ausgewählten piezoelektrischen Sensor mithilfe eines Ladungsverstärkers möglich ist. In Hinblick auf eine drahtlose Signalverarbeitung des piezoelektrischen Sensors wird in dieser Arbeit ein Ladungsverstärkermodul entwickelt und aufgebaut. Die Hauptkomponente ist ein JFET Operationsverstärker, welcher als Spezifikation eine hohen Eingangsimpedanz und einen niedrigen Leckstrom aufweist.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2016
Creators: Park, Ye Ji
Title: Lasterfassung mit piezoelektrischen Sensoren an Rotorblättern von Windenergieanlagen
Language: German
Abstract:

Durch den wachsenden Bedarf an Windenergie gewinnt die Lasterfassung an Turbinen von Windenergieanlagen zunehmend an Bedeutung. Um die Lebenszeit einer Windturbine zu erhöhen, wird die mechanische Last an Rotorblättern mithilfe von Systemen zur aktiven Lastkontrolle detektiert. Dabei wird die Rotorblattwurzeldehnung gemessen, um die Last an Rotorblättern zu reduzieren. Die vorliegende Arbeit untersucht piezoelektrische Sensoren auf ihre Eignung für die Messung der Rotorblattwurzeldehnung, die bei einem quasi-statischen Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 8 Hz auftritt. Piezoelektrische Sensoren eignen sich prinzipbedingt nicht für statische Messungen, weshalb als Schwerpunkt dieser Arbeit piezoelektrische Sensoren für mechanische Belastungen bei einem quasi-statischen Frequenzbereich charakterisiert werden. Für die Charakterisierung wird ein Belastungsfall des Rotorblattes in Flügelschlagrichtung (Flapwise-Bending) betrachtet. Als vereinfachtes Modell zur Nachbildung des Flapwise-Bending wird ein Aufbau zur Durchführung des Vierpunkt-Biegeversuchs an piezoelektrischen Sensoren konstruiert. Die Versuche werden innerhalb einer Klimaprüfkammer durchgeführt, um die klimatischen Betriebsbedingungen einer Windenergieanlage zu generieren. Für die Bewertung der unterschiedlichen Sensoren wird der Amplitudenverstärkungsfaktor als Maßstab gewählt. Unter den Einflüssen der Temperatur, rel. Luftfeuchtigkeit, Frequenz, Dehnung und Material der Trägerstruktur wird für jeden Sensor der Amplitudenverstärkungsfaktor ermittelt. Für die Auswertung wird ein teilfaktorieller Versuchsplan verwendet. Es ergibt sich, dass der piezoelektrische Flächenwandler M8507-P2 des Herstellers Smart Material, der als Macro Fiber Composite bezeichnet wird, gute Eigenschaften aufweist. Das Untersuchungsergebnis zeigt, dass eine quasi-statische Messung in einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 8 Hz mit dem ausgewählten piezoelektrischen Sensor mithilfe eines Ladungsverstärkers möglich ist. In Hinblick auf eine drahtlose Signalverarbeitung des piezoelektrischen Sensors wird in dieser Arbeit ein Ladungsverstärkermodul entwickelt und aufgebaut. Die Hauptkomponente ist ein JFET Operationsverstärker, welcher als Spezifikation eine hohen Eingangsimpedanz und einen niedrigen Leckstrom aufweist.

Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
16 Department of Mechanical Engineering
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
Date Deposited: 24 Apr 2017 19:07
Referees: Melz, Prof. Tobias and Werthschützky, Prof. Roland
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