Verfahren zur Überprüfung des baulichen Zustands von Windkraftanlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung des baulichen

Zustands von Windkraftanlagen in Form von mehrere Rotorblätter aufweisenden Windrädern.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Überprüfung des baulichen Zustands von Windkraftanlagen.

Im Zuge der wachsenden Bedeutung von regenerativen Energien werden in den vergangenen Jahren international verstärkt Windkraftanlagen gebaut. Wegen der oberhalb von Gewässern, insbesondere der Meere herrschenden starken Winde werden auch mehr und mehr offshore Windkraftanlagen gebaut. Diese bringen den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass sie, an weniger attraktiven

Abschnitten positioniert, nicht die Landschaft beeinträchtigen. Die

Windkraftanlagen müssen, wie andere Industrieanlagen auch, in regelmäßigen Intervallen gewartet werden. Dies gilt für Windkraftanlagen umso mehr, als sie hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Überprüfungen des baulichen Zustands vor allem der Rotorblätter müssen daher in vergleichsweise kurzen Abständen veranlasst werden. Diese Inspektionen sind zunächst speziell bei offshore Windkraftanlagen dahingehend problematisch, dass das Personal per Boot zu dem jeweiligen Windrad gelangen muss. Innerhalb des Turms befindet sich ein Aufstieg, die anschließenden Inspektionsarbeiten gerade an den Rotorblättern erfordern hohe akrobatische Fähigkeiten. Die entsprechenden Personen müssen über eine Hochgebirgsausbildung ähnlich Bergsteigern verfügen, weil sich diese dann einzeln an den Rotorblättern abseilen müssen, um deren jeweiligen baulichen Zustand zu überprüfen. Dies wiederum setzt voraus, dass sich das jeweilige Rotorblatt zumindest annähernd in der Sechsuhrstellung befindet. Ist die

Überprüfung des ersten Rotorblattes abgeschlossen, muss das Windrad gedreht und das als nächstes zu überprüfende Rotorblatt in die Sechsuhrstellung gebracht werden. Dass dies mit einigem Aufwand zusammenhängt, liegt auf der Hand. Die Stillstandszeiten bei diesen Arbeiten und die damit einhergehenden Kosten wegen des ausfallenden Betriebs sind erheblich. Die Überprüfung des baulichen

Zustands der Rotorblätter, in erster Linie also die Überprüfung auf entstandene Risse oder anderer Zerstörungen geschieht dann z. B. mittels eines

Kontrastmittels, welches auf die Außenhaut des jeweiligen Rotorblattes

aufgebracht wird. Dies wiederum setzt voraus, dass die Rotorblätter einigermaßen sauber sind, was wegen der hohen Beanspruchung speziell bei offshore

Windkraftanlagen durch die Verdampfung des Meerwassers ein zusätzliches erhebliches Problem in der Praxis darstellt. Damit stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung des baulichen Zustands von Windkraftanlagen, insbesondere von offshore Windkraftanlagen zu schaffen, das sich durch allenfalls kurze Stillstandszeiten für die Windräder und sichere Messergebnisse

auszeichnet.

Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass die die

Windkraftanlage bildenden Windräder der Reihe nach von einem mobilen Standort aus erfasst werden, dass die Rotorblätter oder Teile von diesen einzeln von einer oder mehreren an und/oder in dem mobilen Standort installierten

Aufnahmeeinrichtungen erfasst werden und dass die dabei ermittelten Daten gespeichert und anschließend einer Auswertung in Hinblick auf etwaige

Beschädigungen zugeführt werden.

Dank der Erfassung sämtlicher notwendigen Daten über eine oder mehrere an und/oder in mobilen Standorten installierten Aufnahmeeinrichtungen reduziert sich der Aufwand zur Erfassung sämtlicher relevanter Messdaten auf ein

Minimum. Die Stillstandszeiten für das jeweilige Windrad beschränken sich allenfalls auf die Zeit, die benötigt wird, um die Rotorblätter von diesem Standort aus zu erfassen und die notwendigen Daten aufzunehmen. Geeignet ist diese Technik sowohl für Windräder mit um eine waagerechte Achse drehenden, zumeist drei Rotorblättern pro Windrad als auch für Windräder mit um eine senkrechte Achse drehenden, zumeist zwei Rotorblättern pro Windrad. Nach ggf. erfolgter Reinigung werden in einer Art erster Einheit zur Datenerfassung die notwendigen Daten über die Aufnahmeeinrichtung erfasst, die geeignet ist, entsprechende Oberflächen, insbesondere aber auch die dahinter liegende Struktur der Rotorblätter aufzunehmen. Anschließend werden die Daten in einer zweiten Einheit gespeichert und schließlich einer dritten Einheit zur Auswertung zugeführt, die an Bord des mobilen Standortes oder auch extern vorgehalten werden kann. In diesem Zusammenhang spielt die jeweilige Stellung des

Rotorblattes überhaupt keine Rolle, vielmehr kann von dem mobilen Standort aus jedes Rotorblatt einzeln erfasst werden, ohne dass zwischendurch eine Drehung des Windrades erfolgen müsste. Auch der jeweilige Zustand der Rotorblätter spielt letztlich keine Rolle, weil die Erfassung der Daten unabhängig etwa vom

Verschmutzungsgrad der Rotorblätter durchgeführt werden kann. Damit ist ein besonders präzises, schnell durchzuführendes und kostengünstiges Verfahren geschaffen, bei dem sich der Einsatz des Personals auf das Betätigen der jeweiligen Einheiten zum Erfassen, Speichern, Auswerten und Ausgeben der Daten beschränkt. Die für außen an Windrädern tätige Personen speziell auf dem Meer existierenden Gefahren bestehen nicht mehr.

Unter einem mobilen Standort wird u. a. verstanden, dass ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug und/oder ein Landfahrzeug eingesetzt wird. Gedacht ist vor allem an für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignete, bemannte oder unbemannte Hubschrauber, die sich für solch ein Verfahren in Bezug auf den für die Aufnahmen benötigten Zeitrahmen wie unter dem Gesichtspunkt Exaktheit als besonders geeignet erweisen. Ansonsten an Flugzeuge, Drohnen, Ballone, Zeppeline, Drachen, Paraglider, Gleit- oder Fallschirme. Hinsichtlich

Wasserfahrzeugen ist an Schiffe, Pontons oder Arbeitsplattformen zu Wasser gedacht, betreffend Fahrzeuge an LKW, Anhänger, Arbeitsbühnen oder Kräne gedacht. Auch Aufnahmen von benachbarten Windkrafträdern sind praktikabel.

Als bevorzugte Aufnahmeeinrichtungen zum Erfassen der Rotorblätter oder Teile von diesen und ihrem Zustand ist daran gedacht, dass die Erfassung der Rotorblätter mittels einer Kamera mittels kurzen und/oder langen Wellen, eines Radar-, Infrarot-, Ultraschall- und/oder Lasergerätes durchgeführt wird.

Insbesondere ist an die Erfassung über TeraHerz-Wellen gedacht. Auch ein sich überschneidender bzw. paralleler Einsatz dieser verschiedenen Techniken ist denkbar, um den baulichen Zustand von Windrädern, insbesondere von deren Rotorblättern zu erfassen und z. B. auch kontrollieren zu können. Auch

Unwuchten und Vibrationen der Rotorblätter können so erfasst werden, durch die Rückschlüsse auf Beschädigungen zu ziehen sind.

Es ist dabei vorgesehen, dass die Rotorblätter eines Windrades einzeln oder gemeinsam mit einer Kamera z. B. mittels TeraHerz-Wellen gescannt werden. Das Scannen erfolgt durch die elektronische oder mechanische

Zielführung der Erfassungseinheit. D. h. etwa beim Abfliegen des jeweiligen Rotorblattes oder aller Rotorblätter gemeinsam werden die entsprechenden Aufnahmen im Wege des Scannings hergestellt.

Dass für das Scannen die Aufnahmeeinrichtung und/oder die Rotorblätter des Windrades bewegt werden können, erhöht die Einsatzmöglichkeiten zusätzlich. Für den Fall, dass die Rotorblätter in der Bewegung erfasst werden, ist also nicht einmal der Stillstand der Anlage Voraussetzung für die Erfassung.

Um die Messergebnisse auch einwandfrei einer Windkraftanlage und insbesondere einem speziellen Rotorblatt oder einer Rotorfläche zuordnen zu können, ist vorgesehen, dass im Rahmen der Erfassung der Rotorblätter oder Teilen von diesen ein der Windkraftanlage und/oder dem Rotorblatt zugeordneter Datenträger mit erfasst wird. Dieser ist auf oder an dem jeweiligen Anlagenteil fixiert und dient zur individuellen Identifikation der Windkraftanlage bzw. des Rotorblatts. Dieser Datenträger wird vor, während oder unmittelbar nach der eigentlichen Erfassung mit aufgenommen, wodurch eine automatische Zuordnung des Messprotokolls mit den jeweiligen Messergebnissen für die Auswertung erfolgen kann. Die in diesen Medien abgelegten Daten werden vor, während und/oder nach der Messung über ein separates oder in die Aufnahmeeinrichtung integriertes Lesegerät erfasst und entsprechend weiterverarbeitet. Als Datenträger kommen Barcodes, RFID oder Funk in Frage

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass besondere Gefahr für die Rotorblätter durch feine Risse und kleinere Beschädigungen in deren Struktur besteht. Dies kann einerseits zu Zerstörungen führen, andererseits nimmt natürlich der Wirkungsgrad solcher Anlagen unter Umständen drastisch ab. Es gilt daher, möglichst präzise Daten sammeln zu können. Es wird daher

vorgeschlagen, dass durch die Aufnahmeeinrichtung die Materialdichte des Rotorblattes erfasst wird, unabhängig davon, ob als Aufnahmeeinrichtung eine Kamera zur Messung mittels Kurz- und/oder Langwellen, ein Radar-, Infrarot-, Ultraschall-, Laser- oder sonstiges Gerät dient. Ausgegeben wird dabei eine Art Profil, aus dem sich dann leicht, ggf. durch geeignete Softwareprogramme unterstützt, Unebenheiten, Ungleichmäßigkeiten oder Risse in der Struktur des Rotorblattes feststellen lassen, die mit den bisher bekannten Mitteln bzw. mit bloßem Auge gar nicht zu erkennen wären. Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Kamera eine Wärmebildkamera eingesetzt wird. Aus dem durch diese Kamera

aufgenommenen Wärmebild lassen sich, wiederum ggf. unterstützt durch geeignete Programme, Stellen ermitteln, an denen die Struktur des Rotorblattes ungleichmäßig ist bzw. an denen Risse drohen oder bereits vorhanden sind und die bei der thermographischen Aufnahme über eine Wärmebildkamera

entsprechende Auffälligkeiten darstellen.

Eine Auswertung der ermittelten Daten noch an Bord des Luft-, Wasseroder Landfahrzeugs ist denkbar. Gleiches gilt für die Übermittlung der Daten per Funk an einen Zentralrechner in einer Bodenstation oder z.B. auf einem Schiff, um den Platz und das Gewicht hierfür auf den Fahrzeugen zu sparen. Auch zwecks Standardisierung der gesammelten Daten und um diese besser veranschaulichen zu können, ist vorgesehen, dass die ermittelten Werte mittels Software

aufgearbeitet werden.

Eine weitere Verfahrensvariante der Erfindung sieht vor, dass die ermittelten Werte mittels Bildkorrelation ausgewertet werden. Mit diesem kamerabasierten Verfahren erfolgt eine Messung der möglichen Verformung der Struktur der zu messenden Rotorblätter.

Gerade in Hinblick auf die Vergleichbarkeit der Daten ist es sinnvoll, wenn die Rotorblätter oder die relevanten Teile von diesen aus einem zumindest annähernd konstanten Abstand zwischen Rotorblatt und Aufnahmeeinrichtung erfasst werden. In dieser Hinsicht wird vorgeschlagen, dass die Daten aus einem Abstand zwischen Rotorblatt und Aufnahmeeinrichtung von ca. 0,01 - 10.000 m, vorzugsweise aus einem Abstand von ca. 30 - 60 m erfasst werden. Dabei gilt es natürlich auch, dem notwendigen Sicherheitsabstand zwischen Luftfahrzeug und Rotorblatt unter Berücksichtigung der starken herrschenden Winde, die

insbesondere über dem Meer herrschen, Sorge zu tragen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird vorrichtungsgemäß dadurch gelöst, dass ein mobiler Standort vorgesehen ist, an und/oder in dem eine oder mehrere Aufnahmeeinrichtungen installiert sind, die zur Erfassung der Messdaten für das jeweilige Rotorblatt dienen. Außerdem tragen eine Einheit zur Speicherung dieser Daten, eine Einheit zur Auswertung dieser Daten und eine Einheit zur Ausgabe der ausgewerteten Daten zw Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe bei.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst also letztlich mindestens vier Komponenten. Dabei handelt es sich zunächst um eine Einheit zur Erfassung der relevanten Daten, bestehend aus einem mobilen Standort wie etwa einem Hubschrauber, einem Ballon, Zeppelin, Drachen, einer Drohne, einer Arbeitsplattform etc. sowie einer oder mehrerer Kameras, die an und/oder in diesem Hubschrauber installiert sind. Der

Hubschrauber fliegt die Rotorblätter einzeln oder gemeinsam unabhängig von ihrer Position und ihrem sonstigen Zustand ab. Dabei erfolgt ein Scanning der einzelnen Rotorblätter, bei dem z. B. die Materialdichte des Rotorblattes erfasst oder über eine als Wärmebildkamera ausgebildete Kamera entsprechende Daten gesammelt werden. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Einheit zur

(Zwischen)Speicherung dieser Daten und eine interne oder externe Einheit zur Auswertung dieser Daten an Bord des mobilen Standortes oder in einer

Bodenstation zur zentralen Erfassung der Daten. Letztere wird ggf. durch eine Softwareeinheit zur Aufarbeitung bzw. Standardisierung dieser Daten unterstützt. Schließlich umfasst die Vorrichtung eine Einheit zur Ausgabe dieser Daten, die das auswertende Personal dann in den Zustand versetzen, sich im wahrsten Sinne des Wortes ein Bild über den baulichen Zustand des überprüften

Rotorblattes machen zu können.

Varianten der Erfindung sehen vor, dass als mobiler Standort ein

Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug und/oder ein Landfahrzeug dient. Ggf. können die Windräder auch vom jeweils benachbarten Windrad aus erfasst werden.

Von besonderer Bedeutung ist für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Komponente der Aufnahmeeinrichtung zur Erfassung der

Rotorblätter oder ihrer relevanten Teile. Als geeignet erscheint es dabei, dass als Aufnahmeeinrichtung eine oder mehrere Kameras, Radar-, Infrarot-, Ultraschall- und/oder Lasergeräte dienen, um die entsprechenden Daten zu erfassen.

Dass der mobile Standort außerdem mit einer Vorrichtung zum

Beaufschlagen der Rotorblätter mit einer Flüssigkeit ausgerüstet ist, dient Zwecken der Säuberung der Rotorblätter etwa durch Dampfstrahlen oder ein Sprühsystem. Auch zur Brandbekämpfung kann diese Vorrichtung mit

entsprechend stärkerem Strahl ggf. eingesetzt werden, wenn etwa eine

Windkraftanlage Feuer gefangen hat. Das Reinigen der Rotorblätter ist in erster Linie zweckmäßig, zumal sich hier Schmutz und speziell bei Offshore- Windkraftanlagen Salzkristalle absetzen. Dies hat zur Folge, dass die

aerodynamische Leistung der Rotorblätter nachlässt und weniger Strom

produziert wird. Dieses Reinigen der Rotorblätter erfolgt zurzeit noch per Hand durch die Monteure in aufwändiger Weise bei Stillstand der Rotorblätter und wird jetzt ersetzt durch ein Reinigen vor, während und/oder unmittelbar nach Erfassen der Rotorblätter. Das Reinigen kann auch in einem separaten Arbeitsgang erfolgen. Die Reinigung wird dabei im Stillstand oder im Betrieb der Rotorblätter von dem mobilen Standort in Form eines Luft-, Wasser- oder Landfahrzeugs durchgeführt. Denkbar ist, dass die Aufnahmeeinrichtung außen auf der einen Seite und die Säuberungsvorrichtung samt Lanze auf der anderen Seite positioniert ist. Ein Tank für die Säuberungsvorrichtung kann sich z. B. an der Unterseite eines Hubschraubers befinden. Ergänzend hierzu ist daran gedacht, dass der mobile Standort mit einer

Vorrichtung zum Beaufschlagen der Rotorblätter mit einem Lack und/oder einer Versiegelung ausgerüstet ist. Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug wird dabei eingesetzt, um eine Art Schutzhaut, eine Grundierung, eine Farbe, einen Gelcoat, eine Nanoversiegelung oder eine vergleichbare Beschichtung auf die

Windkraftanlage oder Teile von dieser aufzubringen.

Im Hinblick auf die Ausführung der Kamera ist vorgesehen, dass diese als Wärmebildkamera und/oder als zur Ermittlung der Dichte der Rotorblätter geeigneten Kamera ausgebildet ist. Damit können die entsprechenden Daten bezüglich der Struktur bzw. des baulichen Zustande des jeweiligen Rotorblattes präzise ermittelt werden. Auch kleinste und vor allem verborgene Haarrisse können auf diese Weise schnell erkannt und mit noch vergleichsweise geringem Aufwand und überschaubarem Risiko entfernt werden. Außerdem ist vorgesehen, dass die Einheit zur Auswertung der Daten eine Software-Einheit zur

Überarbeitung und/oder Standardisierung der erfassten Daten aufweist. Zudem ist vorgesehen, dass die Ausgabeeinheit eine Einrichtung zur optischen Wiedergabe der Daten umfasst, beispielsweise einen Monitor.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung des baulichen Zustande von Windrädern, speziell solche in offshore Windkraftanlagen, geschaffen sind, mit denen eine sichere, schnelle und kostengünstige Überprüfung möglich ist. Als Aufnahmeeinrichtungen für die entsprechenden Daten zu den Windrädern sind Kameras zur Aufnahme von bewegten oder unbewegten Bildern, Radar-, Infrarot-, Ultraschall- und/oder Laseranlagen besonders gut geeignet. Entscheidend ist dabei der Einsatz eines mobilen Standortes in Form z. B. eines Hubschraubers anstatt von Personal, das sich an den Rotorblättern abseilen muss, mit einer oder mehreren Kameras, über welche der aktuelle bauliche Zustand jedes Rotorblattes in zuverlässiger Weise ermittelt werden kann, indem eine Erfassung der

Materialdichte des Rotorblattes oder dessen Erfassung über eine

Wärmebildkamera erfolgt. Durch den Einsatz eines bemannten oder unbemannten Hubschraubers ist ein flexibler Einsatz möglich, der insbesondere völlig

unabhängig von Form, Art und Größe des zu überprüfenden Windrades ist.

Denkbar ist der Einsatz an um eine horizontale Achse drehbar gelagerten

Rotorblättern ebenso wie an um eine vertikale Achse drehbar gelagerten. Eine entsprechende Vorrichtung umfasst neben der durch Hubschrauber und Kameras gebildeten Erfassungseinheit eine Speicher-, eine Auswertungs- und eine

Datenausgabeeinheit.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Figur 1 einen Hubschrauber im Einsatz an einem Windrad

Figur 2 eine Variante zu Figur 1 und

Figur 3 ein vereinfachtes Schema der Vorrichtung

Durchführung des Verfahrens.

Figur 1 zeigt ein Windrad 1 als Bestandteil einer Windkraftanlage in einem Gewässer, zu dessen Veranschaulichung der Wasserspiegel angedeutet und mit dem Bezugszeichen 15 versehen ist. Das Windrad 1 umfasst einen im

Meeresboden verankerten Turm 5, auf dem das eigentliche Windrad positioniert ist. Mit den Bezugszeichen 3 und 4 sind hier zwei um eine Horizontalachse 17 drehbare Rotorblätter bezeichnet, mit 7 die Nabe und mit 8 die so genannte Gondel, welche drehbar auf der Windrichtungsnachführung 9 angeordnet ist.

Dieses Windrad 1 , genauer gesagt sein Rotorblatt 4 wird in der Darstellung gemäß Figur 1 gerade von einem als Hubschrauber 2 ausgebildeten Luftfahrzeug 25 als mobiler Standort 20 bzw. einer darauf installierten, als Kamera 6 ausgebildeten Aufnahmeeinrichtung 21 erfasst. Die Positionierung der Rotorblätter 3, 4 ist dabei ebenso gleichgültig wie deren Zustand, insbesondere müssen sie vor der hier dargestellten Erfassung nicht von Verunreinigungen befreit werden.

Ein zu Land 16 installiertes Windrad 1 , das gerade von einem

Luftfahrzeug 25 bzw. Hubschrauber 2 erfasst wird, zeigt Figur 2. Es handelt sich hierbei um eine Windkraftanlage 1 mit zwei Rotorblättern 3, 4, die um den Turm 5, genauer gesagt um die vertikale Achse 8 drehbar gelagert sind.

In Figur 3 ist schematisch der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, repräsentiert durch die aus den vier Einheiten 10, 1 1 , 12, 13 gebildete Vorrichtung, dargestellt. Vor deren Einsatz erfolgt ggf. eine Säuberung über die ebenfalls auf dem Luftfahrzeug 25 installierte Vorrichtung 22, von der hier insbesondere eine Lanze 23 und ein Tank 24 zur Vorhaltung von Reinigungsmittel und/oder Wasser gezeigt ist. In einer Art vorgeschaltetem Arbeitsgang erfolgt dabei insbesondere eine Säuberung der Rotorblätter 3, 4 von Verunreinigungen wie Salzkristallen, welche die Messung erschweren bzw. verfälschen würden. Die erste Einheit 10 dient zur Erfassung der Daten durch die Kamera 6, hier seitlich installiert an dem Hubschrauber 2, die zusammen diese Erfassungseinheit 10 darstellen.

Anschließend erfolgt über die Einheit 11 eine (Zwischen)Speicherung dieser Daten und dann über die Einheit 12 eine Auswertung, wobei ggf. eine

Softwareeinheit Unterstützung liefert. Anschließend erfolgt die Ausgabe der Daten über die entsprechende Einheit 13.