Sensornettverk: Skader på vindturbinblader er tidkrevende og kostbart å reparere. Disse små sensorene skal festes på turbinbladene og overvåke helsetilstanden til konstruksjonen kontinuerlig. Illustrasjon: Kongsberg Gruppen (Bilde: Kongsberg Gruppen)

WIVIND

Trådløse sensorer skal erstatte manuelt tilsyn med vindmøller

Vibrasjoner fra turbinbladet skal generere strøm til sensorene.

WiVind

  • Innovasjonsprosjekt i næringslivet, ledet av Sintef IKT for prosjekteier Kongsberg Maritime.
  • Formålet er å utvikle et trådløst nettverk av små mikroelektromekaniske (MEMS) sensorer, spesielt akselerometere, eller mer komplette IMU skal brukes til å overvåke den reelle tilstanden i rotorblad og turbin.
  • Dette inkluderer bruk av kombinasjoner av akselerometere, gyroer, inklinometere, magnetometere, GPS og tilhørende radiokomponenter.
  • Nettverket skal brukes i Kongsberg Maritimes nye Wind Farm Management System, og prosjektet skal levere mer data og dermed økt nytteverdi av måleresultatene sammenlignet med tilsvarende systemer.
  • Sensonor bidrar som industripartner og som underleverandør av MEMS-sensorer.
  • Danske DTU Vind deltar i prosjektet med erfaring om vindturbiner og modellering på ulike nivåer.

Vindkraft på land er fortsatt en kostbar energiform, som krever offentlige støtteordninger for å bli bygget.

Selv når vindparken står ferdig, ofte til en prislapp på en milliard kroner eller mer, koster det parkeier store summer å drifte og vedlikeholde alle vindturbinene.

Kontinuerlig overvåking

I løpet av våren går Sintef-forskere i gang med å se på hvordan trådløse sensorer kan drive kontinuerlig tilstandsovervåking av vindturbinblader.

Målet er at masseproduserte, trådløse sensorer, som i framtiden forsynes med strøm fra egne mikrokraftverk, kan erstatte manuelt tilsyn og periodisk vedlikehold av vindturbinene.

I stedet for å inspisere turbinene vår og høst, skal tilstanden til turbinbladene i stedet overvåkes kontinuerlig. Skader tas hånd om og begrenses med en gang systemet oppdager dem, slik flyindustrien har drevet tilstandsovervåking i årevis.

– Vi vil finne feil på turbinbladene før de blir så alvorlige at de må stenge ned vindturbinen, og mest av alt, å utvikle bedre sensorer, sier forsker på mikrosystemer og nanoteknologi, Niels Peter Østbø ved Sintef IKT, som leder prosjektet.

Les også: Kan UV-lys brukes som usynlig fuglegjerde rundt vindparker?

Kongsberg-prosjekt

Kongsberg Maritime er eier av prosjektet, og vil bruke den kommende teknologien i sin nye satsing på vindkraftindustrien.

Med systemer for tilstandskontroll og beslutningsstøtte til vindparkeiere (Wind Farm Management, red. anm) lover Kongsberg reduserte driftskostnader for parken med 5-8 prosent.

Kongsberg har som mål å levere tilstandsovervåking til 2000 turbiner innen 2018. Det forventer de kan gi en omsetning på 200 millioner kroner i året.

Les om Kongsberg Gruppens nye vindkraftsatsing i denne ukens Teknisk Ukeblad.

Kostbart vedlikehold

Innsparingspotensialet for vindparkeieren skal ifølge Kongsberg være langt mer.

Å skifte bare ett turbinblad kan raskt koste opp mot to millioner kroner, inkludert utskiftsningsarbeidet. I tillegg går produksjonen tapt, fordi turbinen står stille. Står vindturbinen langt ute til havs, er prislappen enda høyere.

Å få kontinuerlig data om tilstanden til vindkraftkonstruksjonene, er derfor av stor betydning. Hva slags data og hvordan de skal måles, er imidlertid ikke gitt, noe Sintef IKT skal finne ut av.

Håpet er at de kan bruke masseproduserte MEMS (små mikroelektromekaniske sensorer) og radiomoduler fra IT, telekom, og bilindustri i kombinasjon med matematiske modeller, til å sende informasjon om hvordan vindturbinbladet oppfører seg.

De mest kjente MEMS-sensorene er i øyeblikket et akselerometer laget av silisium brukt i smarttelefoner og nettbrett.

I prosjektet skal forskerne bruke såkalt treghetssensor (Inertial Motion Unit, IMU, red.anm), som blant annet brukes i komponenter for tilstandsovervåking og orientering av fly og raketter.

– En IMU kjenner hvordan farkosten beveger seg ut i fra en programmert kurs. Måling av tyngdekraft og aksellerasjon vil brukes til å regne ut hvordan bladene oppfører seg, og hvordan vi kan følge med på om de oppfører seg "normalt", sier Østbø.

Les også: Her kan du zoome inn på hver eneste vindmølle i USA

Mikro-kraftverk

En vesentlig utfordring med trådløse sensorer er hvordan de skal få strøm.

Dagens batteriteknologi vil ikke kunne levere nok strøm til å sikre systemet nok driftstid, og må skiftes ut flere ganger i løpet av turbinens levetid. Da går vinningen raskt opp i spinningen.

– Vil helst ha en energiforsyning som varer i tjue år, men dette er umulig i dag. Batteritiden kan imidlertid forlenges til mange år, om man gjør lure grep. Vi vil øke driftstiden til sensorene gjennom en kombinasjon av laveffekt sensor og elektronikk, lokal energihøsting og intelligente kontrollalgoritmer for stømsparing ved signal-prosessering og transmisjon, sier Østbø.

På lengre sikt skal imidlertid sensorene i WiVind-prosjektet utstyres med disse bittesmå kraftverkene som produserer strøm av vibrasjonene der sensoren er montert, for eksempel på vindturbinbladene eller i selve girboksen.

Energihøstere

På Høyskolen i Buskerud og Vestfold (HBV) har professor Einar Halvorsen ved institutt for mikro- og nanosystemteknologi nettopp satt i gang med å utvikle såkalte energihøstere som kan levere strøm til Sintefs turbin-sensorer.

– Vi skal lage en energikilde som kan integreres med elektronikken, og som omformer mekanisk energi til elektrisk energi. Rotorblad og girboks er deler som ofte er utsatt for feil, og som derfor er interessante å overvåke. Å bruke batterier som energiforsyning her har ulemper som en håper å unngå ved å bruke energihøstere. Strømkabel er spesielt lite attraktivt i denne sammenhengen, siden det dreier seg om roterende deler. I tillegg vil kabel på rotorbladene være utsatt for lynnedslag, sier Halvorsen til Teknisk Ukeblad.

– Hvor store energimengder vil energihøsteren kunne produsere?

– Det er det vanskelig å si noe om allerede nå, men vi snakker om en generator på kanskje en halv kvadratcentimeter. Det dreier seg om effekt i mikrowatt-området. Når det er sagt blir elektronikken stadig mindre energikrevende. Forholdet mellom tilgjengelig effekt og hva som kreves for å gjøre jobben endrer seg. Når elektronikkbransjen leverer bedre produkter, åpner det seg muligheter, sier Halvorsen til Teknisk Ukeblad.

Les også: Utvikler ørsmå vindturbiner til gadget-bruk

Ingen garanti

Vibrasjonene i turbinbladet kan avsløre informasjon om bladets tilstand.

– Man kan måle akselerasjonen over et visst tidsrom. Dette genererer mye data, og det koster energi å konvertere fra analog til digital. Dataforsendelsen krever også energi. Men her skjer det mye utvikling på elektronikksiden, når det gjelder analog til digitalomformere og laveffekt radiosendere. Her er Norge en supermakt. Energimengden som kreves blir stadig mindre, og det gjør alternative kilder som energihøsting fra vibrasjoner tilsvarende mer attraktive, sier Halvorsen.

Halvorsen vil ikke garantere at de har et fiks ferdig energihøsterdrevet system klar til kommersiell bruk når prosjekter er ferdig i 2016.

Målet er å få fram en energihøsting- og lagringsteknologi som egner seg som integrasjonsplattform for resten av sensornoden.

– Vi vet ennå ikke hvor godt det totale systemet blir, og hvordan energihøsteren vil påvirke dette. Hvor vellykket det blir avhenger av mange faktorer som ikke er klarlagt ennå. Vi skal demonstrere en innkapslet mikromaskinert brikke med kombinert generator og energilageri løpet av prosjektperioden, sier Halvorsen.

Første trådløse forsøk Utfordrende energiforsyning: – Batteritiden til sensorene kan forlenges til mange år, om man gjør lure grep, ifølge prosjektleder for Wivind, Niels Peter Østbø ved Sintef IKT. Privat

Første trådløse forsøk

I første omgang skal sensorene i WiVind-prosjektet utstyres med batterier.

– Vi skal først og fremst jobbe med selve sensorløsningen og finne ut hvilke parametre vi skal måle og hvordan vi skal måle dem. Men energiforsyningen blir sentral på sikt, sier Østbø.

– Vi vet at noen vindturbiner er utstyrt med sensorer for tilstandsovervåking på blader allerede i dag, men så vidt vi vet er det ingen som har forsøkt å gjøre dette trådløst på turbiner i drift. Den eksisterende teknologien for bladmonitorering koster også for mye i forhold til nytteverdien, sier Østbø.

WiVind-prosjektet er støttet av Forskningsrådet, og har en ramme på 8,7 millioner kroner. HBV-prosjektet er helfinansiert med 10 millioner kroner gjennom Forskningsrådets Energix-program "Nye konsepter".

Les også:

Denne haien og røff sjø stopper verdens største vindpark

Statkrafts nye testturbin skal bli høyere enn Oslo Plaza

Disse gigantmøllene skal gi strøm til 400.000