In-Situ-WIND - Monitoring von Grout-Verbindungen in Offshore-Windenergieanlagen

Projektkurzbeschreibung:
Im Rahmen des Projektes In-Situ-WIND soll eine kontinuierliche Strukturüberwachung von Grout-Verbindungen von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) durchgeführt werden. Das Vorhaben erforscht erstmalig eine Methodensynthese aus Radar- und Referenzsensorik, um teils bisher nicht detektierbare Schädigungen zu erkennen. Der Nachweis hinsichtlich der Detektierbarkeit von Strukturschäden erfolgt anhand von Laboruntersuchungen beim Fraunhofer LBF sowie im Rahmen einer Offshore-Demonstration im Windpark Meerwind Süd | Ost.

Das Verbundvorhaben In-Situ-WIND (ln-situ-Monitoring von Grouted Joints bei Offshore­Windenergieanlagen) wird vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Das Projektkonsortium besteht aus 5 Projektpartnern und einem assoziierten Partner unter der Leitung der Goethe-Universität Frankfurt. Die Projektlaufzeit begann im Juni 2020 und endete im November 2023.

Projektpartner:

Offshore Wind Turbines<br>

Project short description:
Within the In-Situ-WIND project, continuous structural monitoring of grout connections of offshore wind turbines (OWT) is to be carried out. For the first time, the project investigates a method synthesis of radar and reference sensor technology in order to detect damage, some of which was previously undetectable. The detectability of structural damage will be demonstrated in laboratory tests at the Fraunhofer LBF and in an offshore demonstration at the Meerwind Süd | Ost wind farm.

The radar sensor developed by IMST operates according to the Stepped-Frequency-Continuous-Wave (SFCW) method and covers the frequency range from 100 MHz to 2 GHz. Discrete frequency steps are generated in the specified range and emitted via one of the two transmission channels (Tx). The output power of the generated RF signal is adjustable up to a maximum of 100mW.

The signal is received via three identical receive channels (Rx), which are set up according to the heterodyne method. In this way, the RF signal reflected by the measuring environment can be measured and evaluated with high precision at three different points. The antennas required for this must be adapted to the respective measuring environment and are connected to the Tx/Rx ports of the sensor via cables.

The radar sensor can be used for measurements in electrically dense media such as concrete or ice. Possible areas of application therefore include structural monitoring and ice thickness measurement on frozen bodies of water.

The Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Actions funds the project In-situ-WIND (In-situ Monitoring of Grouted Joints in Offshore Wind Turbines) Coordinator is the Goethe University Frankfurt. The project duration is from June 2020 to November 2023.

Die Aufgabe der IMST GmbH in dem Projekt ist die Entwicklung innovativer radarbasierter Sensorik in dem Frequenzbereich von 100 MHz bis 2 GHz. Hierbei werden mehrere hochempfindliche mehrkanalige Sensoren aufgebaut und den Projektpartnern für die Testmessungen zur Verfügung gestellt. Zusätzlich werden Materialuntersuchungen des verwendeten Spezialbetons (Grout) sowie Simulationen der Wellenausbreitung innerhalb der untersuchten Strukturen durchgeführt.

Bild 1: Der im Rahmen des Projektes entwickelte SFCW-Radarsensor (Stepped-Frequency-Continuous-Wave) ermöglicht es, eine zu untersuchende Betonstruktur mit 2 Sendern und 3 Empfängern zu durchleuchten und erlaubt somit die Detektion verborgener Schäden.

Bild 2: Für die reflexionsarme Einkopplung der elektromagnetischen Welle in die Grout-Fuge werden spezielle Antennen benötigt, welche aus dem gleichen Material wie die untersuchten Strukturen bestehen und ebenfalls im Laufe des Projektes entwickelt wurden.

Bild 3: Für die Entwicklung der Radarsensorik ist die genaue Kenntnis der elektromagnetischen Eigenschaften des zu untersuchenden Materials notwendig. Aus diesem Grund wurde im Vorfeld eine Reihe von Materialuntersuchungen durchgeführt.

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Bild 1. Messsystem nach SFCW-Verfahren, 100 MHz bis 2 GHz

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Bild 2. Breitbandige Testantennen

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Bild 3. Grout Testmessungen an Materialproben

Bild 4. 3D EM-Simulation einer Grout-Fuge

Bild 5. Montage eines Radarsensors an der Innenwand der OWEA
         (Foto Uni Siegen, Sept. 2022)

Bild 4: Durch die Simulation der elektromagnetischen Wellenausbreitung innerhalb der zu untersuchenden Struktur wurde die optimale Positionierung der Antennen auf der Groutfuge für verschiedene Konfigurationen und Frequenzbereiche ermittelt.

Eine Grout-Fuge (Grout Seal or Joint) verbindet das in den Meeresboden eingelassene Fundament (Pile) mit dem Turmfuß der OWEA. Der Zwischenraum wird mit Grout-Beton ausgefüllt und sorgt damit für die Standfestigkeit der Anlage. Wird der Beton brüchig, kann das zu Instabilität und Schäden an der Anlage führen.

Bild 5: Die Montage der Radarsensoren in der OWEA erfolgte im September 2022 durch die Projektpartner. Dabei musste beachtet werden, dass die räumlichen Gegebenheiten eine Platzierung der Sensoren sowie der daran angeschlossenen Antennen nur an bestimmten Positionen ermöglichten. Bild 5 zeigt die Anbringung eines Radarmoduls und Kabel mittels magnetischer Haltevorrichtungen an der Metallwand der OWEA. Drei der installierten Antennen sind ebenfalls auf dem Foto erkennbar und mit "4Rx2", "4Tx1" und 4Rx1" gekennzeichnet.

Veröffentlichungen:

Th. Maetz, M. Hägelen, J. Moll: "Detection of water through steel-lined grout using a stepped-frequency continuous wave (SFCW) radar in the frequency range of 100 MHz to 2 GHz", EuCAP 2022

Th. Maetz, M. Hägelen, R. Jetten, J. Käsgen, M. Wiemann, M. Jackel, J. Kappel, J. Moll, P. Kraemer, V. Krozer, H. Huhn: "In-Situ Monitoring of Grouted Joints Using a SFCW Radar: Initial Results of an Installation Inside a 3.6 MW Offshore Wind Turbine", EuCAP 2023

Th. Maetz, J. Kappel, M. Wiemann, D. Bergmannshoff, M. Hägelen, R. Jetten, M. Schmidt, J. Käsgen, M. Jackel, J. Moll, P. Kraemer, V. Krozer: "Microwave Structural Health Monitoring of the Grouted Connection of a Monopile-Based Offshore Wind Turbine: Fatigue Testing using a Scaled Laboratory Demonstrator", Journal: Structural Control and Health Monitoring, Volume 2023, Article ID 1981892

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