Use of Terrestrial Laser Scanning for Measurements of Wind Power Stations

• Autorzy: Mitka Bartosz , Klapa Przemysław , Gniadek Jacek

Identyfikatory

DOI

10.7494/geom.2019.13.1.39

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie naziemnego skaningu laserowego w pomiarach elektrowni wiatrowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The continuous development of the technologies used in the construction of wind turbines makes them a promising and widely used source of energy. Wind turbines keep getting bigger, resulting in increases in their production capacity. However, both the wind turbines and their support structures are exposed to huge loads that cause the deformation of the rotor blades, vertical deflection, or vibration of the support structure and rotor blades. In this context, the issue of monitoring the technical condition of the structures of such facilities becomes important, particularly in terms of reliability and the service life of the whole system. This document shows a method of measuring a wind power station using the Leica P40 terrestrial laser scanner. The object of the research was a few-years-old wind turbine located in the village of Kluczewsko (near Włoszczowa). The examined wind turbine is 35 m high measured to the turbine base and has rotor blades that are almost 13 m long. The measurements were performed at two stages: during turbine operation and with the wind turbine at rest. This enabled us to determine the changes in the geometry of the object at dynamic loads during the operation of the plant. Each series of measurements was made from three stations evenly arranged around the entire facility, which allowed for a full recording of the wind turbine geometry as well as of its supporting structure. The measurements taken at rest and during operation of the turbine were recorded on the basis of the same points of reference, which allowed us to obtain data on the same coordinate system. The measurements were used to determine the deflection of the turbine support from the vertical axis at rest and the change of deflection under wind pressure during the turbine’s operation. The vibration amplitude of the turbine’s support during operation was also determined. In addition, an attempt was made to determine any changes in the geometry of the rotor blades under wind pressure. The obtained results are presented in a tabular and graphical manner.

PL

Ciągły rozwój technologii stosowanych w budowie turbin wiatrowych sprawia, że jest to coraz bardziej obiecujące i powszechniej występujące źródło energii. Budowane są coraz większe elektrownie wiatrowe umożliwiające zwiększenie zdolności produkcyjnych. Jednakże zarówno turbiny wiatrowe, jak i ich konstrukcje nośne narażone są na wysokie obciążenia powodujące odkształcenia łopatek wirnika, wychylenia od pionu czy też drgania konstrukcji nośnej. Pojawia się więc zagadnienie monitoringu stanu technicznego konstrukcji tego typu obiektów, szczególnie istotne w aspekcie niezawodności i czasu żywotności całego systemu. W niniejszym artykule przedstawiono sposób pomiaru elektrowni wiatrowej przy użyciu naziemnego skanera laserowego Leica P40. Obiektem badawczym była kilkuletnia elektrownia wiatrowa, znajdująca się w miejscowości Kluczewsko niedaleko Włoszczowy. Badana elektrownia wiatrowa jest obiektem o wysokości 35 m mierzonej od podstawy turbiny i długości łopat wirnika wynoszącej prawie 13 m. Pomiary wykonano przy dwóch stanach elektrowni: w trakcie pracy turbiny i w stanie spoczynku, co umożliwiło określenie zmian geometrii obiektu przy obciążeniu dynamicznym w trakcie pracy elektrowni. Każda z serii pomiarowych została wykonana z trzech stanowisk rozmieszczonych równomiernie wokół całego obiektu, co pozwoliło na pełną rejestrację geometrii turbiny wiatrowej, jak również konstrukcji jej podpory. Pomiary turbiny w stanie spoczynku i w trakcie jej pracy zostały przeprowadzone z wykorzystaniem tych samych punktów nawiązania, co pozwoliło uzyskać dane w jednolitym układzie współrzędnych. Na podstawie wykonanych pomiarów określono wychylenie od pionu podpory turbiny w stanie spoczynku oraz zmianę tego wychylenia pod naporem wiatru podczas pracujący turbiny. Wyznaczono również amplitudę drgań podpory w czasie pracy turbiny oraz przeprowadzono próbę określenia zmian geometrii łopat turbiny pod naporem wiatru. Uzyskane wyniki zostały przedstawione w sposób tabelaryczny i graficzny.

Słowa kluczowe

EN

laser scanning; determination of deformation; wind turbines

PL

skaning laserowy; odkształcenia; elektrownia wiatrowa

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Geomatics and Environmental Engineering
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 13, no. 1
• Strony: 39--49
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Mitka Bartosz

• The University of Agriculture in Krakow, Faculty of Environmental Engineering and Land Surveying, Department of Agricultural Land Surveying, Cadaster, and Photogrammetry, Krakow, Poland

autor

Klapa Przemysław

• The University of Agriculture in Krakow, Faculty of Environmental Engineering and Land Surveying, Department of Land Surveying, Krakow, Poland

autor

Gniadek Jacek

• The University of Agriculture in Krakow, Faculty of Environmental Engineering and Land Surveying, Department of Agricultural Land Surveying, Cadaster, and Photogrammetry, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Główny Urząd Statystyczny: Energia ze źródeł odnawialnych w 2012 r. GUS, Warszawa 2013, [on-line:] http://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/srodowisko-energia/energia/energia-ze-zrodel-odnawialnych-w-2012-r-,3,7.html [access: 25.03.2017].
• [2] Główny Urząd Statystyczny: Energia ze źródeł odnawialnych w 2015 roku. GUS, Warszawa 2016, [on-line:] http://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/srodowisko-energia/energia/energia-ze-zrodel-odnawialnych-w-2015-roku,3,10.html [access: 25.03.2017]
• [3] Polskie Sieci Elektroenergetyczne: Miesięczne raporty z funkcjonowania Krajowego Systemu Elektroenergetycznego i Rynku Bilansującego (dane operatywne) [Monthly reports on the Polish Power System and Balancing Market], [on-line:] http://www.pse.pl/index.php?modul=8&y=2006&m=9&id_rap=213 [access: 25.03.2017].
• [4] Malnick E., Mendick R.: “1,500 accidents and incidents on UK wind farms”. The Telegraph, December 2011, [on-line:] http://www.telegraph.co.uk/news/uknews/8948363/1500-accidents-and-incidents-on-UK-wind-farms.html [access: 25.03.2017].
• [5] Caithness Windfarm Information Forum: Summary of Wind Turbine. Accident data to 31 December 2016, [on-line:] http://www.caithnesswindfarms.co.uk/AccidentStatistics.htm [access: 25.03.2017].
• [6] McGugan M., Pereira G., Sørensen B.F., Toftegaard H., Branner K.: Damage tolerance and structural monitoring for wind turbine blades. Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Science, vol. 373 (2035), 2015, 20140077.
• [7] Ruizhen Yang, Yunze He, Hong Zhang: Progress and trends in nondestructive testing and evaluation for wind turbine composite blade. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 60, 2016, pp. 1225–1250.
• [8] Carne T., Nord A.: Modal testing of a rotating wind turbine. Technical Report, SAND82-0631, Sandia National Laboratories, 1983.
• [9] Rumsey M., Hurtado J., Hansche B., Simmermacher T., Carne T., Gross E.: In field use of laser Doppler vibrometer on a wind turbine blade. AIAA Journal, vol. 48, 1998, pp. 212–221.
• [10] Ozbek M., Rixen D.J., Verbruggen T.W.: Remote monitoring of wind turbine dynamics by laser interferometry: Phase1. [in:] 27th Conference and Exposition on Structural Dynamics 2009: (IMAC XXVII); Orlando, Florida, USA, 9–12 February 2009, Society for Experimental Mechanics Inc., 2009.
• [11] Schmidt Paulsen U., Erne O., Moeller T., Sanow G., Schmidt T.: Wind Turbine Operational and Emergency Stop Measurements Using Point Tracking Videogrammetry. [in:] SEM Annual Conference and Exposition on Experimental and Applied Mechanics 2009: Albuquerque, New Mexico, USA, 1–4 June 2009, Society for Experimental Mechanics Inc., 2009.
• [12] Winstroth J., Schoen L., Ernst B., Seume J.: Wind turbine rotor blade monitoring using digital image correlation: A comparison to aeroelastic simulations of a multi-megawatt wind turbine. Journal of Physics. Conference Series, vol. 524(1), 2014, 012064.
• [13] Grosse-Schwiep M., Piechel J., Luhmann T.: Measurement of rotor blade deformations of wind energy converters with laser scanners. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. II-5/W2, 2013, pp. 97–102, ISPRS Workshop Laser Scanning 2013, 11–13 November 2013, Antalya, Turkey.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).