风力发电已成为环保电源不可或缺的一部分。大约50千兆瓦，相当于德国总功率的12%，由28,000多台风力涡轮机产生-呈上升趋势。根据全球风能理事会的数据，到2030年，全球风电装机容量将翻两番，达到2,110千兆瓦-占全球电力供应的20%。因此，对于这个增长市场来说，风力涡轮机变得更高效，更可靠和更耐用是非常重要的。据行业专家称，例如，叶片生产的薄弱环节可能导致在涡轮机的整个使用寿命期间无计划的额外运行和维护成本达数十万欧元。为了提高风力涡轮机的效率和可靠性，FraunhoferIAF开发了一种用于检查转子叶片质量的材料扫描仪。使用基于雷达的技术，可以更加详细地检测风力涡轮机叶片的材料成分中的缺陷。

识别复合塑料中的缺陷

通常配备有三个叶片的转子是所有风力涡轮机的中心部件。它们将风转换为旋转能量，然后转化为电能。就像飞机上的机翼一样，叶片承受巨大的外部载荷，因此必须设计得非常坚固。现代风力涡轮机叶片主要由玻璃纤维和碳纤维增强塑料(GFRP/CFRP)构成，因此它们可以从强烈的阵风中弹性地吸收风能而不会破裂。对于单个刀片，最多100片玻璃纤维织带彼此叠置，成形，然后用环氧树脂胶合在一起。在生产的这个阶段，质量控制至关重要：“难点在于将玻璃纤维板在胶合之前分层，不会产生起伏和折叠，以及分层或裂缝，可以使用红外热成像技术大规模识别。“我们的材料扫描仪可以更准确地识别缺陷，因为雷达技术也可以实现深度分辨-即使在超声波方法失效的地方，”Hülsmann说。以及分层或裂缝，可以使用红外热成像技术大规模识别。“我们的材料扫描仪可以更准确地识别缺陷，因为雷达技术也可以实现深度分辨-即使在超声波方法失效的地方，”Hülsmann说。

具有毫米精度的横截面轮廓

材料扫描仪的核心是高频雷达，它在85和100GHz之间的W波段工作，只有很少的发射功率。然后使用专用软件处理发射器和接收器信号并可视化测量结果。“这使我们能够生成刀片的横截面视图，其中可以在毫米范围内识别缺陷，并使我们的材料扫描仪比传统方法更精确，”Hülsmann指出。雷达模块基于铟镓砷半导体技术。由于采用单片集成结构，它具有极轻且紧凑的特点，其中不同的组件和功能集成在一个芯片中。尺寸为42x28x79mm，它大约是一包香烟的大小，重量只有160克。它具有约5瓦的低功耗，并配有集成的微控制器，可通过互联网接口发出测量信号。

未来的改进将使模块的频率范围扩展到260GHz，进入所谓的H波段。“这将使雷达模块的带宽从15GHz增加到60GHz以上。虽然转子叶片横截面的分辨率已经非常高，但我们的目标是进一步提高它，”Hülsmann说。

减少停机时间意味着降低维护成本

除了用于生产转子叶片之外，FraunhoferIAF材料扫描仪在未来还可以在维护中发挥作用，可用于对缺陷进行分类，例如由鸟类的影响引起的缺陷。“目前，转子叶片的常规测试主要是手工完成：专家用锤子敲击刀片，可以从音调中判断出该部分是否有任何缺陷。自动化解决方案，辅以我们的雷达技术，可以Hülsmann解释说：“大大减少风力发电机的停机时间，从而节省成本。”对于海上风力涡轮机的手动维护尤其如此，这种风力涡轮机必须通过船只到达，有时在汹涌的海面上-这是一个耗时的过程。

替代测试技术，例如超声波解决方案，很难集成到维护程序中。“必须使用水或凝胶作为偶联剂，因为传感器和被测部件之间的每个气穴都会在相当程度上消除超声波信号。虽然这会产生某些副作用，但在检查转子叶片期间的缺陷时仍然可行。但是，在空中100米的风力涡轮机叶片上应用水或凝胶是非常复杂的。因为它允许非接触式遥感，雷达是这种情况下的最佳解决方案，“Hülsmann说。

FraunhoferIAF的雷达扫描仪也可以为其他行业的创新材料检测做出贡献-例如飞机行业。在诸如波音787梦想飞机或空中客车A350等新型飞机中，机翼尤其主要由轻质复合材料制成。“在飞机工业中，与塑料行业一样，在生产和维护过程中进行准确，快速的缺陷测试可以节省成本并防止材料疲劳造成的损坏，”Hülsmann评论道。

2017年汉诺威工业博览会的材料扫描仪

弗劳恩霍夫国际宇航联合会将于2017年4月24日至28日在汉诺威工业博览会17号展厅B76展位的Baden-Württemberg共用展位上推出用于测试风力发电机叶片的材料扫描仪。展出的雷达扫描仪将进行测试不同的复合塑料，展示了创新雷达技术的潜力。