29.03.2019

Strom aus Torsionsschwingungen

Schifffahrt soll von autarken Sensoren für rotierende Systeme profitieren.

Umweltver­träglicher und energie­effizienter sollen zukünftige Schiffsgenerationen auf den Weltmeeren unterwegs sein. Das Projekt „SmartPS“ am Fraunhofer-Institut für Betriebs­festigkeit und System­zuverlässigkeit LBF leistet mit der Entwicklung eines intelligenten Antriebs­strangs einen wesentlichen Beitrag zum Gelingen dieser Forderung. Dazu zapfen die Darmstädter Wissenschaftler mit einem Energy Harvesting-Konzept bisher ungenutzte Energiequellen, wie beispielsweise Torsions­schwingungen an. Die Sensorik ist Teil des rotierenden Systems und somit direkt an der Wirkstelle angebracht. Das Besondere: Belastungs- und Zustandsdaten aus dem Antriebsstrang liegen über drahtlose Daten­übertragung direkt beim Nutzer vor, sobald der Antriebsstrang rotiert.

Abb.: Energy Harvester zur Wandlung von mechanischer Schwingungsenergie in...
Abb.: Energy Harvester zur Wandlung von mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie. (Bild: Raapke, Fh.-LBF)

Diese Informationen dienen einer bedarfsgerechten und kosten­günstigeren Wartung, und sie können die Entwicklung neuer Antriebs­generationen in Richtung einer leichteren Dimensionierung unterstützen. Die Sensorik ist dabei unabhängig von externen Energiequellen. Heute führt der Ausfall maritimer Systeme aufgrund defekter Antriebs­strang­komponenten zu erheblichen wirtschaft­lichen Schäden, hervorgerufen durch Stillstand­zeiten und damit einhergehenden Liefer­verzögerungen beziehungsweise Ertrags­ausfälle. Abhilfe sollen intelligente Antriebsstränge durch den Einsatz rotierender, energie­autarker Sensorsysteme schaffen. 

Bislang liegt das Problem rotierender Sensorik in der Energie­versorgung, da diese Batterien benötigt, deren Lebensdauer beschränkt ist. Wenn die Energieversorgung über das Bordnetz eines Schiffes erfolgt, müssen Schleifringe eingesetzt werden, um die elektrische Energie­versorgung zwischen stehendem und rotierendem System zu ermöglichen. Der Nachteil: Die Schleifringe verschleißen sehr stark und sind daher wartungsintensiv. Abhilfe wollen die Wissenschaftler mit rotierenden Schwingungs­energie­generatoren schaffen, die Torsions­schwingungen des Antriebsstrangs, also ungewollte und ungenutzte mechanische Energie, in elektrische Energie umwandeln. 

Mit der Entwicklung energie­autarker Sensorsysteme für rotierende Systeme, die direkt an der Wirkstelle sitzen, will das  Fraunhofer-Institut eine zuverlässige Zustands­überwachung und Belastungsanalyse ermöglichen. Das Konzept verzichtet auf Schleifringe und Batterien. Darüber hinaus wird es möglich, Sensoren an schwer erreichbaren Stellen in Antriebs­strängen einzusetzen. Die Sensordaten werden drahtlos über Bluetooth oder WLAN übertragen. Bei der Erprobung des Generators in einem Prüfstand konnten die Forscher mehrere Milliwatt Leistung generieren, ausreichend für die MEMS (Micro Electro Mechanical System)-Sensoren. Unter anderem lassen sich damit zur Zustands­überwachung Beschleunigungs­sensoren oder Temperatur­sensorik, beispielsweise ein Infrarot-Wärmesensor, betreiben.  

Bei einem ersten Einsatz von Beschleunigungs­sensoren auf einer Schiffs­antriebswelle konnten die Forscher zeigen, dass die Datenübertragung via Bluetooth aus dem Maschinenraum zu einem zentralen Rechner an Board möglich ist. Somit ließ sich die Drehschwingung des Schiffsantriebs erfolgreich aufzeichnen. Der nun entwickelte rotatorische Schwingungs­energie-Generator hat mehrere Vorteile: Sobald der Antriebsstrang rotiert, liefert die autarke Sensorik vorliegende Belastungs- und Zustands­daten. Da Energiequelle und Sensorik in einem System integriert sind, wird die Sensorik unabhängig von vorhandener Bord­elektronik. Darüber hinaus sind keine mechanischen Verbindungen zwischen rotierendem und stehendem System erforderlich, und es müssen keine Batterien gewartet oder ausgetauscht werden. 

Bislang konzentriert sich das Forschungs­projekt zur Entwicklung der energieautarken Sensorik in rotierenden Systemen auf den maritimen Bereich. Zurzeit planen die Wissenschaftler die Erprobung und den Einsatz ihres neuartigen Systems in Schiffs­antrieben. Künftig ist der Einsatz jedoch in jeglichen rotierenden Systemen, beispielsweise Kraft­maschinen, mit großen Wellen­durchmessern, vorstellbar. Für das bis Ende 2019 laufende Vorhaben sind Folgeprojekte geplant, die unter anderem auch die Entwicklung eines marktreifen Produktes zum Ziel haben. 

Fh.-LBF / JOL

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