Windbranchentag Stade. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Bosselmann. Schnittmengen zum Thema WInd. Mechatronik DUAL

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1 Schnittmengen zum Thema WInd Mechatronik DUAL 1

2 MEC Studium u. Windkraft-Technik Inhalt dieser Präsentation 1 Die hochschule 21 2 Der Studiengang Mechatronik dual 3 Ziele und Inhalte des Moduls EUT 4 Schnittmenge Mechatronik-Studium und Windkraft-Technologie 5 Ausgewählte Beispiele 5.1 Getriebeauslegung 5.2 Konzepte zur Umformung/Einspeisung von el. Energie 5.3 Einsatz von IR zur Fertigung von WKA 6. Wirtschaftliche Bedeutung der Windenergie 6.1 Strom aus Windenergie aktuell und Prognose bis Arbeitsplätze in Deutschland 6.3 WKA aus Sicht der Betreiber 7 Blick in die Mechatronik - Labore der hs21

3 Ziele und Inhalte des Moduls EUT Energie- und Umwelttechnik (EUT) an der hochschule 21 Inhalt des Moduls EUT im 6. Semester / Mechatronik Dual 1 Einführung 2 Photovoltaik 3 Solarthermie 4 Windenergie 5 Wasserkraft 6 Erdwärme und Wärmepumpe 7 Biomasse 8 Biogas 9 Biokraftstoffe 10 Geothermische Stromerzeugung 11 Solare Kraftwerke 12 Kraft-Wärme-Kopplung

4 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Steuerelektronik => SRE / Systeme u. Regelungstechnik I+II, Sem. => ELE2 / Elektronik, 3. Sem. => DIR / Digital- und Rechnertechnik, 4. Sem. => INF / Informatik I+II, 2. und 3. Sem. => AUT / Automatisierungstechnik, 5. Sem. 1 Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Quelle:

5 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Rotorblatt/Windenergie => EUT / Energie- und Umwelttechnik, 6. Sem. => PHY / Physik, 1. Semester => CWK / Chemie/Werkstoffkunde, 1. Sem. => MAT / Mathematik I+II, Sem. Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Quelle:

6 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Getriebe => MAE / Maschinenelemente I+II, Sem. => TEM / technische Mechanik I+II, Sem. => CAD Abb. / Computer oben: wind Aided power: Design, annual 3. Sem. installed capacity by region => TEZ / technisches Zeichnen, 1. Sem. Quelle:

7 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik HGÜ, Trafo, Netzanschluss => MES1 / Mechtronische Systeme 1, 4. Sem. => ELA / Elektrische Antriebe, 3. Sem. Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region => TNR / Technische Normen, 5. Sem. Quelle:

8 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Azimutantrieb => HPS / hydraul. u. pneum. Systeme, 4. Sem => SAK / Sensorik und Aktorik, 2. Semester Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Quelle:

9 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Synchrongenerator (DSynM) => ELA / Elektrische Antriebe, 3. Semester Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Quelle:

10 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Bremse => HPS / hydraul. u. pneum. Systeme, 4. Sem => SAK / Sensorik und Aktorik, 2. Semester Quelle:

11 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Asynchrongenerator (DAsM) ggf. doppelt gespeist => ELA / Elektrische Antriebe, 3. Semester Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Quelle:

12 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik 9 Generator-Kühlsystem => SPM2 / Wahlpflicht: Klima- und Kältetechnik, 7. Sem. Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Quelle:

13 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Elektrische Blattverstellung => SAK / Sensorik und Aktorik, 2. Semester => ELA / Elektrische Antriebe, 3. Semester Quelle:

14 4 MEC Studium u. Windkraft-Technik Windmesser => SAK / Sensorik und Aktorik, 2. Semester Abb. oben: wind power: annual installed capacity by region Quelle:

15 5.1 Ausgewählte Beispiele Getriebeauslegung Abb. oben: Rotor bearings, gearbox and generator assembly of M5000 wind turbine. Source: Multibrid. Quelle:

16 5.1 Ausgewählte Beispiele Der Drive Train der Fuhrländer FL Getriebeauslegung Das Rotorlager ist ein dreireihiges Rollenlager und mit entsprechenden Sicherheiten für die auftretenden Lasten ausgelegt. Über 24 Elastomer-Elemente erfolgt die Verbindung der Wellenkupplung mit dem Flanschring des Getriebes. Sie sorgen einerseits für eine gute Körperschall-Entkopplung, andererseits werden Stöße im Antriebsstrang gedämpft. Bei Bedarf lassen sie sich sehr einfach ohne Demontage eines weiteren Bauteils austauschen. Abb. rechts: Nabe, Lager und Getriebe-Einheit der FL3000 Windkraftanlage 1) Direkter Durchstieg vom Maschinenhaus in die Nabe. 2) Das Hauptlager nimmt alle Biegemomente und Querkräfte vom Rotor auf. 3) Körperschall-entkoppelte Bolzenlagerung zwischen Rotor und Getriebe. 4) Das Getriebe ist über den kompletten Umfang auf einer ringförmigen Drehmomentstütze fixiert. Die Montage erfolgt mittels Ultrabuchsen zur Schallentkopplung und Spitzenmomentaufnahme. 5) Die Rotorwellenkupplung zwischen Getriebe und Hauptlager weist eine hohe Dämpfungseigenschaft aufgrund von Kugel-Graphit-Guss auf. Die Lösung bringt deutliche Gewichtsvorteile gegenüber konventionellen Hauptwellen. Quelle:

17 5.2.1 Ausgewählte Beispiele Umformung/Einspeisung von el. Energie Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Abb. oben: Umspannwerkplattform zur Netzanbindung des ersten deutschen Offshore-Windparks in der Ostsee EnBW Baltic 1 Quelle:

18 5.2.2 Ausgewählte Beispiele Übersicht Abb. oben: Das fertige Offshore-Umspannwerk am aus der Hubschrauberperspektive. Copyright: Stiftung Offshore Windenergie/DOTI, 2008 Quelle:

19 5.3 Ausgewählte Beispiele Einsatz von IR zur Fertigung von WKA Abb. oben: Portalroboter eingesetzt zur Fertigung von Rotorblättern Quelle: Fa. Liebherr

20 5.2.3 Ausgewählte Beispiele Aufbau von Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse Quelle: Abb. oben: Scheibenbremse

21 5.2.4 Ausgewählte Beispiele Der Mechanismus zur Windnachführung ba_kliii_hausarbeit_erlaeuterungen_der_regelprinzipien_leistungsbegrenzung_und_nachfuehrung.pdf Windnachführung Alle modernen Windkraftanlagen werden durch aktive Systeme mit Azimutmotoren automatisch nachgeführt. Die Windrichtungsnachführung wird durch hydraulische Motoren oder Elektromotoren (Azimutantrieb) gewährleistet. Die Windrichtung wird über Sensoren ermittelt. Das Maschinenhaus wird durch bis zu acht Getriebemotoren nach dem Wind ausgerichtet. Einschaltzeiten, Dauer und Drehrichtung des Motors werden über einen Windrichtungssensor mit entsprechender Software gesteuert. Wenn die Gondel nicht fixiert wird könnte sie wegen Windrichtungsschwankungen und Böen am Zahnrad des Turmkranzes hin und her schlagen und so stark verschleißen. Daher werden Bremsen am Turmkranz montiert und nur bei Windrichtungsnachführung gelöst. Quelle:

22 5.2.5 Ausgewählte Beispiele Wirkungsgrad von Windkraftanlagen Quelle: Abb. oben: Energiefluss der Windkraftanlage

23 5.2.6 Ausgewählte Beispiele Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis Abb. oben: Transport eines Permanentmagnet-Synchrongenerators der Fa. Multibrid Quelle:

24 5.2.7 Ausgewählte Beispiele V. Quaschning: Regenerative Energiesysteme (2011), Kap. 06, Seite 288 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis Abb. oben: Synchrongenerator mit Gleichstromoder Gleichspannungszwischenkreis Quelle: V. Quaschning, 2011

25 6.2 Wirtschaftliche Bedeutung von WKA Arbeitsplätze in Deutschland Abb. oben: Windenergie schafft Arbeitsplätze: Ende 2009 waren Jobs in der Branche geschaffen. Tendenz steigend. Quelle:

26 6.3 Wirtschaftliche Bedeutung von WKA WKA aus Sicht der Betreiber Umsatz und Beschäftigung durch WKA auch nach der Fertigung und Errichtung - Inspektion - Wartung - Reparatur - Repowering - Quelle:

27 6.3 Wirtschaftliche Bedeutung von WKA WKA aus Sicht der Betreiber Abb. oben: die meisten Arbeitsplätze in der Windenergiebranche gibt es 2011 in Niedersachsen, Nordrhein-Westpfahlen und Bayern Quelle:

28 6.3 Wirtschaftliche Bedeutung von WKA WKA aus Sicht der Betreiber Abb. oben: Die direkte Beschäftigung hat in den kleinen Bundesländern mit Produktionsstandorten eine überdurchschnittliche Bedeutung. Arbeitsplätze in der Zulieferindustrie (indirekte Beschäftigung) werden vor allem in Süddeutschland geschaffen. Quelle:

29 7 Blick in die MEC - Labore der hs21 1

30 7 Blick in die MEC - Labore der hs21 2 Neueste Ausstattung (1 Mio. Euro) High-Tech-Labore Informationstechnologie Elektrotechnik Automatisierungstechnik Maschinenbau/Robotik

31 Mechatronik-Studium und Wind Übersicht - Rotorblatt/Windenergie => EUT / Energie- und Umwelttechnik, 6. Sem. => PHY / Physik, 1. Semester => CWK / Chemie/Werkstoffkunde, 1. Sem. => MAT / Mathematik I+II, Sem. - Synchrongenerator => ELA / Elektrische Antriebe, 3. Semester - Elektrische Blattverstellung => SAK / Sensorik und Aktorik, 2. Semester - Windmesser => SAK / Sensorik und Aktorik, 2. Semester - Steuerelektronik => SRE / Systeme u. Regelungstechnik I+II, Sem. => ELE2 / Elektronik, 3. Sem. => DIR / Digital- und Rechnertechnik, 4. Sem. => INF / Informatik I+II, 2. und 3. Sem. - Getriebe => MAE / Maschinenelemente I+II, Sem. => TEM / technische Mechanik I+II, Sem. => CAD / Computer Aided Design, 3. Sem. => TEZ / technisches Zeichnen, 1. Sem. - Bremse => HPS / Hydraulische u. Pneumatische Systeme, 4. Sem. - Azimutantrieb => HPS / Hydraulische u. Pneumatische Systeme, 4. Sem. - HGÜ, Trafo, Netzanschluss => MES1 / Mechtronische Systeme 1, 4. Sem. => ELA / Elektrische Antriebe, 3. Sem. => TNR / Technische Normen, 5. Sem. - Generator-Kühlsystem => SPM2 / Wahlpflicht: Klima- und Kältetechnik, 7. Sem.