Forschung

Abgeschlossene Forschungsprojekte

2016

Voruntersuchungen zur thermischen Optimierung elektrischer Maschinen

In der Vergangenheit wurde dem thermischen Verhalten elektrischer Maschinen nur wenig Beachtung geschenkt. Es wurde fast ausschließlich das elektrische Verhalten erforscht. Die thermische Auslegung geschah in der Regel durch Faustformeln. Andernfalls wurden rudimentäre Größen wie Stromdichte herangezogen um eine Aussage über die thermische Auslastung zu geben. Ein möglicher Grund für die Vernachlässigung könnte die Ausbildung der Motordesigner sein. Diese sind größtenteils Elektroingenieure.  Die thermische Analyse ist jedoch eine Disziplin des Maschinenbaustudiums.

Durch den Drang zu steigenden Wirkungsgraden und sinkenden Kosten spielt die thermische Auslegung elektrischer Maschinen eine ebenso wichtige Rolle wie die elektro-magnetische Dimensionierung. Die Voruntersuchung soll die Arten der thermischen Modellierung von elektrischen Maschinen offenlegen und diese verifizieren.

Die thermischen Untersuchungen von Asynchronmaschinen lassen sich prinzipiell in zwei Klassen einteilen. Zum einen gibt es analytische Methoden, zum anderen numerische. Erstere werden auch als thermische Netzwerkberechnungen bezeichnet. Sie haben den Charme, dass sie wenig Rechenkapazität benötigen. Berechnungen lassen sich daher schnell durchführen. Die Hauptaufgabe bei der Bildung derartiger Netzwerke liegt in der Dimensionierung der Widerstände. Diese sind so zu wählen, dass das Temperaturverhalten innerhalb der Maschine gut abgebildet wird. Numerische Simulationen ermöglichen die Untersuchung beliebiger Geometrien. Der Rechenaufwand ist jedoch deutlich höher. Des Weiteren ist für die Erzeugung der Modelle wesentlich mehr Zeit einzuplanen. In den durchgeführten Voruntersuchungen sind beide Methoden aufgezeigt und die Ergebnisse anhand einer Niederspannungsasynchronmaschine verifiziert.

Für die Entwicklung analytischer und numerischer Modelle sind gewisse Kennwerte der zu untersuchenden Maschine essentiell. Diesbezüglich wurde die Maschine der Firma Elektromaschinenzentrale (EMZ) sowohl elektrisch als auch thermisch vermessen. Dies geschah an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Anhand der Messung ist eine Bestimmung der Verluste innerhalb der Maschine möglich. Diese gehen in die entwickelten Modelle ein.

Die berechneten Temperaturen (der verwendeten thermischen Netzwerke) stimmen mit den real gemessenen Werten relativ gut überein. Eine Kenntnis der genauen Geometrie ist hierbei erforderlich. Gerade die Luftspaltbreite ist ein sehr sensibler Parameter im Hinblick auf die Läufertemperatur. Des Weiteren ist aufgezeigt, wie numerische Simulationen die Erstellung analytischer Netzwerke unterstützen können. Eine eigenständige numerische Simulation bildet das interne thermische Verhalten ebenfalls gut ab. Im Hinblick auf die Optimierung sind numerische Simulationen das Mittel der Wahl. Schwachstellen bei der Kühlung lassen sich sehr gut ausfindig machen. Auch Parameterstudien zur Verbesserung sind implementierbar. Die gewonnene Expertise soll in Folgeprojekten zur weiteren Ausreizung elektrischer Maschinen genutzt werden.

(Bearbeitung: Christoph Schmidt, Stephan Scholz)

 

2015

Entwicklung einer Membranmotor-Klein-ORC-Anlage im Leistungsbereich bis 150 kW (thermisch) und 15 kW (elektrisch)

In einem Organic-Rankine-Cycle-Prozess (ORC-Prozess) wird wie in einem Dampfkraftwerk thermische in mechanische Energie umgewandelt. Durch den Einsatz von anderen Fluiden als Wasser im Kreislauf kann der Prozess mit niedrigeren Temperaturen betrieben werden und so bei der Wärmerückgewinnung von Niedertemperatur-Ab­wärme (ab 80°C) eingesetzt werden. Ziel des Forschungsverbundprojekts war die Entwicklung einer Klein-ORC-Anlage als Nachrüstmodul für Biogasanlagen. Dadurch können bisher ohne Wärmenutzungskonzept betriebene Biogasanlagen auch die Anforderungen an das EEG 2012 erfüllen, welches eine Nutzung der Abwärme auch durch ORC-Anlagen als Voraussetzung für die weitere Förderfähigkeit vorsieht. Für die Klein-ORC-Anlage wurde der Prototyp eines Gasdruckmembranmotors entwickelt, der als Expandermaschine eingesetzt werden kann. Seine geringeren Kosten machen die Gesamtanlage günstiger und verkürzen den Return-of-Invest.

Die wesentlichen Aufgaben im Verbundprojekt waren die numerische Simulation des Mem­branmotors, die Auslegung, Anpassung und Optimierung des ORC-Prozesses, die wissenschaftliche Begleitung der Ergebnisse der Projektpartner sowie eine abschließende Bewertung der errichteten ORC-Anlage.

In der numerischen Simulation kam eine 2-Wege-Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) und eine reine Strömungssimulation (CFD) zum Einsatz. Bei der FSI-Simulation wurden die Bewegungen der Festkörperkomponenten wie Welle, Pleuelstange und Membran sowie die Fluidströmung und deren Zusammenwirken berechnet. Für die Untersuchung verschiedener Auslegungsvarianten zeigte sich eine reine CFD-Simulation, die schneller adäquate Ergebnisse liefern konnte, als ausreichend.  Durch die Versuche an einem Funktionsmuster im Labor und die Auswertung der Messergebnisse mithilfe der Simulationen wurden die wesentlichen Konstruktionsparameter festgelegt, die dann von den Projektpartnern übernommen wurden.

Auf Grundlage der Prozessauslegung des Instituts wurde die projektierte ORC-Anlage durch die Projektpartner errichtet. Abweichend vom ursprünglich geplanten Aufstellungsort an einem Biogas-BHKW ist die ORC-Anlage an der Hochschule Nordhausen installiert worden, da hier eine bessere Überwachung der Testläufe möglich ist. Zu diesem Zweck wurde zusätzlich eine elek­trische Thermoölanlage an der Hochschule Nordhausen aufgebaut. Aufbauend auf dem bestehenden Prüfstand soll in einem Folgeprojekt der Membranmotor durch einen Kunststoff-Scrollexpander ersetzt werden. Projektpartner waren die Firmen Galek & Kowald (Mühlhausen), Hörisch-Präzision (Apolda) und die Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung (Schmalkalden)

FuE-Verbundprojekt zwischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen

(Bearbeitung: Jutta Carow, Rio M. Rathje, Thomas Link)

 

Entwicklung eines Verfahrens zur Carbonrahmenherstellung auf Basis eines RIM-Verfahrens mit integriertem pneumatischen Kern (CR-RIM)

In dem Projekt soll ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Fahrradrahmens aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (Carbon) auf Basis eines Vakuuminfusionsverfahrens entwickelt und erprobt werden. Hierbei soll das Werkstück im Ganzen gefertigt werden, sodass keine Nachbearbeitung im Sinne der Verbindung verschiedener Rahmenteile erfolgt. Die Vorteile dieses Verfahrens sind zum einen, dass die Carbon-Faser nicht durch Verbindungen geschwächt wird und der Rahmen somit bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften ein niedrigeres Gewicht aufweist und zum anderen, dass der Herstellungsaufwand geringer wird, was zu einer günstigeren Produktion führt. Im Zuge des Projektes wird durch die Hochschule Nordhausen ein Lagenplan für die Herstellung entwickelt und numerisch überprüft. Zusätzlich testet die Hochschule Nordhausen Proben, welche mit Hilfe des neuen Herstellungsverfahrens gefertigt wurden und bewertet diese hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften. Ziel ist es, einen aerodynamisch günstig geformten Zeitfahrrahmen zu entwickeln, welcher ein Gewicht von unter 1000g aufweist.

(Bearbeitung: Henrik Schneider, Matthias Haenecke, Thomas Link)

 

Übersetzung Qualitätssicherungshandbuch für Motoren und Antriebe

Es wurde ein Qualitätssicherungshandbuch für Motoren und Antriebe der amerikanischen Vereinigung Electrical Apparatus Service Association (EASA) für deutsche Betriebe übersetzt. Die Übersetzung von technischem Englisch ins Deutsche wurde in Zusammenarbeit mit Studierenden ab dem 4. Fachsemester durchgeführt. Unterstützt wurde das Institut dabei durch das Sprachenzentrum der Hochschule Nordhausen.

(Bearbeitung: Pia Manz, Björn Langkopf, Stephan Scholz)

 

Energetische Nutzung von biogenen Reststoffen am Beispiel von Pferdemist- Pellets

Als regenerativer Energieträger spielt die Biomasse eine zentrale Rolle im bundesdeutschen Wärmemarkt. Traditionell steht die Verwendung von Holz als Energieträger im Mittelpunkt, wobei die wirtschaftlich verfügbaren Potenziale begrenzt sind. Dem entsprechend findet die energetische Nutzung von Reststoffen verstärktes Interesse. Insbesondere in der Landwirtschaft fallen zum Teil große Mengen unterschiedlicher Reststoffe an, die heute nicht oder nur geringfügig genutzt werden. Allerdings unterscheiden sich diese Reststoffe hinsichtlich ihrer chemisch physikalischen Eigenschaften und damit ihres Verbrennungs- und Emissionsverhaltens zum Teil deutlich von den üblichen Holzbrennstoffen.

Die Frage, in wie weit solche Reststoffe als Energieträger in Frage kommen ist daher von großer Bedeutung. Im Rahmen eines Forschungsprojektes, welches das Institut für Regenerative Energietechnik (in.RET) in Kooperation mit der Fa. M.A.M. Energietechnik GmbH aus Suhl durchgeführt hat, wurde dieser Frage nachgegangen.

In Anbetracht eines wachsenden Entsorgungszwangs für pferdehaltende Betriebe stand die Nutzung von Pferdemist im Mittelpunkt des Vorhabens. Das Material musste zunächst getrocknet werden, wozu ein innovatives Niedertemperaturtrocknungsverfahren verwendet wurde, welches der Projektpartner entwickelt hat. Das getrocknete Ausgangsmaterial wurde am in.RET zunächst pelletiert, um auf diese Weise homogene und ggf. standardisierbare Brennstoffe zu erzeugen. Die Pellets wurden anschließend in einem 30 kW Biomassekessel verbrannt und die dabei entstehenden Staub- und Schadstoffemissionen gemessen. Die chemisch physikalischen Eigenschaften der Pellets wurden mit den Vorgaben der einschlägigen EU Norm verglichen, die entstandenen Emissionen den Grenzwerten der 1. BImSchV gegenübergestellt und eine Analyse der Asche durchgeführt. Auf diese Versuche und die erzielten Ergebnisse wird im Vortrag genauer eingegangen.

Im Ergebnis konnte gezeigt werden dass durch die Pelletierung der Rohstoffe ein Brennstoff entsteht, der den Vorgaben der EU Norm weitgehend entspricht und eine Nutzung landwirtschaftlicher Reststoffe in Kleinanlagen möglich ist. Die während der Verbrennungsversuche ermittelten CO und NOx Emissionen zeigten, dass eine vollständige Verbrennung derartiger Reststoffpellets machbar ist. Etwas problematischer sind die Staubemissionen und Aschegehalte, welche gegenüber einer Verbrennung reiner Holzpellets deutlich ansteigen. Es ergeben sich Ansätze zur Optimierung dieser Brennstoffe, die in weiteren Forschungsarbeiten untersucht werden sollen.

 

2014

Systembedingte Degradationsmechanismen von Dünnschichtphotovoltaikmodulen

Erneuerbare Energieanlagen wie Photovoltaikgeneratoren müssen eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren aufweisen, um wirtschaftlich betrieben werden zu können. Photovoltaikanlagen sind während dieser Zeit unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt. Vor allem Witterungseinflüsse belasten die Module und treiben Alterungsprozess voran. Aufgrund der Zusammensetzung der Module aus unterschiedlichsten Materialien kann es beispielsweise durch Feuchtigkeits- und Temperaturwechsel, Sonneneinstrahlung und dem Potential gegen Erde zu zahlreichen Reaktionen der eingesetzten Materialien untereinander kommen. Eine wichtige Rolle kommt dabei der potentialbedingten Wanderung von Natriumionen aus dem Frontglas in die Halbleiterschicht der Module zu. 

Die Forschergruppe untersuchte Dünnschicht- photovoltaikmodule aus mikrokristallinem Silizium (µ-Si) und dem Verbindungshalbleiter CIGS. Hier kann es bei bestimmten Anlagenverschaltungen zu einer irreversiblen Degradation der stromführenden Schicht kommen, die für µ-Si-Module als TCO-Korrosion (vgl. Abbildung) und bei CIGS-Modulen als PID-Effekt bezeichnet wird. Um neue Produktionsprozesse hinsichtlich ihrer Beständigkeit zu untersuchen, fehlten bisher geeignete Testverfahren, die insbesondere eine reproduzierbare und beschleunigte Alterung ermöglichen. Die Entwicklung solcher Testverfahren war Gegenstand dieses Projekts. Weiterhin wurden Simulationsmodelle erstellt, die es erlauben, das Schadenspotential vorauszusagen.

Ein Maß für den Fortschritt der Degradation ist die von Leckströmen transportierte Ladungsmenge. Die Abbildung "Leckstrompfade am Modul" zeigt typische Leckstrompfade für ein CIGS-Moduls.

Zur Ermittlung von Alterungsmodellen wurden in einer Klimakammer beschleunigte Alterungstests durchgeführt. In sogenannten Bias-Damp-Heat-Tests wurden die Module wechselnder Temperatur (0 ... 85 °C) und relativer Luftfeuchtigkeit (10 ... 95 %) unter Anwesenheit eines äußeren elektrischen Potentials (+/-1000 V) ausgesetzt. Gleichzeitig wurde am Institut ein Freifeld-Versuchsstand installiert, in welchem unterschiedliche Dünnschichtphotovoltaikmodule bei natürlicher Alterung getestet wurden (siehe Abbildung). Der Einfluss der Umweltbedingungen, der angelegten Potentiale gegen Erde und die Art der Kontaktierung wurden dabei untersucht. In beiden Fällen wurden die auftretenden Leckströme kontinuierlich gemessen. Eine Korrelation von Klimakammertests und Freifeldversuchen ermöglicht eine Übertragung der Ergebnisse aus den beschleunigten Alterungstests auf den realen Anlagenbetrieb.

Im Rahmen des Projekts wurde eine qualitative Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu systembedingter Degradation sowohl für die TCO-Korrosion als auch den PID-Effekt erreicht. Der postulierte Zusammenhang zwischen Degradationsrate und übertragener Ladungsmenge konnte verifiziert werden. Dieser ist jedoch nicht zwingend linear (siehe Abbildung rechts).

Die vielen unterschiedlichen Einflussfaktoren, zu denen unter anderem Modultechnologie, Kontaktierung, Betrag und Richtung des angelegten Potentials und die Umgebungsbedingungen gehören, erschweren quantitative Aussagen. Als wichtige Voraussetzungen für die Extrapolierbarkeit der Ergebnisse wurden die detaillierte Berücksichtigung des Modul-Mikroklimas und der Regenerationsmechanismen im Feld ermittelt.

Dieses Projekt wird gefördert durch den Europäischen Sozialfonds (ESF).

(Bearbeitung: Esther Fokuhl, Pia Manz, Benno Trautmann, Sebastian Voswinckel, Viktor Wesselak)

 

Abgeschlossene Projekte vor 2014