Konstruktionsübung
Entwicklung einer innovativen Windkraftanlage
Die FH Koblenz ist nicht nur bestrebt, innovative Projekte anzustoßen, sondern auch Gemeinschaftsarbeiten verschiedener Fachbereiche und �richtungen durchzuführen. Den Studenten erschließen sich die Vorteile unterschiedlicher Sicht- und Herangehensweisen und letztlich die des interdisziplinären Arbeitens. Vor diesem Hintergrund entstand das Projekt der innovativen Windkraftanlage. Neben der technischen Entwicklung sind hierbei das Projektmanagement, die Finanzierung, das Styling, die Standortwahl etc. zu klären und durchzuführen. Es eröffnet sich ein weites Feld der interdisziplinären Zusammenarbeit. In der vorliegenden Konstruktionsübung sollen zunächst innovative mechanische Konzepte erarbeitet werden.
Die Idee, mit Windenergie die eigene Arbeit zu unterstützen, ist nicht neu: Schon in der Antike wurde mit Windmühlen Korn gemahlen, der Wind trieb Schiffe an, in neuerer Zeit auch Luftschiffe (Zeppeline), Drachen, Ballons, Segelflugzeuge etc. Im Freizeitbereich kennt man das Kite-Surfen und -Sailing, das Drachen- und das Gleitschirmfliegen. Die Windenergie wird in mannigfaltiger Weise genutzt.
Eine moderne Art, die Windenergie zu nutzen, besteht in der Erzeugung von elektrischem Strom. Üblicherweise werden in solchen Windkraftanlagen Rotorblätter in Drehung versetzt, die über ein spezielles Getriebe einen Generator antreiben.
Windkraftanlagen müssen jedoch nicht zwingend aus sich drehenden Rotorblättern bestehen, alternativ ist denkbar:
Bild 1: Varianten alternativer Windradkonzepte
� Ersatz der gleichmäßig rotierenden Bewegung durch eine Schraubenbewegung,
� spiralig angeordnete Rotoren,
� Drehung nicht nur um die Hochachse, sondern auch um horizontale/schiefe Achsen,
� Drehung um mehrere Achsen,
� Antrieb von geflügelten Zahnrädern,
� Antrieb von Turbinen,
� Erzeugung von Schwingungen durch die Windenergie, Speicherung der Schwingungsenergie,
� durch Wind stürzen Brücken ein ⇒ Analyse dieses Phänomens, das anscheinend genügend Energie erzeugt, um Brücken, Häuser und Türme zu zerstören,
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Diese Liste soll aufzeigen, dass es bei weitem mehr Möglichkeiten als das konventionelle Windrad gibt. In der vorliegenden Konstruktionsübung soll ein neuartiges Konzept gefunden werden, elektrischen Strom aus Windkraft zu erzeugen. Die hier beispielhaft aufgelisteten Konzeptideen dienen als Starthilfe für Ihre eigene Kreativität.
Die vorliegende Entwicklungsaufgabe soll aus zwei Phasen bestehen:
Entwicklungsphase 1:
Auffinden von min. 10 verschiedenen Konzepten zur Wandlung der Windenergie in mechanische/elektrische Energie.
Für jedes Konzept ist eine 3-D-Skizze zu fertigen, aus der zweifelsfrei die Funktionsweise hervorgeht. Entwurf und Ausarbeitung dieser Konzepte sind nicht notwendig. Mehr als die geforderten 10 Konzepte sind willkommen und werden positiv bewertet.
Diese Konzeptphase, die Ideenfindung, ist der �kreative� Teil Ihrer Arbeit. Ihre Endnote setzt sich zu gleichen Teilen aus dem Ergebnis dieser Konzeptphase wie aus der späteren Ausarbeitung zusammen.
Wenn Sie Ihr favorisiertes Konzept gefunden haben, ist die Windkraftanlage zu entwerfen und zu gestalten. Da in einer 1-semestrigen Konstruktionsübung unmöglich eine vollständige Windkraftanlage ausgelegt werden kann, soll sich die
Entwicklungsphase 2:
Entwerfen und Ausarbeiten der Windkraftanlage
auf das folgende Detail beschränken:
Der Antriebsstrang ist zu entwerfen und auszuarbeiten. Er beginnt bei der Schnittstelle zum durch die Windenergie angetriebenen Rotor (der Welle-Nabe-Verbindung Rotor-Rotorwelle) und endet mit der Schnittstelle zum Generator (der Welle-Nabe-Verbindung Welle-Generator). Die Rotorwelle dreht sich mit 100 min-1, die Generatorwelle mit 1600 min-1. Es ist ein Aufsteckgetriebe mit einem geschweißten Gehäuse zu konstruieren, das antriebsseitig (Windrotor) über eine Keilwelle, abtriebsseitig (Generatorwelle) über eine Passfederverbindung verfügt.
Die Übersetzung der langsamen Drehzahl der Rotorwelle in die schnelle Drehzahl der Genaratorwelle kann auf verschiedene Arten erfolgen, bspw.
� Zahnräder (Standrädergetriebe, Planetengetriebe)
� Riemengetriebe, Kettengetriebe
� hydraulische, pneumatische Getriebe
Üblich ist ein Zahnradgetriebe. Sie haben jedoch die freie Entscheidung über Ihre eigene Konstruktion.
In den Richtlinien für die vorliegende Konstruktionsübung ist detailliert beschrieben, wie diese Aufgabe zu bearbeiten und was zu den Vorlageterminen zu präsentieren ist. Die Richtlinien sind aus dem Portal herunterzuladen. Zusammengefasst sind die folgenden Schritte abzuleisten:
1. Klärung der Aufgabenstellung, Erstellung einer Anforderungsliste.
2. Konzipieren Aufstellen einer Funktionsgliederung/-struktur, Erstellen eines Morphologischen Kastens, Auswahl sinnvoller Lösungsprinzipien, Entscheidung für ein zu realisierendes Prinzip, 3-D-Handskizze dieses Lösungsprinzips.
3. Entwerfen Erstellen einer maßstabsgerechten Zusammenbauzeichnung, Festlegen der Werkstoffe und Fertigungsverfahren. Die Zeichnung muss alle notwendigen Ansichten und Schnitte enthalten, um die Funktion eindeutig und zweifelsfrei darzustellen (nicht zwingend Vorder-, Seitenansicht, Draufsicht).
4. Ausarbeiten Erstellen aller notwendigen Fertigungs-, Montage- und Dokumentationsunterlagen: Zusammenbau- und Einzelteilzeichnungen, Berechnungen, Stückliste, Montageanleitung. Abgabe in einer Heftmappe, DIN-gefaltet, ohne Klarsichthüllen.
Die Vorlagetermine werden durch Aushang bekannt gegeben.
betreut von Prof. Dr. Schreiber
