Algemeen
Fraunhofer LBF autarke sensor
Op de aandrijfas van een tweetaksmotor aangebrachte versnellingssensor met elektronica voor de dataverwerking en draadloze real-time data-overdracht (foto's: Fraunhofer-LBF, Raapke).

De toekomstige generaties schepen moeten milieuvriendelijker en energetisch zuiniger op de wereldzeeën onderweg zijn. Het project ‘SmartPS’ aan het Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt levert met de ontwikkeling van een intelligente aandrijflijn een wezenlijke bijdrage aan het voldoen aan deze eis. Daartoe winnen de wetenschappers met een ‘energy harvesting’ concept (autarke sensoren) energie uit tot nu toe ongebruikte bronnen, zoals torsietrillingen.

De sensoriek is onderdeel van het roterend systeem en werkt daarom direct op de plaats van handeling. Het bijzondere is, dat de belastings- en toestandsdata uit de aandrijflijn via draadloze data-overdracht direct beschikbaar zijn voor de gebruiker zodra hij de aandrijflijn in beweging zet.

Deze informatie dient voor op conditie gebaseerd en economisch onderhoud. Ze kan de ontwikkeling van nieuwe generaties aandrijvingen in de richting van lichtere dimensionering ondersteunen. De sensoriek is bovendien niet afhankelijk van externe energiebronnen.

Probleemstelling

Recente incidenten voor de kust van Noorwegen hebben aangetoond, dat het uitvallen van maritieme systemen door het uitvallen van componenten uit de aandrijflijn niet alleen tot aanzienlijke economische kan leiden, maar ook mensenlevens in gevaar kan brengen. Economische schade ontstaat door stilstandstijden en daarmee gepaard gaande vertragingen van leveringen en verlies van inkomsten. Intelligente aandrijflijnen met gebruikmaking van roterende, energetisch onafhankelijke sensorsystemen moeten daarbij een handje helpen.

Tot nu toe ligt het probleem van roterende sensoren in de voeding omdat ze batterijen nodig hebben, waardoor hun levensduur beperkt is. Wanneer de voeding via bijvoorbeeld het boordnet van een schip verloopt, moeten sleepringen worden gebruikt om de elektrische voeding tussen staand en roterend systeem mogelijk te maken. Het nadeel daarvan is dat sleepringen slijten en intensief onderhoud behoeven.

De wetenschappers van het Fraunhofer-instituut willen de helpende hand toesteken met roterende trillingsenergiegeneratoren, die torsietrillingen uit de aandrijflijn (dus ongewenste en ongebruikte mechanische energie) omzetten in elektrische energie.

Sensoren op lastige plekken

Met de ontwikkeling van energetisch onafhankelijke sensoren voor roterende systemen, die direct op de werkplek zitten, willen de onderzoekers een betrouwbare toestandsbewaking en belastinganalyse mogelijk maken. Het concept heeft geen sleepringen en batterijen nodig. Bovendien wordt het mogelijk om sensoren op moeilijk bereikbare plaatsen in aandrijflijnen te plaatsen.

De sensordata worden draadloos via Bluetooth of WLAN doorgestuurd. Bij het testen van de generator op een testbank konden de onderzoekers uit Darmstadt een aantal milliwatts aan vermogen genereren, wat voldoende is voor de MEMS-sensoren (Micro Electro Mechanical Systems). Onder andere kunnen hiermee toestandsbewaking, versnellingssensoren of temperatuursensoren (bijvoorbeeld een infrarood warmtesensor) worden gevoed.

Bij een eerste gebruik van versnellingssensoren op een scheepsas konden de onderzoekers aantonen, dat de dataoverdracht via Bluetooth vanuit de machinekamer naar een centrale computer aan boord mogelijk is. Hierdoor kon de rotatietrilling van de scheepsaandrijving met succes worden opgetekend.

Autarke sensoren

De door Fraunhofer LBF ontwikkelde roterende trillingsenergiegenerator heeft meerdere voordelen. Zodra de aandrijflijn draait, levert de autarke sensoriek de actuele belasting- en toestandsdata. Omdat voeding en sensor in één systeem zijn geïntegreerd, wordt de sensor onafhankelijk van de aanwezige boordelektronica. Bovendien zijn ook geen mechanische verbindingen tussen roterende en stilstaand systeem nodig en hoeven geen batterijen te worden onderhouden of verwisseld.

Fraunhofer LBF autarke sensor
Energy Harvester voor het omzetten van mechanische trillingsenergie in elektrische energie.

Tot nu concentreert het onderzoeksproject zich op de ontwikkeling van energetisch autarke sensoren in roterende systemen voor de maritieme wereld. Momenteel plannen de wetenschappers van het instituut het testen en gebruiken van hun nieuwe systeem in scheepsaandrijvingen. In de toekomst is echter gebruik in elk soort roterend systeem, bijvoorbeeld verbrandingsmotoren met grote asdiameters.

Voor het tot eind 2019 lopende project zijn al vervolgprojecten gepland, die onder andere ook de ontwikkeling ten doel hebben van een product dat rijp is voor de markt.

In het met publieke middelen gesubsidieerde project nemen behalve Fraunhofer LBF ook Reintjes Power Train Solutions, Contitech, Deltamarin in Turku (SF), de Nationale Technische Universiteit van Wit-Rusland (BNTU) en de Technische Universiteit van Gdansk deel. Voor de ontwikkeling van de rotererende sensoren heeft het instituut uit Darmstadt in samenwerking met het Skolkovo Instituut voor Wetenschap & Technologie in Moskou een eerste proef in een scheepsaandrijving uitgevoerd tijdens een vaart op een rivier.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven