Eine intelligente Schraubverbindung bestimmt als energieautarkes IoT-Device die Vorspannkraft. Die Daten werden drahtlos übertragen.
Eine neue Technologie kontrolliert die Stabilität von Schraubverbindungen in Windkrafttürmen per Fernüberwachung.
Nicole Weinhold
Unter dem Markennamen Q-Bo zeigten Institute des Fraunhofer Cluster of Excellence for Cognitive Internet Technologies (CCIT) auf der Hamburg Wind Energy, wie Verschraubungen zum Beispiel an den Rotoren oder an den Turmflanschen von Windkraftanlagen effizient gewartet werden können, ohne selbst große Mengen an Energie für Installation, Betrieb und Übertragung zu verbrauchen. Damit lassen sich laut CCIT Wartungszyklen für On- und Offshore-Windkraftanlagen um ein Vielfaches gezielter und kosteneffizienter gestalten. Q-Bo ist als intelligente Schraubverbindungstechnologie konzipiert, die Wartungszyklen für Windkraftanlagen an vielen Stellen intelligenter, effizienter und kostengünstiger gestalten soll – und dies sowohl onshore wie auch auf hoher See.
Wie funktioniert das? Bei Q-Bo wird jede Schraube mit einer neuartigen Unterlegscheibe ausgestattet, die über eine sogenannte piezoresistive Diaforce-Dünnschicht und deren druckempfindliche Sensorik an drei Stellen die Vorspannkraft misst, die beim Anziehen der Schraube entsteht.
Löst sich eine Schraubverbindung, sendet ein Funkmodul auf dem Schraubenkopf diese Veränderung an die nächste Station.
Integriertes Funkmodul
Löst oder lockert sich eine Verschraubung, sendet ein integriertes Funkmodul auf dem Schraubenkopf diese Änderung des Widerstands an die nächste Basisstation. Über das am Fraunhofer IIS entwickelte Funkverfahren Mioty können mehrere Hunderttausend Schrauben über nur eine Basisstation angebunden werden. Die Mioty-Funktechnologie macht durch ein spezielles Telegram-Splitting-Verfahren zudem eine robuste und zuverlässige Datenübertragung möglich. Die Basisstation könnte so zum Beispiel am Rande eines Windparks, also in mehreren Hundert Metern oder gar einigen Kilometern Entfernung stehen.
Foto: Fraunhofer IIS
Q-Bo: Änderungen der Vorspannkraft werden an eine Cloud übermittelt.
Energy Harvesting für Autarkie
Das Problem des Energiebedarfs haben die Forschenden gelöst, indem sie auf Energy-Harvesting-Technologien setzen. Dabei werden Temperatur oder Sonnenlicht zur Stromerzeugung genutzt. Für Q-Bo erzeuge ein Thermogenerator Strom aus den geringen Temperaturunterschieden zwischen dem Inneren des Sensormoduls und der Oberfläche. „Es wäre ebenso möglich, den Strom durch Solarzellen zu generieren. Energy Harvesting macht das System energieautark oder ergänzt und verlängert Batterielaufzeiten“, erläutert Peter Spies vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. „Zudem sorgen wir für Sicherheit und Zuverlässigkeit der Daten über eine spezielle Inbetriebnahme-Box, die jeder Q-Bo-Schraubverbindung eine individuelle ID sowie weitere Infos zu Anforderungsprofil und exakter Position zuschreibt, damit das Wartungspersonal sich auch wirklich auf die Daten verlassen kann.“
Temperatur oder Sonnenlicht werden zur Stromerzeugung genutzt.
Die Q-Bo-Technologie kann auch im Retrofit in bestehende Anlagen integriert werden. Derzeit ist Q-Bo für handelsübliche DIN-Schrauben konzipiert. Einsatzbereit ist das System für Schrauben der Größe M18, demnächst werden auch Systeme für M20 und M436 verfügbar sein. Evaluierungskits wurden bereits an die ersten Unternehmen ausgeliefert, die damit vielfältige Anwendungen durch den Einsatz von Q-Bo optimieren möchten.
„Die gebündelte Fraunhofer-Kompetenz verschiedener Disziplinen bei dieser Entwicklung macht es möglich, aktuelle Anforderungen nach mehr Nachhaltigkeit auch in Wartungssysteme für nachhaltige Energie wie die Windkraft einfließen zu lassen“, so Peter Spies. Das System befindet sich in einem produktreifen Prototypenstatus.
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