Browsing by Author "Kotulla, Michael"

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Untersuchungen zu Energieversorgung und Antrieb einer Leichter-als-Luft-Höhenplattform
(2008) Kotulla, Michael; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Höhenplattformen besitzen ein großes Potential zum Ersatz von bodengebundenen Relaisstationen in der Telekommunikation im Nahbereich. Darüber hinaus sind Anwendungen auf dem Gebiet der Überwachung, zum Beispiel zum Schutz von Staatsgrenzen, durch gefesselte Ballone oder Stratosphärenflugzeuge bereits realisiert worden. Neben diesen Konzepten gibt es mehrere Forschungsprojekte zur Entwicklung stratosphärischer Luftschiffe für lange Einsatzdauern. Dabei ist eine stationäre Positionierung dieser Höhenplattformen und somit ein Ausgleich der in Einsatzhöhe auftretenden Windgeschwindigkeiten eine wesentliche Anforderung. Im Verbundforschungsprojekt AirChain von Universität und DLR Stuttgart wird ein Luftschiff als Gliederkette von fünf gelenkig miteinander verbundenen Prallkörpern untersucht. Dieses Luftschiff soll eine Nutzlast während einer möglichst langen Missionsdauer stationär in der unteren Stratosphäre positionieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Aufbau eines echtzeitfähigen Simulationsmodells für Energieversorgung und Antrieb der Leichter-als-Luft-Höhenplattform behandelt. Aus strukturmechanischen Gründen und zur Stabilisierung des Luftschiffs ist eine Aufteilung auf mehrere Antriebseinheiten notwendig. Für einen effizienten Betrieb des Antriebsstrangs über den breiten Betriebsbereich werden auch die Energieerzeuger auf mehrere Einheiten aufgeteilt. Es werden zu jedem Zeitpunkt nur ebenso viele Energieerzeuger betrieben wie zur Abdeckung des Antriebsbedarfs notwendig ist. Zur Reduktion von Verlusten kann durch Verwendung einer Pufferbatterie der Betrieb eines Energieerzeugers im energetisch ungünstigen Teillastbereich verringert werden. Weiterhin können durch die Pufferbatterie die dynamischen Eigenschaften der Energieerzeuger zur Abdeckung dynamischer Leistungsanforderungen deutlich verbessert werden. Die Auswahl der Subsysteme und Komponenten des Antriebsstrangs basiert auf dem Stand der Technik. Neben elektrisch betriebenen Propellern werden deshalb Gasturbinen und Generatoren für die Energieerzeugung ausgewählt und damit ein nicht-regeneratives System. Das Modell des Antriebsstrangs ist modular aufgebaut, so dass einzelne Komponenten verändert oder durch weiterentwickelte Systeme ersetzt werden können. Dazu verfügen die Komponenten über eigene Regelungseinheiten. Darüber hinaus gibt es einen Gesamtregler des Antriebsstrangs, in welchem wesentliche Entscheidungen über die Betriebsweise der Energieerzeuger in Abhängigkeit des Ladezustands der Pufferbatterie getroffen werden. Als von großem Nachteil erweist sich hierbei die mangelnde Kenntnis über die Dynamik des stratosphärischen Windes, nach der sich einige grundlegende Systemeigenschaften ausrichten müssen. Mit den heute verfügbaren Winddaten ist eine maximale zeitliche Auflösung von sechs Stunden zu gering, um daraus die geforderten Informationen abzuleiten. Daher muss an dieser Stelle von einer hohen möglichen Winddynamik ausgegangen werden. Die Einbindung der Pufferbatterie erfolgt konservativ, so dass der stationäre Betrieb der Antriebe weitgehend ohne Pufferbatterieleistung auskommt und die Pufferbatterie fast nur zur Abbildung der Dynamik verwendet wird. Es ist daher weiteres Potential zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrads über den Rahmen dieser Arbeit hinaus vorhanden. Die erreichbaren Missionsdauern richten sich bei fest vorgegebener Brennstoffmasse nach der jeweiligen Windgeschwindigkeit. Über Mitteleuropa ist diese im Sommer gering, mit den durchgeführten Simulationen kann eine Missionsdauer von bis zu neun Tagen erreicht werden. Durch eine stärkere Einbindung der Pufferbatterie kann diese Zeitdauer noch ausgedehnt werden. In windstarken Wintermonaten verringert sich die Missionsdauer auf fünf bis sieben Tage. Trotz des höheren Antriebsbedarfs können mit dem untersuchten Modell des Antriebsstrangs alle stationären Leistungsanforderungen abgedeckt werden. Bei hoher Winddynamik erweisen sich die zur Umsetzung hoher Vortriebswirkungsgrade groß dimensionierten Propeller als nachteilig. Deren im Vergleich zu den Elektromotoren hohe Massenträgheit führt zu langen Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten. An diesem Beispiel zeigen sich die Herausforderungen, welche für die Entwicklung von Antriebslösungen bei den in der unteren Stratosphäre vorherrschenden extremen Umweltbedingungen bestehen. Mit dem vorliegenden Simulationsmodell wurde hierfür eine mögliche Lösung ausgearbeitet.