Wind Physics Students‘ Lab: Dynamics and Control of Grid-Connected Wind Turbines

Allgemeines

Lehrende:r
Andreas Hermann Schmidt

Veranstaltung
Wind Physics Students‘ Lab: Dynamics and Control of Grid-Connected Wind Turbines

Modul
phy646 Wind Physics Student`s Lab

Wahlmodul Fachmaster Engineering Physics

Fakultät
V – Mathematik und Naturwissenschaften

Institut
Physik

Empfohlenes Semester
1. und 2. Master-Semester

Turnus
Wöchentlich

Anzahl Studierende
Durchschnittlich 10

KP des Moduls
6

Prüfungsform
Seminararbeit

Kategorien
FLiF & FLiF+
Forschendes Lernen
Mathematik und Naturwissenschaften
Praktikum
Seminar

Kurzbeschreibung

Im Rahmen des „Wind Physics Student’s Lab“ ist die Erstellung und Etablierung von insgesamt drei Seminaren vorgesehen. Jedes Seminar ist einer der drei Forschungsgruppen zugeordnet, die bei ForWind in Oldenburg tätig sind. In diesen sollen Studierende Themen der physikalischen und technischen Grundlagen der Windenergienutzung durch forschungsbasiertes Lernen vertiefen. Die Kurse werden im Rahmen der Initiative FLiF+ (Forschendes Lernen im Focus) an der Universität Oldenburg (siehe Website des Programms forschen@studium) entwickelt. Sie haben sowohl Seminar- als auch Laborcharakter. Gruppen von je zwei Studierenden untersuchen entweder eine vorgegebene, im optimalen Falle aber eine selbst formulierte Forschungsfrage und werden durch den forschungsbasierten Lernprozess geführt. Um die Studierenden an die aktuelle Windenergieforschung heranzuführen, betreut jede der drei ForWind-Forschungsgruppen, die an der Universität Oldenburg arbeiten, ein Seminar in einem bestimmten Fachgebiet. Diese Themenseminare werden in Zukunft regelmäßig im Rahmen des Lehrangebotes angeboten werden.

Das Seminar mit dem Thema „Dynamik und Regelung netzgekoppelter Windenergieanlagen“ steht im Zusammenhang mit der Arbeit der Forschungsgruppe Windenergiesysteme. Es soll ein vertieftes Verständnis für die Regelung und Netzkopplung von Windenergieanlagen als Spezialfall der Regelungs- und Elektrotechnik vermitteln. Das Seminar verwendet ein experimentelles System, das es erlaubt, Regelaufgaben und Interaktionsmechanismen der Funktionskette von Windfeld, Rotor, Antriebsstrang, Generator, Transformator und elektrischem Netz zu untersuchen.

Das Seminar besteht aus drei Hauptphasen mit unterschiedlichen Lernschritten:

1. Phase: Klassenraum-Seminar

• Aufbau von Grundkompetenzen
• Identifizierung der technischen Aufgaben
• Einführung in die aktuelle Forschung
• Einführung in die Lernplattform
• Untersuchung von Standardsituationen und funktionellen Wechselwirkungen mit Hilfe des Versuchssystems
• Definition einer eigenen Forschungsfrage, wenn möglich; ggf. Vorgabe einer Forschungsfrage
• Definition einer experimentellen Strategie
• Planung des Experiments

2. Phase: Laborarbeit (1 Woche)

• Durchführung des Experiments mit Datenerfassung

3. Phase: Auswertung und Dokumentation

• Auswertung des Experiments
• Dokumentation mit einem kurzen Bericht (Papier)
• Präsentation

Umsetzungsstufen des Forschenden Lernens

Umsetzung des forschungsbasierten Lernens

Nach erfolgtem Aufbau von Basiskompetenzen für das spezialisierte Feld „Regelung einer netzgekoppelten drehzahlvariablen Windenergieanlage mit doppeltgespeistem Asynchrongenerator“ wurden die Studierenden mit dem verwendeten Experiment vertraut gemacht. Anschließend sollten sie eigene Forschungsfragen finden und formulieren, was sehr gut funktionierte. Die Studierenden planten daraufhin ihr Experiment, führten es selbständig durch und evaluierten die Daten. Abschließend verfassten sie einen Bericht in Form eines wissenschaftlichen Papers.

Kompetenzentwicklung der Studierenden aus Sicht der Lehrenden

• Starke Verbesserung der forschungsmethodischen Kompetenzen.
• Starke Verbesserung der Fachkompetenz.
• Die Verbesserung der Schlüsselkompetenzen (z.B. Analyse und Problemlösungsstrategien, Kommunikations- und Teamfähigkeit, Recherche- und Präsentationstechniken) kann nicht beurteilt werden.

Bewertung und Empfehlungen

Bewährt hat sich insgesamt das Prinzip des forschungsbasierten Lernens. Es hat sehr gut funktioniert. Die Studierenden brachten sich alle stark ein. Zusätzlich fiel auf, dass der Umgang mit technischer Hardware offenbar das Interesse am theoretischen Hintergrund fördert. Das Interesse am Experiment selbst und der Arbeit damit war hoch.

Noch nicht befriedigend gelöst ist die Frage, wie man die Studierenden dazu bringen kann, in der Anfangsphase ein einheitliches Niveau von Basiskompetenzen für das spezialisierte Feld „Regelung einer netzgekoppelten drehzahlvariablen Windenergieanlage mit doppeltgespeistem Asynchrongenerator“ aufzubauen. Dieses ist notwendig, um sich sicher in dem Experimentierumfeld zu bewegen und das gesamte Feld möglicher Forschungsfragen beschreiten zu können. Daher soll in Zukunft evtl. zwischendurch eine Überprüfung der Basiskompetenzen erfolgen, z. B. als schriftlicher Test.

Feedback der Studierenden

• Das Feedback der Studierenden war sehr positiv. Sobald die Studierenden beginnen durften, erste standardisierte Messprozeduren mit dem Experiment durchzuführen, entwickelte sich ein erfreulicher Eifer in der Arbeit, der in einigen Fällen über den vorgesehenen Zeitrahmen hinausging.
• Die Studierenden waren bei der Entwicklung eigener Forschungsfragen erstaunlich kreativ. Es wurden sinnvolle Fragen gestellt, die sich nicht mit den bereits während der ersten Wochen erörterten Fragen überschnitten.
• Bei der Lösung der Aufgaben bewiesen die Studierenden ein hohes Maß an Selbständigkeit, Planungsfähigkeit und Problemlösungsbewusstsein. Durchweg wurde die Experimentierphase gut geplant. Zum Beispiel wurden selbständige Lösungen für die Auswahl und Filterung der Winddaten gefunden, mit denen das Experiment dann ablaufen sollte.
• Obwohl die Studierenden in fünf Zweiergruppen arbeiteten, war ein intensiver Austausch in der gesamten Gruppe vorhanden. Von den Studierenden selbst kam der Vorschlag, ein Abschlusskolloquium durchzuführen, bei dem jede Gruppe ihre Arbeit präsentiert. Dieses wurde auch so durchgeführt und wird in Zukunft so beibehalten.