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Der Demonstrationsgenerator auf dem Teststand. Rechts ist der zum Antrieb genutzte Motor zu erkennen.
© Fraunhofer IWES
Getriebelose Windenergieanlagen
22.11.2017

CAD-Modell des Großgenerators (Perspektive im Schnitt). Konstruktion im Halbschnitt: Rotor, Stator, Welle, Achse, Lagerung. Vergrößerungsdarstellung (Zoom) der Aktivteile sowie deren Anbindung (mit Querbolzen und Augenschrauben) an die inaktive Struktur.
© Fraunhofer IWES

Beim Versuchsgenerator werden der Stator (links) und der Rotor (rechts) zusammengefügt.
© Fraunhofer IWES

Generator und Stützstruktur
© Fraunhofer IWES

Ringgeneratoren werden schlanker

Getriebelose Windenergieanlagen haben Gewichtsprobleme. Mit zunehmender Leistung steigt das Gewicht des Generators überproportional. Mit den bisherigen Konzepten wird der Sprung über die 10-Megawatt-Marke schwierig, einer Anlagenklasse die besonders für Offshore Windparks interessant ist. Um dieses Problem zu lösen, entwickeln Forscher einen neuartigen Ringgenerator mit größerem Durchmesser, aber deutlich weniger Gewicht. Ein Versuchsgenerator im verkleinerten Maßstab zeigte auf dem Teststand vielversprechende Ergebnisse.

Der wirtschaftliche Druck auf neu geplante Windparks onshore wie offshore wächst. Wissenschaftler und Hersteller suchen daher nach Möglichkeiten, Kosten und Aufwand für die Anlagen, die Regelung und Netzeinspeisung sowie für Reparaturen und Wartung zu vermindern. Besonders für Offshore Parks wären künftig größere, leistungsstärkere Anlagen als die bisher marktverfügbaren interessant, weil sie niedrigere spezifische Kosten für Investitionen und Betrieb aufweisen. Allerdings wächst bei den bisherigen Generatorkonzepten die Leistung einer getriebelosen Windenergieanlage etwa quadratisch, während die Turmkopfmasse, an der ein Generator mit bis zu 35 Prozent beteiligt ist, annährend kubisch zunimmt. Weiterhin sollen die Anlagen über längere Wartungs- und Reparaturintervalle als bisher verfügen, um den hohen Aufwand dafür bei seegestützten Anlagen zu begrenzen. Damit getriebelose Anlagen in den Bereich der 10-Megawatt-Marke vorstoßen können, benötigen die Hersteller andere Generatorkonzepte.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) entwickeln und erproben gemeinsam mit Industriepartnern im Forschungsprojekt MagnetRing ein Konzept für einen neuartigen Ringgenerator mit größerem Durchmesser bei vergleichsweise geringem Gewicht. Die Gondelmasse reduziert sich dadurch auf ein Drittel herkömmlicher getriebeloser Anlagen. Die Wissenschaftler entwickelten und verfeinerten ein elektromagnetisches, strukturmechanisches und thermisches Konzept für den Generator. Wichtige Bausteine dabei waren, neuentwickelte aktive Regelungen der Luftspaltinduktion und für den Umrichter. Die Forscher haben ein verkleinertes Modell des Ringgenerators mit einer Leistung von 180 kW gebaut und auf dem Teststand erprobt. Die Ergebnisse fließen in das Konzept für die Entwicklung eines 10-MW-Generators ein.

Höhere Generatorleistung dank größerem Ring

Um die Stromerzeugung einer Windenergieanlage (WEA) zu erhöhen, können längere Rotorblätter eingesetzt, die Anlage auf einem höheren Turm installiert werden oder eine höhere Umdrehungsgeschwindigkeit der Blätter voreingestellt werden. Bei einer getriebelosen Anlage gibt es noch eine weitere Möglichkeit: Ein Ringgenerator mit einem größeren Durchmesser ermöglicht einen Leistungszugewinn. Beim geplanten 10-MW-Generator wird der Ring einen Durchmesser von 15 m haben, während er bei großen marktgängigen Anlagen etwa bei 11 m liegt. In der neuen Bauart verläuft der Ring innerhalb der Gondel und wird von einer Tragstruktur gehalten. Er ist als Innenpolgenerator ausgeführt. Die Magnetspulen sind auf dem feststehenden Stator installiert, während die Permanentmagnete aus Neodym in den im Inneren umlaufenden Rotor integriert sind. Die Permanentmagnete im neuen Generator fallen aufgrund konstruktiver Verbesserungen deutlich kleiner und damit leichter aus als in bisher üblichen Generatoren mit Permanentmagneten. Noch höhere Gewichtsvorteile bestehen gegenüber den durch elektrischen Strom fremderregten Generatoren.

Aus elektrotechnischer Sicht sollte der Luftspalt zwischen Stator und Rotor möglichst klein sein. Dies verbessert die elektrische Induktion, d. h. die Stromerzeugung. Andererseits muss der Spalt groß genug sein, im Betrieb Berührungen und damit Beschädigungen sicher zu vermeiden. Der Spalt gleicht thermische Größenänderungen der Bauteile und axiale Schwankungen aus, z. B. durch Windböen. Im neuen Generator konnte der Luftspalt merklich verkleinert werden. Der Generatorkreis beim Demonstrationsgenerator ist in 12 Segmente unterteilt, die jeweils getrennt geregelt werden können und über getrennte Umrichter verfügen. Der geplante Großgenerator wird über 48 Segmente verfügen. Diese Regelung ermöglicht durch eine segmentweise Verstärkung und Abschwächung von Feldstärken, Schwingungen auszugleichen.

Der Ring und die Tragstruktur werden aus stabilem Material gebaut und damit eigensteif ausgelegt. Ansonsten würde sich der Ring im Laufe der Zeit durch die Anziehungskraft der Generatormasse und durch das auf die Struktur wirkende Drehmoment oval verformen. Die mit dieser Auslegung verbundene Gewichtszunahme nehmen die Entwickler in Kauf. Für den Demonstrationsgenerator wurde eine hochfeste Aluminiumlegierung gewählt. Lediglich zwei Komponenten bestehen aus Stahl. Generell ist auch eine Ausfertigung des Ringgenerators mit Stahlkomponenten möglich. Bei der Wahl zwischen Aluminium und Stahl entscheiden Gewicht und Kosten. Die Aluminiumlösung ist leichter, aber die Kosten liegen höher.

Mit Motorantrieb testen

Der auf einen Durchmesser von 2 m und auf eine Leistung von 180 kW verkleinerte Demonstrationsgenerator konnte aufgrund der Abmessungen komplett in Aluminium gefertigt werden. Auf dem Teststand übernahm ein Motor den Antrieb des Generators anstelle der späteren Rotorblätter. Der Modellgenerator ist mechanisch und elektrisch voll funktionsfähig und mit kompletter Leittechnik und Regelung ausgestattet. Der Rotor des Generators ist frei auf der Welle gelagert, so dass er im Betrieb kippbar ist. Damit war es möglich, auf dem Teststand Schwingungen und die Wirksamkeit der Dämpfungskonzepte zu erproben. Der Demonstrationsgenerator zeigte auf dem Teststand im Hinblick auf die Regelung, die Stromqualität, die Stromproduktion und die Dämpfung der Schwingungen gute Ergebnisse.

Die Ergebnisse übertragen

Die Wissenschaftler nutzen die Ergebnisse, um das Konzept für den 10-MW-Generator zu verfeinern und zu übertragen. Die Ergebnisse auf dem Teststand haben weitere neue Perspektiven eröffnet. Durch die Segmentierung des Generatorkreises mit separater Regelung wird eine Direktanbindung des Generators an das Mittelspannungsnetz möglich, d. h. ohne einen zwischengeschalteten Transformator. Dieses würde Kosten und Energieverluste sparen. Eine weitere Möglichkeit ist, über die segmentweise Regelung die Teillasteigenschaften von Windenergieanlagen zu verbessern. Dafür müssten allerdings die elektromagnetischen und strukturdynamischen Wechselwirkungen noch intensiver erforscht werden. Weiterhin sollte der Generator im nächsten Versuchsstadium an einer virtuellen Windturbine getestet werden. Dabei muss dann neben der technischen Machbarkeit verstärkt auch der wirtschaftliche Betrieb der gesamten Windenergieanlage in die Betrachtungen einfließen. Ein weiterer Aspekt ist, effektive Kühlkonzepte für diese Art von Großgeneratoren zu untersuchen und zu entwickeln. Diese werden benötigt, um die Spitzenleistung weiter zu erhöhen.

(mi)

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