Wind > Diät für WEA - Maschinenhäuser

Diät für WEA - Maschinenhäuser

von Dr. Holger Raffel

Ein europäisches Konsortium entwickelt unter Bremer Führung einen neuartigen 1 MW Höchst-Moment-Synchrongenerator. Dr. Holger Raffel berichtet über das 4,3 Mio. € Verbundprojekt „Wingy-Pro“, das die Europäische Kommission mit 2,5 Mio. € fördert.

Im Gegensatz zur Wasserkraft, die derzeit die größte erneuerbare Energiequelle ist, steigt der Anteil des Stroms aus Windenergie stetig weiter an. Moderne Windkraftanlagen dringen in immer größere Leistungsbereiche vor, was die Anlagekosten pro Leistungseinheit senkt und den Energieertrag noch weiter erhöht. Dagegen gibt es nahezu keine weiteren Standorte für Wasserkraftwerke. Nicht nur die Zahl der Windparks wächst beständig, sondern auch die Leistung der einzelnen Anlagen. Ein großer Schritt für die nachhaltige Energieversorgung sind die Offshore-Windparks im Meer. Um an das Maximum des technisch Machbaren zu gehen, werden derzeit Offshore- Anlagen mit einer Leistung von 5 MW errichtet. Mit zunehmender Leistung steigt allerdings auch das Gewicht des Generators in der Gondel. Für die Turmkonstruktion ist es deshalb wichtig, Generatoren mit großer Leistungsdichte zu installieren. Seit einigen Dekaden sind die bisherigen Drehfeldmaschinen weiterentwickelt worden, sodass die Grenzen ihrer Ausnutzung erreicht sind. Eine deutliche Steigerung ihrer Leistungsdichte ist gegenwärtig nicht zu erwarten. Signifikante Gewichts- bzw. Volumenreduktionen sind nur mit völlig neuen Maschinenkonzepten erreichbar.
Die Entwicklung eines neuartigen Höchst-Moment Synchrongenerators in der Ausführung mit transversaler Flussführung bietet eine Alternative, um die Kraftdichte eines Windenergiegenerators bei deutlich geringeren Außenmaßen im Vergleich zu den konventionellen hochpoligen Synchrongeneratoren oder den getriebebehafteten doppeltgespeisten Asynchrongeneratoren zu steigern. Mithilfe der neuen Technik lassen sich Generatoren bauen, die bei gleichem Drehmoment und gleicher Leistung nur halb so groß und rund 70 Prozent leichter sind als jene nach dem Stand der Technik gebauten Modelle.

Neuartiger 1 MW Höchst-Moment Synchrongenerator

In dem von der EU geförderten Demonstrationsvorhaben „Increasing efficiency of wind power plants for the production of energy“ soll nun ein neuartiger 1 MW Höchst-Moment-Synchrongenerator gebaut und der breiten Öffentlichkeit vorgestellt werden. Im Offshore-Bereich sind die Generatoren permanent der salzhaltigen und feuchten Luft ausgesetzt und unterliegen großen Temperaturschwankungen. Daher liegt insbesondere auch ein hoher Entwicklungsbedarf bei der Herstellung von zuverlässigen Permanentmagneten für die Maschinen. Erste Konzepte für Synchronmaschinen mit transversaler Flussführung, (folgend genannt: Transversalflussmaschine) wurden bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt. Aufgrund der damals nicht verfügbaren Leistungsstellglieder konnte sich dieser Maschinentyp nicht durchsetzen. Mit einem Transversalflussgenerator (TFG) als Windenergiegenerator ergeben sich grundlegend neue Freiheitsgrade zur Konstruktion hochpoliger Generatoren bei kleinem Durchmesser.
Beim TFG wird der magnetische Fluss quer zur Bewegungsrichtung geführt. Kennzeichnend für den Aufbau sind die längs zum Ständerumfang geführten Ringspulen. Die transversale Flussführung ermöglicht eine bedeutend bessere Ausnutzung des Bauvolumens des Generators. Durch eine hochpolige Maschine mit konzentrierter Kraftdichte bei relativ kleinem Durchmesser, wie sie für Windenergieanlagen sehr großer Leistung benötigt wird, wird das Leistungsgewicht entscheidend reduziert. Eine Herausforderung liegt dabei in der Reduzierung von Vibrationen und der Beherrschung großer Kräfte und Drehmomente. Die Nachteile des kompakten TFG sind hohe Drehmomentpulsationen und resultierende Geräusche, die durch die Vortriebskraft- und Normalkraftschwankungen hervorgerufen werden. Mithilfe einer intelligenten Regelung der Strangströme durch die heutige Stromrichtertechnik lassen sich diese Schwankungen allerdings nahezu vollständig vermeiden. Schnell schaltende Leistungshalbleiter in neuartigen Vollumrichtern verformen dabei derart die Ströme, dass sie die Drehmomentpulsationen verhindern.
Durch den getriebelosen Höchst-Moment Synchrongenerator werden kleinere Gondeln oder leistungsstärkere Generatoren ermöglicht. Energieverluste, die durch die Drehmomentwandlung im Getriebe entstehen, treten nicht mehr auf. Es ergeben sich Materialeinsparungen bei Kupfer, Dynamoblech und vor allem bei der Stahlkonstruktion des Turmes und der Gründung.

raffel@mechatronik-bcm.de