Gerade lese ich:
"Die neueste Generation der Windkraftanlagen hat kein Getriebe mehr, sondern einen Direktantrieb. Das, so schwärmt Prof. Dr.-Ing. xxx von der Forschungsgruppe yyy, ist "die Zukunft der Windkraft". Auf den ersten Blick haben die Anlagen mit Direktantrieb nur Vorteile: 60% der Ausfälle deutscher Windkraftanlagen werden durch defekte Getriebe, Wellen, Kupplungen und den Generator verursacht. Direktgetriebene Windkraftanlagen haben diese Teile nicht. Sie laufen dadurch störungsfreier, benötigen auch keinen Getriebeölwechsel, ihre Energieausbeute ist höher, und sie eignen sich daher wunderbar für schlecht zugängliche Offshore-Anlagen - alles bestens also?" dieser Artikel führt dazu, dass bei der Herstellung von Magneten auch irgendwie radioaktives Material anfällt. Wobei das meines Wissens nicht immer so ist, sondern es existieren auch Firmen, die nur Kupfer verwenden und keine Magnete benötigen. Aber darum soll es hier nicht geben.
Nachdem dies ein viel diskutiertes Thema ist möchte ich hiermit die Physik und zwei Formeln zu diesem Thema bringen. Das ist zwar nicht unbedingt für Klein-WEA wichtig, die Verständnis dieser Sache ist aber m.E. dem Verständnis des Gesamtsystems förderlich.
Zunächst: Was ist vom Zugang zu halten, ein System (Getriebe) durch ein anderes System (Direct-Drive) zu ersetzen, um alle Probleme zu vermeiden? Was korrekt ist, dass kein Getriebeöltausch notwendig ist. Dieser Zugang zur Technik scheint mir in jedem Falle sehr blauäugig.
Zum Thema:
Zunächst muss man wissen (das kann jeder ausrechnen) dass eine Windenergieanlage, wenn man sie skalieren will,
genau dann identisch ist, wenn man alle Blattdimensionen skaliert und die Blattspitzengeschwindigkeit beibehält
(Der Einfluss der Reynolds-Zahl, der die Auswahl der Rotorblattprofile wichtig ist, wird hierbei vernachlässigt).
Eine Formel für die Leistung P, die aus dem Drehmoment M hervorgeht; Vorsicht: SI-Einheit der Drehzahl ist 1/Sekunde.
(Beim im Moment diskutierten Rotor der Firma Heyde Windtechnik ist nicht umsonst das Drehmoment M dargestellt!):
P [W] = Omega [1/s] * M [Nm]* 2 * Pi
Warum diese Formel? Oben steht, dass ein Rotor dann identisch ist, wenn die Blattspitzengeschwindigkeit beibehalten wird.
Nehmen wir nur den Skalierungsfaktor zwei an, so erkennt man:
Bei Verdoppelung des Durchmessers wird die Fläche viermal so groß (Erwähne ich nur der Vollständigkeit halber)
und die Leistung der Anlage ebenfalls. Da aber die Blattpitzengeschwindigkeit beibehalten wird, muss die Rotationsgeschwindigkeit halbiert werden. Um damit aber wieder die gleiche Leistung zu erreichen, muss das Moment steigen und dies zusätzlich um den Faktor zwei.
Kurz gesagt: Verdoppelung des Durchmessers, Vervierfachung der Fläche, Verachtfachung des Momentes.
was hat dies mit Getriebe oder nicht Getriebe zu tun?
Zunächst erkennt man, dass eine Windenergieanlage bei ihrer Skalierung etwas nichtlineares ist:
Das Moment steigt sogar kubisch. Dies bedeutet, dass Dinge, die vielleicht bei kleinen Anlagen gut sind,
nicht zwangsläufig bei größeren Anlagen auch ein Optimum darstellen. Logisch, oder?
Nun sieht man, dass das Moment kubisch steigt. Moment ist Kraft mal Hebelarm; das haben wir auch gelernt.
Dies bedeutet, dass bei Vergrößerung der Anlagen die auftretenden Kräfte drastisch steigen und mit ihnen - man sollte es kaum glauben - auch die Verformungen.
In diesem Zusammenhang zu den Windenergieanlagen: Direct-Drive-Anlagen haben ein Luftspalt und der Wirkungsgrad sinkt mit der Erhöhung des selben. Und wenn die Kräfte überproportional steigen, so muss auch theoretisch auch die Größe des Luftspaltes steigen. Und diese Verluste sind nicht geringer, wenn die Anlage größer wird, sondern linear: Also beispielsweise ist es, dass 1 mm Luftspalt einige Prozent des Wirkungsgrades des Generators kosten. Ich bin kein E-Techniker; das wissen diese besser. Wenn man aber bei doppeltem Durchmesser der Anlage plötzlich den vierfachen (kann man natürlich nicht genau sagen) Luftspalt hat ist der tolle Wirkungsgrad des Generators weg.
Und weiterhin hat diese Skalierung einen erheblichen Einfluß auf den Durchmesser des Direct-Drive-Generators.
Man braucht bei größeren Anlagen viel mehr Magnete. Oder: ich lasse die Maschinen schneller laufen- Damit ruiniert man die Maschinen aber durch die Lasten, also die im Betrieb auftretenden Kräfte.
Mit diesem Know-how mag jeder selbst beurteilen, wie es um das "Allheilmittel" Direct-Drive in der Windenergie bestellt ist.
In der Technik gibt's keine Allheilmittel.
Und wenn man über die Zusammenhänge dieses Momentes weiter nachdenkt, so gibt es noch weitere Pferdefüße, die deshalb auftreten, da im Moment der Trend immer weiter zu Niedrigwindanlagen geht, da die Küsten schon alle mit Windenergieanlagen zugestellt sind. Diese haben die Charakteristik, im Verhältnis zur Fläche relativ wenig Leistung zu erzeugen.
Um die Lasten niedrig zu halten müssen sie langsam drehen. Und "langsam drehen" bewirkt ein hohes Drehmoment,
womit ein großer Generator mit vielen, teuren Magneten notwendig ist.
Und noch ein Hinweis: Allenthalben liest man Pressemitteilungen von Forschung über 20 MW Anlagen.
Selbst wenn man ein Getriebe nimmt: Das Getriebe einer 20MW-Anlage muss 16 x(!) so viel Drehmoment aufnehmen
wie das einer 2,5er. Geht das?
In diesem Sinne
Der Arminius
"Die neueste Generation der Windkraftanlagen hat kein Getriebe mehr, sondern einen Direktantrieb. Das, so schwärmt Prof. Dr.-Ing. xxx von der Forschungsgruppe yyy, ist "die Zukunft der Windkraft". Auf den ersten Blick haben die Anlagen mit Direktantrieb nur Vorteile: 60% der Ausfälle deutscher Windkraftanlagen werden durch defekte Getriebe, Wellen, Kupplungen und den Generator verursacht. Direktgetriebene Windkraftanlagen haben diese Teile nicht. Sie laufen dadurch störungsfreier, benötigen auch keinen Getriebeölwechsel, ihre Energieausbeute ist höher, und sie eignen sich daher wunderbar für schlecht zugängliche Offshore-Anlagen - alles bestens also?" dieser Artikel führt dazu, dass bei der Herstellung von Magneten auch irgendwie radioaktives Material anfällt. Wobei das meines Wissens nicht immer so ist, sondern es existieren auch Firmen, die nur Kupfer verwenden und keine Magnete benötigen. Aber darum soll es hier nicht geben.
Nachdem dies ein viel diskutiertes Thema ist möchte ich hiermit die Physik und zwei Formeln zu diesem Thema bringen. Das ist zwar nicht unbedingt für Klein-WEA wichtig, die Verständnis dieser Sache ist aber m.E. dem Verständnis des Gesamtsystems förderlich.
Zunächst: Was ist vom Zugang zu halten, ein System (Getriebe) durch ein anderes System (Direct-Drive) zu ersetzen, um alle Probleme zu vermeiden? Was korrekt ist, dass kein Getriebeöltausch notwendig ist. Dieser Zugang zur Technik scheint mir in jedem Falle sehr blauäugig.
Zum Thema:
Zunächst muss man wissen (das kann jeder ausrechnen) dass eine Windenergieanlage, wenn man sie skalieren will,
genau dann identisch ist, wenn man alle Blattdimensionen skaliert und die Blattspitzengeschwindigkeit beibehält
(Der Einfluss der Reynolds-Zahl, der die Auswahl der Rotorblattprofile wichtig ist, wird hierbei vernachlässigt).
Eine Formel für die Leistung P, die aus dem Drehmoment M hervorgeht; Vorsicht: SI-Einheit der Drehzahl ist 1/Sekunde.
(Beim im Moment diskutierten Rotor der Firma Heyde Windtechnik ist nicht umsonst das Drehmoment M dargestellt!):
P [W] = Omega [1/s] * M [Nm]* 2 * Pi
Warum diese Formel? Oben steht, dass ein Rotor dann identisch ist, wenn die Blattspitzengeschwindigkeit beibehalten wird.
Nehmen wir nur den Skalierungsfaktor zwei an, so erkennt man:
Bei Verdoppelung des Durchmessers wird die Fläche viermal so groß (Erwähne ich nur der Vollständigkeit halber)
und die Leistung der Anlage ebenfalls. Da aber die Blattpitzengeschwindigkeit beibehalten wird, muss die Rotationsgeschwindigkeit halbiert werden. Um damit aber wieder die gleiche Leistung zu erreichen, muss das Moment steigen und dies zusätzlich um den Faktor zwei.
Kurz gesagt: Verdoppelung des Durchmessers, Vervierfachung der Fläche, Verachtfachung des Momentes.
was hat dies mit Getriebe oder nicht Getriebe zu tun?
Zunächst erkennt man, dass eine Windenergieanlage bei ihrer Skalierung etwas nichtlineares ist:
Das Moment steigt sogar kubisch. Dies bedeutet, dass Dinge, die vielleicht bei kleinen Anlagen gut sind,
nicht zwangsläufig bei größeren Anlagen auch ein Optimum darstellen. Logisch, oder?
Nun sieht man, dass das Moment kubisch steigt. Moment ist Kraft mal Hebelarm; das haben wir auch gelernt.
Dies bedeutet, dass bei Vergrößerung der Anlagen die auftretenden Kräfte drastisch steigen und mit ihnen - man sollte es kaum glauben - auch die Verformungen.
In diesem Zusammenhang zu den Windenergieanlagen: Direct-Drive-Anlagen haben ein Luftspalt und der Wirkungsgrad sinkt mit der Erhöhung des selben. Und wenn die Kräfte überproportional steigen, so muss auch theoretisch auch die Größe des Luftspaltes steigen. Und diese Verluste sind nicht geringer, wenn die Anlage größer wird, sondern linear: Also beispielsweise ist es, dass 1 mm Luftspalt einige Prozent des Wirkungsgrades des Generators kosten. Ich bin kein E-Techniker; das wissen diese besser. Wenn man aber bei doppeltem Durchmesser der Anlage plötzlich den vierfachen (kann man natürlich nicht genau sagen) Luftspalt hat ist der tolle Wirkungsgrad des Generators weg.
Und weiterhin hat diese Skalierung einen erheblichen Einfluß auf den Durchmesser des Direct-Drive-Generators.
Man braucht bei größeren Anlagen viel mehr Magnete. Oder: ich lasse die Maschinen schneller laufen- Damit ruiniert man die Maschinen aber durch die Lasten, also die im Betrieb auftretenden Kräfte.
Mit diesem Know-how mag jeder selbst beurteilen, wie es um das "Allheilmittel" Direct-Drive in der Windenergie bestellt ist.
In der Technik gibt's keine Allheilmittel.
Und wenn man über die Zusammenhänge dieses Momentes weiter nachdenkt, so gibt es noch weitere Pferdefüße, die deshalb auftreten, da im Moment der Trend immer weiter zu Niedrigwindanlagen geht, da die Küsten schon alle mit Windenergieanlagen zugestellt sind. Diese haben die Charakteristik, im Verhältnis zur Fläche relativ wenig Leistung zu erzeugen.
Um die Lasten niedrig zu halten müssen sie langsam drehen. Und "langsam drehen" bewirkt ein hohes Drehmoment,
womit ein großer Generator mit vielen, teuren Magneten notwendig ist.
Und noch ein Hinweis: Allenthalben liest man Pressemitteilungen von Forschung über 20 MW Anlagen.
Selbst wenn man ein Getriebe nimmt: Das Getriebe einer 20MW-Anlage muss 16 x(!) so viel Drehmoment aufnehmen
wie das einer 2,5er. Geht das?
In diesem Sinne
Der Arminius