Direct-Drive oder Getriebe?

Skalierung von WEA.
 
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Direct-Drive oder Getriebe?

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Gepostet: 08.12.2014 - 10:10 Uhr  ·  #1
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
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Re: Direct-Drive oder Getriebe?

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Gepostet: 08.12.2014 - 12:42 Uhr  ·  #2
Hallo

Also Direct-Drive oder Getriebe, hat mit skalieren doch nichts zu tun, es soll lediglich das gleiche Windrad , statt mit Getriebe, einen direkt angetriebenen Generator bekommen.
Der muß vom Drehmoment dann die Getriebeübersetzung selber mit übernehmen.
Mitten im Rotor ist dafür ja genug Platz vorhanden, da, die Repellerblätter dort kaum eine Bewegung machen.
10 % vom Durchmesser sind da sicher kein Problem da, mit Spinner, die Luft nach aussen zu den schneller laufenden Regionen geleitet wird.
Mit einer tropfenförmigen Verkleidung allerdings ein riesen Teil.
Bei einem grösseren Generator wird eine CU Wicklung immer günstiger als bei kleinen Generatoren.
Bei einem großen 1 200 MW Generator sind das nur 0,5 % insgesammt ( 6 MW :fgrin: ), der hat so etwa 5 cm Luftspallt!

Gruß Aloys.
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Re: Direct-Drive oder Getriebe?

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Gepostet: 09.12.2014 - 07:26 Uhr  ·  #3
Zitat geschrieben von FamZim

Also Direct-Drive oder Getriebe, hat mit skalieren doch nichts zu tun, es soll lediglich das gleiche Windrad , statt mit Getriebe, einen direkt angetriebenen Generator bekommen.
Der muß vom Drehmoment dann die Getriebeübersetzung selber mit übernehmen.
Mitten im Rotor ist dafür ja genug Platz vorhanden, da, die Repellerblätter dort kaum eine Bewegung machen.
10 % vom Durchmesser sind da sicher kein Problem da, mit Spinner, die Luft nach aussen zu den schneller laufenden Regionen geleitet wird. Mit einer tropfenförmigen Verkleidung allerdings ein riesen Teil.

Bei Klein-WEA völlig richtig. Wenn's da jemand einmal machen würde. Man sollte nur das Enercon-Ei nicht direkt nachbauen; das ist nämlich Design von Philippe Starck und da kann's Ärger geben.
Allerdings hat die Enercon E126 glaube ich oben 270 Tonnen. 10 % mehr Durchmesser macht 127+12.7=140m
Damit würde sich das Gondelgewicht auf schlappe 270 * (1.1)^3 =~ 360 t erhöhen.

Zitat geschrieben von FamZim

Bei einem grösseren Generator wird eine CU Wicklung immer günstiger als bei kleinen Generatoren.
Bei einem großen 1 200 MW Generator sind das nur 0,5 % insgesammt ( 6 MW :fgrin: ), der hat so etwa 5 cm Luftspalt!

Ja, gut, es ist nicht ganz kubisch- aber ob es jetzt hoch 3 oder hoch 2.88 ist- Die Re-Zahl verdoppelt sich auch- damit werden die Rotorblätter auch schlanker bei gleicher Dicke und ähnlichem Auftrieb. Aber das ist ein Effekt 2. Ordnung. Und das Teil dreht überproportional langsamer- damit braucht's mehr Wicklungen. Genau darum geht's hier.

1200 MW?? Da liegt man, wenn ich richtig gerechnet habe, bei über 1/2 Mio Tonnen Gondelgewicht und einem Rotordurchmesser von 1,6 km. Das ist hier denke ich nicht so das richtige Forum.

Der Arminius
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Re: Direct-Drive oder Getriebe?

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Gepostet: 09.12.2014 - 12:03 Uhr  ·  #4
Hallo Arminius

Ich denke Wir reden hier schön aneinander vorbei ?
Wenn der Generator mit Getriebe gegen einen ohne Getriebe getauscht wird, bleibt doch der Repeller der gleiche , und der Durchmesser natürlich auch.
Die Drehzahl und das Drehmoment bleiben auch gleich.
Da der Generator verständlicherweise dann einen gröseren Durchmesser hat, als der kleine mit Getriebe, würde er in der Gondel einen grösseren Platz erfordern.
Die 10 % waren darum auch vom Repellerdurchmesser gemeint, den die Gondel dann haben dürfte, also von 127 m zb dann 12,7 m Gondeldurchmesser, die aber sicher nicht benötigt wird.
Das ist dann nur die Verkleidung, und nicht kubisch hoch zurechnen, jedenfalls nicht vom momentanen Gondelgewicht.
Natürlich würde die Gondel dadurch grösser und schwerer und der Generator auch

Der 1 200 MW Generator hat etwa 700 t = 0,0007 Megatonnen, allerdings 1 500 U/min.
Er diente nur als Beispiel, wie gering der Energiebedarf mit nur 0,5 % für die Erregung ist.

Warum manche recht hässliche Gondel kein schöneres aerodynamisches Kleid, und ein ansprechenderes Aussehen haben weis ich auch nicht, eher eine Kostenfrage.
Ich denke dabei an die flachen (kurzen) Generatoren, mit grossem Durchmesser, die sicher nicht schlecht arbeiten.
Da kann einfach ein "dickes" symetrisches Profil für genommen werden, da braucht es keinen teuren Künstler.
Das Verbot dieser Form verhindert eher einen sinnvollen Fortschritt.

Grus Aloys.
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Re: Direct-Drive oder Getriebe?

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Gepostet: 09.12.2014 - 14:02 Uhr  ·  #5
Zitat geschrieben von FamZim

Hallo Arminius
Ich denke Wir reden hier schön aneinander vorbei ?

ich fürchte auch. Alles was Du sagst ist korrekt. Mir ging es darum
1) Darzustellen, wie das mit der Skalierung ist
2) Zu zeigen, dass es keinen Königsweg hier gibt.
Da gab es ja den Link, wo jemand sagt: "Demnächst haben wir nur noch Direct Drive".
Und ich bin sicher, dass bei Vergrößerung der Anlagen D.Dr. verschwinden wird:
Dies, da dier Größe des Generators überproportional wächst, da die Blattspitzengeschwindigkeit limitiert ist.
Bei einer Getriebmaschine erhöht man die Übersetzung, der WG sinkt minimal.
Und bei D. Dr. wird dann alles so groß, dass man die Verformungen nicht mehr unter Kontrolle bekommt.
Und wenn man mehr Luftspalt lassen muss, ist der gute Wirkungsgrad und damit der Vorteil von DDr. irgendwann weg.
Ich weiss nur nicht, wie Du das mit dem Luftspalt meinst: Meine Info ist, dass der WG bei Erhöhung stark sinkt.
Wenn man eine Anlage einfach nur skaliert, skaliert man aber zunächst den Luftspalt mit. Und da wird's dann schwierig. Da bei diesem - meine Info - der Abstand Magnet-Spule konstant gehalten werden müsste, um den gleichen WG zu erreichen. Zudem die Momente und damit die Kräfte überproportional wachsen, was das Problem zusätzlich "verschärft".

Wobei mir persönlich so ein netter Generator a la Hugh Piggott - dies schön verkleidet-
sehr gut gefallen würde.
Bei einer Klein-WEA ist das ja kein wirkliches Problem, eine GFK-Verkleidung zu bauen.

Viele Grüße
Der Arminius.
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