Forschung und Entwicklung

Hohlleiterkühlung von Generatoren in der Windkraft

Bereits seit einigen Jahren wird am Einsatz und der Effizienz von Hohlleitern zur aktiven Kühlung von Windenergiegeneratoren geforscht, die mit verschiedenen Kühlmedien durchströmt werden. Neben den theoretischen Vorarbeiten wurden in einem eigens entwickelten Kühlungsversuchsstand die Realisierbarkeit und das reale Betriebsverhalten im Experiment nachgewiesen. Auf den Einsatz von Hohlleitern in getriebelosen Windenergiegeneratoren wurden auch im Patent EP000001852956 entsprechende Schutzrechte beantragt.

Verringerung der Turmkopfmassen durch Integralbauweise und Verwendung von Leichtbauwerkstoffen

Ein seit jeher relevantes Themengebiet ist die Reduktion der Turmkopfmasse, da sie für einen Großteil der Strukturkosten verantwortlich ist. Neben den üblichen Methoden zur Massenverringerung im Generatoren- und Strukturbereich forschen wir seit einiger Zeit in Richtung der Erhöhung des Leichtbauanteiles in Windkraftanlagen. Im Gegensatz zu den heute den Markt dominierenden Anlagen sowohl im Getriebe- als auch im getriebelosen Sektor beschreiten wir hier den Weg einer erhöhten Integralbauweise, bei welcher Generator und Rotornabe zu einem Teil verschmelzen. Diese Bauweise ist zumindest teilweise bereits in das Projekt NEW82 eingeflossen.

Weiterhin wird in neueren Studien die Verwendbarkeit von Leichtbaumaterialien

näher untersucht. Heute werden viele Bauteile an Windenergieanlagen aufgrund

der hohen Stückzahlen aus Gusswerkstoffen gefertigt. Die meistverwendeten Werkstoffe sind hierbei Kugelgraphitgüsse mit fast schon stahlähnlichen Dichten und oft unwillkommenen

Fertigungsrestriktionen. Zu nennen wären hier beispielsweise die notwendigen Mindestwandstärken im Zentimeterbereich, was den möglichen Leichtbau erheblich begrenzt. Durch die Verwendung von Materialien mit geringerer Dichte und/oder geringeren Fertigungsrestriktionen und/oder höherer Festigkeit gibt es hier aus unserer Sicht ein reales Potential für die Reduktion der Turmkopfmasse.

Spezialisierte Lösungen für Serienfertigung

Bedingt durch die Dimensionen getriebeloser Anlagen und dadurch, dass sich der Antriebsstrang von getriebelosen Anlagen verschiedener Hersteller stets markant unterscheidet, ist es notwendig, spezielle Vorrichtungen für die Fertigung und Montage der Anlagen zu entwickeln. Auch hier kann die Forschungsgruppe Windenergie auf ein gewisses Erfahrungspotential zurückgreifen. Dies ist besonders dann hilfreich, wenn in Kooperationsprojekten das Windenergieanlagenkonzept und die spezialisierten Fertigungstools zeitnah entstehen und für Serienfertigung optimal aufeinander abgestimmt werden sollen.

Alternative Lösungsansätze zur Rotorblattverstellung

Die Rotorblattverstellung ist eines der wichtigsten aber auch wartungsintensivsten Systeme an Bord einer modernen Windenergieanlage.

Es bestimmt nicht nur den wirtschaftlichen Erfolg indem es die Rotorblätter im Wind optimal positioniert, es ist zudem auch für Leistungsabregelung, Stoppen und zum Erreichen einer gefahrlosen Ruheposition notwendig.

Daher wurde dieses Thema schon früh in unserer Forschungsgruppe aufgegriffen, woraus unter anderem das heute bei Vensys eingesetzte Blattverstellsystem mit Zahnriemenübersetzung entstanden ist.

Die aktuellen Untersuchungen gehen indes wieder in Richtung einer zentralisierten Blattverstellung, die durch den Bezug der Aktivierungsenergie aus dem aerodynamischen Rotor eine Fail-Safe-Betriebsweise und eine nahezu wartungs- und schleifringfreie Bauweise erlaubt.

Alternative Lösungen zur Windnachführung

Auch der Stand der Technik bei Windrichtungsnachführungssystemen ist der eines eher wartungsintensiven denn wartungsarmen Systems. Aus diesem Grund forschen und entwickeln wir ebenfalls an einer alternativen Antriebslösung im Azimutbereich, die ohne eine konventionelle Vierpunktlagerung mit hydraulischer Fixierung arbeitet. Auch hier versprechen wir uns wesentliche Verbesserungen im Hinblick auf eine verringerte Wartungsintensität, eine vereinfachte Systemarchitektur und dadurch eine höhere Ökonomie des Systems.

Automatisierte Fertigungsanlage für Stator Eisenpakete

Der Eisenkern (Statorblechpaket) einer elektrischen Maschine besteht aus mehreren Lagen eines beschichteten Elektrobleches. Durch die Lagen werden die Wirbelströme und die Verluste im Betrieb des Generators minimiert. Aus Gründen der Handhabbarkeit werden die Lagen der Bleche bei der Produktion von Generatoren mit großen Durchmessern in Ringsegmente unterteilt. Dadurch entsteht ein hoher Arbeitsaufwand und man benötigt über 100 Arbeitsstunden zur Herstellung des Eisenkerns.

2010 entwickelte die INNOWIND eine automatisierte Fertigungsanlage für große Stator-Eisenpakete. Die Maschine dient zur Produktion von Statorblechpaketen, indem sie die Ringsegmente automatisiert stapelt, die Nuten ausrichtet und das Paket presst.

Konzept zur elektrischen und mechanischen Prüfung von Windkraftanlagen

Windenergieanlagen sind während der ganzen Lebensdauer Wechsellasten ausgesetzt. Sie müssen 10e9 Lastwechsel aushalten. Deswegen ist eine Lebensdauervorhersage ganz wichtig. Reine Simulation kann offenbar diese Anforderung nicht mehr erfüllen, so ist ein realer Test auf Fatigue heutzutage in den Vordergrund gerückt. Die bestehenden Prüfstände oder Prüfstandkonzepte sind meistens kostenintensiv, weil die Windnachbildung meistens von hydraulischen Antrieben mit hoher Frequenz aufgebracht werden muss.

INNOWIND hat ein Prüfstandkonzept entwickelt, das wenige bis gar keine hydraulische Leistung für die Lastaufbringung benötigt und elektrisches sowie mechanisches Testen gleichzeitig ermöglicht.

Machbarkeitsstudie für eine Multi-Rotor-Windenergieanlage

Verschiedene Anlagenhersteller arbeiten bereits an gigantischen Prototypen mit Rotordurchmessern über 145 bis 164 m und Nennleistungen von 7 bis 10 MW. Dieses kontinuierliche Größenwachstum wird von der INNOWIND Forschungsgesellschaft mbH in Frage gestellt. Ausgehend von den theoretischen Grundlagen wird gezeigt, dass mit dem Größenwachstum die Massen und damit die Kosten der Anlagen schneller steigen als der Energieertrag. Daher wird eine Multiturbine erarbeitet, d.h. ein Windkraftwerk mit mehreren Rotoren auf einem Turm.

Nach Ansicht der INNOWIND macht dieser Ansatz weit mehr wirtschaftlichen Sinn als jedes weitere Größenwachstum von Windenergieanlagen.