de de id en en en en en fr de de en ar de en de en en en en de de de de de de de de de de sv en de en de de de en fr de de de de de en de sv de de de de de de de sv en de zh en en en de de de de de de de nl de en de en de de de de de de de de en de pt en en de en en en en en en de de en pl sv de de de de de de de en de de de nl ca de de id de eo en de de de de de en en de de en en de id de de de de en hu de de it fr de en de en en de de de en de en de sv zh en pt en en de de de de de de de de de de de de de de de de ku en de de de en de en de de de pl de de de de de de de de de de de de de de de en de es en en en eu en de en de en de de de en de en de de de de de id de de en cs de ms de en en de de en en de nb fr de en en ar de en de
Triebstränge für Windenergieanlagen mit mehreren schnelldrehenden Generatoren - JARA - Jülich Aachen Research Alliance
Brain structure function relationships: Decoding the human brain at systemic levels
Energy-efficient information technology (Green IT)
JARA Center for Simulation and Data Science
School for Simulation and Data Science (SSD)
Titel und Betreuer der SSD Doktoranden
House of Simulation and Data Sciences (HSD)
Simulation and Data for Society (SDS)
Infrastructure for Simulation & Data Science (ISD)
Simulation and Data Labs
Die Rechner der Partition
UROP - Undergraduate Research Opportunities-Programm
JARA-Nachwuchspreis (JARA Best Master)
Helmholtz Nano Facility (HNF)
JARA Center for Simulation and Data Science
Triebstränge für Windenergieanlagen mit mehreren schnelldrehenden Generatoren
Herausforderungen für konventionellen Windenergieanlagen sind bis heute—trotz deren technischer Reife und Marktdominanz—die Baugröße, Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit. Alternative Konzepte müssen dementsprechend folgende Anforderungen erfüllen: Hoher Wirkungsgrad und hohe Leistungsdichte, reduziertes Gewicht und Bauraum, niedrige Investitions- und Fertigungskosten und kurze Ausfallzeiten.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat das Institut für Elektrische Maschinen der RWTH Aachen University (IEM) in Zusammenarbeit mit dem Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) das Forschungsvorhaben „RapidWind: Hochdrehzahl-Mehrfachgenerator-Triebstrang für Multi-Megawatt Windenergieanlagen“ initiiert, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wird (Förderkennzeichen 0325642). Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird ein neuartiger 6 MW Triebstrang für Multi-Megawatt Windenergieanlagen entworfen. Dabei findet eine Verschmelzung des Mehrfachgenerator-Konzeptes mit der Hochdrehzahlanwendung von elektrischen Maschinen statt. Ziel ist es, die spezifischen Vorteile beider Konzepte miteinander zu kombinieren, um so gegenläufige Zielstellungen wie Material- und Kosteneinsparung bei gleichzeitiger Erhöhung der Verfügbarkeit sowie gleicher oder besserer Energieeffizienz zu erreichen.
Eine höhere Betriebsdrehzahl des Generators führt direkt zu einer höheren Leistungsdichte und einer Reduzierung von Gewicht und Bauraum des Generators. Dies ermöglicht eine signifikante Einsparung von magnetisch aktivem Material, was zu einer deutlichen Kostensenkung der elektrischen Maschine führt.
Die elektrische Leistung im neu zu entwickelnden Konzept soll durch sechs parallel betriebene schnelldrehende Generatoren (≥ 5.000 min-1) erzeugt werden (s. Abbildung 1). Diese Leistungsverteilung reduziert effektiv die Lasten in jedem Teiltriebstrang.
Abbildung 1: Konzept einer Windenergieanlage mit sechs schnelldrehenden Generatoren
Die konsequente Umsetzung des Mehrfachgenerator-Konzepts führt zu einer Konstruktion mit vielen Gleichteilen, die aufgrund der Leistungsverzweigung kleiner und in Summe leichter als das konventionelle Eingeneratorkonzept ist. Viele Gleichteile bedeuten eine erhöhte Wirtschaftlichkeit und Qualität in der Serienfertigung sowie optimierte Wartungskonzepte durch Vorhalten von Ersatzteilen ähnlich wie in der Automobilindustrie. Die kleineren Bauteile ermöglichen darüber hinaus Reparaturen mit Bordmitteln auf der Anlage ohne den Einsatz großer Mobilkräne. Hierdurch ist eine deutliche Reduzierung von Ausfallzeiten im Produktionsbetrieb der Anlage möglich. Der Aufbau des Triebstrangkonzepts soll modular erfolgen. Dies beinhaltet ebenfalls die nachgeschaltete Leistungselektronik.
Ein weiterer Vorteil des Mehrfachgenerator-Konzepts liegt in der höheren Redundanz, da auch bei Ausfall eines Generatorantriebes im Teilastbereich der volle Energieertrag erreicht werden kann und bei Volllast nur ein anteiliger Ertragsverlust bis zur Reparatur zu verzeichnen ist.
Der Leistungsverlust durch die zusätzlich erforderliche Getriebestufe (vierte Stufe) kann durch eine wirkungsgradorientierte Betriebsstrategie kompensiert werden. Diese kennzeichnet sich durch partielles Abschalten von Teilantrieben im Teillastbereich aus, um die zur Energieerzeugung benötigten Generatoren im optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Oberhalb der Nennleistung der Anlage hingegen ist der mögliche Leistungsverlust hinsichtlich der Energieausbeute irrelevant, da mehr rotorseitige Energie zur Verfügung steht, als elektrisch eingespeist werden kann.
Für das Getriebe werden unterschiedliche vierstufige Varianten untersucht, die alle als Kombination von Planeten- (P) und Stirnradstufen (S)—mit der Leistungsverzweigung in den einzelnen Stufen—realisiert werden (s. Abbildung 2). Die vierte Stufe ist notwendig um auf eine Übersetzung von ca. 1:400 zu kommen, die bei der höheren Drehzahl der Generatoren von 5000 min-1 erforderlich ist.
Abbildung 2: Untersuchte Getriebevarianten
Als erster Ansatz wird für den Generator eine 1 MW permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSG) untersucht, die einen maximalen Wirkungsgrad von 98 % aufweist (s. Abbildung 3). Aufgrund der großen Drehzahl ergibt sich eine hohe Leistungsdichte von 11,51 MW/m3 und somit ein Volumen des aktiven Materials von nur 0,087 m3. Im weiteren Verlauf des Projektes sollen auch Asynchronmaschinen mit Käfigläufer untersucht werden.
Abbildung 3: Querschnitt des 2p = 6 poligen permanenterregten Synchrongenerators über eine doppelte Polteilung (links) und dessen Wirkungsgradkennfeld (rechts)
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Kay Hameyer
Institut für Elektrische Maschinen
Lehrstuhl für Elektromagnetische Energiewandlung
Telefon: +49 241 80 97643
Tel.: +49 241 80 96407
Heizkosten sparen durch weniger Gasverbrauch
Wissenschaft online: „Keramik... Mehr als Großmutters Porzellanservice und Kloschüssel?“, Prof. Dr. Olivier Guillon