Møllefabrikanter: Nu er det slut med gearkasserne

I mange år har verdens vindmøllefabrikanter - med tyske Enercon som en original afvigelse - foretrukket og forsvaret et design, hvor kraften fra vingerne blev overført via en hovedaksel og en gearkasse ind i en hurtigtkørende generator. Det var en pålidelig, kendt og optimeret konstruktion.

Men lige nu foregår der en markant bevægelse i branchen væk fra en gearløsning og over mod et design, hvor vingerne trækker direkte på en aksel og ind i en langsomtgående generator, udstyret med permanente magneter. En udvikling, som er trukket af ønsket om større møller og enklere konstruktioner med færre komponenter - især til vindmøller langt til havs. Og så også af et ønske om at undgå gearkassekomponenten, som ofte har voldt problemer.

Af de større spillere på markedet har Enercon, kinesiske Goldwind og Dongfang, GE Wind og tysk/danske Siemens allerede gearløse - også kaldet direct drive - typer ude til kommercielt salg onshore. Faktisk udgjorde de gearløse typer næsten 18 pct. af verdenssalget i 2010.

Omvendt har markedets største spiller, Vestas, lige meldt ud - kort før avisens deadline - at man holder fast ved gear-modellen i sin nye 7 MW offshoremølle. Nærmere beskrivelse af denne mølle kan læses på ing.dk.

Som nævnt har Enercon hele tiden kørt sin egen vej og uden gear - men til gengæld med en meget stor og tung ring-generator, der giver mølletoppen et særligt rundt udseende. Og netop vægten af generatoren ved en gearløs mølle nævnes som en af hovedudfordringerne ved den gearløse teknologi.

Ved et design uden gear kræves nemlig, at generatoren kører med samme lave omdrejningstal som rotoren. Det betyder, at man behøver en generator med mange poler, og ifølge BTM Consult giver det en diameter på generatoren på op mod 4-6 meter til en mølletype i MW-klassen.

Hovedudfordring løst

Denne udfordring ser dog ud til at være løst af Siemens Wind Power, idet deres nye gearløse 3 MW mølle faktisk vejer mindre end Siemens konventionelle 2,3 MW type. Et design, som vækker stor respekt i branchen.

Teknologichef Henrik Stiesdal fra Siemens Wind Power forklarer, at det først og fremmest er 'det omvendte generator-design', der har givet pote rent vægtmæssigt. I Siemensgeneratoren er statoren nemlig anbragt på indersiden af rotoren, hvilket er en teknologi, som kendes fra tromlemotorer. På vindmøllen indebærer denne teknologi, at den totale diameter på generatoren reduceres fra 5 meter til 4,2 meter ved samme luftspalte-diameter og drejningsmoment.

»Vi besluttede os meget målrettet for, at vi ville bryde myten om, at direct drive møller er alt for tunge og dyre. Og heldigvis viste det sig undervejs, at vi godt kunne løse opgaven. Men løsningerne viste sig først efterhånden som vi arbejdede os ned i designet,« siger Henrik Stiesdal.

Han tilføjer, at for Siemens er der ingen tvivl om, at man på langt sigt skal af med gearet i et offshore- design, så der er i virkeligheden kun én vej for udviklerne.

Gearløsning mest økonomisk

Men konstruktioner med gear er absolut ikke dømt ude. I hvertfald ikke af konsulentfirmaet Make.

Her forklarer chefteknologirådgiver Steffen Sørensen, at man har kigget på økonomien i de to koncepter og fundet frem til, at det indtil videre stadig er billigere at bygge en mølle med gear - alt medregnet. Men Steffen Sørensen peger også på, at det udslagsgivende for valg af teknologi - ud over kostprisen - i lige så høj grad er kundens vurdering af levetidsomkostninger og risici ved investeringen:

»Ved offshoreinvesteringer bliver det væsentligt, hvor godt leverandøren kan dokumentere, at gearkasseproblemer er fortid eller for den gearløse teknologis vedkommende, at de nye elementer er gennemtestede. Dermed bliver det leverandørens test og verifikation, kombineret med kundernes egne erfaringer, der kommer til at afgøre, om man køber en mølle med eller uden gear til sit offshoreprojekt,« siger Steffen Sørensen.

Tredje løsning i spil

Der findes dog også en tredje løsning, som flere fabrikanter arbejder med. Her anvender man en såkaldt medium speed generator med lavere omdrejningstal, og det giver mulighed for at tage ét eller to trin ud af gearkassen. Det kan øge pålideligheden, fordi man fjerner nogle lidt udfordrende geartrin mod at man øger generatorvægten. Tilsammen bliver generatoren dog væsentligt mindre end en decideret gearløs mølle.

En anden problematik ved de store generatorer med permanente magneter er en usikker adgang til de metaller, som magneterne er fremstillet af. Henrik Stiesdal fra Siemens anfører, at Siemens har reserveteknologier parat, hvis leverancerne svigter. For eksempel kan magnetpolerne fremstilles af andre materialer, som ganske vist vil gøre møllen lidt tungere, men som ikke indeholder sjældne jordarter

Steffen Sørensen fra Make peger på, at øgede råvarepriser allerede har medført, at gamle miner genåbnes og nye miner etableres. Det væsentlige bliver så, om råvareprisen rykker sig yderligere op og dermed fordyrer de gearløse møller yderligere.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Henrik Stiesdal fra Siemens anfører, at Siemens har reserveteknologier parat, hvis leverancerne svigter. For eksempel kan magnetpolerne fremstilles af andre materialer, som ganske vist vil gøre møllen lidt tungere...

Skal man så vente med at dimensionere fundament og mølletårn indtil komponenterne til nacellen er kommet hjem?

Måske det er lidt tidligt at signalere et markant teknologiskifte, Vestas har trods alt stadig en betydende markedsandel, og det er kun to dage siden Vestas bekendtgjorde at de i første omgang kun vil indsamle back order for gearede møller, det som i denne artikel kaldes "den tredje løsning" til den serieproduktion der skal starte år 2015.

  • 0
  • 0

American superconductors har en 10MW girfri mølle på tegnebrættet med en generator der benytter superledende magneter. De siger at deres 10MW mølle er lettere end alle andre kende konstruktionsteknikker. Vægten for vinger, hub og nacelle er tilsammen under 500 tons. Til sammenligning er Vestas 7MW mølle på ligeledes cirka 500 tons.

American superconducters mølle skal heller ikke bruge særlig meget af de dyre metaller da den hverken skal bruge store mængder kobber eller sjældne jordarter til sine superledere. Da generatoren holdes nedkølet på en konstant temperatur er der heller ikke noget termisk induceret friktionsslid på generatoren hvorfor den i princippet har ekstrem lang levetid. Måske100 år.

For mere information se http://www.amsc.com/products/applications/...

For produktpdf se http://www.amsc.com/pdf/SEATITAN_DS_1010_F...

  • 0
  • 0

Der er egentligt ikke noget raketvidenskab i at lave en mølle som Siemens. Det er kun et spørgsmål om hvor meget man vil ofre på magneter og kobberspoler, fremfor på tandhjul.

Her er et godt eksempel: http://www.drivesandmotion.at/Joomla/image...

Hele denne Rotary Direct Drive Motor (RDDM) serie fremstilles med præcis samme magneter og spoler, hvor hver magnet måler 25123mm, og placeret enten indeni eller udenpå en ring, som udgør rotoren, eller på en skinne (liniær motor).

RI-serien skaleres både i længde og diameter med antallet af disse magneter. Som standard er mindste luftspaltediameter er Ø89mm, og største Ø920mm.

Som det fremgår, vokser momentet med luftspaltediameteren i 2. potens, mens omdrejningstallet falder omvendt proportionelt med luftspaltediameteren.

Vi kan tage udgangspunkt i modellen RI19-3P-920x25, dvs. med 1 stk 25mm bred ring á 25mm, og største diameter på Ø920mm.

Denne yder et nominelt (maksimalt vedvarende) moment på 1211 Nm, ved 0-98 rpm (kølet) eller 567 Nm ved 0-115 rpm (ukølet).

Dimensionerer vi luftspalten op til Ø4100mm, vil det maksimale vedvarende moment være (4100/1211)^2 * 1211 = 24051 Nm (kølet) og 11260 Nm (ukølet)

Ved 18 rpm, giver det en nominel effekt på hhv 45,3 kW (kølet) og 21,2 kW (ukølet), for en enkelt magnetring á 25mm.

Der skal således blot 66 ringe til, med en samlet længde af hhv 1,65m (med køling) eller 3,53m (uden køling) for at yde 3 MW.

Bemærk, denne generator vil have en samlet diameter på 4200mm, inklusiv udvendigt svøb, og være hul (indvendig diameter 4050mm), altså blot udgøre et rør med 150mm godstykkelse, som naturligvis skal forstærkes med diverse indvendig struktur.

IR-serien er med udvendig stator, men kan i princippet ligeså godt vrangvendes, så rotoren roterer som et rør udenpå statoren, ligesom Siemens' nacelle. Det vil gøre luftspaltediameteren, og dermed effekten, en anelse større.

Effekten kan altså koges ned til et produkt af mængden af magnetmateriale og omdrejningstallet.

Den ukølede version (jeg ser ingen kølere på Siemens' nacelle) kræver altså et areal på 1,36 m3 magnetmateriale, hvilket udgør ca 12 ton. Med en gravimetrisk andel på 15%, skal der altså 1800 kg ren neodum til!

Det er dyrt - og fremtiden vil vise sig hvor dyrt det ender med at blive, og hvor meget kineserne vil drille dem der gør sig for afhængige af neodym.

Alternativet er at putte tandhjul imellem generator og møllerotor. Ved at geare generatorens rpm om med 100:1, så den snurrer med 1800 rpm, behøves blot 18 kg neodym for samme effekt.

Det er derfor blot et afvejning mellem prisen på tandhjul og neodym-magneter, samt hvorvidt man ønsker at distancere sig fra afhængigheden af sådanne sjældne jordarter og kinesernes drillerier.

Tiden skal vise hvad der er klogest!

  • 0
  • 0

Skal man så vente med at dimensionere fundament og mølletårn indtil komponenterne til nacellen er kommet hjem?

Rotorens dynamiske belastning på tårn og fundament, er mange gange større end nacellens statiske belastning på samme, så det vil formentligt være præcis samme tårn og fundament der skal bruges.

  • 0
  • 0

Det ser meget spændende ud - teknologisk set. Jeg mangler nu bl.a. at få lidt at vide om, hvad en HTS (højtemp. superleder) koster, og hvad nedkølingen koster. Der er meget markedsføring, men ikke så meget relevant information for ingeniører ;-) Jeg siger ikke det her ikke er gangbart, men det er ikke til at vurdere ud fra det materiale hvis ikke man i forvejen er specialist på området.

Man kan finde et utal af spændende nye bud på teknologier rundt på nettet. Jeg kom f.eks. forbi et amerikansk firma (har glemt navnet, søg evt selv), eller nærmere et stort kapitalstærkt konglomerat bestående af 6 datterselskaber, som havde købt en mindre amerikansk vindproducent med under 1 % af verdensmarkedet og derfor ukendt for de fleste. Det der fangede min opmærksomhed var, at et af de andre selskaber var Sikorsky - dem med de berømte helikoptere. Så den lille vindproducent kan nu bl.a. få rotorteknologi i verdensklasse, og gad vide om de andre 5 selskaber ikke også er bragt sammen med omtanke...

Det mest interessante ved det er, at det viser at der er ved at opstå et reelt marked. Det skal blive spændende at følge udviklingen, og som med alt anden teknologisk udvikling gennem tiderne, er det helt igennem umuligt at forudse hvor det ender - men fremad skal det nok gå, som sædvanligt!

Alligevel vil jeg ikke anbefale nogen at sætte deres opsparing i vindaktier. Det er et hot emne i disse år og Vestas er en 'folkeaktie' åbenbart. Men pas på! Stor salgsvækst og stor omsætning er ikke det samme som god forretning, og det billede der tegner sig, er en branche der kommer til at indeholde masser af risikovillig kapital, og derfor vil medføre et hidsigt udviklingskapløb. Den meget statsstøtte er også en ulempe for ejerne, for i takt med at udviklingen giver bedre og mere konkurrencedygtige produkter, vil støtten selvfølgelig blive sat ned. Så det er svært at få øje på den gode forretning - for andre end elforbrugerne, som høster udbyttet af bedre teknologi.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten