Superledende generator skal gøre vindmøllerne lettere
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.

Superledende generator skal gøre vindmøllerne lettere

Illustration: Fraunhofer

Der er noget nærmest mytisk over superledende materialer. Bare ideen om, at alle tab forsvinder, fordi temperaturen falder ned mod det absolutte nulpunkt, kan virke naturstridig. Det kan derfor virke som en anselig teknologisk udfordring at erstatte de driftssikre permanente magneter i en synkrongenerator med elektromagneter med superledende viklinger – plus alt det udstyr, der skal til for at holde dem nedkølet – og så lige flytte det hele 100 meter op i et vindmølletårn:

»Men nu har vi rent faktisk bygget sådan en superledende generator og fået den testet,« fortæller Jesper Hansen, der er projektleder og koordinator for projektet EcoSwing, der er støttet af EU-forskningsprogrammet Horizon 2020.

Han er ansat i det kinesiske vindmøllefirma Envision, der siden 2010 har haft et udviklingscenter i Silkeborg. Målet med EcoSwing er at demonstrere mulighederne for at bruge teknologien i verdens første superledende vindmøllegenerator.

Og der er vel at mærke ikke tale om en lille demonstrationsmodel. Nej, de ni deltagere i konsortiet bag projektet har valgt at satse på 3,6 MW-markedet, hvor konkurrencen lige nu er hårdest:

»Lige netop her har vi et modent marked, så vi kan sammenligne os direkte med konkurrenterne,« forklarer Jesper Hansen.

Når generatoren er klar til den virkelige verden, er det planen, at den skal installeres i Envisions tobladede testmølle i Thyborøn.

Vægtbesparelse, der batter

Det ville være nærliggende at tro, at de superledende materialer er valgt for at undgå de tab, som normalt opstår, når ledere skal overføre store mængder af elektrisk energi. Men i dette projekt er det faktisk ikke det vigtigste.

»For selvom tabene i superlederne kun er i omegnen af 100 watt, skal der faktisk bruges adskillige kilowatt til at holde magneterne nedkølet,« siger Jesper Hansen.

Til gengæld kan generatoren gøres langt mere kompakt end en traditionel mangepolet langsomtgående synkrongenerator. Fidusen er, at der med superledende elektromagneter i rotoren kan opnås en langt større energitæthed. Faktisk kan der løbe op til 100 A/mm2 i viklingerne til elektromagneterne, hvilket er cirka 100 gange mere end i kobber – og til en tiendedel af materialeprisen.

Samtidig kan luftgabet mellem rotor og stator holdes relativt stort, dvs. omkring 15 mm, hvilket giver nogle muligheder rent produktions­teknologisk mht. tolerancer.

Faktisk regner udviklerne med, at der kan spares 40 procent af vægten, eller hvad der svarer til over 25 ton, for en 3,6 MW-generator med permanente magneter i rotoren:

»Det virkelig en vægtbesparelse, der betyder noget, når generatoren skal løftes op i 100 meters højde,« siger Jesper Hansen.

For at få nedkølet elektromagneterne skal der fjernes en masse energi. Det gøres ved hjælp af helium, og derfor er den anvendte type af superledere den såkaldte andengenerations højtemperatur-superledere, der er superledende ved 93 K. De kaldes for YBCO og består af en legering af ytrium, barium og kobberoxid og er udviklet af tyske Theva Dünnschichttechnik GmbH.

Roterende heliumkobling

I generatoren køres der med en driftstemperatur på 30 K, hvor køle­hoveder køler spolerne ved hjælp af et konventionelt coolhead, hvor komprimeret helium i et enkelt trin ekspanderes og dermed fjerner energi fra spolen, som ligger i vakuum. Specialister fra den tyske virksomhed ECO 5 GmbH har budt ind med viden om superledende teknologi, mens teknologien omkring køling (kryoteknik) leveres af Sumitomo Cryogenics.

»En af udfordringerne har været både at kunne levere magnetiseringsstrøm og helium til rotoren. Derfor er der blevet en helt speciel roterende heliumkobling, som er integreret med slæberingene,« forklarer Jesper Hansen.

For at kunne bygge en så kompliceret generator har konsortiet deltagelse af Jeumont Electric SAS, som i mere end 100 år har bygget avancerede generatorer til alt fra den parisiske metro til atomubåde.

Læs også: Vestas flytter fokus fra vindkraft til hybridværker

»Nu har vi fået kølet generatoren ned og målt på den i tomgang og med kortsluttede klemmer. Vi har haft rotation og sikret os, at vakuumkammeret og overførslen af helium er tæt. Vi har også fået strøm ud af den og fået en masse erfaring. Men vi har også oplevet, at en pol ikke virkede helt, som den skulle. Måske var der bare tale om nogle få centimeter af viklingen, der ikke var gode nok. Det gjorde, at vi kun kunne teste med en tredjedel af den maksimale effekt,« siger han.

Projektdeltagerne er nu gået i gang med at reparere spolen, og efter planen skal generatoren sættes op i møllen i Thyborøn i slutningen af året. Herefter skal den køre i normal drift, mens man indsamler erfaringer. Bl.a. skal konsortiet undersøge, hvordan hele konceptet kan industrialiseres:

»Vi har i høj grad brugt standardkomponenter, som er tilgængelige på markedet. Men vi skal lære, hvordan vi kan gøre det bedre. For eksempel kan vi allerede nu se, at der er noget, som er overdimensioneret, og steder, hvor vi kan presse teknologien endnu mere,« siger Jesper Hansen.

Han tilføjer, at vindmøllebranchen er konservativ og ikke lige et sted, hvor man smider en helt ny teknologi ind. Derfor vil han helst ikke komme med et bud på, hvornår den superledende generator til vindmøllebranchen er klar til salg:

»Den kommer ikke til at ændre noget i morgen, men jeg håber, at vi er med til at skubbe til nogle grænser,« siger han.

Læs også: Lange vindmøllevinger skal bygges i kompositmaterialer

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Hvordan bruges helium i generatoren? Genindvindes den eller er det blot en (knap) ressource der "smides væk" under driften?

  • 2
  • 1

Ja helium er en knap ressource, den findes dog indelukket geologisk sammen med metan, så når man alligevel skal bruge en masse naturgas til backup af møllen, kan man jo lige så godt bruge den helium man får med op, til at nedsætte forbruget af lathanider som vi har foræret Kina verdensmarkedet på.

  • 4
  • 7

Hvad er årsagen til at generatoren sidder oppe i toppen af tårnet?

Er det ikke muligt at lave en gearkasse der drejer en aksel inden i tårnet (med passende hastigheder) - a la baghjulstræk i en bil... - og så sætte generatoren nederst i tårnet og lade den generere elektriciteten der?

Er helt med på at der er nogen der har tænkt på det, men vil synes det var interessant at vide hvad årsagen er... Med nye materialeteknologier burde den kunne laves med rimelig vægt og styrke

Den ville jo spare en enorm vægt og udgifter til tårn etc.

  • 2
  • 4

Hvis kølingen svigter på en alm. Generator, så stopper man den, for ikke at brænde den.
Men det er en kendt fejl hvor temperaturstigningen over tid er kendt.

Hvad sker der i en superkølet generator, der producere fuld effekt, og kommer op over superlednings temperatur punktet?

Kan den køre som en alm. Generator, bare ved lavere effekt, eller skal kølesystemet køre perfekt, før den leverer strøm?

  • 0
  • 0

Jeg forestiller mig at akslen fra nacelle til generator bliver ekstremt dyr. (Og tilsvarende lejer)

En sådan aksel ville skulle kunne overføre ca 4MW på en ca 120 meter lang aksel- hvilket vil kræve et temmelig tungt design med nogle store og dyre lejer.

Man kunne overveje hydraulik, men ved et tab på min 10% så skal man kunne køle 400kW på hydraulikmediet og det kræver ret store kølere

  • 5
  • 0

Hvad er årsagen til at generatoren sidder oppe i toppen af tårnet?

Er det ikke muligt at lave en gearkasse der drejer en aksel inden i tårnet (med passende hastigheder) - a la baghjulstræk i en bil... - og så sætte generatoren nederst i tårnet og lade den generere elektriciteten der?

Pointen med den direkt-drev-generatoren er netop at undgå gear.

Jeg er overbevist om at alene vinkelgearet til 4MW ved 15omdr/min over +150.000timers levetid vil koste mere end både tårn og generator :)

Man kunne overveje hydraulik, men ved et tab på min 10% så skal man kunne køle 400kW på hydraulikmediet og det kræver ret store kølere

Kan sikkert lade sig gøre, men det er de 10% mølleejeren skal leve af.

  • 3
  • 0

Ja det lyder jo rimeligt, selvom der burde være rigeligt med naturlig luftkøling til rådighed og man måske kunne udnytte noget af de 400 KW varme... (specielt ved landmøller).

Det må jo være en ret stor besparelse på tårnudgiften...

  • 1
  • 5

Er det ikke muligt at lave en gearkasse der drejer en aksel inden i tårnet (med passende hastigheder) - a la baghjulstræk i en bil... - og så sætte generatoren nederst i tårnet og lade den generere elektriciteten der?


Det er formentligt muligt, men det er billigere at placerer det hele i toppen og så bare fører tre kabler ned. De er mere fleksible over for vrid, drejninger og hvad det nu ellers bliver udsat for på vej ned fra toppen til bunden af vindmøllen...

  • 1
  • 0

Det er formentligt muligt, men det er billigere at placerer det hele i toppen og så bare fører tre kabler ned. De er mere fleksible over for vrid, drejninger og hvad det nu ellers bliver udsat for på vej ned fra toppen til bunden af vindmøllen...

Trenden går i retning af at have al power-elektronik i nacellen og føre HV ned gennem tårnet for at spare de 1-1,5% transmissionstab i +100m 690v kabel. 1 kabel er også utroligt meget nemmere at vride end 3 med min-afstand der skal overholdes.

  • 1
  • 0

@Carsten Junge - der er ikke rigtig nogle af dine to argumenter der holder. Den første holder ikke fordi; det er korrekt at tårnet bøjer ud, men det opleves kun som meget, fordi tårnet er så højt. Vinkeludbøjningen pr. meter er umådelig lille, og akslen - der i så fald ville befinde sig midt i tårnet - vil nærmest overhovedet ingen belastning opleve fra udbøjningen. Det andet holder ikke fordi; krøjesystemet kan jo netop sagtens kombineres med en lodret aksel. Om nacellen oplever akslen dreje rundt, eller om akslen oplever nacellen dreje rundt, kan jeg ikke se nogen forskel på. Akselløsningen vil netop her være bedre end en kabelløsning.
Men som andre argumenterer for, så vil akslen skulle lejres forsvarligt, og den skal kunne overføre et stort moment, så den vil nok blive uhåndterlig tung, og ville i hvert fald skulle opdeles i sektioner.

  • 1
  • 0

Vestas sponsorerer elektrisk gear udvikling og har gjort det i nogen tid, så det er nok en mulighed for mere end 40% vægtbesparelse.

MHI Vestas har via MHI formentlig adgang til Artemis teknologien som bliver testet på 7MW mølle pt. så måske noget vi kommer til at se noget til.

Vestas har for et par år siden sat den sjove mølle op på Risø som jeg ser en del til, hvor der er fire turbiner på to arme der deler et tårn. Ideen er selvfølgelig at "snyde" square cube reglen.

Endelig har Enercon taget fat på at smide kobber ud af deres Nacelle, men regner dog kun med 30% vægt reduktion for deres nye naceller samtidigt med at aluminimum naturligvis kun koster en brøkdedel af kobber. https://www.windpowermonthly.com/article/1...

Selv uden superledere vil man formentlig se konstante forbedringer af designs som sparer vægt og især de dyre råstoffers vægt.

  • 1
  • 0