Her forklarer vindmølleekspert Henrik Stiesdal konstruksjonen.
Ingeniørens leser Erik Neipper har spurt som følger:
Hvorfor plasserer man generatoren til vindmøller oppe på toppen av konstruksjonen i stedet for nede på bakken?
Hvis man nøyde seg med bare å ha den nødvendige styringen av vingene (pitch, retning og RPM) på toppen, kunne man via en vinkelgirkasse la kraftoverføringen gå loddrett ned til en generator på bakkenivå.
Dette ville gi en mye lettere nacelle og tårn, enklere vedlikehold av generatoren, kjøleanlegget og elektronikken, samt gi mulighet for å utnytte overskudsvarmen fra kjøleanlegget. Det ville også bli enklere å støydempe generatoren.
Rolf Kromand spurt om noe lignende:
Jeg har snakket med en fysiker som forsker på superledere. Et av formålene med forskningen hennes var å finne bedre magneter, slik at man bedre kunne generere strøm i for eksempel vindmøller.
Hun hevdet at et problem for strømproduksjonen var at man etter hvert hadde nådd den maksimale størrelsen på vindmøller, siden tårnene etter hvert hadde vansker med å bære de tunge magnetene på toppen av generatoren.
Dette fikk meg til å lure på hvorfor man plasserer generatoren på toppen av vindmøllen, og ikke ganske enkelt i bunnen av vindmølletårnet?
Man mister selvfølgelig noe ved overføringen av vingenes bevegelse, men oppnår sikkert også fordeler ved å kunne lage større møller og/eller billigere tårn.
Fordelene er ikke større enn ulempene
Henrik Stiesdal som er oppfinner og vindmøllepioner, svarer:
Hvis man skulle gå bort fra den vanlige praksisen på girede møller ved å plassere generatoren i mølletoppen og ikke nede på bakken, måtte fordelene ved endringen overstige ulempene. Men det gjør de ikke.
Det er summen av en rekke praktiske forhold som gjør at fordelene ikke overstiger ulempene.
Man ville – som nevnt i første spørsmål – få et enklere vedlikeholde av generatoren, kjøleanlegget og elektronikken, og man ville få mulighet til å utnytte overskuddsvarmen fra kjøleanlegget. Det ville også bli enklere å støydempe generatoren.
Man vil til gjengjeld ikke få en merkbart lettere nacelle. En moderne hurtiggående generator utgjør ikke mer enn 4–5 prosent av den totale vekten av mølletoppen (nacelle + rotor). Og man vil slett ikke kunne merke dette på belastningene på tårnets, som for det aller meste forårsakes av de aerodynamiske påvirkningene, og ikke av vekten til mølletoppen.
Giret må uansett kjøles
Når man ser nærmere på de fordelene som rent faktisk er reelle, så finnes disse. Men de betyr i praksis ikke så veldig mye. Vedlikehold av generatoren, kjøleanlegget og elektronikken begrenser seg til noen få timers arbeide i året. Det må etterfylles fett på smøresystemene til generatorlagrene, noen få bolter må etterstrammes, og det er det hele.
Kjølingen av generatoren blir enklere, men det må likevel finnes kjøling i mølletoppen til giret. Og egentlig har man ikke så veldig mye å bruke overskuddsvarmen til på moderne møller, som settes opp langt fra boliger.
Hvis vi deretter ser litt på ulempene, er de til gjengjeld betydelige.
For det første er det ikke så veldig enkelt å lage et stort vinkelgir med loddrett nedovergående utgangsaksel som man kanskje skulle tro.
Utgangsakselen på et stort vinkelgir kan i praksis bare utformes med ensidig lageroppheng, noe som betyr at begge lageropphengene ligger på samme side av akselens tannhjul. Dette gir et litt mer uhensiktsmessige bøyningsforhold enn det som er tilfellet ved en utgangsaksel med sylindrisk tannhjul, hvor man kan sette ett lager på hver side av tannhjulet (og alltid gjør det).
Tetting et forbausende stort problem
På grunn av bøyningen kan det være vanskelig å ha optimale inngrepsforhold ved alle belastningsnivåene, og blant annet derfor har vinkelgir en tendens til å støye mer enn sylindriske gir.
Dessuten er tetningen av den loddrette nedadgående utgangsakselen et forbausende stort problem. Det er en kjent sak at det ikke holder med klassiske tetningsringer for vindmøllegir – de blir ganske enkelt ikke tette nok.
Derfor utstyrer man alltid vindmøllegir med labyrinttetninger. Men de duger ikke til loddrette aksler. Det har blitt lagd alskens sinnrike arrangementer for å løse dette problemet, men i praksis ender man opp med klassiske tetningsringer. Som altså blir utette.
Men det som er verre, er at den lange akselen ned gjennom tårnet i seg selv er en veldig stor utfordring. Akselen kan av gode grunner ikke leveres i ett stykke, men må monteres av mange stykker med koblinger. Dessuten må den ha en rekke med støttelagre ned gjennom tårnet, og disse lagrene må vedlikeholdes.
Dette er ikke veldig mye vanskeligere enn generatorlagrene; det er bare flere av dem, og de får en vanskelig plassering med hensyn til tetningene. Og i tillegg må akselen skjermes av. Så totalt sett overstiger prisen for akselen med tilbehør med stor margin eventuelle innsparinger ved å ha generatoren på bakken.
Ulemper overstiger fordelene i rikt monn
I tillegg kommer det faktum at å håndtere en hurtiggående aksel på 100 meter eller mer absolutt ikke er noen enkel sak. Under installasjonen har man alle typer utfordringer med oppretting og avbalansering, og et oppsett her må kunne håndtere de ganske store bøyningene som høye mølletårn har.
Og i tillegg må man kunne håndtere dynamikken i den lange torsjonsfjæren som akselen er. Dette er i seg selv nok til å forårsake at denne løsningen ikke er attraktiv.
Endelig finnes det noen praktiske forhold ved å måtte ha en sentral aksel med avskjermning hele veien ned gjennom senteret av tårnet, pluss et generatorsystem i bunnen. Tårnet er allerede godt fylt opp med mange komponenter i toppen og bunnen, og der må det være god plass til en heis og annet. Tårnkonstruktørene vil ikke bli glade for å måtte sette inn en aksel!
Alt i alt overstiger ulempene ved å flytte generatoren ned på bakken i rikelig monn fordelene, og det er derfor at man for lengst har valgt bort denne løsningen for moderne vindmøller.
Avslutningsvis må jeg understreke at jeg bare forholder meg til store vindmøller. Det kan godt være at man ville kunne lage en husstandsmølle med en loddrett aksel ned til en generator plassert på bakken. Men selv der tror jeg ikke at dette er noen fordel.
Denne artikkelen ble først publisert av Ingeniøren. Spør fagfolket er det danske nettstedets faste ekspertspalte.
Reineier om vindkraftutbyggerne: – De er like ille
