Ingeniøren-leser Per Rosenberg spør:
På noen vindmøller er nacellen noe stormaget, og jeg antar at det er brukt en generator med flere stolper, slik at giret kan unngås. Riktig? Hvorfor har ikke denne teknikken blitt brukt før? Er det gjort noen oppfinnelser som gjør det mulig å bruke en slik teknikk nå?
Henrik Stiesdal, oppfinner og vindmøllepioner, svarer:
Ja, tykke naceller er vanligvis karakteristiske for vindturbiner uten gir. Rotoren til vindturbinen driver en flerpolet, saktegående generator som har tilstrekkelig kapasitet til å absorbere dreiemoment direkte.
Vindkraftindustrien er preget av internasjonale selskaper, og derfor er engelske ord ofte inkludert i daglig terminologi. Ordet 'nacelle' brukt i spørsmålet er hentet fra engelsk, og det samme gjelder normalbetegnelsen for girfri teknologi, 'Direct Drive' eller bare 'DD'.
DD-teknologi er ikke ny. Allerede i slutten av 1920-tallet introduserte den amerikanske vindturbinpioneren Marcellus Jacobs en DD-generator på sin 4 kW likestrømturbin designet for elektrifisering av landdistrikter, hvor på den tiden utsiktene for normal nettforbindelse var lange.
På 1930-tallet ble mange tusen likestrømturbiner med tilhørende batterier satt opp i USA, både forskjellige typer med gir og hurtiggående generator, samt Jacobs DD-type. Jacobs-turbinene var dyrere enn turbinene med gir, men var også kjent for høyere pålitelighet.
Enercon kom med gjennombruddet
Da strømnettet nådde ut til selv avsidesliggende gårder under og etter krigen, ble likestrømturbinene overflødige og vanligvis tatt ned. Men så sent som på slutten av 1970-tallet, da jeg første gang reiste i USA, kunne man støte på noen gjenværende eksemplarer. Alle de jeg så var Jacobs-turbiner med DD-teknologi, fordi de var de eneste som var i stand til å vare helt fra 1930-tallet.
Gir-teknologien var helt dominerende da vindkraftindustrien slo tilbake etter den første oljekrisen i 1973. Man kunne lett skaffe seg en firpolet generator med omløpstall på 1500 o/min og et tilhørende gir som kunne øke hastigheten fra den mye lavere rotasjonshastigheten til vindturbinrotoren, til 1500 omdreininger / min.
Det var derimot ikke mangepolede, direkte drevne generatorer på markedet. Det amerikanske vindturbineselskapet Windworks var et unntak, de kom allerede i 1983 med en 10 kW DD-turbin. I motsetning til Jacobs-turbinene, der magnetfeltet i generatoren ble etablert med elektromagneter, som også er kjent fra kraftverkgeneratorer, brukte Windworks permanente magneter.
Det egentlige gjennombruddet for DD-teknologi kom da den tyske vindturbinen Enercon på begynnelsen av 1990-tallet introduserte en 500 kW turbin uten gir. Enercon vokste seg stor på bakgrunn av den meget pålitelige DD-teknologien, og har vært dominerende i det tyske markedet siden slutten av 1990-tallet. Som Jacobs har Enercon inntil nylig brukt elektromagneter i generatoren.
Som nevnt har Enercon-turbinene vært kjent for veldig høy pålitelighet, men også for en høy pris, fordi DD-teknologi i prinsippet er dyrere enn girteknologien. Imidlertid har nye teknologier dukket opp de siste tiårene, som har gjort det lettere å lage mer konkurransedyktige DD-generatorer.
Sterke permanente magneter utgjør forskjellen
Det viktigste teknologispranget er fremveksten av veldig sterke permanente magneter, de såkalte neodymmagneter. I 2003 lanserte den tyske vindturbinprodusenten Vensys en kompakt DD-turbin med neodymmagneter. I 2009 begynte Siemens Wind Power i Brande å markedsføre sin første serieproduserte DD-turbin, også med neodymmagneter.
Til og med Enercon, som ellers har holdt fast ved elektromagneter i generatoren, introduserte i 2018 permanente magneter på deres nyeste vindturbintype. Store DD-generatorer har ofte over 100 poler, og her teller det veldig at de kan gjøres superenkle med permanente magneter.
Tradisjonelt oppleves DD-teknologi som dyrere, men mer pålitelig enn girteknologien. Den høyere prisen skyldes et høyere materialforbruk, spesielt kobber og magneter. Større pålitelighet skyldes det mye enklere arrangementet av én stor generator som erstatter både et stort antall tannhjul og lagre i giret og to hurtigløpende lagre i generatoren.
Forskjellene er imidlertid ikke så store som de en gang var.
For det første skalerer DD-teknologien bedre med størrelsen enn girteknologi av grunnleggende fysiske årsaker. Det gjør DD-teknologien mer konkurransedyktig jo større vindmøllene er. På store havvindturbiner er sannsynligvis DD-teknologi billigere enn girteknologien.
For det andre har driftssikkerheten forbedret seg mye de siste 10-20 årene, delvis fordi vindturbinprodusentene har jobbet tett med girprodusentene for å heve kvalitetsnivået, og delvis fordi girprodusentene ikke har sittet stille, men har fortsatt innovasjonen, først og fremst med nye. typer planetgir.
Alle bladene knakk av vindmølle
Gir på land – girløst til sjøs
Til sist: I moderne vindturbiner med gir brukes ofte en generator med flere poler, slik at omløpstallet kommer ned på 200-500 o/min. i stedet for de tradisjonelle 1500 o/min. På den måten sparer man det raskeste trinnet i giret, og har ikke så høye omløpstall på generatorlagrene.
I dag er situasjonen den at enkelte turbinprodusenter, blant andre Enercon i Tyskland og Kinas største produsent Goldwind, bare bruker DD-teknologi, mens andre produsenter, inkludert Siemens Gamesa og General Electric, bruker girteknologi på de mindre havvindturbinene og DD-teknologi på de store. Atter andre, inkludert Vestas, holder seg til girteknologi.
Jeg tipper at når Siemens Gamesa og General Electric bruker girteknologi på de mindre havvindturbinene og DD-teknologien på de store, er det fordi de ønsker å få det beste fra begge verdener. Altså den billigst mulige og tilstrekkelig pålitelige teknologien på land hvor priskonkurransen er veldig tøff, og den billigste (fordi DD-teknologien blir relativt billigere i størrelse) og den mest pålitelige teknologien på de store havvindturbinene, der kostnadene ved en eventuell utskifting av en hovedkomponent er veldig høye.
Det blir spennende å se i løpet av de neste 10-20 årene om denne praksisen (girteknologi på land, DD-teknologi til sjøs) fortsetter, eller om en av de to teknologiene vil ende opp med å få overtaket i begge deler av markedet.
Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren og gjøres tilgjengelig for abonnenter av TU Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale. Her finner du deres faste spalte Spør fagfolket.
Ultralyd i vannkraft kan redde fisk i elvene
