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Eine langlebigere Windkraftanlage
Ein kanadisches Startup hat einen kleinen Prototyp einer Windkraftanlage entwickelt, die Reibung anstelle eines Getriebes verwendet, um Windenergie in Strom umzuwandeln. CWind , mit Sitz in Owen Sound, Ontario, hat vor kurzem mit der Arbeit an einem größeren Zwei-Megawatt-Prototyp begonnen. Das Unternehmen behauptet, dass sein Reibungsantriebssystem effizienter und zuverlässiger ist – und weniger kostspielig in der Wartung – als herkömmliche Windkraftanlagen, die anfällig für teure Getriebeausfälle sind.
Räder drehen: Die Rotorblätter der Windkraftanlage von CWind bewegen ein internes Schwungrad und mehrere Wellen, die an kleinen Generatoren in der Gondel befestigt sind. Im unteren Bild rollt ein Gummirad an der Innenwand eines Schwungrades in einer 65-Kilowatt-Prototypturbine.
Die Rotorblätter der meisten Turbinen nutzen den Wind, um eine mit einem Getriebe verbundene Antriebswelle zu drehen. Das Getriebe steuert die Drehung einer zweiten Welle, die mit einem großen elektrischen Generator verbunden ist. Das Getriebe ist das schwerste Gerät in der Gondel einer Windkraftanlage (der Abschnitt an der Spitze des Turbinenturms). Es ist auch ein Stück, das am anfälligsten für Fehler ist. Plötzliche Windböen setzen das Getriebe mechanisch enorm aus. Im Laufe der Zeit kann dies die Zähne der Metallräder abnutzen oder abbrechen.
Das Design von CWind verzichtet vollständig auf das Getriebe. Stattdessen ist die Antriebswelle direkt mit einem großen Metallschwungrad verbunden. Außen an das Schwungrad schmiegen sich acht kleinere Sekundärwellen an, die jeweils mit einem 250-Kilowatt-Generator verbunden und mit mehreren speziell entwickelten Reifen ausgekleidet sind, die die Oberfläche des Schwungrads greifen. Wenn sich das Schwungrad dreht, greift es die Generatoren ein, indem es diese mit Reifen ausgekleideten Wellen dreht. Wir verwenden Reibung. Es ist mechanisch nicht fest gekoppelt, sagt Na’al Nayef, ein CWind-Ingenieur und Miterfinder des Systems.
Nayef sagt, das System verwendet Software, um die acht Sekundärwellen zu steuern. Die Reifen sind auch so konstruiert, dass sie vorübergehend durchrutschen, wenn eine Windböe das Schwungrad plötzlich beschleunigen lässt. Diese Funktion verringert die Auswirkungen auf die Generatoren. Jede Sekundärwelle kann auch vom Schwungrad getrennt werden, wenn der Wind nachlässt, wodurch die Reibung verringert wird und die noch verbundenen Wellen ihre Generatoren mit hoher Leistung betreiben können. Ebenso werden Leerlaufgeneratoren aktiviert, wenn mehr Wellen verbunden werden, wodurch bei zunehmendem Wind mehr Reibung entsteht. Wir können die Generatoren immer mit optimaler Drehzahl betreiben, sagt Nayef. Tests mit dem kleineren 65-Kilowatt-Prototyp zeigen Effizienzgewinne von bis zu 5 Prozent gegenüber Standard-Windturbinen.
CWind-Gründer Paul Merswolke verfolgte das Design erstmals vor sieben Jahren, nachdem er einen Dokumentarfilm über die London Eye , ein 135 Meter hohes Riesenrad am Ufer der Themse. Er sah, dass einfache LKW-Reifen als Reibrollen verwendet wurden, um das Riesenrad zu drehen, und kam zu dem Schluss, dass der gleiche Ansatz für Windkraftanlagen angepasst werden könnte. Nayef wurde an Bord geholt, um einen vorläufigen Entwurf zu erstellen, und 2004 wandte sich CWind an ein Energietechnikunternehmen MPR-Mitarbeiter in Washington, DC, um Hilfe beim Bau eines Prototyps.
Wir sagten: „Nein, wir sind nicht davon überzeugt, dass dies sinnvoll ist“, sagt Larry Cundy, Entwicklungsleiter bei MPR. Aber CWind überzeugte MPR, eine grundlegende Analyse des Designs durchzuführen, und schließlich stimmte das Ingenieurbüro zu, den Prototyp zu bauen. Es ist ehrlich gesagt eine sehr neuartige Anwendung, sagt Cundy. Es ist wirklich ein Geniestreich.
Cundy sagt, dass der größte Vorteil des Designs von CWind darin besteht, dass es während der gesamten Lebensdauer der Ausrüstung einfacher und kostengünstiger zu warten ist. Wenn ein Getriebe einer konventionellen Turbine ausfällt, wird die Turbine komplett außer Betrieb genommen. Die Beschaffung eines Ersatzgetriebes dauert lange, und der Abbau des massiven Geräts aus der Gondel der Windkraftanlage erfordert einen großen Kran und viele Tage Arbeit. Jeder Tag, an dem die Turbine keinen Strom für das Netz erzeugt, bedeutet für den Betreiber entgangene Einnahmen.
Bei einem Friktionsantriebssystem mit mehreren Reifen sind die anderen immer noch da, wenn ein Reifen verloren geht, sagt Cundy . Dieselbe Redundanz gilt für die Generatoren – wenn einer ausfällt, können die anderen noch funktionieren. Cundy sagt, dass die kleinen, serienmäßigen Generatoren, die in CWinds Konstruktion verwendet werden, schnell erhältlich sind und mit Hilfe eines kleinen Krans, der in die Gondel eingebaut ist, relativ einfach installiert werden können.
Nayef sagt, dass die verwendeten Reifen für drei Jahre ausgelegt sind, und der Austausch aller Reifen einer Zwei-Megawatt-Windkraftanlage wird voraussichtlich 30.000 US-Dollar oder fast 200.000 US-Dollar über 20 Jahre kosten. Im Gegensatz dazu haben Getriebe eine durchschnittliche Lebensdauer von sechs Jahren und der Austausch kostet etwa 600.000 US-Dollar oder fast 2 Millionen US-Dollar über 20 Jahre. Wir werden mit konventionellen Getriebewindturbinen preislich konkurrenzfähig sein, aber wir haben die Vorteile einer hohen Verfügbarkeit, einer hohen Effizienz und allen Vorteilen, die mit der Servicefreundlichkeit einhergehen.
Im vergangenen Monat unterzeichnete CWind eine Fertigungsvereinbarung mit einem globalen Autoteilehersteller Linamar , das sein McLaren Performance-Engineering-Team (von Formel-1-Rennern) verpflichtet hat, den Zwei-Megawatt-Prototyp zu produzieren. Im Rahmen des 10-Jahres-Vertrags wird Linamar voraussichtlich ab 2011 auch marktreife Turbinen herstellen. Laut Nayef laufen bereits die Arbeiten an Fünf-Megawatt- und 7,5-Megawatt-Designs für den Offshore-Windmarkt sowie Remote Onshore Websites, auf denen einfache Wartung zu einem wichtigen Verkaufsmerkmal wird.