Różne konstrukcje układu przeniesienia napędu, w których wyeliminowana jest przekładnia pomiędzy wirnikiem turbiny a generatorem, przyciągają producentów turbin wiatrowych. Wydłuża się kolejka chętnych po rozwiązania pozwalające uzyskać wyższe moce wyjściowe, wzrost niezawodności i potencjalne oszczędności w czasie życia całego systemu.
Majestatyczne łopaty turbin wiatrowych, obracające się z niską prędkością, to bardzo często nasz pierwszy obraz farmy wiatrowej. Taki widok jest w dużej mierze podyktowany prawami fizyki ? występuje potrzeba ograniczenia niekorzystnej prędkości znajdującej się wysoko końcówki łopaty, której długość może wynosić 50 m i więcej. Jakkolwiek, aby produkować elektryczność, tradycyjne sposoby projektowania turbin wiatrowych wymuszają zastosowanie przekładni (albo układu reduktora prędkości obrotowej) pomiędzy wirnikiem turbiny, wirującym z prędkością 4 ? 20 obrotów na minutę, a standardowym generatorem, który wymaga większej prędkości obrotowej. Typowe wartości współczynnika przekładni wynoszą w przybliżeniu 100:1 i więcej.
Nowe technologie w dziedzinie turbin wiatrowych, możliwe do wykorzystania w skali użytkowej, eliminują konieczność stosowania przekładni poprzez zastosowanie niskoobrotowych generatorów z magnesami trwałymi. Rozwiązanie takie określane jest terminem ?direct drive? (napęd bezpośredni). Poza uproszczeniem całego układu napędowego turbiny napęd bezpośredni zapewnia uzyskanie systemu o zmniejszonej wadze, potencjalnie wyższej odporności z powodu mniejszej ilości części i zmniejszenie zakresu obsługi. Obecnie coraz większa rzesza producentów turbin wiatrowych produkuje maszyny z bezpośrednim napędem, skupiając się aktualnie na rozwiązaniach dotyczących większych zakresów mocy i konstrukcji użytkowanych w rejonach przybrzeżnych. Turbiny wiatrowe z napędem bezpośrednim różnią się nieco z punktu widzenia sterowania od turbin wiatrowych z przekładniami. Oba podejścia opierają się na regulacji wysokości każdej łopaty i kontroli odchylenia gondoli względem kierunku wiatru. Wyjście generatora jest regulowane tak, aby zapewnić wymagane napięcie i częstotliwość sieci elektrycznej przetwornika mocy i transformatora. Sterownik turbiny manipuluje funkcjami systemu i oddziałuje z nadrzędnym systemem sterowania stosowanym na farmie z wieloma turbinami.
Właściwie wszyscy sprzedawcy konstrukcji z napędami bezpośrednimi oferują również turbiny z przekładnią, które, jak się oczekuje, będą w niedalekiej przyszłości konkurencyjne z uwagi na ich dużą ilość i dobre ogólne osiągi. Ostatecznie sektor wdrożeń turbin wiatrowych z przekładniami i z napędami bezpośrednimi będzie wytyczony przez przyszłe doświadczenia eksploatacyjne i koszty systemu.
? Technologia napędów bezpośrednich ma zalety, które wzrastają wraz ze wzrostem rozmiaru generowanych mocy. Skutkiem tego możliwe jest, że turbiny z przekładniami pozostaną konkurencyjne dla rozwiązań małej mocy ? powiedział Henrik Stiesdal, dyrektor do spraw technologii w Siemens Wind Power. Tymczasem sprzedawcy milczą w sprawie porównania kosztów wytwarzania mocy i przebiegów niezawodności systemów dla obu podejść projektowania.
Masa niższa o 12 ton
Wyeliminowanie przekładni, najcięższego elementu w gondoli turbiny, wpływa na jej wagę.
? Przy zastosowaniu tego samego wirnika 101-m gondola 3-megawatowej turbiny firmy Siemens z napędem bezpośrednim jest o 12 ton lżejsza niż turbina firmy Siemens o mocy 2,3 MW z przekładnią ? odnotował Stiesdal. Na rysunku 1 pokazana jest turbina z napędem bezpośrednim firmy Siemens (SWT ? 3.0 ? 101).
Niezawodność przekładni jest w przemyśle sprawą wielkiej wagi. Wysoka dynamika środowisk obciążenia i duża liczba poruszających się części wymaga proaktywnego monitorowania i obsługi. Po ostatnim zgłoszeniu uszkodzeń przekładni producenci turbin wiatrowych postanowili rozwijać kwestię niezawodności produktu.
? Turbiny z przekładniami firmy Siemens wyznaczają aktualnie punkt odniesienia (w kwestii niezawodności) dla przemysłu wiatrowego i trudno jest w nich coś ulepszyć ? wyjaśnił Stiesdal. ? W zasadzie turbiny z napędem bezpośrednim, z jeszcze mniejszą liczbą występujących w nich ruchomych części i o 50% mniejszą liczbą komponentów, powinny zapewniać jeszcze większą niezawodność.
Pewien wzrost w kwestii uzyskiwania większych sprawności przy projektowaniu napędów spodziewany jest w związku z usunięciem z konstrukcji przekładni. W dodatku gondola turbiny przy takiej konstrukcji stanie się znacznie mniejsza. Poprawa sprawności oraz inne zyski ze stosowania takich konstrukcji będą dziełem między innymi firmy MagnetDrives AG ze Szwajcarii.
Dr Stefan Berchten, szef MagnetDrives, porównał projekt 2-megawatowej turbiny z przekładnią i bez przekładni, wskazując na o 5 ton mniejszą wagę i różnicę w osiąganych sprawnościach systemów, 94% względem 92,4% sprawności systemu na korzyść napędu bezpośredniego. Przy dodatkowych 5% nakładów inwestycyjnych w napędy bezpośrednie, Berchten przewiduje istotne oszczędności w kosztach obsługi, energii i całościowych kosztach w siedmioletnim okresie zwrotu kosztów.
Generatory niskiej prędkości
Produkowanie energii elektrycznej przy niskich prędkościach obrotowych wymaga innego podejścia przy projektowaniu systemów. Generatory synchroniczne z magnesami trwałymi umożliwiają taką produkcję energii w sposób niezwykle sprawny. Przy wykorzystaniu napędów bezpośrednich przybierają one raczej kształt pączka niż tradycyjny kształt cylindryczny konwencjonalnego generatora. Faktycznie, generator o większych wymiarach jest niezbędny do podniesienia efektywności ruchu obrotowego magnesów trwałych względem cewek stojana, tak aby mógł być rozwinięty wymagany wysoki moment.
Switch Controls & Converters Inc., dostawca megawatowych generatorów z magnesami trwałymi i zestawów konwerterów na pełną moc, spostrzegł zalety w kwestii osiąganych wyższych sprawności synchronicznych generatorów z magnesami trwałymi dla turbin z napędem bezpośrednim. ? Co ważne, sprawność generatorów z magnesami trwałymi pozostaje wysoka, bliska wartości nominalnej, nawet przy częściowym obciążeniu, kiedy turbina musi często działać wbrew zmienności wiatru ? wyjaśnia Anders Troedson, zastępca dyrektora i główny zarządca Switch Controls & Converters Inc. Dla przykładu, generator o mocy 2,2 MW, określonej przy 18 obrotach na minutę (rysunek 2) ma sprawność przy pełnym obciążeniu równą 94,4% podczas gdy przy 25% obciążeniu jego sprawność jest niezwykła, boaż 92,9%. Podobne wartości sprawności, nawet trochę większe przy 25% obciążeniu, dotyczą modeli generatorów z napędem bezpośrednim innych firm.
W dodatku generatory z magnesami trwałymi eliminują potrzebę separacji wzbudzenia, pierścieni ślizgowych i uzwojeń wirnika ze stratami stowarzyszonymi, a wymagają mniejszego zaangażowania w obsługę w porównaniu do podwójnie zasilanych generatorów indukcyjnych. Większość pracujących czynnie generatorów indukcyjnych z podwójnym zasilaniem nie może być skojarzona z napędem bezpośrednim, między innymi z powodu ograniczenia wartości współczynnika mocy i braku zdolności pracy w stanie uszkodzenia. Podczas 20 lat żywotności turbiny generatory z magnesami trwałymi są także bardziej opłacalne.
? Projektowanie generatorów z napędem bezpośrednim wymaga specjalnego kształtu magnesów i przygotowania tak, aby dopasować się do specyficznych warunków i optymalizować sprawność ? powiedział Troedson. Kolejnym elementem jest opatentowany stojan z kilkoma niezależnymi segmentami, które są nadzorowane przez różne konwertery przenoszące do napędu redundancję. ? Turbina będzie działała nawet w przypadku drobnych uszkodzeń jednego z tych segmentów ? stwierdził Troedeson.
? W porównaniu do innych typów generatorów, obcowzbudny generator synchroniczny jest rentownym, ale mniej sprawnym typem generatora, w porównaniu do tych, które mogą być użyte w napędzie bezpośrednim ? dodał Troedson.
Z tych technologii w największym stopniu korzysta niemiecki producent turbin wiatrowych Enercon.
Ponadto w kwestii generatorów o niskiej prędkości Switch Controls & Converters Inc. oferuje jednostki o średniej i wysokiej prędkości, zoptymalizowane do sprawnej i niezawodnej pracy z ich konwerterami pełnej mocy.
Więcej mocy z morza, na lądzie
Przeznaczone dla wyjść wysokiej mocy, włączając w to instalacje na morzu, generatory z bezpośrednim napędem bazują na materiałach magnetycznie trwałych ziem rzadkich ? typowo neodymowo-żelazowo-borowych (Nd-Fe-B). Jednak technologia nie oferuje nic za darmo. Konieczne jest wypracowanie kompromisu pomiędzy eliminacją przekładni a sprostaniem potrzebie dostarczenia dużej ilości tych kosztownych materiałów magnetycznych, które są problemem z uwagi na ich niedobór. W przybliżeniu 650 kg magnesów trwałych jest potrzebne na każdy MW zdolności turbiny wiatrowej, według firmy Siemens, z których 25% ? 30% jest materiałem magnetycznym ziem rzadkich.
? Koszt tego materiału jest uwzględniony w konkurencyjnej cenie koncepcji napędu bezpośredniego ? zauważył Stiesdal.
Obecne źródła strategiczne pokładów magnesów trwałych ziem rzadkich spowodowały, że spółki zaczęły rozważać inne alternatywy.
? Aktualnie generatory wymagają użycia magnesów trwałych z neodymowymi i dysprozmowymi elementami ? dodał Stiesdal. ? Wariantowe projektowanie magnesowania z systemem nieużywającym magnesów z ziem rzadkich będzie dostępne w przypadku skurczenia się zasobów tych elementów ziem rzadkich.
Wzrastająca moc wyjściowa turbin wiatrowych z napędem bezpośrednim jest odzwierciedleniem aktualnych wdrożeń i zapowiedzi. GE Energy, lider produkcji turbin wiatrowych w USA i drugi na świecie, zapowiedział 4-megawatową turbinę, zoptymalizowaną do pracy na morzu. Projekt turbiny z napędem bezpośrednim oznaczonej symbolem 4.1-113 zawiera wbudowaną redundancję i możliwość częściowego działania jej głównych komponentów. Technologia napędu bezpośredniego, według GE Energy, skupia się na utrzymaniu niezawodności turbiny na morzu i bazuje na modułowym podejściu do maksymalizowania napraw na miejscu i redukcji potrzeby dużych napraw naczyń.
Urządzenie oznaczone symbolem 4.1-113 przewidziane jest do pracy w zakresie prędkości wiatru 14 m/s (31,3 mili na godzinę) i cechuje się 113 metrami długości wirnika. Zostało zbudowane na bazie turbiny z napędem bezpośrednim firmy GE o mocy 3,5 MW, której podstawowa konstrukcja działa od 2005 roku w środowisku charakteryzującym się dużymi prędkościami wiatru i turbulencjami w rejonach przybrzeżnych Norwegii. W drugiej połowie roku 2011 urządzenie takie planowane jest do zainstalowania w porcie Gothenburg przez firmę Sweden?s Göteborg Energi.
Ostatnio GE zapowiedziała inwestycje rzędu 340 milionów euro w fabryki w Niemczech, Norwegii, Szwecji i Wielkiej Brytanii, aby produkować 4-megawatowe bezprzekładniowe turbiny wiatrowe stosowane na morzu, przewidziane do użytku w 2012 roku. Firma wzbogaciła własną technologię dotyczącą napędu bezpośredniego o wiedzę pochodzącą z obserwacji firmy Scan Wind z Norwegii z 2009 roku.
Wiele przedsiębiorstw, a wśród nich Siemens i Alstom, zapowiedziały duże napędy bezpośrednie turbin wiatrowych. W styczniu 2011 roku Siemens zainstalował prototyp ich najnowszej turbiny z wirnikiem o napędzie bezpośrednim do pracy na morzu w rejonie Danii. Próby działania rozpoczęły się dla maszyn 6 MW ze 120-metrowym rotorem.
Tymczasem Alstom rozpoczął produkcję ich 6 MW prototypu turbiny do zastosowań morskich, także cechującej się napędem bezpośrednim (rysunek 2). Pierwszy prototyp maszyny będzie zainstalowany przed końcem 2011 roku na zachodnim wybrzeżu Francji. Obie firmy Siemens i Alstom oczekują, że ich turbiny wiatrowe osiągną seryjną produkcyjność w 2014 roku.
Denmark?s Vestas ? producent największej liczby turbin wiatrowych ? wybrał projekt z przekładnią dla ich 7 MW prototypu turbiny morskiej zapowiedzianej na początku 2011 roku. Jednak produkcja prototypu tej maszyny ze 164-metrowym rotorem nie jest spodziewana przed czwartym kwartałem 2012 roku.
Nie do wszystkich zastosowań
Podczas gdy wyższamoc jest czułym punktem turbin wiatrowych o napędzie bezpośrednim, zwykły fizyczny rozmiar może narzucać mechaniczne ograniczenia.
? Wiele wyzwań narasta przy dochodzeniu do zakresu 8 czy 10 MW w systemach z napędami bezpośrednimi ? powiedział Troedson. ? Generatory stają się nagle większe i cięższe, ze względu na wymagania odnośnie momentu.
Poza ograniczeniami projektowymi, takimi jak wytrzymałość materiału, tolerancja wykonania, wymagania odnośnie łożysk, Troedson zwrócił uwagę na następujące wymagania:
- waga i rozmiar generatora muszą być dobrane tak, aby uniknąć modernizacji struktur wież podtrzymujących wysoką gondolę o wysokiej wadze,
- projektowanie luk powietrznych w celu utrzymania wymagań odnośnie gęstości strumienia i przeciwdziałania tarciom pomiędzy rotorem i statorem w każdych warunkach działania,
- dynamiczne krótkie życie układu ? musi być zgodne z ograniczeniami minimalnych luk powietrznych.
? Niektóre z tych czynników stają się zbyt dominujące i wpływają na wybór ? wyjaśnił Troedson. ? Przekładnie jednostopniowe pozwalają na budowę dużo mniejszych i lżejszych generatorów i nadal cechują się tymi samymi zaletami co generatory z napędem bezpośrednim. Dlatego widzimy, że część użytkowników naszych bardzo dużych generatorów faworyzuje przekładnie jednostopniowe ponad napęd bezpośredni.
Troedson podkreślił potrzebę ścisłej współpracy projektantów generatorów i turbin w celu optymalizowania całościowego projektu turbiny, bardziej niż poszczególnych komponentów.
Przed nami ekscytujący czas dla technologii turbin wiatrowych.
Artykuł pod redakcją Krzysztofa Jaroszewskiego z WE ZUT w Szczecinie.
CE