Modulare Windkraftanlagen

Konventionelle Windkraftanlagen übertragen die aufgenommene Leistung aus dem Wind über den Rotor auf eine einzige Generator- und Wechselrichtereinheit. Ist eine Komponente des Antriebstranges defekt, fällt die Produktion der Windkraftanlage komplett aus, und es stehen aufwändige Reparaturarbeiten an. Im Rahmen eines vom BFE unterstützten Pilotprojektes wurde ein modularer Antriebsstrang einer 2MW-Windkraftanlage aufgebaut. Das entwickelte Verteilgetriebe treibt zwölf kompakte Elektromotoren aus dem Automotive-Bereich an. Dieses neue Antriebkonzept soll die Herstellungskosten massiv reduzieren, sowie Wartungs- und Reparaturarbeiten während den 25 Jahren Betriebszeit der Windkraftanlage vereinfachen.

In schwer zugänglichen Regionen ohne ausgebaute Serviceinfrastruktur ist der Betrieb und Unterhalt von Windkraftanlagen aufwendig und teuer. Die Firma GDC aus dem aargauischen Mühlau konzipiert und entwickelt modulare Windkraftanlagen, welche in diesem Bereich erhebliche Vorteile versprechen.

In einer zweijährigen Projektkooperation zwischen GDC, der Fachhochschule Nordwestschweiz, Brusa Elektronik AG und dem Hightech Zentrum Aargau wurde ein modularer Antriebsstrang einer 2MW Windkraftanlage aufgebaut und getestet. GDC hat ein neuartiges Verteilgetriebe mit Gleitlagern entwickelt, welche es erlaubt eine Vielzahl an schnelldrehenden Generatoren anzutreiben. Die Firma Brusa Elektronik hat leistungsfähige Antriebseinheiten entwickelt, welche für den Betrieb in Lastwagen und Bussen vorgesehen sind. Diese Antriebseinheiten wurden in diesem Projekt erstmals in einer Industrieanwendung erprobt.

Die einzelnen Generatoren werden abhängig von den Windverhältnissen, einzeln zu- und abgeschaltet. Diese Betriebsart ermöglicht es, die einzelnen Generatoren immer im optimalen Wirkungsgradbereich zu betreiben. Die dazu notwendige Steuerungs- und Regelungstechnik wurde von der Fachhochschule Nordwestschweiz entwickelt.

Aufgrund der geringen Masse der Generatoren- und Umrichter-Einheiten ist es möglich, defekte Komponenten ohne Verwendung eines externen Krans einfach auszutauschen. Zudem kann diese modulare Windkraftanlage auch betrieben werden, wenn einzelne Generatoren ausgefallen sind. Dies reduziert Reparaturaufwände und Ausfallzeiten.

Der Testaufbau wurde so realisiert, dass die zwölf Antriebseinheiten, wahlweise als Motor oder Generator arbeiten können. So kann eine frei wählbare Anzahl Motoren durch eine Anzahl Generatoren gebremst werden. In diesem Betriebsmodus lassen sich Getriebe, Generatoren, Leistungselektronik sowie die Regelung der Anlage testen und unterschiedliche Windverhältnisse simulieren.

Das Foto zeigt den Aufbau der Bodentestanlage. In der Mitte steht der Maschinenträger mit den zwölf Generatoren. Rechts davon sind die Schaltschränke für die Leistungselektronik und links die Kühlung der Anlage. Durch die Realisierung des Projektes wurden wichtige Erkenntnisse gewonnen, die nun in den Bau modularer Windkraftanlagen einfliessen. Mehr Informationen zum Projekt sind im Schlussbericht zu finden.

Dr. Pascal Schleuniger, Fachhochschule Nordwestschweiz