Vindkraftverk fäller sina redskap

Tillverkare av vindkraftverk vänder sig bort från industristandardiserade växellådor och generatorer i ett försök att öka tillförlitligheten och minska kostnaderna för vindkraft.

Kraftring: Detta vindturbin på tre megawatt använder permanentmagneter och en design som gör den betydligt lättare än en konventionell turbin med växlar.

Siemens har börjat sälja en turbin på tre megawatt som använder ett så kallat direktdriftssystem som ersätter den konventionella höghastighetsgeneratorn med en låghastighetsgenerator som eliminerar behovet av en växellåda. Och förra månaden, General Electric tillkännagav en investering på 340 miljoner euro i tillverkningsanläggningar för att bygga sina egna fyra megawatts direktdrivna turbiner för vindkraftsparker till havs.

De flesta observatörer säger att branschens övergång till direktdrift är ett svar på mycket publicerade växellådsfel. Men Henrik Stiesdal, teknisk chef för Siemens vindkraftsenhet, säger att växellådans problem är överdrivna. Han säger att Siemens använder direktdrift som ett sätt att generera mer energi till lägre kostnad. Turbiner kan göras mer konkurrenskraftiga genom direktdrift, säger Stiesdal.

Siemens planer bygger på en ny design som minskar vikten på systemets generator. I konventionella vindturbiner ökar växellådan hastigheten på den vinddrivna rotorn flera hundra gånger, vilket radikalt minskar storleken på generatorn som krävs. Direktdrivna generatorer arbetar med samma hastighet som turbinens blad och måste därför vara mycket större – över fyra meter i diameter för Siemens tre megawatts turbin. Ändå hävdar Siemens att hela turbinens gondol väger bara 73 ton – 12 ton mindre än på dess mindre kraftfulla, växeldrivna 2,3 megawatts turbiner.

Mycket av viktminskningen kommer från användningen av permanentmagneter i generatorernas rotor – ett knep som GE också använder. Konventionella turbingeneratorer använder elektromagneter - kopparspolar som matas med elektricitet från själva generatorn. Henk Polinder, expert på permanentmagnetgeneratorer på Holland's Delfts tekniska universitet , säger att ett 15-millimeter tjockt segment av permanentmagneter kan generera samma magnetfält som en 10- till 15-centimeters sektion av kopparspolar.

Stiesdal säger att Siemens minskade vikten ytterligare genom att invertera sin generators design. Istället för en stålrotor täckt med permanentmagneter som snurrar inuti en stationär munkformad stator (designen GE använder i sin fyra megawatts direktdrivna turbin) är Siemens rotor en stålcylinder med permanentmagneter på insidan, och denna rotor snurrar runt en pelarliknande stator.

Siemens byggde en prototyp av sin maskin i Brande, Danmark, i december och planerar att installera ytterligare 10 i år, främst i Danmark, innan massproduktion påbörjas 2011. GE:s teknologi, som man förvärvade genom köpet av den norska turbintillverkaren ScanWind förra året , demonstreras på en testplats i Norge; kommersialiseringen av dess fyra megawattsmaskin är planerad till 2012.

Mer konkurrens är på väg. Riskkapitalföretaget New Enterprise Associates stödjer en Boulder, CO-baserad startup som heter Boulder vindkraft , som utvecklar en 1,5 megawatts direktdriven turbin. Företaget grundades i december av Sandy Butterfield, som var chefsingenjör för U.S. National Renewable Energy Laboratorys (NREL) vindteknikcenter, där han ledde en större studie av växellådans designprocess.

Huruvida växellådsfel är ett branschövergripande problem är fortfarande en fråga om tvist. NREL inledde sin studie 2007, när det fanns flera misslyckanden: ett USA-baserat företag, Clipper Windpower , upplevde allvarliga växellådsproblem inom några månader efter att ha installerat den första av sina 2,5 megawatt-turbiner vid en vindkraftspark i Lackawanna, NY, medan växellådorna i de 30 Vestas Wind Systems-turbinerna som bildar Storbritanniens offshore Kentish Flats vindkraftspark måste bytas ut efter bara två års drift. NREL drog slutsatsen att de flesta vindturbinväxellådor skulle misslyckas långt innan deras 20-åriga designlivslängd.

Stiesdal säger att Siemens egna studier visar att växellådor är ganska pålitliga, totalt sett. En analys från 2008 av Siemens-maskiner installerade från 1983 till 1989 i USA visade att de allra flesta fortfarande körde med sina originalväxellådor. Men han förväntar sig ökad tillförlitlighet från det direktdrivna systemet, som har ungefär hälften så många delar som en konventionell turbin.

Direktdrivna system introducerar dock ett potentiellt problem. Det finns pågående farhågor angående den framtida tillgången på de sällsynta jordartsmetaller som används för att göra permanentmagneter. Det är en allvarlig fråga, säger Stiesdal.

Dölj