Hydraulik Hydrostatischer Triebstrang für Windenergieanlagen

Am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen wird ein hydrostatisches Getriebe für Windenergieanlagen entwickelt, aufgebaut und untersucht. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert.

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Lenord, Bauer & Co. GmbH

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

Heinrichs & Co. KG

IFAS Institut f.FLUID-techn. Antriebe und Steuerungen

Die Entwicklung der Windenergieanlagen hat in den vergangenen Jahren aufgrund der hohen Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen große Fortschritte gemacht. Dennoch werden immer wieder neue Konzepte entwickelt, die grundlegende Veränderungen mit sich bringen. Ein neuer Ansatz liegt in der Leistungsübertragung durch hydrostatische Getriebe.

Ein solches Getriebe nutzt Radialkolbenpumpen, die mit Windrotordrehzahl direkt angetrieben werden, um die aus dem Wind gewonnene mechanische Leistung in einen Hochdruck-Ölvolumenstrom zu wandeln. Dieser wird, je nach Betriebspunkt der Anlage, auf verschiedene Hydraulikmotoren aufgeteilt und in eine konstante Generatordrehzahl überführt. Das verstellbare Schluckvolumen der Motoren ermöglicht eine stufenlose Änderung des Übersetzungsverhältnisses des hydrostatischen Getriebes und kann genutzt werden, um dem Rotor eine gewünschte Drehzahl aufzuprägen. Der Hauptvorteil des Konzepts besteht darin, dass aufgrund der konstanten Generatordrehzahl kein Frequenzumrichter notwendig ist, um die Anlage mit dem Stromnetz zu verbinden. Des Weiteren kann das System sehr flexibel an verschiedene Windsituationen angepasst werden und besitzt gute Dämpfungseigenschaften.

Konfiguration und Optimierung des hydrostatischen Windkraftgetriebes in Simulationen

In der Konzeptphase wurden, ausgehend von bekannten hydrostatischen Antriebsträngen aus mobilen Arbeitsmaschinen, systematisch Getriebekonzepte für eine WEA generiert und mit dem Simulationsprogramm DSHplus voruntersucht. Für die Vermessungen am Prüfstand wurde ein Getriebe der 1-MW-Klasse ausgelegt. Als aussichtsreichste Variante ergaben die Simulationen eine Konfiguration bestehend aus zwei Radialkolbenpumpen mit 52,8 und 13,2 l/U Fördervolumen sowie vier Verstellmotoren mit 180 – 500 cm³/U Fördervolumen (Bild 1). In den Komponenten wurden hydraulisch-mechanische und volumetrische Verluste über Kennfelder abgebildet, die aus vorhandenen Daten generiert werden konnten. Das Getriebe wird in der Simulation durch ein Modell einer Windturbine mit Moment beaufschlagt. Hierbei werden die Trägheit des Rotors, sowie die Einflüsse von Windböen und der Turmschatteneffekt mit abgebildet.

In der Auswertung der Simulationen konnten die erwarteten guten Dämpfungseigenschaften bestätigt werden. Hohe Momentenstöße führen aufgrund der geringen Steifigkeit dieses Konzepts zu kurzen Drehzahländerungen im Bereich von 0,1 U/min an der Turbine, sodass Energie in der großen Massenträgheit zwischengespeichert werden kann. Die gesamte Struktur der Windenergieanlage wird so geschont. Der Fokus der simulativen Untersuchungen liegt auf der Effizienz des Getriebes. Die Berechnungen deuten darauf hin, dass durch eine entsprechende Schaltung von Pumpen und Motoren schon ab einer Leistung von 200 kW (20% der Nennleistung) ein nahezu konstanter Wirkungsgrad von 85% erzielt werden könnte.

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