DE AXIALE-FLUXGENERATOR VAN OCTOPUS WIND TECHNOLOGY

Transcriptie

1 Februari 2001 ECN-C DE AXIALE-FLUXGENERATOR VAN OCTOPUS WIND TECHNOLOGY Een haalbaarheidsstudie Ruud van Schie

2 ECN ECN Overigen ECN-directie: ECN-EE(TS&C): Kon. Bibliotheek 17 Saris, F.W. 1 Bremmers, P. 10 Ministerie van Schatborn, W. 2 Ruiter, A.J. 11 Economische zaken 18 Kenniscommunicatie: Schie, R.G. van 12 Novem: Bruin, M.S.J. 3 Tazelaar, W.H. 13 t Hooft, J ECN-Wind: Veltman, A.T. 14 OWT: Beurskens, H.J.M. 4 Vriesema, B. 15 Eikelenboom, P Janssen, L.G.J. 5 ECN-Beleidsstudies: TU-Delft: Machielse, L.A.H. 6 Verkroost, H. 16 Polinder, H. 33 Pierik, J.T.G. 7 Dubois, M. 34 Snel, H. 8 Bibliotheek TU Delft 35 Souillé, P.P. 9 Verantwoording Dit project is ondersteund door subsidie van NOVEM in het kader van het Besluit Subsidie Energieprogramma s (BSE). Contactpersoon van NOVEM is Jaap t Hooft, telefoonnummer.: Het project is tot stand gekomen door de samenwerking van Octopus Wind Technology (OWT), de faculteit Elektrotechniek van de Technische Universiteit Delft en de units Energie Efficiency en Windenergie van het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN). De bijdrage van de TU Delft aan het rapport is als bijlage 2 toegevoegd. Deze is in het Engels geschreven omdat de auteur Maxime Dubois uit Canada afkomstig is. Abstract This report presents the results of a feasibility study of a generator concept for wind turbines that was suggested by Octopus Wind Technology (OWT). In this concept the following ideas were implemented: 1. The generator is a direct-drive generator with permanent magnets. 2. (Sliding) bearings are integrated the generator on the circumference of. 3. Rotor and stator are divided into (radial) modular segments. 4. The generator has an axial magnetic flux. 5. The blades of the turbine are mounted between the rotors. The result of this study is that the OWT-concept has to be changed. It is better to mount the turbine blades on a compact hub than on the large rotor ring. Also in this concept there is no reason to choose for the axial magnetic flux. The use of modules, of permanent magnets and a large bearing are very useful developments in wind turbines and are already examined or implemented. The application of a bearing on an even larger diameter of approximately 3,5 m still is (very) expensive. Hydrostatic bearings are the sliding bearings to implement on this diameter and have the advantage of being modular as well. The drawback of this bearing type is the use of oil. Jeumont uses axial modules in their generator design. The objective is to use the same modules in turbines with different power ratings. In the OWT-concept the modules are radial and the aim is ease of production, transport and maintenance. This idea was already patented in December 1998 (US-patent ) for a radial flux machine and that appeared to be the logical choice. 2 ECN-C

3 It is concluded that after the desired changes the OWT-concept has insufficient unique characteristics to protect the design. Most of the good ideas in the OWT-concept were already implemented in the research work following the mentioned patent and in the design of the LW 50/750. A combination of these ideas could be a good base for a new turbine design, but a detailed analysis is needed to examine the true perspective of such a design. ECN-C

4 4 ECN-C

5 INHOUD 1. INLEIDING 9 2. OVERZICHT VAN BESTAANDE CONCEPTEN Koppeling van de rotor met een snellopende generator via een tandwielkast Concept met een direct-drive generator De axiale-fluxgenerator van Jeumont De axiale-fluxgenerator van Crescimbini Een transversale-fluxgenerator ONTWIKKELING VAN HET OWT-CONCEPT De lay-out uit het projectvoorstel De lagering De generator Overige aspecten van de mechanische constructie Modulaire bouw EVALUATIE CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN LITERATUURLIJST BIJLAGEN 35 ECN-C

6 6 ECN-C

7 SAMENVATTING In deze studie is de haalbaarheid onderzocht van de door Octopus Wind Technology (OWT) voorgestelde opbouw van de generator van een windturbine voor grote vermogens. In dit concept is een aantal vernieuwende ideeën verwerkt, te weten: 1. De generator is een direct-drive generator met permanente magneten. 2. (Glij)lagering is geïntegreerd aan de omtrek van deze generator. 3. Rotor en stator zijn modulair opgebouwd. 4. De magnetische flux is axiaal gericht en niet radiaal. 5. De bladen zijn aan de rotoromtrek gemonteerd. Uit deze studie is naar voren gekomen dat het concept gewijzigd dient te worden voor verdere ontwikkeling. Zo is het monteren van de bladen aan de rotoromtrek niet aan te bevelen en is er geen reden om specifiek voor de minder gunstige axiale magnetische flux te kiezen. Beiden leiden tot een gewichtstoename terwijl er geen duidelijk voordeel tegenover staat. Andere ideeën zijn zinvolle ontwikkelingen in windturbines en worden door de industrie dan ook benut of onderzocht. Daaronder vallen modulaire bouw, de toepassing van permanente magneten en van een groot lager met een buisvormige as. Vergroting van de lagerdiameter tot bijvoorbeeld 3.5 m is nog (zeer) duur. Hydrostatische lagering komt als glijlager op deze diameter in aanmerking en maakt de lagering modulair. De noodzaak van gebruik van olie is het grootste bezwaar tegen dit lagertype. Modulaire bouw van axiale-generatormodules is o.m. door Jeumont voorgesteld. Door deze modulaire bouw is met standaardmodules een aantal vermogensklassen te bedienen. In het OWT-concept zijn stator en rotor door een deling over de omtrek in modules verdeeld. Doel is niet om meerdere vermogensklassen van dezelfde modules te voorzien, maar het vergemakkelijken van productieautomatisering, transport en onderhoud. Er is naar dit idee een nieuwheidsscan uitgevoerd en dit idee bleek al door US-patent nr beschermd te zijn (december 1998). Dit betreft wel een radiale-fluxmachine maar dat is juist een logische keuze gebleken. Samengevat: wijziging van het OWT-concept is nodig maar na wijziging blijven er onvoldoende unieke kenmerken over om het ontwerp te kunnen beschermen. Veel van de goede ideeën uit het OWT-concept zijn al te vinden in het onderzoek dat na de verlening van bovengenoemd patent is uitgevoerd alsmede in het ontwerp van de Nederlandse LW 50/750. Een combinatie van deze ideeën zou een goede basis voor een nieuw turbineontwerp kunnen zijn, maar een detailanalyse is nodig om de prestaties van zo n ontwerp in kaart te brengen. ECN-C

8 8 ECN-C

9 1. INLEIDING De technologische ontwikkelingen bij windturbines worden de laatste jaren vooral gekenmerkt door een snelle schaalvergroting en toenemende belangstelling voor offshore-toepassing. Bij opschaling van de rotordiameter nemen materiaalgebruik en kosten sneller toe dan de energieopbrengst en daarom wordt gezocht naar kostprijsverlaging bij vooral de grotere turbines. Een substantiële verlaging van de kostprijs zou wellicht kunnen worden bereikt door het concept dat Octopus Wind Technology (OWT) heeft bedacht, in het vervolg het OWTconcept genoemd. Dit concept betreft een direct-drive (DD-) generator (dit is een generator zonder tandwieloverbrenging), waarbij de (glij)lagering zich in tegenstelling tot gangbare concepten aan de omtrek van de generator bevindt. Daarnaast is voor een modulaire opbouw van rotor en stator gekozen. Daardoor kunnen grotere series van kleine modules worden vervaardigd, waarmee kostenbesparing door schaalvergroting in de productie te bereiken is. Daarnaast kan dit de montage en reparatie op locatie vereenvoudigen. De generator wijkt in nog een ander opzicht af van standaard wisselstroomgeneratoren: door de verticale plaatsing van magneten en spoelen is de flux in de luchtspleet niet radiaal maar axiaal gericht. Bovendien worden permanente magneten toegepast voor het opwekken van de benodigde flux. Om een oordeel te kunnen vellen is van het OWT-concept allereerst een elektromagnetisch en mechanisch concept lay-out gemaakt, waarvan de ontwikkeling is beschreven in hoofdstuk 3. Vanuit deze lay-out is een aantal karakteristieke grootheden bepaald zoals het aantal poolparen, het aantal statorspoelen, het gewicht van magneten en blikpakket, de ligging en omvang van de statorwikkelingen, de dimensies van de mechanische ondersteuning en keuze en globale afmetingen van de lagering. Vervolgens is in hoofdstuk 4 een evaluatie van de voor- en nadelen van dit type generator gegeven, in vergelijking tot conventionele en direct-drive generatoren die in windturbines worden toegepast of voor toepassing in windturbines zijn ontwikkeld. Deze concepten zijn daartoe eerst in hoofdstuk 2 globaal beschreven. Bij de vergelijking worden de punten materiaalbenutting, energie-efficiency en de materiaal-, productie- en onderhoudskosten beschouwd. Uitgangspunt van de analyse is een windturbine met een nominaal vermogen van 1,8 MW. Er is slechts een globaal oordeel ontstaan doordat de omvang van de studie geen uitgebreide analyses toestond. Na het voorontwerp is een nieuwheidsscan uitgevoerd naar modulaire bouw van de stator en rotor van de generator, waarbij deze in cirkelsegmenten opgedeeld zijn. ECN-C

10 10 ECN-C

11 2. OVERZICHT VAN BESTAANDE CONCEPTEN Om duidelijk te maken wat het OWT-concept toevoegt aan bestaande concepten en in hoeverre het verschilt van andere innovaties worden eerst de bestaande concepten beschreven. De concepten, die beschreven zijn in de paragrafen 2.1 en 2.2, zijn voor de 1,5 MW-klasse beschikbaar op de markt. De nadruk van de evaluatie van het OWT-concept ligt op de vergelijking met deze concepten. 2.1 Koppeling van de rotor met een snellopende generator via een tandwielkast Figuur 1. Opbouw van de Neg-Micon 1500C/64 (bron: internet) Figuur 2. Opbouw van de Vestas V66 (1,65/1,75 MW) (bron: internet) De koppeling van de rotor met een snellopende generator via een tandwielkast is het meest toegepaste concept bij de huidige generatie windturbines. Als voorbeelden zijn in figuur 1 de 1,5 MW turbine van Neg-Micon weergegeven en in figuur 2 de 1,65/1,75 MW van Vestas. Te zien is dat de aërodynamische rotor vooraan op de as is gemonteerd. Deze as loopt door het hoofdlager naar de planeetwielkast. Via de tandwieloverbrenging is de rotor met één of meerdere snellopende generatoren verbonden. In deze vermogensklasse wordt voor dit concept ECN-C

12 steeds een asynchroongenerator toegepast. Dit is in beginsel een constante-toerenmachine. Er zijn verschillende methoden in gebruik om bij een asynchroongenerator toch het toerental te variëren: 1. Bij een generator met een kooianker, die direct gekoppeld is aan het net, kan bij een juiste opbouw van de stator het aantal polen geschakeld worden, waardoor bij twee toerentallen kan worden gedraaid. 2. Het volledige vermogen kan via een inverter aan het net gekoppeld worden. Dit maakt zeer ruime toerentalvariatie mogelijk, maar er is zware vermogenselektronica voor nodig. 3. Met een gewikkelde rotor en regelbare voorschakelweerstanden kan 10% toerentalvariatie worden bereikt. 4. Een gewikkelde rotor kan via een inverter aan het net worden gekoppeld. Er gaat slechts ongeveer 25% van het vermogen door de inverter, maar er is wel een toerentalvariatie van 60% te bereiken (Vestas 1,75 MW/Enron). Het belangrijkste verschil tussen de Neg-Micon en de Vestas is de regeling. De Neg-Micon past een robuuste passieve overtrekregeling toe en 2-toerenbedrijf volgens optie 1. De Vestas maakt gebruik van actieve bladverstelling (pitch-control) en de 1,75 MW werkt tevens met variabel toerental volgens optie 4. De belastingpieken worden daardoor veel beter weggeregeld en rotoren gondelgewicht zijn dan ook aanzienlijk lager bij hetzelfde vermogen. Hier staan hogere kosten tegenover veroorzaakt door de grotere complexiteit. Deze maakt het systeem ook gevoeliger voor storingen, hoewel dit door de gelijkmatige belasting in de praktijk mee kan vallen. Het ziet ernaar uit dat voor de grotere vermogens steeds meer van variabeletoerenregeling volgens optie 4 gebruik zal worden gemaakt. 2.2 Concept met een direct-drive generator De direct-drive generator wordt gekenmerkt door het ontbreken van de tandwielkast. Door het actieve materiaal van de generator op een grote diameter te brengen wordt een zo hoog mogelijke snelheid benut. Door de afwezigheid van de tandwielkast is korte bouw mogelijk en wordt onderhoud verminderd en de betrouwbaarheid verhoogd. Daarentegen is meer en duurder materiaal (koper en gelamelleerd blik) nodig voor de generator en is onderhoud moeilijk indien het toch nodig blijkt. Transport over de weg is bij diameters groter dan 4,5 m vrijwel niet mogelijk. Het magneetveld wordt in de beide turbines die hierna worden besproken (nog) opgewekt met elektromagneten en niet met permanente magneten. Het concept met DD-generator wordt in de 1,5 MW klasse toegepast door Enercon. Het betreft hier een synchroongenerator met een door elektromagneten bekrachtigd magneetveld. De E-66 is een 1,5/1,8 megawatt turbine waarvan de opbouw in figuur 2 is weergegeven. Enercon heeft een prototype van de E-112 voorzien voor najaar 2001, een 4 4,5 MW turbine met een rotordiameter van 112 m. 12 ECN-C

13 Figuur 2. De opbouw van de E-66 van Enercon met DD-generator (bron: internet). Internal maintenance access Direct drive Variable speed Back to back convertor One bearing concept Flexible grid connection Figuur 3. Impressie van de LW 50/750 van Lagerwey, met duidelijk herkenbare ringgenerator (bron: Lagerwey). ECN-C

14 Lagerwey heeft een 750 kw turbine met een DD-generator, de LW 50/750. In deze turbine is gekozen voor de toepassing van een één-lagerondersteuning van de gehele aërodynamische rotor (figuur 3). Dit is een relatief groot lager en er wordt dan ook een holle, buisvormige as toegepast, hetgeen materiaal bespaart. Voor turbines met een groot vermogen (3 tot 5 MW, kust- en offshore-locaties) wordt een DDconcept met permanente magneten in de rotor ontwikkeld door Scanwind, een Zweeds-Noors samenwerkingsverband. ABB is verantwoordelijk voor het generatorontwerp. Naast het gebruik van permanente magneten valt op dat de generator direct een spanning van 20 kv opwekt (geen transformator nodig, maar daarentegen meer elektrische isolatie tussen de wikkelingen), en dat voor het vermogenstransport een gelijkspanningskabel wordt voorzien. In juli 2001 worden 2 prototypes naar verwachting operationeel, terwijl al in begin 2002 serieproductie wordt voorzien. 2.3 De axiale-fluxgenerator van Jeumont De axiale-fluxgenerator van Jeumont bestaat uit modules van 750 kw en door stapeling van deze modules kan naar zeer grote vermogens worden opgeschaald. De modules zijn in dit geval volledig ronde axiale-fluxgeneratorschijven. Dit concept is in patent nr bij het Institut National de la Propriété Industrielle vastgelegd, waarbij twee uitvoeringsvormen in een specifieke doorsnede zijn geschetst. Een turbine met een dergelijke generator is bij Wideheim gebouwd. Figuur 4. De axiale-fluxgenerator van Jeumont. De hoofdpatentschets (links) en het prototype dat is gebouwd volgens deze opbouw (bron foto: internet) In een andere uitvoeringsvorm die in het patent beschreven is zijn de bladen op de buitenring van generator en gondel gemonteerd. Dit betekent dat de centrale disk nu de stator is en dat de buitenschijven beiden via (wentel)lagers steunen op een holle stilstaande as. De rotorschijven zijn met permanente magneten uitgevoerd. 14 ECN-C

15 2.4 De axiale-fluxgenerator van Crescimbini Figuur 5. Exploded view van dit generatorconcept (bron: proceedings EWEC 91) De axiale-fluxgenerator die in figuur 5 is weergegeven is gepresenteerd op de conferentie Wind Energy, Technology and Implementation georganiseerd door de European Wind Energy Association in 1991 (EWEC) [10]. Deze generator heeft een centrale statorkern omsloten door rotordiscs met permanente magneten, dus een omgekeerde configuratie als in het OWT-concept. De statorring wordt omwikkeld door koperdraad, hetgeen eenvoudig is. Dit concept is nog niet op grotere schaal toegepast, maar kan op een Jeumont-achtige wijze worden geimplementeerd. 2.5 Een transversale-fluxgenerator Figuur 6. Opbouw van de transversale-fluxgenerator van het NREL (bron: internet) Transversale-fluxmachines zijn generatoren die in de nabije toekomst ook ontwikkeld kunnen gaan worden voor toepassing in windturbines, al wordt gesteld dat het voordeel van deze opbouw vooral in de lage vermogensklasse telt [7]. Het National Renewable Energy Laboratory (NREL) heeft een uitvoering volgens figuur 6 voorgesteld. Het magneetveld van de centrale rotorschijf loopt afwisselend door het statorijzer aan de ene en de andere kant. De koperwikkeling (groen) is een simpel gewikkelde spoel. Daar tegenover staat dat hij in deze configuratie maar voor 50% in het magneetveld zit. Ook hier wordt stapeling van schijfmodules voorzien om tot grote vermogens te komen ECN-C

16 16 ECN-C

17 3. ONTWIKKELING VAN HET OWT-CONCEPT 3.1 De lay-out uit het projectvoorstel Het OWT-concept onderwerp van deze haalbaarheidsstudie wordt in dit hoofdstuk besproken. Vertrekpunt voor de ontwikkeling van het OWT-concept was de lay-out die in het projectvoorstel is opgenomen, overeenkomend met figuur 7. rotor statorwikkeling stator magneten lagers Figuur 7. Lay-out van het OWT-concept in het projectvoorstel. Ten opzichte van andere concepten valt vooral op dat er lagers aan de omtrek van de generator zitten. Daardoor bevindt de lagering zich dicht bij de luchtspleet van de generator en daarmee zijn de vervormingen in de luchtspleet gering en kan deze luchtspleet klein worden gehouden. De omtreksnelheid in deze lagers is hoog hetgeen een relatief hoog energieverlies tot gevolg heeft en grote slijtage kan veroorzaken. Een ander specifiek punt dat overigens niet uit de figuur blijkt: de stator en de rotor zijn in de omtrek gezien opgebouwd uit cirkelsegmenten. Deze segmenten zijn afzonderlijke generatormodules, waardoor productie, transport, onderhoud en uitwisseling eenvoudiger zijn dan bij de huidige DD-concepten. Ook kunnen de modules apart worden gesteld bij montage zodat de vervorming van de vrijwel constante magneetkracht per module kan worden gecompenseerd. Ook is essentieel dat de rotor links en rechts een generatorhelft heeft, waardoor de magneetkracht is gebalanceerd en niet door de lagering hoeft te worden opgenomen. De overige kenmerken zijn de axiale magnetische flux en de toepassing van permanente magneten. Voor de generator geldt dat een grote omtreksnelheid de effectiviteit verhoogt. Figuur 7 geeft een vertekend beeld van de verhouding tussen binnen- en buitendiameter van de generator. In werkelijkheid is alleen het materiaal aan de buitenomtrek effectief, vanwege de hoge snelheid en hoge arm voor het koppel. Er is dan ook voor gekozen de generator zoveel mogelijk naar de buitendiameter te brengen en een lagerconstructie alleen aan de binnendiameter van de ECN-C

18 generator toe te passen. De ringbreedte van het ijzerpakket ligt in de orde van 0,5 m terwijl voor de buitendiameter 4,5 m is gekozen. Dit is de maximale afmeting die nog in één stuk over de weg te transporteren is. Des te groter de diameter des te lichter de generator. Voor offshoreturbines (E-112 / Scanwind) worden generatoren met een nog grotere diameter ontwikkeld. Modulaire bouw is een ontwerpkeuze om de transportbarrière van 4,5 m voor land te slechten. De geringe ringbreedte van het generatorpakket is gewenst opdat de kracht van de permanente magneten met een zo klein mogelijke arm kan worden afgesteund. Deze magneetkrachten vormen de grootste belasting op de gondelconstructie. Door de grote lagerdiameter kunnen in plaats van een massieve as buizen worden gebruikt met een grote diameter. Omdat de magneetkrachten een enkele buis in de wand buigen is een dubbele buis met verbindingspennen toegepast, waardoor een lichte constructie mogelijk is, aangeduid als space-frame. Het opschalen van de constructie naar grotere vermogens (zeg meer dan 2 MW) zal niet gunstig zijn als bij een enkele generatorschijf de buitendiameter gehandhaafd blijft. Er komt dan steeds meer actief materiaal op een kleine diameter en ook wordt het moeilijk het grote aantal polen te handhaven omdat op een kleine diameter de ruimte tussen de wikkelingen voor het ijzer afneemt. Het toevoegen van een generatorschijf om tot grotere vermogens te komen is een optie. Zo kan de rotor worden gesplitst en kan daartussenin een gebalanceerde stator worden gemonteerd. Dit verhoogt echter de complexiteit van de constructie. Voor offshore-toepassingen, waar de hele grote vermogens benodigd zijn, is het logischer een grotere diameter toe te passen om binnen dit concept de constructie op te schalen. De constructie zal dan over water moeten worden getransporteerd (logisch voor offshore) of op locatie moeten worden gemonteerd. De overwegingen maken dat de conceptlay-out die meer in detail is beschouwd afwijkt van figuur 7. Deze aangepaste lay-out is in figuur 8 aangegeven. Figuur 8. Lay-out van het concept dat voor verdere uitwerking wordt benut 18 ECN-C

19 3.2 De lagering De lagering van de rotor bevindt zich op een voor standaard lagers uitzonderlijk grote diameter van ca. 3,5 m. Dit heeft een aantal belangrijke gevolgen. Het meest ingrijpend zijn de hoge omtreksnelheid en de grote arm van de wrijvingskracht. Dit verhoogt de lagerverliezen en de kans op slijtage. Aan de andere kant maakt een lagering op grote diameter de toepassing van een enkele lagering en een ruime buisvormige as mogelijk, zoals de LW 50/750 laat zien. De momenten kunnen over de grote lagerdiameter in de ring worden opgevangen. Wel zijn de kosten van een lager met een zo grote diameter zeer hoog en worden voor het gebruikelijke wentellager hoge eisen gesteld aan de toleranties van het huis. Er zijn verschillende typen lagering in beschouwing genomen en de belangrijkste kenmerken zijn in onderstaande tabel samengevat. De waarden voor de wrijvingscoëfficiënt en de verliezen zijn slechts indicatief. Bijzondere omstandigheden als schokken en vervuiling kunnen het functioneren van een lager sterk beïnvloeden. Wentellager (draaikrans) Lagertype Materiaal Nauwkeurige tolerantie vereist / Uitzettingsproblemen? Wrijvingscoëfficiënt (typical) Staal Ja 0,001 0,002 Glijlager droog Sinterbrons Nee, zelfinstellende segmenten Glijlager passief oliegesmeerd, (axiaal kunnen Michell-blokjes worden gebruikt) Glijlagering (hydrostatisch) Magneetlager Staal Ja 0,005 0,001 (bedrijf) 0,12 (aanlopen) Staal Nee zeer laag, afhankelijk van filmdikte verdraagt (oliegeïmpregneerd). Hoge slijtage bij aanlopen; Stabiele oliefilm niet te realiseren Elektromagneten gelameleerd e rotorring Indicatie verliezen directe lagerwrijving + indirecte verliezen = totaal verlies 3,2 + 0 = 3,2 kw 0,05 0, = 162 kw 16 kw, maar bij metallisch contact tijdelijk veel meer (640 kw) 0,5 + 9,5 = 10 kw (SKF) Nee Niet bepaald 1 Zeer summier bepaald en exclusief bewerking van het huis. Opmerkingen Bliksembeschadiging (?) / Prijsindicatie fl ,- 1 op deze diameter Enige lagermateriaal dat droog de hoge omtreksnelheid Oliesysteem vergt aandacht. Prijsindicatie fl ,- 1 Beveiliging tegen niet bekrachtigde lagers is een punt van zorg. Uit de tabel blijkt dat uit het oogpunt van verliezen en slijtage het wentellager, het hydrostatisch lager (zie bijlage 1) en het magneetlager toegepast kunnen worden. Ook blijkt dat de kosten van een lager op deze diameter voor alle typen (nog) zeer hoog zijn. ECN-C

20 Hydrostatische en magnetische lagering zijn minder bekende lagertechnieken. Daarom worden in de volgende tabel de belangrijkste kenmerken van deze technieken met elkaar vergeleken. Magnetische lagering Hydrostatische lagering Belasting Relatief lage belasting Hoge belastingen toelaatbaar toelaatbaar Snelheid Zeer hoge snelheden Bij hogere snelheden kunnen toelaatbaar verliezen aanzienlijk worden Afdichting Geen afdichting nodig Enige afscherming van oliereservoir nodig Onbalans Onbalans kan door de regeling Onbalans wordt als trilling buiten het frame worden doorgegeven aan het frame gehouden Dynamische belastingen Op lagere frequenties kan de demping worden ingesteld Onmiddellijk sterke demping door compressie Verliezen Laag Pompverliezen en hydrodyna-mische verliezen laag bij lage snelheden. Condition Direct uit regelsysteem af te Trillings en monitoring leiden temperatuursensoren toevoegen Betrouwbaarheid en Geen contactschade en Erg betrouwbaar weinig eisen onderhoud electronica is beschermd op te stellen aan het onderhoud, al is de kwaliteit van de olie een punt van zorg Aanlopen Eerst vrijgave door lager Eerst vrijgave door lager Netuitval 1. Backup nodig (batterijvoeding) 2. Noodlager nodig 1. Backup nodig 2. Eventueel op glijvlakken laten uitlopen Het uitgangspunt van OWT is de glijlageroptie. Omwille van de gegarandeerde oliefilm wordt dan een hydrostatische lagering aanbevolen. Een voordeel is dat met afzonderlijke lagerschoenen kan worden gewerkt, hetgeen volledig aansluit bij de voorziene modulaire bouw. Maatafwijkingen kunnen worden opgevangen door het zgn. master-slave principe. De masterlagers hebben één oliefilm en bepalen de positie van het tegenvlak, terwijl de slave-lagers door een tweede oliefilm tegen het vlak aangedrukt blijven en dit kunnen volgen. Hierdoor kan het tegenvlak met ruime toleranties worden vormgegeven. Er is in het algemeen niet veel ervaring met het toepassen van hydrostatische lagers omdat er een apart pompsysteem voor nodig is. Deze lagers worden momenteel slechts toegepast voor zeer zware lasten of indien extreme eisen aan de stijfheid en stabiliteit van de lagering worden gesteld. De kostprijs is hoog en deze lagering wordt daarom, en ook vanwege de complexiteit niet door SKF aanbevolen. Echter de complexiteit zit vooral in het ontwerp en als windturbines op voldoende grote schaal worden geproduceerd is een acceptabele kostprijs mogelijk. De benodigde schoenen van een hydrostatisch lager wegen namelijk in totaal slechts rond de 500 kg, zoals uit het gewicht van de min of meer standaard units die SKF levert kan worden afgeleid. Een grotere belemmering voor de toepassing is het open olieretoursysteem. Bij verdere uitwerking zal deze lagering specifiek voor deze toepassing moeten worden ontworpen. Daarbij geldt in elk geval de eis van onderhoudsarm bedrijf. Hiertoe zullen onder meer het toepassen van een dubbele voeding, uitgebreide filtering en automatische olieverversing vanuit een geconditioneerd vat moeten worden overwogen. De axiale kracht van de wind zorgt voor een dominante lagerbelasting in één richting, maar omdat bij een enkele lagering ook het kipmoment van de gehele rotor in deze ring moet worden 20 ECN-C

21 opgevangen is een tweezijdige axiale lagering nodig. Daarnaast zijn er radiaal gerichte schoenen nodig voor het dragen van de rotor. Een open oliehouder zal (helaas) onderdeel moeten uitmaken van dit lagersysteem, waarin de olie die uit de lagers komt terugvloeit en van waaruit het met pompen weer naar de lagers wordt gevoerd. Een detailontwerp van dit systeem is vereist voor de afweging ten opzichte van een draaikranslager (wentellager) kan worden gemaakt. Bij actieve bladhoekregeling worden er ook lagers in elk blad toegepast. Hier worden nu wentellagers voor gebruikt en een argument dat in de afweging moet worden betrokken is dat bij toepassing van een wentellager als hoofdlager slechts één soort lagering in de turbine wordt gebruikt. Glijlagering is voor de bladhoekverstelling ook mogelijk, maar heeft meer last van stick-slip verschijnselen en vergt zwaardere actuatoren ten gevolge van de hoge wrijvingscoëfficiënt. Een suggestie van OWT ter verhoging van de slijtvastheid van de contactvlakken van een glijlager is het opspuiten van een keramische coating. Een relatief goed materiaal is zirkoonversterkt aluminium, maar de hoge wrijvingscoëfficiënt maakt dat deze materialen bij een glijproces snel heet worden en beschadigd zullen raken. Het toepassen van een harde laag zal wel de slijtage verminderen bij het rusten van de rotor op de lagerschoenen. Alleen deze laatste overweging kan een reden zijn tot toepassing over te gaan. Resumerend kan worden gesteld dat het toepassen van lagering op een grote diameter technisch haalbaar wordt geacht. Het zal tot meer verliezen en hogere kosten leiden dan gebruikelijk. Daar staan als voordelen besparing van constructiegewicht en stabiliteit van de luchtspleet tegenover. In een op deze oplossing toegespitst detailontwerp zal door afweging van kosten, rendement en betrouwbaarheid een goede keuze moeten worden gemaakt. Uitgaande van de huidige meerkosten van fl ,- voor het lager alleen en een staalprijs van fl. 8,- per kg is een materiaalbesparing van zo n 10 ton staal nodig. Bij deze prijzen is het kleine lager met meer staal dan ook nog steeds de economische keuze. 3.3 De generator De bekrachtiging van de generator wordt verzorgd door permanente magneten. De generator bestaat uit twee helften waarbij de krachten op de rotor van de permanente magneten van deze helften elkaar balanceren. Dit is absoluut noodzakelijk omdat deze grote krachten niet via de lagering mogen worden geleid, vanwege de enorme wrijvingsverliezen en de slijtage die dan zou optreden. Generatoren met permanente magneten hebben een hoger rendement dan generatoren waarbij de bekrachtiging wordt verzorgd door elektromagneten. Daar de prijs van permanente magneten sterk is gedaald en verder zal dalen is het gebruik van permanente magneten voor dit concept een logische keuze. De materialen voor permanente magneten bezitten een relatieve permeabiliteit van nagenoeg 1. De weerstand van het magnetisch circuit wordt daardoor bij verwaarlozing van de magnetische weerstand van het blik bepaald door de dikte van de magneet en de breedte van de luchtspleet tezamen. Bij de bekrachting door elektromagneten is slechts de luchtspleet verantwoordelijk voor deze weerstand. Bij verkleining van de luchtspleet door bijvoorbeeld vervorming is in het tweede geval de vermindering van de weerstand van het magnetisch circuit veel groter, en daarmee de verhoging van de magneetkracht. Deze verhoging van de magneetkracht leidt tot een verdere vervorming en daarmee verkleining van de luchtspleet. Een hoge stijfheid van de constructie is dan ook nodig om de luchtspleet stabiel te houden. Met permanente magneten is dit effect minder sterk en dit komt de stabiliteit van de constructie ten goede. Een belangrijk argument voor plaatsing van de lagering op grote diameter is dat de luchtspleet door deze opzet kan worden verkleind. Bij het gebruik van permanente magneten is het effect daarvan op de vermogensdichtheid echter ook ECN-C

22 minder dan bij elektromagneten, vanwege de geringere toename van de magneetflux. Toch blijft een kleinere luchtspleet gunstig en in de berekeningen (bijlage 2) is aangenomen dat deze tot 2 mm kan worden teruggebracht. Uitgangspunt van het OWT-concept is modulaire bouw in de omtrek gezien. De rotor van de generator wordt echter wel tevoren tot één geheel samengebouwd, hoewel dit niet noodzakelijk is. De rotor bevat de permanente magneten en deze behoeven geen onderhoud zodat dit argument voor modulaire bouw vervalt. Er is voor een generatordiameter gekozen van 4,5 m, zodat vervoer van de samengestelde rotor over de weg nog mogelijk is. In eerste instantie is gekozen de stator van de generator op te bouwen uit 8 losse statorsegmenten per generatorhelft. Elk van deze segmenten heeft zijn eigen wikkelingen, en er is dus geen verbindingswikkeling tussen de segmenten. Iedere statorgroef bevat normaliter twee halve wikkelingen van respectievelijk een heen- en van een teruggaande spoel. Bij een rondgaande bewikkeling komt men dan bij een goed ontwerp met een volbewikkelde stator uit. De keuze voor afzonderlijke statorsegmenten heeft tot gevolg dat bij een driefasenwikkeling de eerste drie en de laatste drie groeven van een module maar een halve wikkeling zullen bevatten. Het is wel mogelijk om spoelen te wikkelen die de eerste en de laatste drie groeven binnen een segment opvullen, maar dit geeft verhoogde koperweerstand in de lange wikkelkoppen, een lange fluxweg en onzekerheid vanwege het uitzonderlijke karakter. Het is dan ook niet verstandig om dit pad te bewandelen en er is voor gekozen om de half bewikkelde groeven als kenmerk in de beoordeling mee te nemen. Het blikpakket van de generator (figuur 9) wordt gevormd door een ringsegment van op elkaar gestapelde lamellen. Deze lamellen hebben in principe een met de straal verlopende lengte, hoewel er per 3 of 4 lamellen voor een gelijke lengte kan worden gekozen. De breedte voor de wikkelingen is steeds constant, zodat het ijzer tussen de wikkelingen per lamel in breedte moet variëren. Bij de fabricage van de lamellen uit een strip kan de groefsteek verlopen door de doorvoer van de strip met een sturing per lamel te laten variëren. Ook het lasersnijden uit plaat is een bewerking die steeds kosteneffectiever wordt. De kostprijsverhoging voor de verlopende lamellen zal in serieproductie dan ook gering zijn. Figuur 9. Het blikpakket van een module 22 ECN-C

23 Analyse van de koeling van de generator vergt een thermische analyse van het generatorontwerp, hetgeen een te uitgebreide analyse is voor dit onderzoek. De vermogensdichtheid waarvoor gekozen wordt bepaalt of luchtkoeling voldoende is of dat waterkoeling is vereist. 3.4 Overige aspecten van de mechanische constructie De uitwendige hoofdbelastingen op de rotor zijn de windbelastingen, het gewicht en het generatorkoppel, terwijl als belangrijkste inwendige belastingen de centrifugaalkracht en de magneetkracht kunnen worden aangemerkt. Om gevoel te krijgen voor de grootte van de belastingen zijn in onderstaande tabel indicaties van de maximaal te verwachten waarden gegeven. Belastingsoort Kracht [kn] Kracht uit het aandrijfkoppel op de 200 generatordiameter Axiaalkracht per blad 100 Gewichtskracht van de rotor / gondel / toren 250 / 600 / 1200 Centrifugaalkracht van een blad 250 Magneetkracht van een enkele generatorhelft 2000 Aërodynamische kipmoment op de gehele 165 knm rotor Het specifieke samenspel van deze (vermoeiings)belastingen met elkaar en onder invloed van de vermogensregeling is te complex om binnen het kader van deze studie tot een reële schatting van het constructiegewicht te komen. Bij de bestaande turbines in dezelfde vermogensklasse blijkt dat de regeling een verschil van 40% in het rotorgewicht kan betekenen. Dit betekent dat alleen een gedetailleerde eindige-elementenberekening waarin de invloed van de regeling is meegenomen duidelijk kan maken wat het benodigde gewicht is van een turbineconcept, ook voor de OWT-constructie. Wel kunnen globaal belangrijke overwegingen uit de constructie-layout worden afgeleid. Een keus in het concept is de bladen op een rotorbuitenring te monteren. Hierdoor is een iets kortere bladlengte mogelijk dan bij de gebruikelijke compacte rotornaaf. Een nadeel van deze bladmontage is dat het bladverstelmechanisme minder toegankelijk is. Ook de ondersteuning van het klapmoment van de afzonderlijke bladen is minder. Juist door de geringe hoogte van de ring wordt het blad relatief slap gesteund. Het backingijzer van de permanente magneten wordt als constructiemateriaal benut, hetgeen overigens gebruikelijk is. De centrifugaalkracht van de bladen zal de rotorring tot een driehoek willen vervormen. Het voordeel van de axiale-fluxmachine is dat de luchtspleet van de generator niet afhangt van de rondheid van de rotor t.o.v. de stator, zodat deze vervorming geen probleem oplevert. Ook de gewichtsbelasting van de bladen zal een vervorming in dat vlak veroorzaken. De magneetkrachten van de rotor zijn vrijwel in evenwicht en de axiale positie wordt door de lagering zeer goed bewaakt. Zoals aangegeven is een ongunstige belasting voor de rotorring het klapmoment, de buiging door de axiale kracht op een blad. Dit moment bedraagt per blad maximaal zo n 100 kn x 22 m = 2200 knm. Dit enorme moment wil je niet in lagers opvangen (wrijvingsverliezen, overdimensionering), zodat het via de constructie naar het compenserend moment van de andere bladen moet worden geleid. Echter zal een nette krachtinleiding van deze vermoeiingsbelasting veel aandacht en materiaal vergen. Ook loopt deze belasting over een relatief grote buitenring naar de andere bladen. De gebruikelijke compacte rotornaaf is dan ook een lichtere optie om de bladen te verbinden. Het materiaal dat nodig is voor de nette ECN-C

24 krachtinleiding verbindt je dan bij wijze van spreken direct met het materiaal voor het volgende blad. Ook is de naaf gegoten waardoor lasverzwakking (ongunstig voor wat betreft vermoeiing) vermeden wordt. Bijkomend voordeel van een aparte rotornaaf is de toegankelijkheid van het bladverstelmechanisme. Een uitgebreide detailanalyse wordt door het geringe perspectief op dit punt dan ook niet gerechtvaardigd. Het ovaal trekken van de stator- en rotorcilinder van een radiaalgenerator wordt versterkt door de magnetische instabiliteit. Dit wil zeggen dat daar waar de luchtspleet kleiner wordt de magneetkracht harder trekt en de luchtspleet verder wil verkleinen en omgekeerd. Bij de axialefluxgenerator kun je een dergelijk fenomeen verwachten tussen de modules, waarbij de gondelbuis dan ovaal zou kunnen trekken. Over het algemeen geldt echter dat de drijvende kracht van deze instabiliteit evenredig is met het quotiënt van de verandering in de luchtspleet en de totale luchtspleet. De dikte van de permanente magneten mag je in deze berekening in de teller en de noemer als luchtspleet optellen, zodat een generator met permanente magneten hier veel minder gevoelig voor is. Indien je de montagepunten van de modules dicht bij elkaar brengt kunnen deze nauwelijks t.o.v. elkaar bewegen, zodat sowieso niet wordt verwacht dat dit een probleem is. De magneetkrachten in de rotor kunnen van de ene axiale generatorhelft naar de andere worden geleid via op trek staande constructiedelen, hetgeen de ideale belasting is. De magneetkrachten van de stator lopen via buiging van de steun naar het space-frame. Hier kunnen de modules stijf aan worden gemonteerd. Het koppel van de magneetkrachten is door de kleine arm beperkt, zodat deze buiging goed in het space-frame op te vangen is. De modules kunnen afzonderlijk worden gesteld. Eventueel is er ook de mogelijkheid om modules een bewerking te geven die een negatief is van de vervorming door de magneetkracht. Hierdoor kan een constante en minimale luchtspleet worden verkregen. De gondelbuis is groot genoeg om er rechtop in te kunnen staan. Vanwege de grote diameter is de buigstijfheid voor gewicht en windbelastingen eenvoudig voldoende groot te ontwerpen ondanks eventuele montagegaten. Dit wordt geïllustreerd met het volgende rekenvoorbeeld. Een windturbine van 1,8 MW heeft een as van 600 mm. Deze as weegt 2,2 ton per meter, terwijl een buis met een buitendiameter van 3 meter, en hetzelfde weerstandmoment tegen buiging een wanddikte heeft van: 3 s ,6 3 = = 0.003m = 3mm 2 en daarmee maar 10 % van het gewicht van de massieve as nodig heeft. Nu is 3 mm natuurlijk geen praktische wanddikte en ook heeft asmateriaal vaak een hogere sterkte dan buismateriaal. Echter deze berekening dient slechts om aan te tonen welk een stijfheid bij goede krachtinleiding aan een buis van deze diameter kan worden ontleend, en dat aanzienlijke gewichtbesparing daardoor mogelijk wordt. Hierbij moet wel worden bedacht dat staal en kleine lagers een lage kostprijs hebben terwijl grote lagers (nog) zeer duur zijn. 3.5 Modulaire bouw Zoals al bij de beschrijving van de generator is aangegeven wordt de stator in 16 (=2x8) modules opgebouwd. De modulaire opzet beoogt grofweg drie zaken, te weten grotere serieproductie, eenvoudig transport over land en eenvoudig onderhoud (vervangen van modules). De modules zijn voldoende handzaam om door bewerkingsmachines te worden gemanipuleerd. De moduleseries zijn groter doordat er meer identieke modules per turbine worden gemaakt. De ontwikkeling van de markt voor windturbines is wereldwijd gezien enorm 24 ECN-C

25 maar toch is veel van de productie gebaseerd op handwerk. De ontwikkeling naar meer productieautomatisering kan tot een significante prijsdaling leiden mits de modules eenvoudig kunnen worden samengebouwd en de seriegroottes voldoende groot zijn. Modulaire bouw is in vele concepten mogelijk. Steeds zal moeten worden bekeken hoe een effectieve en betrouwbare samenbouw kan worden gerealiseerd en tevens moet er een kostenafweging worden gemaakt. Hierbij is het goed de waarde van de drie doelen van modulebouw afzonderlijk te beoordelen. Serieproductie van kleine modules met daarna samenbouw tot één grote machine in de fabriek is steeds toe te passen en wordt dan ook al toegepast. Samenbouw tot twee of drie modules in de fabriek is al voldoende om eenvoudig transport mogelijk te maken. Het uitwisselen van modules is alleen mogelijk als de modules voldoende handzaam zijn in de operationele turbine en niet door wikkelingen gekoppeld zijn. Om ook deze laatste mogelijkheid te beoordelen zijn de elektrische prestaties voor 2x8 modules berekend. Nadelen van de modulaire bouw zijn dat de modules uiteindelijk goed aan moeten sluiten (zeg 1 mm tussen de blikpakketen in de omtrek gezien), dat de constructie door de deling verzwakt en dat de groefbelegging niet volledig is. De elektrische aansluitingen van de modules worden via een rondgaande rail verbonden. Omdat het aannemelijk is dat het concept van figuur 8 zal worden aangepast bij vervolgontwikkeling is de samenbouw binnen dit concept niet in detail uitgewerkt. Wel zijn in de basis twee methoden te onderscheiden, te weten: a. Samenbouw met magneten die zijn gemagnetiseerd, waarbij de modules zeer gecontroleerd tot in hun positie moeten worden begeleid; b. Het magnetiseren van de permanente magneten na samenbouw; dit vergt een aparte voorziening, maar de montage is eenvoudiger. Met zo n voorziening is bovendien de magnetisatie te herstellen als de magneten gedemagnetiseerd zouden raken. Bij een goed ontwerp treedt demagnetisatie niet op, maar als het optreedt is het een groot probleem. Om het uitwisselen van de statormodules na samenbouw mogelijk te maken moeten deze eenvoudig kunnen worden weggenomen. Bij methode b wordt geen rekening gehouden met het manipuleren van modules onder magneetkrachten zodat de magneten voor demontage moeten worden gedemagnetiseerd. Hydrostatische lagers hebben een modulaire opzet. Door iedere generatormodule zijn eigen hydrostatische lager(s) te geven ontstaan modules die in de omtrek tegen de rotorring aan worden gesteld. Het master-slave-principe van de hydrostatische lagers maakt dat de eisen aan de nauwkeurigheid van de diameter niet hoog zijn. Slechts aan de lokale vormnauwkeurigheid van het tegenvlak worden eisen gesteld. Daarom passen hydrostatische lagers goed in het modulaire concept. ECN-C

26 26 ECN-C

27 4. EVALUATIE In onderstaande tabel zijn specificaties van vier turbines opgenomen die op de markt verkrijgbaar zijn. Turbine Vestas V66 Neg-Micon Enercon E-66 Enercon E C/64 Eigenschap Vermogen [kw] Prijs [kdm] Rotordiameter [m] Ashoogten [m] 60 / 67 / / 68 / / 66 / / 66 / 84 V_wind in [m/s] 4 4 2,5 2,5 V_wind rated [m/s] V_wind out [m/s] V_wind survival [m/s] Toeren rpm van 10,5 tot 24,5 11,6 en 17,4 van 10 tot 22 van 10 tot 22 Rotormassa [t] 23 39,5 27,4 29,5 Gondelmassa [t] Gondelmassa incl ,5 97,4 99,5 rotor Torenmassa's [t] 100 / 117 / / 130 / / 130 / 191 Vermogensregeling pitch en var. toeren overtrek passief 2-toeren pitch en var. toeren pitch en var. toeren Generatortype asynchroon Asynchroon 4-6 polig DD-synchroon DD-synchroon De variabele-snelheidsregeling van asynchroongeneratoren in het tandwielkastconcept, zoals Vestas en ook de Amerikaanse turbinefabrikant Enron toepassen, is een grote verbetering voor wat betreft het materiaalgebruik. Dit blijkt uit de tabel, want de rotormassa van de Vestas V66 is beduidend lager dan die van Neg-Micon. Gevolg van de variabele-snelheidsregeling is wel dat onder meer een bladverstelmechanisme wordt toegevoegd en het aantal componenten dat een kans heeft op falen en onderhoud dan ook hoger is. De DD-synchroongenerator van Enercon maakt ook gebruik van variabele snelheidsregeling en bladverstelling maar heeft nog een hoger gewicht dan de V66, voornamelijk veroorzaakt door de generator. Bij DD-generatoren is er echter meer ruimte voor verdere optimalisatie dan bij de conventionele generatoren en er zijn minder componenten. Het ziet ernaar uit dat voor de grote turbines het concept van Vestas en ook de Amerikaanse fabrikant Enron steeds meer de standaard wordt van het conventionele concept met tandwielkast. Een recente publicatie over de ontwikkeling van DD-generatoren is van Anders Grauers van de Technische Universiteit van Göteborg [4]. Enkele van zijn conclusies worden hier aangehaald omdat eruit kan worden afgeleid wat op termijn de kansen zijn van DD-generatoren ten opzichte van generatoren met een tandwielkast. Er moet wel bij worden bedacht dat Grauers affiniteit heeft met DD-generatoren. 1. Er zijn goede mogelijkheden om afmetingen en kosten van DD-generatoren te reduceren ten opzichte van de huidige situatie. De benodigde vermogenselektronica wordt steeds goedkoper. Verwachte ontwikkelingen zijn de introductie van permanente magneten en een verdere reductie van de generatorafmetingen. ECN-C

28 2. De DD-generator heeft nu al een aanzienlijk deel van de windturbinemarkt (vnl. Enercon) veroverd. Daar deze technologie nog volop in ontwikkeling is mogen er verbeteringen verwacht worden. De prestatieverschillen ten opzichte van de opzet met tandwielkast zijn echter niet groot en het kan dan ook enige tijd duren alvorens de DD-technologie de overhand krijgt. Bovenstaande conclusies betekenen dat een significante verbetering in het DD-concept niet alleen de DD-markt opent, maar daarnaast het verdringen van de opzet met tandwielkast versnelt. Dan rest de vraag of het OWT-concept een significante verbetering in het DD-concept inhoudt. Door de TU Delft is het generatorgedeelte van het OWT-concept in een voorontwerp uitgewerkt. De resultaten zijn in bijlage 2 toegevoegd en de belangrijkste conclusies die kunnen worden getrokken zijn: 1. De opdeling in gescheiden modules vermindert de vrijheid om het poolaantal te optimaliseren. Het poolaantal moet namelijk deelbaar zijn door het aantal modules. 2. De slechts voor de helft gevulde statorgroeven aan het eind van ieder segment reduceren de benutting van magneten en ijzer significant. Voor een 3-fasen ontwerp met 72 poolparen en 8 modules is bij hetzelfde ijzer en magneetgewicht 5,5% minder koper toe te passen. Dit betekent 5,5% minder spanning en vermogen. Daar bovenop komt dus nog het prestatieverlies ten gevolge van punt Naarmate er voor meer segmenten wordt gekozen zijn de gevolgen van de onder punt 1 en 2 genoemde nadelen ernstiger. 4. Met rechthoekige geleiders is 50% minder actief materiaal nodig dan met ronde geleiders. 5. Het belangrijkste voordeel van een axiale-fluxmachine tegenover de radiale-fluxmachine is de verkorting van de axiale lengte. Dit is voor het OWT-concept geen belangrijke overweging en er is dan ook geen reden om in dit geval voor de axiale flux te kiezen. Voor de beoordeling op de overige punten worden de resultaten van hoofdstuk 3 samengevat. 1. De bladen kunnen beter compact op een naaf worden gemonteerd dan op een grote diameter vanwege het grote klapmoment van het blad uit de axiale winddruk. 2. Jeumont maakt gebruik van een axiale-fluxgenerator om meerdere schijven van beperkte diameter te kunnen stapelen voor grotere vermogens. Het transversale-fluxconcept of het concept van Crescimbini onderscheiden zich vooral door de zeer eenvoudige statorwikkeling, hetgeen een gunstige invloed op de kosten heeft. Geen van deze argumenten geldt specifiek in het OWT-concept, zodat de onderbouwing om met een axiale flux te werken in het OWT-concept niet duidelijk meer is. 3. Het gebruik van permanente magneten is naar de toekomst gezien een goede keuze. 4. Het toepassen van een buis als aselement maakt een significante gewichtsbesparing mogelijk. 5. Modulaire bouw is een kansrijke mogelijkheid om via meer seriematige productie de kostprijs sterk te verlagen. De modules kunnen in een fabriek tot één machine worden samengesteld. Ook kan de generator in 2 of 3 modules worden verdeeld waarmee transport over land te vergemakkelijken is. Meer dan ca. 6 modules maakt uitwisseling voor onderhoud mogelijk. Voor ieder niveau van modulaire bouw is een afweging van de kosten en baten nodig. Een eenvoudige samenbouw van de modules tot één generator is vereist. 6. Een enkele lagering op de diameter van de generator is technisch uitvoerbaar zonder bovenmatige energieverliezen. De toepassing van een dergelijke lagering is nog zo uitzonderlijk dat de kostprijs ervan op dit moment zeer hoog is. Bij productie van grote series lijkt aanzienlijke kostprijsverlaging mogelijk. De lagering zal echter zeker duurder blijven dan de gebruikelijke kleine wentellagers. 7. Hydrostatische glijlagering is een vorm van lagering die heel goed in de modulaire opbouw past. Er worden geen hoge eisen gesteld aan de bewerking van de grote diameter daar de modules zich naar het vlak kunnen richten. Daardoor kunnen ook uitzettingen en vervormingen goed worden gevolgd. Hydrostatische lagering geeft in het lagervlak een 28 ECN-C

29 vormvaste en stijve ondersteuning. Echter vergt deze lagering een hydraulisch systeem en is er een oliereservoir in de rotor nodig. Het bereiken van voldoende betrouwbaarheid is een belangrijk aandachtspunt. Er kan ook voor een wentellager worden gekozen, maar ook dan is de kostprijs hoog en gelden zware eisen voor de toleranties van het lagerhuis. Een derde optie die eventueel in aanmerking komt is magnetische lagering. Uit de evaluatie komt naar voren dat er te veel bezwaren kleven aan het OWT-concept om de ontwikkeling in deze vorm te rechtvaardigen. In ieder geval zou de keuze op een generator met radiale flux en een aparte rotornaaf voor de bladmontage moeten vallen. Modulaire bouw in de omtrek wordt voor radiale-fluxmachines al uitgebreid onderzocht [19]. Uit de nieuwheidsscan bleek dat dit idee in US-patent 5,844,341 is beschermd (figuur 10). Ook permanente magneten, een buisvormige as en een groter lager worden al toegepast. Een nieuwe ontwikkeling kan de toepassing van hydrostatische lagerschoenen zijn. De modulaire opzet en de mogelijkheid van gebruik op grote diameter zijn voordelen, waar de nadelen van het oliesysteem en (nog) de kostprijs tegenover staan. Figuur 10. Constructieschets van een modulair gebouwde radiale-fluxgenerator (bron: USpatent ) ECN-C