Hydrostatisches Windkraftwerk

Leistung 5 MW    
Triebstrang                          Drehzahl Gewicht        Abmessungen  
Pumpe (Rotor)      5.0 MW        18 1/min     19,500 kg Ø 250 cm x 200 cm
Motoren 3,7 MW   1.800 1/min   
1,7 MW   1.800 1/min
510 kg       
270 kg
Ø 63 cm x 73 cm
Ø 50 cm x 58 cm

Die hohe Effizienz, hervorragende Kontrollierbarkeit und Freiheit der Auslegung hydrostatischer Antriebe ermöglichen eine deutliche Reduzierung der Kosten bei der Ausnutzung erneuerbarer Ener-gien. Die etablierte Kostenanalyse des US Department of Energy (NREL - LWST COE) für den neuartigen hydrostatischen Antriebs-strang zeigt eine Reduzierung der Kosten ($/kWh) von 21,7 % im Vergleich zu gegenwärtigen Windkraftanlagen (2011). Weitere erhebliche Vorteile werden durch neuartigen off-shore Installationen erzielt.

Voraussetzung für eine bestmögliche Ausnutzung von Wind- oder Wasserkraft ist eine einfache und verlustarme Umsetzung großer Leistungen geringer, variabler Drehzahlen des Antriebes (Rotor) in hohe, konstante Drehzahlen des Abtriebes (Generator). Die räum-liche Trennung von An- und Abtrieb vereinfacht den Aufbau der Windkraftanlage und reduziert die Kosten für die Herstellung, Auf-stellung und den Unterhalt des Kraftwerkes. Der hydrostatische Antrieb ist unempfindlich gegenüber Verformungen und Vibrationen da alle Lagerungen als selbsteinstellende, extreme leistungsarme hydrostatische Lager ausgeführt sind. Zahnradgetriebe und Rollenlager werden nicht verwendet wodurch eine unbegrenzte rechnerische Lebensdauer erzielt wird.

 

Ground Station Concept

Eine neuartige Radial-Kolben Pumpe bildet die Nabe des Rotors und überträgt die Leistung in Form von Druckflüssigkeit zum hydraulischen Motor der den Generator mit konstanter Drehzahl antreibt. Die Motor/Generator Einheit und alle weiteren Installa-tionen befinden sich im Container der Bodenstation. Dadurch verringern sich die  Anforderungen hinsichtlich Wartung, Raum-bedarf, Gewicht und Witterungsbeständigkeit und kostengünstige, nicht-windkraft-spezifische Komponenten können eingesetzt verwendet werden.

Das Konzept reduziert das Gewicht (Rotor, Nacelle) auf der Turm-spitze einer 5 MW Anlage um 50%, von ca. 250 to auf 120 to, und erzielt eine kostengünstigere Ausführung des Turmes und der Montage.

Zur Verringerung der Energieverluste und Bauteilbeanspruchung (Verformungen) wird das Gewicht des Rotors durch selbstein-stellende hydrostatische Lager aufgenommen. Die sehr grossen Kräfte der Radial-Kolben auf die Rotor/Pumpen Welle sind zu 100% ausgeglichen und erzeugen keine zusätzlichen Lagerkräfte. Die geringen inneren Verluste und höheren zulässigen Drehzahlen ermöglichen eine grössere Ausbeute an Windenergie. Die Berech-nung der Pumpenverluste ergibt einen Wirkungsgrad von 96.5% und die des gesamten Antriebes, vom Rotor zur Welle des Generators, einen von ca. 89%.

Die Kosten für Windenergie verringern sich mit zunehmender Größe der Windkraftanlage. Neuere Erkenntnisse deuten jedoch daraufhin, dass bei Leistungen von 12 MW die Turmlasten auf mehr als 700 to ansteigen und eine weitere Leistungserhöhung unrentabel erscheinen lassen. Der hydrostatische Antrieb für eine 12 MW Anlage (15 1/min) wiegt ca. 50 to. und reduziert das Gewicht von Rotor und Nacelle um ca. 300 to (auf ca. 400 to) wodurch die Verwendung gegenwärtiger, noch transportierbarer Turm-Konstruktionen möglich wird.

U.S. Patent angemeldet.

Die Darstellungen zeigen den Querschnitt der Radial-Kolben Pumpe als Rotornabe. Die Bodenstation ist nur als Konzept dargestellt.

Hydrostatic Wind Turbine

Power 5 MW    
Drive                   RPM Weight  Dimension 
Pump (rotor)       5.0 MW         18 rpm          43,000 lbs.     Ø 98“ x 78“
Motors 3.7 MW    1,800 rpm   
1.7 MW    1,800 rpm   
1,120 lbs.
595 lbs.
Ø 25“ x  29”
Ø 20” x 23”

The high efficiency, excellent controllability, and freedom of arranging hydrostatic drive components independently from each other allow for   a significant reduction of costs when generating renewable energies. The established cost analysis of the US Department of Energy (NREL- LWST COE) for the new hydrostatic drive reduces the costs for energy ($/kWh) by 21.7 % when compared with the baseline turbine (2011). Noticeable additional benefits are obtained when applied in a new type of off-shore installation.

Preconditions for the best utilization of power from wind or water are    a simple and efficient transmission of large powers at low, variable speeds (rotor) into high speed with constant revolutions of the drive motor (generator). Locally separated power input and output simplifies the arrangement of the drivetrain and reduce the cost for manufactur-ing, installation and maintenance of the turbine. The new hydrostatic drive is insensitive with regard to deformation and vibrations since all bearings are self-adjusting hydrostatic bearings of extremely low friction. Gear boxes and roller bearings are not utilized and the useful life not limited.

Nacelle

The new radial-piston pump is located in the hub of the rotor and transmits pressurized hydraulic fluid to the hydraulic motor, driving the generator. The motor/generator unit and all additional installations are located in a container on ground level. This reduces the requirements regarding maintenance, space, weight, and resistance to weather conditions, and non-turbine-specific components can be utilized.

The concept reduces the weight (rotor, nacelle) on top of the tower of   a 5 MW turbine by 50%, from 250 to. to 120 to, and results in a less costly tower and installation.

To reduce the losses of energy and the stress (deformation) of the turbine, the weight of the rotor is supported by self-aligning hydrostatic bearings. The forces of the radial-piston on the rotor/pump driveshaft are 100% balanced and create no additional bearing loads. The low internal losses and higher allowable speeds increase the yield of energy from the wind. The calculation of losses for the pump results in an efficiency of 96.5%, and for the whole drive train, from the rotor to the generator shaft, in ca. 89%.

The costs for wind energy become lower with an increasing size of the turbine. However, current assumptions indicate that, for a 12 MW turbine, the weight on top of the tower will exceed 700 to and render large sizes unprofitable. The hydrostatic drive for a 12 MW turbine (15 rpm) weighs ca. 50 to and reduces the weight for rotor and nacelle by 300 to (to ca. 400 to), allowing the use of current, still transportable tower constructions.

U.S. Patent pending.

The pictures show the cross-section of the radial-piston pump of the rotor hub. The ground station is only shown as a concept.

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