New drivetrain concept for wind turbines

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501302

Key words (German)

Senkung der Cost of Energy (COE), Bester Teillastwirkungsgrad des Antriebstrangs, Segmentierter 2MW Windgenerator,  Senkung der Turmkopfmasse, Erste Schweizer 2MW Windturbine

Short description (German)

Der Antriebsstrang (Rotorhauptlager, Hauptwelle, Getriebe, Kupplung, Generator) ist ein zentrales und wichtiges Element einer modernen Windenergieanlagen (WEA) und die aufwendige Wartung umfasst ca. 30% der Lebenszykluskosten. Im Rahmen dieses Projekts sollen die Grundlagen für eine neue Generation von Windenergieanlagen geschaffen werden. Durch den Einsatz eines vierstufigen Getriebes soll die Energie auf 8-16 kleine ultraschnelle (7000 rpm) Generatoren aufgeteilt werden. Diese Konstruktion ermöglicht eine reduzierte Turmkopfmasse, erhöhte Verfügbarkeit, bessere Wartungskonditionen und eine Senkung der Cost of Energy (CoE) um bis zu 48%.

Short description (English)

Split drivetrain configurations with multiple generators are one of the solutions for increasing the reliability and reducing the cost of wind turbines. The split drivetrain technology gives the ability to introduce multiple generators and by that reduces the gear size and facilitates variable-speed operation. And the use of a high speed generator system in such drive train allows the reduction of Rare Earth Elements Supply significant.

Final report (German)

Der Antriebsstrang konventioneller Windkraftanlagen besteht aus Turbinenblättern, Getriebe sowie einem Generator und Umrichter. Ist eine dieser Komponenten defekt, fällt die Produktion der Windkraftanlage komplett aus, und es stehen aufwändige Wartungs- und Reparaturarbeiten an. Im Rahmen eines BFE-Projektes wurde untersucht, wie der Antriebsstrang einer Windkraftanlage modular aufgebaut werden kann. Dabei wurde ein Verteilgetriebe entwickelt, welches mehrere kleinere, schnelldrehende Generatoren mit Umrichter-Einheiten antreibt. Die Generatoren können lastabhängig ein- oder ausgeschaltet werden, um die Windkraftanlage stets im bestmöglichen Betriebspunkt zu betreiben. Der modulare Aufbau erhöht die Verfügbarkeit der Windkraftanlage und vereinfacht Wartungs- und Reparaturarbeiten. Es wurde ein Simulationsmodell der Anlage erstellt um Regelungs- und Steuerungs-Algorithmen zu entwickeln. Anschliessend wurde ein 1.75 MW Bodenprüfstand der Windkraftanlage aufgebaut, um den modularen Aufbau des Antriebsstranges zu validieren.

Related documents

• Innovatives Antriebskonzept von Windenergieanlagen - Schlussbericht [PDF] 3'164 kB

Final report (English)

A conventional wind turbine’s drivetrain typically consists of a rotor, a gearbox, a generator, and a power converter. In case of failure, the energy production is immediately stopped and expensive repair and maintenance work need to be done. This SFOE Project investigates a new modular drivetrain for wind turbines. An advanced gearbox allows for operating multiple generators at a higher rotational speed. Therefore, electric machines used in electric trucks can be now used in wind turbines as well. Depending on the wind speed, one or more generators are used to produce electric energy. Consequently, this modular drivetrain always operates generators in their most effective machine work point. Since this drivetrain can also be operated when some components fail, it enables a higher availability of the wind turbine. Moreover, small and light generators and power converters reduce service and maintenance costs.  A simulation model was developed to engineer control algorithms of the modular drivetrain. Finally the simulation model was validated with a 1.75MW test system.

Final report (French)

La transmission d’une éolienne conventionnelle est habituellement constituée d’un rotor, d’un multiplicateur, d’un générateur, ainsi que d’un onduleur. En cas de panne d’un de ces éléments, la production d’énergie est immédiatement suspendue et des travaux complexes et très coûteux de maintenance et de réparation doivent être mis en place. Dans le cadre d'un projet de l’OFEN, une étude a été réalisée pour déterminer comment la transmission d'une éolienne peut être construite de manière modulaire. Un multiplicateur qui entraîne simultanément plusieurs petits générateurs a été développé. En fonction de la vitesse du vent, un générateur, voire plus, peut être désactivé afinde toujours produire de l’energie au point de rendement maximum de l’éolienne. Cette transmission modulaire améliore la disponibilité de l'éolienne et simplifie les travaux d'entretien et de réparation.  Un modèle de simulation a été développé dans le but de concevoir des algorithmes de régulation de la transmission modulaire. Le modèle a été validé avec la construction d’un prototype de 1.75MW.