Windkraftanlagen haben ein Problem: Abhängig von der Stärke des Windes ändert sich die Drehzahl des Rotors und des Generators. Mit dessen Drehzahl ändert sich aber auch die Frequenz des erzeugten Stroms. Soll der Windstrom jedoch ins Netz eingespeist werden, muss er eine Frequenz von exakt 50 Hertz aufweisen. Bisher wird der Windstrom daher erst in Gleichstrom, dann in Wechselstrom mit 50 Hertz umgewandelt. Dabei gehen rund 5 % der erzeugten Energie verloren. Ein neuartiges Getriebe für Windräder aus der Ideenschmiede der Technischen Universität München soll in Zukunft auch ohne doppelte Umwandlung Strom mit einer konstanten 50-Hertz-Frequenz liefern.
Um die doppelte Umwandlung zu umgehen, untersuchten die Wissenschaftler des Lehrstuhls für Maschinenelemente der TU München das System aus Getriebe und Generator näher und fanden eine ebenso geniale wie industriell relativ leicht zu realisierende Lösung: Die Münchner Forscher entwickelten ein Überlagerungsgetriebe analog zu einem geregelten Differenzial für Kraftfahrzeuge.
Wie bei herkömmlichen Konstruktionen sorgt in diesem neuartigen Getriebekomplex ein Planetengetriebe für einen Großteil der benötigten Übersetzung. Hinzu kommt aber noch ein Überlagerungsgetriebe mit einem zusätzlichen Elektromotor, der sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden kann. Damit kann die vom Rotor ankommende Leistung gezielt unterstützt, oder abgezweigt werden, so dass sich eine konstante Abtriebsdrehzahl am Generator ergibt. Für eine Windkraftanlage mit 1,5 MW reicht bei einem solchen Konzept ein Elektromotor mit einer Überlagerungsleistung von lediglich etwa 80 kW aus.
„Der Vorteil dieses Konzepts ist ein leichterer Triebstrang, wodurch die Gondel der Anlage kleiner ausgeführt werden kann,“ erläutert Professor Bernd-Robert Höhn, Inhaber des Lehrstuhls für Maschinenelemente der TU München. „Zusätzlich kann ein robuster, wartungsarmer Synchrongenerator verwendet werden, so dass keine Leistungselektronik zur Frequenzanpassung benötigt wird und damit der Wirkungsgrad der Anlagen gesteigert werden kann.“
Auch für Differenziale in Fahrzeugen werden solche Überlagerungsgetriebe entwickelt und dort unter dem Namen Torque-vectoring-System angeboten. Im Rahmen der Arbeit des Lehrstuhls im Wissenschaftszentrum Elektromobilität der TU München wird diese patentierte Entwicklung auch für das Elektrofahrzeugkonzept MUTE weiter entwickelt, das auf der IAA 2011 vorgestellt wird. Hier erhöht die aktive Steuerung der Kraftverteilung die Fahrsicherheit, die Traktion und sorgt für ein sportliches Kurvenverhalten.
(TU München / ml)
