Staffan Engström. Vindforsk seminarium Vattenfall 15 juni 2010

Transkript

1 Höga torn för vindkraftverk Staffan Engström Vindforsk seminarium Vattenfall 15 juni 2010

2 Höga torn för vindkraftverk Inventera torntyper Under lika förutsättningar dimensionera torn för användning i skog Beräkna energikostnaden Hur högt lönar det sig att bygga? Bättre med större turbiner (MW)? Vilka torntyper är aktuella i fortsättningen? Liten studie Beräkningar utförda av Tomas Lyrner, WEC Vattenfall-rapport 2008 om höga torn har utnyttjats_

3 Resultat i sammanfattning rätt tänkt!

4 Bakomliggande idé D 100 m H 95 m D/H 125 m Skogen bromsar vinden men gör också att den ökar starkt med höjden! Vindgradient ca 0,33 mot normalt 0,2. Motiv för högre torn i skog_

5 5 MW vindturbin Tbl Table 1. Main data for NREL 5 MW wind turbine Power 5 MW IEC Class IB Rotor orientation Upwind Number of blades 3 Control Variable speed, collective pitch Turbine diameter 126 m Rated rotor speed 11,8 rpm Blade passage frequency (3 p) 0,59 Hz Rated tip speed 78 m/s Blade weight (each) 18,8 ton Hub weight 53,6 ton Rotor weight 110 ton Nacelle weight 240 ton Tower top weight 350 ton

6 3 MW vindturbin Tbl Table 3. Main data for 3 MW turbine, derived d from NREL 5 MW turbine Power 3 MW IEC Class IB Rotor orientation Upwind Number of blades 3 Control Variable speed, collective pitch Turbine diameter 100 m Rated rotor speed 14,0 rpm Blade passage frequency (3 p) 0,70 Hz Rated tip speed 73 m/s Blade weight (each) 10,5 ton Hub weight 25 ton Rotor weight 56,55 ton Nacelle weight 120 ton Tower top weight 176,5 ton

7 Vinddata och navhöjder Navhöjder, medelvind d och produktion. Vindgradient 0,33 Navhöjd Medelvind Produktion MWh m m/s 3 MW 5 MW 80 5, , , , , Dubblad höjd ger dubblad produktion_

8 Beräkningssätt Följer IEC Tidssimuleringar med Vidyn Ursprunglig idé Stormparkeringsfallet turbinen parkerad vid 50- års vinden Visade sig inte stämma vid antagen låg medelvind I stället Extreme wind shear, Extreme operating gust samt Extreme turbulence model, under drift vid märkvind Partialkoefficienter etc Utmattning inte beräknad kan ha gett alltför optimistiskt resultat i stålfallen Alla torn överkritiska (3p soft ), de flesta inte över 1p (ej softsoft ) Investering/årsproduktion för driftsatt vindkraftverk (ej kringkostnader, ej underhåll)_

9 Installationsmetoder: 1. Mobilkran Dominerar helt idag Ekonomisk Upp till m Vindkänslig (5-8 m/s) Största kranar kräver stor öppen yta Breda förflyttnings- vägar inom park_ Lyft av 340 t navsektion för Enercon E-126 7,5 MW med en Terex Demag CC9800 kran på larvband. Navhöjd 138 m.

10 Installationsmetoder: 2. Lyftmaster Klarar åtminstone 175 m Inte vindkänslig (15-18 m/s) Litet t ytbehov Idag dyr metod NCC utvecklar egen teknik_ Montage av Scanwind 3 MW verk av Sarens Transrig AS

11 Torntyp 1: Svetsat, flänsat rörtorn Dagens vanligaste torntyp Transport begränsar basdiameter till 4,5 m Problem med vikt/kostnad över ca 100 m höjd även för fundament Marknadspris 2,30 /kg_

12 Svetsat rörtorn 3 och 5 MW kostnad komplett verk Går ej över 150 (100) m Sjunkande kostnad med ökad tornhöjd Ingen fördel med större verk_

13 Svetsat rörtorn 3 MW - kostnadsfördelning

14 Svetsat rörtorn 3 MW Hur begränsning av basdiametern påverkar vikt och godstjocklek Navhöjd 150 m 175 m Max 4,5 m diameter Vikt, ton Gods, mm 75 - Fritt vald diameter, m 5,8 6,0 Vikt, ton Gods, mm 43 46

15 Torntyp 2: Rörtorn med friktionsförband (skruv-) Fuhrländer Veljkovic

16 Rörtorn med friktionsförband Rörtorn med friktionsförband fö även i längsgående skarvar Nytt (nästan)! Tar bort transportbegränsning_ Northstar wind towers

17 Rörtorn med friktionsförband 3 MW

18 Rörtorn med friktionsförband 5 MW

19 Rörtorn med friktionsförband - jämförelse Om även längsgående skarvar av friktionstyp: Stora skillnader över 100 m höjd Förmånligt ur utmattningssynpunkt Ingen transportbegränsning Antar 2,50 /kg för färdigt torn_

20 Torntyp 3: Förspänt betongtorn Betongen distansmaterial Betong 0,0606 /kg Styrkan ges av spännstagen Spännarmering 7 /kg Bra vid utmattning Slakarmering 1 /kg_ Kostnadsfördelning för 3 MW glidformsgjutet torn

21 Förspänt betongtorn elementbyggt 1 Betong kräver lite underhåll Numera vanligast med elementbyggda betongtorn Kortare tid för bygge/montage, mindre väderberoende d Enkel kalkyl tyder på mycket stora besparingar Tillämpas av Enercon m fl_ Enercon

22 Förspänt betongtorn elementbyggt 2 Advanced Tower Systems gör elementbyggda torn med färre formar_ Advanced Tower Systems

23 Hybridtorn betong - stål Överdelen av betongtorn ersätts med rörtorn Inga problem med transport och plåttjocklek I vår studie högst 4,5 m diameter Översta 50 m (3 MW) eller 40 m (5 MW) Även tekniska fördelar lättare konstruera betongtornet, styra egenfrekvenser Tillämpas av Enercon m fl_ Siemens 2,3 MW på torn från Advanced Tower System

24 Torntyp 4: Fackverkstorn Låg vikt Lång erfarenhet Omfattande underhåll (efterdragning av bultar) Dynamik besvärlig, särskilt i torsion Svåra vid nedisning Hiss kan hindras Omdiskuterade ur estetisk synpunkt (+ -) Tillämpas av Fuhrländer för stora verk och höga navhöjder Räknat med 2,3 /kg_ Fuhrländer 2,5 MW verk med 100 m turbindiameter och 141 m navhöjd. Foto Vattenfall.

25 Torntyp 5: Trätorn Trä sedan gammalt använt i turbinblad Torn en mindre krävande tillämpning Lågt pris i förhållande till styrka Bra vid utmattning KL-trä kostar 0,9 /kg Räknat med 1,2 /kg Tyskt torn i svenskt samarbete Endast prototyp byggd Översiktlig beräkning_ Timbertower-torn för Vensys 1,5 MW

26 Sammanfattning Tittat på: Svetsade rörtorn Rörtorn med friktionsförband Förspända betongtorn Hybridtorn betong - stål Fackverkstorn Trätorn Totalt beräknat 41 torn av fem typer och två turbinstorlekar_

27 Sammanfattning av resultaten 3 MW

28 Sammanfattning av resultaten 5 MW

29 Sammanfattning av resultaten torn för 125 m navhöjd Billigaste kostar 40 % mindre_

30 Sammanfattning av resultaten skog/öppen mark Höga torn lönar sig bättre i skog! Vind- gradienten orsak 020 0,20 respektive 0,33_ Rörtorn med friktionsskarvar

31 Diskussion och slutsatser Höga torn lönar sig! Bättre i skog än i öppet landskap Men större turbiner (MW) ger inte bättre ekonomi (i det här materialet) Svetsat stål upp till (80) 100 m navhöjd Därefter flera alternativ: rörtorn med friktionsförband, trä (nytt!), förspänd betong, hybrid betong/stål, fackverk Lyft ekonomiskt kt hinder över 150 (125) m Kan teknik med lyfttorn vidareutvecklas? Ljus framtid med många möjligheter! Slut