Vindkraftverkens teknologi Patrik Holm, CTO Mervento MERVENTO

Transkript

1 Vindkraftverkens teknologi Patrik Holm, CTO Mervento 1

2 Wind power within European Union Installed wind power end of

3 Wind power within European Union Annual installed wind power onshore versus offshore In end of 2012 the offshore wind 3 is 4,6 % of the installed wind power in Europe

4 Wind power within European Union Wind power share of electricity end of

5 Wind power within European Union Installed power

6 Wind power within European Union Installed power In 2011 the global investments 6 in renewables was 257 billion USD. Corresponding investments in nuclear power in 2011 was 16 billion USD

7 THE MERVENTO SOURCING STRATEGY The wind turbine contains many disciplines; mechanical, electrical, automation, composites, hydraulics, infra, civil... Sourcing strategy: Mervento is aiming for the best technology combined with high quality to a reasonable total cost High performance Substantial revenue Low O&M costs Low total cost of ownership All included High value added

8 Turbine component origin MERVENTO , a domestic turbine Potential for high local content manufacturing Sweden 3 % Belgium 1 % Switzerland 8 % Turbine exworks cost France 1 % Italy 1 % Others 2 % 1) Sweden 2 % Switzerland 6 % Belgium 1 % Turbine turn-key cost France 1 % Italy 1 % 2) Others 2 % Germany 13 % Germany 10 % Finland 71 % Finland 77 % The costs are given for the 0-series 1) Exworks nacelle, blades, tower, Turbine Station, commisioning, certification 2) Turn-key exworks + foundation + transport + erection in Finland

9 THE MERVENTO CONTAINS OF: > 3600 drawing items ~ components in the product structure ~ components in the turbine 150 subcontractors in the supplier network 22 different castings, total number of castings in each turbine is 63 corresponding to 190 tons. In the nacelle there are 48 castings with a total mass of 158 tons, corresponding to 63% of the nacelle mass tons of steel in the tower depending on hub height 24 tons other welded steel structures 55 tons of composites; rotor blades, nacelle covers, oil sump Road and site area 1000 m 3 crushed stones Stay cable tower enables small foundation diam 8 m and 164 m 3 taking only vertical loads

10 Turbine cost distribution 6 main component groups corresponds to 86% Mervento is aiming for the best technology combined with high quality to a reasonable total cost Commissio ning 1 % Assembly 4 % Bearings 6 % Machined castings 3) 9 % Other electrical components 13 % Turbine exworks cost Other 14 % Generator 16 % 1) Tower 24 % Rotor blades 13 % Erection 6 % Transport 2 % Foundation 5 % Assembly 4 % Commissio ning 1 % Bearings 5 % Machined Turbine turn-key cost Other 12 % castings Electrical components The costs are given for the 0-series 8 % 3) 11 % 1) Exworks nacelle, blades, tower, Turbine Station, commisioning, certification 2) Turn-key exworks + foundation + transport + erection 3) Excluding castings in tower and generator 2) Generator 14 % Tower 21 % Rotor blades 11 %

11 7 Typer av vindkraftverk Överblick Dagens moderna vindkraftverk är sk snabblöpare. Hitachi i Japan gör down-wind turbiner (rotor i lä). Dessa kan inte vara med free yawing eftersom de ger stora gyroskopiska moment på rotorn. Därtill ger tornskuggan höga lågfrekventa ljud. Vertikalturbiner är mycket bra lämpade för mindre effekter. 11

12 7 Typer av vindkraftverk Vindmölla versus vindturbin This is a wind mill! This is a wind turbine! 12

13 7 Typer av vindkraftverk Tip speed ratio and power coefficient 13

14 7 Typer av vindkraftverk Horizontal versus vertical 2200 m 184 m Horizontal Rotor diameter 118 meter Projected area m 2 C pmax = 0,50 Vertical Rotor diameter 10 meter Projected area m 2 C pmax = 0,25 14

15 7 Typer av vindkraftverk Horizontal versus vertical Horizontal Rotor diameter 118 meter Projected area m 2 C pmax = 0,50 Vertical Rotor diameter 185 meter Projected area m 2 C pmax = 0,25 15

16 7 Typer av vindkraftverk 3-bladig horisontal turbin Medelspännings ställverk. Elstation för att kunna bli kopplad till nätet. Bladvinkel reglersystem. Controller, styrsystem för turbinen. Hydraulsystem för broms och eventuellt pitch och yaw. 16

17 7 Typer av vindkraftverk Turbine Station konceptet Assembled in clean factory environment. Tested at factory together with the nacelle. Transported as complete to site, plug-and-play. Vibration free operation. Stable temperature and humidity. Easy and fast maintenance. Arc gas channel to external from both power converter and MV switchgear. Meets all operational safety regulations. UPS Power converter Cooling radiator Auxiliary transformer Turbine controller MV switchgear 17 Main transformer

18 8 Vindkraftverkets rotor Generellt Ett vindkraftverks rotorblad och nav (hub) är tillsammans turbinens rotor. Detta inkluderar även det som finns inne i navet. I rotorn konverteras vindens energi till mekanisk energi. Huvudaxeln roterar och den är kopplad till generatorn rotor direkt eller via en växellåda. En 3-bladig turbin har alltid lika mycket massa på båda sidorna om tornet. Det är mera behagligt att se på en långsamt roterande turbin än på en snabbt roterande turbin. En två bladig turbin ger en visuellt intryck som är störande då bladen sammanfaller med tornet två gånger per varv. Rotorns diameter är den viktigaste parametern i turbinen med tanke på energiproduktionen. Vindens hastighet är den viktigaste parametern i energiproduktionen. Vid större rotordiameter måste varvtalet vara lägre. Spetshastigheten inverkar på ljudemissioner och bladerosion. 18

19 8 Vindkraftverkets rotor Power from the wind The power that can be captured from the wind with a wind energy converter is: P = 0,5 x air x C p (, ) x A x wind 3 P power captured from the wind [W] A rotor effective area [m 2 ] air mass density of the air [kg/m 3 ] C p According to IEC shall be used air = 1,225 kg/m 3 at 15 C power coefficient that depends on the blade design, tip speed ratio and pitch angle wind wind speed [m/s] 19

20 8 Vindkraftverkets rotor Wind to be converted to mechanical energy The energy in the wind is converted to rotating mechanical energy in the rotor. In the generator is the mechanical energy is converted to electrical energy. The mass of air passing through the rotor in one second at rated wind speed is: M air = air x A x wind M air mass of the air passing through the rotor in one second [kg] A rotor effective area [m 2 ] air mass density of the air [kg/m 3 ] According to IEC shall be used air = 1,225 kg/m 3 at 15 C wind rated wind speed [m/s] M air = kg / s

21 8 Vindkraftverkets rotor Löptal Löptalet (TST, Tip Speed Ratio) anger förhållandet mellan bladspetsens hastighet och den ostörda vindens hastighet. Antal rotorblad har eget optimum för löptalet. Vid flera blad ökar effektkoefficienten. Flera blad ger högre kostnader i rotorblad och bladvinkelregler system. Flera blad ger mindre löptal som ger långsammare rotation vid samma effekt. Detta ger större vridmoment som i sin tur ger större komponenter i drivlinan, både elektriskt och mekaniskt. Löptalet för 3-bladiga turbiner är i dag

22 8 Vindkraftverkets rotor Power output versus wind speed Percentual share valid for a class IIA turbine in annual average wind speed 8,5 m/s and with Rayleigh distribution 18 % 64 % 18 % 22

23 8 Vindkraftverkets rotor Effektreglering Man måste begränsa turbinens effekt till dess märkeffekt. Alla nya moderna turbiner har bladvinkelreglering eller pitch reglering för att begränsa effekten. Vindens energi släpps igenom rotorn. När turbinen uppnått märkeffekten har märkvinden uppnåtts. Den var i gamla turbiner m/s. I de nya turbinerna är märkvinden 9 12 m/s. Märkvinden varierar med temperaturen. För högre vindhastigheter (klass 1) är rotordiametern mindre och märkvinden högre. För låga vindhastigheter (klass 3) är rotordiametern större och märkvinden lägre. Turbinen stoppas vid 20 m/s i klass 3 och vid 25 m/s för klass 2 och 3. Vid denna vindhastighet är bladvinkel grader. Turbinen stoppas genom att alla tre rotorblad flöjlas (feathering) eller vrids 90 grader. Aerodynamisk broms. 23

24 8 Vindkraftverkets rotor Control of the wind turbine 24

25 8 Vindkraftverkets rotor Rotor blade power efficiency 25

26 8 Vindkraftverkets rotor Rotor blade power efficiency Om vindens hastighet är den samma före och efter rotorn infångas ingen energi. Om all energi infångas så stannar vinden efter rotorn och ingen ny energi kan flöda igenom. Den optimala punkten finns mellan dessa extrenum och kallas Betz faktor Cp = 59,4% vid v 2 / v 1 = 1/3. 26

27 8 Vindkraftverkets rotor Lyftkraft och framdrivande kraft Bladen vrids till vinkel som motsvarar vinkeln vid maximal vindstryrka vid start. Drag är stor och rotorn börjar rotera så att lift ökar. Endast drag som i ett segel 27 Lift som i en flygplansvinge

28 8 Vindkraftverkets rotor Lyftkraft och framdrivande kraft Bladets lift ger både framåt drivande kraft som böjande kraft. 28

29 8 Vindkraftverkets rotor Tordering Vindens hastighet är teoretiskt samma över hela rotorytan. Bladets pereferihastighet är olika utöver bladets längd. För att ha samma anfallsvinkel utöver hela bladet måste bladet torderas. 29

30 8 Vindkraftverkets rotor Rotorbladens konstruktion Glasfiber armerad epoxi eller polyester. Alla material utmattas. Fyllnads/distansmaterial epoxy eller olika skummaterial. Kan vara förstärkt med kolfiber strängar för att minska böjning. Vacum injecering. Består av flertal delar som limmas och injeceras till ett rotorblad. Borde vara så tunna som möjligt med höjd behövs för styvheten. Spetsen gör smalare än den optimala bredden för att maximera längden. 30

31 8 Vindkraftverkets rotor Rotorbladets delar 31

32 8 Vindkraftverkets rotor Belastningar på rotorbladen och turbinen Turbinen utsätts för många olika belastningar. 32

33 8 Vindkraftverkets rotor Belastningar på rotorbladen och turbinen Det gäller att försäkra tillräcklig livslängd för rotorbladen samt ett tillräckligt avstånd mellan torn och rotorblad. 33

34 8 Vindkraftverkets rotor Bladvinkelreglering, hydraulisk vs elektrisk Hydraulic + Fail-safe functionality + High power density + Reasonable size for large forces and torques + Robust system + Controlled supplier chain by the turbine manufacturer + Fast response time in operation + Long life time of piston pressure accumulators + Easier maintenance + More reliable + Longer service intervals + Operates at very low temperatures + Low losses heating the hub in summer time + No lubrication needed + Short recharging time of pressure accumulators + Closed loop measurement of blade positioning - Risk for oil leakages - Fluid rotary union needed - High energy consumption if the pumps are running continuously - With wrong oil and no pre-heating of the oil causes problems in low temperatures Electric + Easy to design + Easy to control + No risk for leakage of fluids + Low energy consumption + Silent operation - Not fail-safe system in all circumstances - Gear back lash - Batteries in the hub - Short life time for batteries (2 3 years) - Battery performance in low temperatures - Planetary gears for each actuator - Low system reliability - High losses heating the hub in summer times - Slip rings for power supply - Very critical with wear in rim teething - Complicated in maintenance - Gear engagement needs lubrication - Long recharging time of batteries - Challenge to have close loop signal for blade positioning 34

35 8 Vindkraftverkets rotor Bladvinkelreglering Energin för vridning av bladen bör ackumuleras, batteri eller tryckackumulatorer. Individuellt styrda och påverkade. Om ett blad fastnat räcker två flöjlade blad att stoppa turbinen. 35

36 9 Maskinhus Generellt Maskinhus kallas också gondol och nacell. Finska konehuone bör undvikas. Mest använt i Finland är nacell. I nacellet kan finnas mera eller mindre komponenter beroende på turbin typ och tillverkare. Trenden är att man flyttar ner komponenter såsom frekvensomriktare, transformator och ställverk från nacellet till botten av tornet. Med lågspännings generator ger detta flera och större kablar i loopen och i tornet. 36

37 9 Maskinhus Generellt Traditionellt high speed koncept 37

38 9 Maskinhus Generellt 38

39 Direct drive power train High reliability and efficiency Single main bearing Medium voltage permanent magnet generator High availability and minimised losses 39

40 Actuating systems All actuating systems are hydraulic Yaw System Pitch System Rotor Brake Hydraulic system suitable for large loads 40

41 9 Torn Generellt Syftet med tornet är att rotorn skall vara på en högre höjd var det blåser mera. Trenden är större rotor diameter och högre torn. Med högre torn sjunker systemets egensvängnings frekvens och risker för resonans uppstår. Vikten och kostnaden för tornet växer exponentiellt med högre navhöjd. 41

42 9 Torn Olika alternativ 42

43 9 Torn Generellt Transportproblem resulterar i lösningar var man bygger torn från mindre delar på situ. Transporten avgör diameter, längd och vikt för ståltorn segment. Till och med trätorn finns på marknaden. Betongtorn skall vara förspända, belastning endast på tryck sidan. Betongtorn kan vara gjutna på plats eller bestå av element tillverkade på fabrik. Bultförbanden i fackverk och steel shell kritiska. Skruvarna korta och ytbehandlingen tjock på många ytor. Stor risk för sättning. Fackverks torn behöver en stor foot print. Cylindriska ståltorn har den optimala formen med tanke på belastningar. De stora ytorna är dock benägna för buckling. Många anser att torn är statiskt belastade. Om rotorn och nacellets delar är dynamiskt belastade så hur kan då tornet vara statiskt belastad. Tornets livslängd är också begränsad till 20 år. 43

44 9 Fundament Generellt Fundamentet är en mycket viktig komponent, men ingår sällan i turbinleveransen. Ritningar ges åt kunden som tar helhetsansvar för arbetet. Fundamenten kan baseras på stor diameter och massa eller vara förankrade i berggrunden. 44

45 9 Fundament Generellt Marken under fundamentet måste vara stabilt och dränerat. Fundamentet skall klara av tjälen. Fastsättningen av tornet skall vara med långa bultar och inte ingjuten stålcylinder. 45

46 9 Fundament Infästning av tornet Det finns självklart många olika inankringar av tornfoten till fundamentet. Följande grundmodell är kanske den mest vettiga. Tornets fot Frigående, men fastgjutna bultar. Armering Fundament Ingjuten bultfläns 46

47 9 Fundament Tornets fastsättning F p s F s F v F A SA F PA F A k FV l l sv l pv l Long flexible studs with low stress amplitude due to external load Corrosion protection by organic zinc coating, hot dip zink coatings gives hydrogen embrittlement 47

48 9 Fundament Fundament alternativ Torn och fundament onshore Fundamentet till en multi-mw turbin med fristående torn är enormt! Fundamentet skall klara extrema påfrestningar, moment, vibrationer och tyngder under turbinens hela livstid. Ett fundament är vanligtvis 8-kantigt. Det är optimalt. Några typer av fundament: Gjuten och armerad platta Vanligaste typen. Bilderna till höger Ankrad i berget Bra lösning där berget är nära. Djup fundament Lösning som tillämpas på mjuk mark och sand. Ofta använd vid Off-Shore. 48 Fundament till 3MW Vestas. 14m diam. Fundamentet till en Enercon E-126. Receptet lyder: 1400 m3 betong, 120 ton stålarmering och 29m i diameter. Tornet är gjutet av betong

49 9 Fundament Offshore fundament alternativ 49

50 Grunden är viktigast! 50

51 10 Vindkraftverkets drivlina Vindkraftverk med växellåda ROTOR Konverterar vindens energi till mekanisk roterande energi VÄXELLÅDA Ökar varvtalet på rotationen och minskar vridmomentet GENERATOR Konverterar den mekaniska energin till elektrisk energi EFFEKTOMVANDLA RE Omvandlar den varierande frekvensen till nätets konstanta frekvens TRANSFORMATOR Höjer spänningen för distribution i elnätet 3350 kw 5 15 rpm Nm 3250 kw rpm Nm 3150 kw Hz 1000 V 3050 kw 50 Hz 1000 V 3000 kw 50 Hz V 51

52 10 Vindkraftverkets drivlina Växellåda Vindkraftverket kan ha en växellåda med: 3-steg i steg i 25 1-steg i 5 0-steg i 1 52

53 10 Vindkraftverkets drivlina Växellåda Har många rörliga delar. Mycket noggranna toleranser. Mycket små spel. Kräver mycket renhet. Kräver smörjning och komplicerat system. Ger förluster som skall kylas bort. Kräver oljebyten och filter byten. Kräver avancerat konditionssystem som skall kopplas till turbinens styrsystem. Kräver uppvärmning i kalla klimat. 53

54 10 Vindkraftverkets drivlina Stopptid i vindturbiner ISET & Reliawind ISET Strategy Engineers Analysis VTT 1. Electrical system 1. Generator 1. Pitch system 1. Gearbox 2. Gearbox 2. Gearbox 2. Power converter 2. Pitch system 3. Generator 3. Drive train 3. Generator 3. Electrical system 4. Control system 4. Rotor blades 4. Yaw system 4. Hydraulics 5. Yaw system 5. Pitch system 5. Control system 5. Control system 6. Drive train 6. Supporting structures 6. Gearbox 6. Rotor blades Source: Strategy Engineers Analysis, Reliawind 2010 Source: Tuulivoiman Tuotantotilastot VTT Vuosiraportti 2010 Source: Institute for Solar Energy Supply Technology in Kassel Germany (ISET) and the EU-funded Reliawind study Source: Institute for Solar Energy Supply Technology in Kassel Germany (ISET) 54

55 10 Vindkraftverkets elsystem Överblick G 3~ 4,0 MW 3,9 kv Vindkraftverkets elektriska drivlina (power train) består av generator, tornkablar, frekvensomriktare, transformator, medelspänningsställverk. Därtill finns site kablering, elstation, transformator och koppling till nätet. 3,9 kv / 20 kv 20 kv / 400 V I U 55 3,6 MW 20 kv

56 10 Vindkraftverkets drivlina Generatorn I generatorn omvandlas den mekaniska roternande energin till elektrisk energi. Generatorn består av en rotor som roterar och en stator som är stationär. Rotorn kan var innanför statorn eller utanför statorn. Statorn har spår och kopparlindningar. Rotorn kan också ha lindningar eller permanentmagneter. Rotorns roterande rörelse ger ett roterande magnetfält som inducerar växelspänningar i statorns lindningar. Vid varierande rotationshastighet varierar frekvensen. 56

57 10 Vindkraftverkets drivlina Generatorn Två olika typer av generator finns, synkrona och asynkrona. En synkrongenerator kan vara ansluten till ett elnät eller arbeta oberoende av nätet. En asynkrongenerator däremot måste vara ansluten till ett elnät för att fungera, eftersom den tar sin magnetiseringsström från nätet vid uppstart och den styrs av nätets frekvens. Asynkrongeneratorer användes i turbiner med fast var varvtal. Driftvarvtalets avvikelse från det synkrona varvtalet kallas eftersläpning (slip). 57

58 10 Vindkraftverkets drivlina Squirrel Cage Induction Generator SCIG Generatorn har konstanthastighet 3 stegad planetväxellåda + SCIG Det danska konceptet Turbinerna har vanligtvis Stall kontroll Robust, enkelt och relativt billigt. Kräver extern magnetiseringström. Omöjligt att uppfylla dagens stränga grid codes och dess krav på spänningskontroll Parallellkopplade kondensatorer för att kompensera för konsumptionen av reaktiv effekt. 58

59 10 Vindkraftverkets drivlina Double Fed Induction Generator DFIG Turbiner med variabel hastighet (med viss begränsning). Bredare driftsområde (nominellt ±30%) än SCIG. Utanför detta område är det ytterst kritiskt p.g.a. för höga spänningar. 3-stegs växellåda. Frekvensomvandlaren är dimensionerad för 25-30% av totaleffekten. Genom att kontrollera frekvensen i rotorn kan man också kontrollera rotationshastigheten. Både stator och rotor lindad. Släpringskoppling krävs för rotorn. Statorn direkt kopplat till elnätet. Frekvensomvandlaren möjliggör både kompensering för reaktiv effekt samt en mjuk balanderad elnätsinkoppling. Generatorn behöver el för att funka. DFIG saknar Ride-through möjlighet. 59

60 10 Vindkraftverkets drivlina Double Fed Induction Generator DFIG När rotationen är på synkront varvtal matas all ström via stator lindningarna (S=0). Notera att effekten är maximal på denna punkt. Ingen activ effekt går I rotorlindningarna. När vinden ökar, ökar också rotationshastigheten för att hålla optimalt löptal. Då opererar generatorn super-synkront (S<0). Effekten flödar både genom stator och rotor lindningar och dess konverter. Vid låg vindhastighet roterar generatorn på sub-synkront varvtal (S>0) och konvertern absorberar effekt från nätet för excitering av rotorlindningarna. Detta minskar energi produktionen på det område turbinen opererar mest. 60

61 10 Vindkraftverkets drivlina Electrical Excited Synchronous Generator EESG Turbiner med variabel hastighet Lindad rotor. Magnetiseringen sköts undefär på samma sätt som i en DFIG generator. Generators och turbinens rotor roterar med samma låga hastighet Ingen växellåda krävs, men däremot släpringskoppling för DCspänningen som krävs för magnetiseringen. Frekvensomvandlaren möjliggör både kompensering av reaktiv effekt samt en mjuk överföring till elnätet. Fulleffektsfrekvensomvandlaren dyr! Ride-through möjlighet ges tack vare motstånd i DC-linken i frekvensomvandlaren. Kräver stor diameter på Generatorn för att stå emot vridmomentet. 61

62 10 Vindkraftverkets drivlina Permanent Magnet Synchronous Generator PMSG Växellåda som kan vara 2- eller 3-stegs växellåda. Generatorn ansluts till nätet genom en fulleffektsfrekvensomvandlare. Inga släpringskoppling som är potentiella felkällor och kräver underhåll. Frekvensomvandlaren möjliggör både kompensering av reaktiv effekt samt en mjuk överföring till elnätet. Frekvensomvandlaren är dyr när den är för full effekt. Hög effektivitet och produktion. Ride-through möjlighet ges tack vare motstånd i DC-linken i frekvensomvandlaren. Stor efterfråga och temporärt mindre utbud på permanentmagneter höjde priset. Risk för demagnetisering av permanentmagneterna vid hög 62 temperatur. Kräver därför ett fungerande kylsystem!

63 10 Vindkraftverkets drivlina Permanent Magnet Synchronous Generator PMSG Direktdriven generator ansluts till nätet genom en fulleffektsfrekvensomvandlare. Generatorns och turbinens rotor roterar med samma låga hastighet. Ingen växellåda eller släpringskoppling som är potentiella felkällor och kräver underhåll. Frekvensomvandlaren möjliggör både kompensering av reaktiv effekt samt en mjuk överföring till elnätet. Frekvensomvandlaren är dyr när den är för full effekt. Hög effektivitet och produktion. Ride-through möjlighet ges tack vare motstånd i DC-linken i frekvensomvandlaren. Kräver stor diameter på Generatorn för att stå emot vridmomentet samt att man kan få tillräckligt antal poler (tillräckligt hög frekvens vid uppstart). Stor efterfråga och temporärt mindre utbud på permanentmagneter höjde priset. 63

64 10 Vindkraftverkets drivlina Double-fed concept 64

65 10 Vindkraftverkets drivlina High-speed full converter concept 65

66 10 Vindkraftverkets drivlina Medium-speed full converter concept 66

67 10 Vindkraftverkets drivlina Low-speed full converter concept 67

68 10 Vindkraftverkets drivlina Hydraulisk drivlina Helhydraulisk transmission En nykomling på marknaden är Mitsubishis Sea Angel 7MW. Introducerades på EWEA:s offshoremässa hösten Turbinen har ingen mekanisk växellåda, ej heller frekvensomvandlare. Kraftomvandlingen sker med hjälp av en högeffektiv hydraulpump från Artemis. Voith är en liknande tillverkare av hydraulpumpar. Pumpen driver två motorer som driver två högspänningsgeneratorer. Infasning, elreglering och justeringar görs med hjälp av digitalhydraulik. Turbinen saknar kraftelektronik, men har ett desto mera sofistikierat hydraulsystem. 68

69 10 Vindkraftverkets drivlina Hydraulisk drivlina Helhydraulisk transmission. Mitsubishis nya kocept SEA ANGEL 69

70 10 Vindkraftverkets drivlina Hydraulisk drivlina Helhydraulisk transmission 70

71 10 Vindkraftverkets drivlina Power train comparison The comparison is excluding the losses in the step-up transformer as well as the power for own use 71 Source: The Switch

72 10 Vindkraftverkets drivlina Fördelar och nackdelar med direktdrift + Bättre tillförlitlighet. + Mindre vibrationer. + Bättre verkningsgrad på lägre effekt. + Lämpar sig bättre för kalla klimat. + Lägre kostnader för producerad energi. + Bättre logistik. - Större diameter som ger högre investeringskostnader. - Stor mängd dyra magneter. - Svår att transportera och resa. 72

73 10 Vindkraftverkets styrsystem Generellt För att ett vindkraftverks skall utnyttja vindens maximalt bör rotorns varvtal variera i proportion till vindens hastighet för att löptalet skall hållas optimalt. Snabb löpare har dock ett brett varvtalsområde, löptalet kan variera ganska mycket utan att rotorns verkningsgrad sjunker drastiskt. 73

74 10 Vindkraftverkets styrsystem Generellt Vinden är mycket turbulent. Om turbinen har konstant varvtal kommer hela turbinen att utsättas för stora belastningar. Om rotorns varvtal kan variera accelererar varvtal inom givna gränser och producerar mera el till nätet samtidigt som belastningsnivån på turbinen sjunket. Vid en mycket kraftig acceleration kommer bladvinkelregleringen aktivt att minska varvtalet. En temporär effektökning på grund av högre varvtal förorsakar inte för höga temperaturer i lindningarna förutsatt att generatorns kylsystem fungerar effektivt. Variable speed and variable pitch. Detta leder till att utvecklingen går mot permanentmagnet generatorer kombinerade med fulleffekt frekvensomformare. Kraftelektroniken möjligör att elen som matas till nätet har den fasvinkel och reaktiva effekt som nätet har behov av vid anslutningspunkten. Kraftelektronik är dyr och mycket sensitiv för fukt och vibrationer. Olika övertoner måste också filtreras. 74

75 10 Vindkraftverkets styrsystem Torque Controller 75

76 10 Vindkraftverkets styrsystem Pitch Controller 76

77 10 Vindkraftverkets styrsystem Torque in the turbine rotor 77

78 10 Vindkraftverkets styrsystem Control of the wind turbine 78

79 10 Vindkraftverkets styrsystem Preventive condition monitoring Mervento CMS monitors the following: Running hours Wind speed and direction Temperatures Blade root bending moment Oscillations (tower) Vibrations ( main bearing, main shaft, blade bearings) Noise in nacelle Pressures absolute/differential Hydraulic oil quality Electrical parameters Generator air gap camera Web camera Condition monitoring system integrated into the turbine controller 79

80 10 Vindkraftverkets styrsystem Communication layout * Redundant operator access Ethernet Optical Turbine n Turbine 4 Grid Turbine 1 FI0101 Park Controller Park Server HMI 15 Turbine Controller Turbine 3 Turbine 2 FI0102 HMI 15 Turbine Controller 1* Windpark connection redundant (fiber optics) 1* ADSL (IPSec) Utility Owner/Operation Mervento R&D Subsuppliers Trends/Reports/Storage Trends/Reports/Storage Trends/Reports/Storage Trends/Reports/Storage 80

81 10 Vindkraftverkets styrsystem Value chain of CMS/CBM 81

82 10 Vindkraftverkets styrsystem Graphical user unterface 82

83 10 Vindkraftverkets styrsystem Generellt Turbin controller, Remote control & monitoring (SCADA), Condition Monitoring System (CMS), Condition Based Maintenenace (CBM) allt integrerat till ett system. Styrning, driftövervakning och driftuppföljning i ett och samma system. Totalt 300 I/O i systemet. Web baserade rapporteringssystem. Styrsystem simulerade med Mathlab Simulink. 83

84 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Generellt Formeln för effekten i vinden bör vara i ryggraden. Skillnaden mellan energi och effekt måste vara kristallklar. När man pratar om vindkraft blandar man ofta ihop verkningsgrad och kapacitetsfaktor. Fullasttimmar borde man inte prata om eftersom dessa är fiktiva timmar. Vinden är inte normalfördelad. Weibull fördelningen kan variera lokalt och vindmätningar är nödvändiga. Det som man strävar efter inom vindkraften och all annan energiproduktion är en så låg kostnad för den producerade energin som möjligt. 84

85 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Kostnad för producerad energi Quality Reliability Investment cost Capital cost Fixed operational costs Maintenance costs Accessability Fuel costs Cost of Energy CoE = CAPital EXpenditures CAPEX + OPEX EP Energy Production OPerational EXpenditures Power Curve Site conditions Availability Efficiency Own use energy Wind speed Hub height Weibull distribution Rotor blade icing Predictive maintenance Reliability Accessability 85

86 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Effekten i vinden The power that can be captured from the wind with a wind energy converter is: P = 0,5 x air x C p (, ) x A x wind 3 P power captured from the wind [W] A rotor effective area [m 2 ] air mass density of the air [kg/m 3 ] C p According to IEC shall be used air = 1,225 kg/m 3 at 15 C power coefficient that depends on the blade design, tip speed ratio and pitch angle wind wind speed [m/s] 86

87 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Energi produktion Vid beaktande av energiproduktionen är rotordiametern och vindenhastighet de viktigaste parametrarna. Vad är då koncekvenserna av denna utveckling 87

88 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Turbine power Turbine power [MW] 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1, ,

89 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Rotor diameter Rotor diameter [m]

90 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Blade tip speed Tip speed [m/s]

91 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Rotor rotational speed Rotational speed [rpm]

92 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Rotor torque Rotor torque [knm]

93 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Rotor thrust force Thrust force [MN] 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 93 0,

94 11 Vindkraftverks effektivitet och prestanda Hub vertical force Hub vertical force [MN] 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 94 0,