Theory of turbo machinery / Turbomaskinernas teori. Dixon, chapter 10. Wind Turbines

Relevanta dokument
Varför Vind? GENERAL PRESENTATION

Höghastighetsturbiner för småskalig kraftvärme

Varför blåser det och hur mycket energi finns det i vinden

Staffan Engström. Vindforsk seminarium Vattenfall 15 juni 2010

TYP-TENTAMEN I TURBOMASKINERNAS TEORI

SMÅSKALIG VINDKRAFT FÖR FASTIGHETER. Nov 20 th 2013 Morgan Widung, InnoVentum

Energiomvandling av biobränsle/torv/avfall i småskaliga anläggningar g med hjälp av höghastighetsgeneratorer

Vertical Wind. Vertical Wind kan idag offerera nyckelfärdiga 200kW system i parker om 1-5 vindkraftverk per ställverk.

Höga torn för vindkraftverk

Sammanfattning hydraulik

Module 6: Integrals and applications

V90-1,8 MW & 2,0 MW Bygger på erfarenhet

KTH MMK JH TENTAMEN I HYDRAULIK OCH PNEUMATIK allmän kurs kl

Vindkraft. Sara Fogelström

Vindkraft. Sara Fogelström

Bilaga 23 Kompletteringar till MKB Ha lsingeskogens vindkraftpark

WindPRO version jan 2009 Project:

Bernoullis ekvation Rörelsemängdsekvationen Energiekvation applikationer Rörströmning Friktionskoefficient, Moody s diagram Pumpsystem.

Urban Vindkraft i praktiken

Theory of turbo machinery / Turbomaskinernas teori. Dixon, chapter 9. Hydraulic Turbines

Övningstentamen. Syfte med tentamen

LJUD. fall -beräkning.

ENKLAV utbildning Vindkraftsutbildning. Vindkraftsutbildning. Vindkraftsutbildning. Projektet Varför bygger vi?

Bättre logistik och vindkraft i kallt klimat

4.3 Stokastiska variabler (slumpmässiga variabler) 4.4 Väntevärde och varians till stokastiska variabler

VINDAR, VINDENERGI OCH VINDKRAFTVERK LATORP

Ökad konsumtion Minskat beroende av import Utbyte av föråldrade anläggningar

Vindkraft, innehåll presentation

Mekanik FK2002m. Kraft och rörelse I

Why Steam Engine again??

Vindenergi. Holger & Samuel

WindPRO version feb SHADOW - Main Result. Calculation: inkl Halmstad SWT 2.3. Assumptions for shadow calculations. Shadow receptor-input

12.6 Heat equation, Wave equation

Mätosäkerhet och kundlaster

Vindkraft - Teknik och projektering Julien Gutknecht Origination, E.ON Vind Sverige AB Julien.Gutknecht@eon.

HYDRAULIK Rörströmning IV

Vindkraftens roll i omställningen av energisystemet i Sverige

Hittsjön. Vindkraftspark. Samrådsunderlag

S0005M, Föreläsning 2

V90-3,0 MW Banar vägen till högre effekt

Module 1: Functions, Limits, Continuity

BEETLE BASIC EKONOMISK LÖSNING STABIL PRESTANDA

HYDRAULIK Rörströmning IV

Vindkraftverkens teknologi Patrik Holm, CTO Mervento MERVENTO

Regional satsning på småskalig vindkraft i sydöstra Sverige inom Nätverk för vindbruk

WindPRO version aug 2008 Printed/Page :22 / 1. SHADOW - Huvudresultat. Öringe uppdaterad

S0005M. Stokastiska variabler. Notes. Notes. Notes. Stokastisk variabel (slumpvariabel) (eng: random variable) Mykola Shykula

-Miljökonsekvensbeskrivning för uppförande av vindkraftverk på Sandskär

Allmänna anvisningar: Del A och B: För att påskynda rättningen skall nytt blad användas till varje ny del.

WORKSHOP: EFFEKTIVITET OCH ENERGIOMVANDLING

Dokumentnamn Produktionsberäkningar, Alternativ utformning - alternativ placering Bilaga 8 till MKB för Ödmårdens Vindkraftpark Datum

Regionala Närningslivet & Siemens

2. Förklara vad en egenfrekvens är. English: Explain what en eigenfrequency is.

V MW. En vindturbin som passar hela världen. vestas.com

Viktig information för transmittrar med option /A1 Gold-Plated Diaphragm

A QUEST FOR MISSING PULSARS

Vindforsk IV update of ongoing projects

Resultat. Datum: Projektnummer: Projektnamn: Ljudimmissionsberäkning vindkraftpark Lönnstorp Kund: HS Kraft AB

Dali Urban DEN MEST INNOVATIVA TURBIN DESIGNEN

Bromsar Remväxlar. Broms förhindrar rörelse - koppling överför rörelse

Bilaga 3A - Ljud. Layout B. 16 st Gamesa G128, 4,5 MW Totalhöjd 150 meter

Bilaga 3A - Ljud. Layout A. 17 st Senvion M122, 3 MW Totalhöjd 150 meter

Ger vindkraften någon nytta?

Isens inverkan på vindkraftsvingar

söndag den 11 maj 2014 Vindkraftverk

STORSEMINARIET 3. Amplitud. frekvens. frekvens uppgift 9.4 (cylindriskt rör)

Vågkraft. Verification of Numerical Field Model for Permanent Magnet Two Pole Motor. Centrum för förnybar elenergiomvandling

Vindkraftteknik F1. Disposition. Varför vindkraft

Effektivare lågtryckskompressor - med flera användningsområden

VINDENERGI Dan Inborr Mathias Björk Högskolen I Östfold, Elektro Energiteknikk,

Slutrapport av projektet moment och varvtalsstyrning av vindkraftverk

BULLERMODELLERING MELUMALLINNUS. Alt 2B / VE 2B. Vestas V126 x 28 x hh137m

BULLERMODELLERING MELUMALLINNUS. Alt 1 / VE 1. Vestas V126 x 33 x hh137m

TENTAMEN I TURBOMASKINERNAS TEORI

TMT Maskinvaruhus AB Södra Skeppsbron GÄVLE 126 : 1

Resultat Sida 1/7. Vindkraftpark Ögonfägnaden Siemens SWT MW 107 dba

Klyvklingor / Ripping Blades.

FIX LED-LYSRÖRSARMATUR MED AKRYLKÅPA IP44

Kurskod: TAMS28 MATEMATISK STATISTIK Provkod: TEN1 05 June 2017, 14:00-18:00. English Version

Företagsnamn: Grundfos Skapad av: Magnus Johansson Tel: +46(0) Datum:

TENTAMEN I TURBOMASKINERNAS TEORI (lätt modifierat)

HYDRAULIK Rörströmning I

BILAGA 5 LIITE 5. Fotomontage och synlighetsanalys Valokuvasovitteet ja näkymäanalyysi

Kurskod: TAIU06 MATEMATISK STATISTIK Provkod: TENA 31 May 2016, 8:00-12:00. English Version

Horisontella vindkraftverk 1,25-3,6 MW

Bruksanvisning Konvektorelement 99106

Vindkraftsprojekt Laxåskogen i Laxå & Askersunds kommun, Örebro län

Beijer Electronics AB 2000, MA00336A,

Bilaga 5 Fördelar med tillstånd utan fasta positioner

SKELLEFTEÅ KRAFTS VINDKRAFTSSATSNINGAR DÅTID, NUTID OCH FRAMTID

Lisebergs och Örby Slott Villaförening: val av solcellsleverantör

Printed/Page :41 / 1

UTM WGS84 Zon: 33 VKV typ Skuggdata Öst Nord Z Raddata/Beskrivning Giltig Tillverkare Typ-generator Effekt, Rotordiameter Navhöjd Beräkning RPM

Göran Sidén är lektor i elkraftteknik vid Högskolan i Halmstad. Som studierektor har han ansvarat för att utveckla en ingenjörsutbildning helt

SVENSK STANDARD SS-ISO :2010/Amd 1:2010

FIX LED-LYSRÖRSARMATUR MED AKRYLKÅPA IP44

Vindkraft och miljö. Vindkraftens miljöpåverkan ur ett livscykelperspektiv och vikten av ett helhetsperspektiv

säkerhetsutrustning / SAFETY EQUIPMENT

2.1 Installation of driver using Internet Installation of driver from disk... 3

Från global utblick till situationen i (Väst-) Sverige

Transkript:

Theory of turbo machinery / Turbomaskinernas teori Dixon, chapter 10 Wind Turbines

Take care your worship, those things over there are not giants but windmills. (M. Cervantes, Don Quixote.)

Wind Turbines Todays topics Wind and windpower; why, where and how much Types of turbines Theory Example

Vind Uppskattningsvis 1 till 3 % av energin från solen som tillförs jorden omvandlas till vindenergi. Detta är omkring 50 till 100 gånger mer än vad som via fotosyntes omvandlas till biomassa av alla växter på jorden. Det mesta av vindenergin finns på hög höjd där kontinuerliga vindhastigheter på 160 km/h förekommer. Till slut omvandlas energin via friktion till värme längs hela jordytan och i atmosfären. Wiki

Globala luftströmmar Alvarez

Sjö och landbris Alvarez

Medelvind i norra Europa

Terrängens inflytande Wizelius

Statistisk beskrivning Frekvensfördelningar: Weibull f k 1 k k x x σ σ σ ( x) = exp ( ) Rayleigh f ( x) = x exp ( 2 x ) 2 2 σ 2σ Dvs Weibull m. k = 2 Wizelius

Hur mycket kraft? Wizelius

Hur mycket kraft? USA: Large turbines Long experience Europe: Most installed power Asia: Coming

Vad sätter begränsningarna? Varför har vi inte mycket mer vindkraft?

Types of Wind Turbines Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) or Darrieus turbine

Types of Wind Turbines Horisontal Axis Wind Turbine (HAWT) totalhöjd 62-72m rotordiameter 44m navhöjd 40-50m Produktionskostnad: ~ 6 Mkr Vid 10 m/s: 3 2 3 PTeoretiskt = ρau0 2 = 1.2 πd 4 10 2 912kW I verkligheten under hälften av detta Varför så få blad? Blåser vinden inte bara rätt igenom?

Wind Turbines Ny Teknik: 8 steg mot vindkraft http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article416058.ece Så här sätter du upp ett vindkraftverk 1. Kontrollera vindförhållandena där du bor med Energimyndigheten. 2. Räkna ut den årliga energi-produktionen med hjälp av ditt verks effektkurva och vindhastigheten över året. 3. Gör en ekonomisk kalkyl för att se om det lönar sig. 4. Sök bygglov i din kommun. Olika regler gäller för olika kommuner. 5. Sök inkopplingstillstånd hos din elnätsägare. 6. När bygglov och tillstånd är beviljade - beställ verket. 7. Installera och anmäl till din elnätsägare att allt är klart för drift. 8. När du fått ditt tillstånd, låt en behörig installatör koppla in verket och kör.

Dip.-Ing. Dr. Albert Betz Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen Theory Göttingen, Vandenhoek & Ruprecht 1926 Reprint: ÖKO-Buchverlag, Kassel, 1982

Assumptions: Single stream tube analyses Steady uniform flow, upstream and at the disc. No flow rotation produced by disc Flow contained by stream tube Incompressible flow c x1 c x 2 c x 3

Axiellt inflöde, roterande utflöde

Wind Turbines Fig 10.10, Schematic drawing of the vortex system convecting downstream of a two-bladed wind turbine rotor

Single stream tube analyses Mass flow m = ρc A 2x 2 Axial force X = mc ( x1 cx3) Disk power = = ( ) P Xc m c c c x2 x1 x3 x2 Energy loss of the wind ( 2 2 P ) W = m cx cx P Setting : W = P 1 3 2 ( ) ( 2 2 ) ( ) x1 x3 x2 = x1 x3 x2 = x1+ x3 mc c c mc c 2 c c c 2

Axial flow induction factor 2 Rewriting power P = mc ( c ) c = ρ Ac ( c c ) c = 2c c the power becomes Using x3 x2 x1 x1 x3 x2 2 x2 x1 x3 ( 2 ) 2ρ ( ) P = ρac c c + c = Ac c c 2 2 2 x2 x1 x2 x1 2 x2 x1 x2 It is convenient to introduce an axial flow induction factor ( ) a = c c c x1 x2 x1 What does this mean? 3 2 x1 ( ) 2 P = 2aρ Ac 1 a

The power coefficient The total available power, P 0, in the upstream vind may be defined from maximum possible volume flow and maximum obtainable pressure drop Q = c A max x1 2 and maximum obtainable pressure drop Δ p = ρc x 2 2 max 1 Q p P Ac x 3 maxδ max = 2 0 = ρ 2 1 A power coefficient may now be defined: 3 2 x1 3 0 ρ Ac 2 x1 ( ) P 2aρ Ac 1 a CP = = = 4a 1 a P 2 2 ( ) 2

Wind Turbines Axial Force Coefficient: X CX = = 4a 1 a ρ Ac 2 2 2 x1 ( ) Power Coefficient: ( ) 2 C = 4a 1 a P CP,max = 16 27 @ a = 13

Optimum power coefficient Tip speed ratio J = ΩR C x1 Typical values in GT: < 1 (.5) Typical values WT: 5-10 Tip speeds still far from transonic J = ΩR C x1

Wind Turbines Limitations of the disc model: X CX = = 4a 1 a ρ Ac 2 2 2 x1 ( ) c 1 2 x3 = cx 1 a ( ) The exit velocity becomes 0 at a = 0.5 10.8. Comparison of theoretical curve and measured values of C X

Wind Turbines Fig 10.10, Schematic drawing of the vortex system convecting downstream of a two-bladed wind turbine rotor

Wind Turbines Power output range

Types of Wind Turbines Horisontal Axis Wind Turbine (HAWT) totalhöjd 62-72m rotordiameter 44m navhöjd 40-50m Produktionskostnad: ~ 6 Mkr Vid 10 m/s: P Ac D 3 2 3 0 = ρ 3 2= 1.2π 4 10 2 912kW P = CPP0 = 16 27 912 503 kw Till detta kommer turbinens normala verkningsgrad, mekaniska förluster, generatorns vekningsgrad mm.

Wind Turbines Wind induction factor Directly upstream Directly Downstream

Wind Turbines Effect of tip-speed ratio and number of blades Why choose 3 blades?

Stort diameter/nav förhållande Den resulterande vindhastigheten ökar som funktion av rotorradien. Därmed minskar den relativa vindens vinkel mot rotationsplanet ju längre ut på bladet man kommer. För att kompensera för detta kan bladprofilen torderas (vridas).

Svårigheter Vänstra figuren: Det blåser mer på övre delen av turbinen (gränsskikt mot jorden). Vid passage av masten reduceras kraften ytterliggare =>svängningar och utmattningsproblem Högra figuren: Av samma skäl uppstår ett moment kring tornet som vill vrida rotorn ur vindriktning

Vestas V90-3.0 MW Vestas V90-3.0 MW

Vestas V90-3.0 MW Vestas V90-3.0 MW

Vestas V90-3.0 MW Vestas V90-3.0 MW

Vestas V90-3.0 MW Rotor Diameter: 90 m Area swept: 6,362 m2 Nominal revolutions: 16,1 rpm Operational interval: 8.6-18.4 rpm Number of blades: 3 Power regulation: Pitch/OptiSpeed Air brake: Full blade pitch by three separate hydraulic pitch cylinders Tower Hub height: 80 m, 105 m Weight Nacelle: 70 t Rotor: 41 t Towers: Hub height: IEC 80 m 160 t - - 160 t 105 m - 285 t 235 t -

Vestas V90-3.0 MW Operational data Cut-in wind speed: 4 m/s Nominal wind speed: 15 m/s Cut-out wind speed: 25 m/s Generator Type: Asynchronous with OptiSpeed Rated output: 3,000 kw Operational data: 50 Hz 1,000 V Control Type: Microprocessor-based control of all the turbine functions with the option of remote monitoring. Output regulation and optimisation via OptiSpeed and OptiTip pitch regulation.

Wind Turbines Rotor Diameter: 90 m Area swept: 6,362 m2 Nominal revolutions: 16,1 rpm Operational interval: 8.6-18.4 rpm Number of blades: 3 Power regulation: Pitch/OptiSpeed Air brake: Full blade pitch by three separate hydraulic pitch cylinders Tower Hub height: 80 m, 105 m Vestas V90-3.0 MW

Example LANDSORT Landsort 0.14 probability density function 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 5 10 15 20 25 30 wind speed (m/s) measured data

Wind Turbines Landsort probability density function 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 measured data Rayleigh 5 distribution Rayleigh distribution: 2 u u exp 2 2 σ pu ( ) = 2 σ σ där är en konstant 0 0 5 10 15 20 25 30 wind speed (m/s)