Staffan Engström. Vindforsk seminarium Vattenfall 15 juni 2010

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

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_

Resultat i sammanfattning rätt tänkt!

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 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

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

Vinddata och navhöjder Navhöjder, medelvind d och produktion. Vindgradient 0,33 Navhöjd Medelvind Produktion MWh m m/s 3 MW 5 MW 80 5,67 5 000 7 945 100 6,2 6 328 10 070 125 6,75 7 770 12 392 150 7,22 9 016 14 411 175 7,64 10 100 16 178 Dubblad höjd ger dubblad produktion_

Beräkningssätt Följer IEC 61400-1 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)_

Installationsmetoder: 1. Mobilkran Dominerar helt idag Ekonomisk Upp till 125-150150 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.

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

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_

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_

Svetsat rörtorn 3 MW - kostnadsfördelning

Svetsat rörtorn 3 MW Hur begränsning av basdiametern påverkar vikt och godstjocklek Navhöjd 150 m 175 m Max 4,5 m diameter Vikt, ton 610 - Gods, mm 75 - Fritt vald diameter, m 5,8 6,0 Vikt, ton 551 724 Gods, mm 43 46

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

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

Rörtorn med friktionsförband 3 MW

Rörtorn med friktionsförband 5 MW

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_

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

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

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

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

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.

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

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_

Sammanfattning av resultaten 3 MW

Sammanfattning av resultaten 5 MW

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

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

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