Vindkraftteknik Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: tentamen 41No1B En2, En3 7,5 högskolepoäng Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student) Tentamensdatum: 2012-03-14 Tid: 9-13 Hjälpmedel: Räknare. Nödvändig formelsamling bifogas. Totalt antal poäng på tentamen: 50 För att få respektive betyg krävs: 3= 20 p; 4= 30p; 5= 40p Allmänna anvisningar: Del A och B: För att påskynda rättningen skall nytt blad användas till varje ny del. Del C: Svaren skrivs under varje fråga på tentamensbladen. Nästkommande tentamenstillfälle: Omtentamensperioden i augusti Rättningstiden är i normalfall tre veckor, annars är det detta datum som gäller: Viktigt! Glöm inte att skriva namn på alla blad du lämnar in. Lycka till! Ansvarig lärare: Peter Therning Telefonnummer: Anknytning 4621 Del A 1
Uppgift 1 Under 2011 byggdes det mer vindkraft än någonsin tidigare och Sverige kom på en 10:e plats på den globala listan över nyinstallerad vindkraft under förra året. 1a) Hur många MW vindkraft nyinstallerades i Sverige under 2011? (1p) 1b) Vad var den samlade installerade produktionskapaciteten (i MW) för samtliga svenska vindkraftverk vid årets slut 2011-12-31? (1p) 1c) Tillväxten i installerad effekt för 2011 var mycket stor, hur stor då? Svara i % av installerad effekt 2010-12-31 (1p) 1d) Hur många TWh elenergi producerades under 2011 av samtliga svenska vindkraftverk? (1p) 1e) Hur stor del (i %) av den svenska elförbrukningen utgjorde vindenergiproduktionen 2011 om vi sätter den total svenska elförbrukningen till ca 150 TWh under samma period? (1p) Uppgift 2 Ett vindkraftverk består av många olika delar och begrepp. 2a) Rita en skiss där du förklarar tornhöjd, navhöjd, totalhöjd, rotordiameter och svepyta. (1p) 2b) De flesta vindkraftverk som installerades under 2011 hade en generatoreffekt mellan 2 och3 MW. Medeleffekten för alla installerade verk förra året var 2,13 MW dvs det stora antalet verk hade en generatoreffekt på 2 MW. Ungefär vilka mått (enligt (2a)) har ett vindkraftverk med märkeffekten 2 MW? (1p) 2c) Förklara begreppen startvind, märkvind, stoppvind och överlevnadsvind. (1p) 2d) Ett optimalt utformat vingblad måste torderas, förklara varför och gärna med en skiss. (1p) Uppgift 3 Vi vet att vindens effekt ökar med kuben på vindhastigheten. Det måste alltså finnas tekniska system för att begränsa uteffekten från vindkraftverken. Om tillverkarna inte bygger in effektbegränsning skulle vindkraftverken blåsa sönder och generatorerna brinna upp. 3a) Nämn minst två principer som används för effektreglering av vindkraftverk och förklara den principiella skillnaden. (1p) 3b) En av dessa effektregleringsprinciper (i 3a) används numera uteslutande för stora MWverk; vilken princip avses och varför måste tillverkarna använda den, förklara? (1p) 3c) För att vindkraftverken skall uppnå största möjliga verkningsgrad använder sig tillverkarna av variabelt varvtal. Förklara varför och förklara även begreppen löptal och effektkoefficient för en turbin. (1p) 3d) Beskriv de olika tekniska lösningar (minst tre olika metoder) som tillverkarna tillämpar för variabelt varvtal; rita och förklara och beskriv för- och nackdelar. (1p) 3e) Vad innebär direktdrivet vindkraftverk? Förklara och beskriv för- och nackdelar. (1p) Uppgift 4
Dagens vindkraftverk har nu nått hög mognadsgrad, de uppfyller internationella säkerhetskrav, de har höga prestanda och de tillverkas i stora serier med hög kvalité. För att ytterligare öka konkurrensen mot den billiga fossila energin måste produktionspriset/kwh sänkas. Den största kinesiska tillverkaren Sinovel har just installerat de två första 3 MWverken i Europa just i Sverige för en total investeringskostnad på 84 miljoner kronor och med beräknad årsproduktion på 15 GWh för båda verken tillsammans. 4a) Beräkna nyckeltalen för detta 3 MW-verk med rotordiametern 112 m och jämför med nyckeltalen för ett vanligt 2 MW-verk med rotordiameter 82 m, en årsproduktion på 4 500 000 kwh och med en total investeringskostnad på 31,5 miljoner kronor. (2p) Energi per svepyta Energi per effekt Kapacitetsfaktor Fullasttimmar Kostnadseffektivitet 4b) Nu vill vi i exemplet ovan (4a) beräkna de båda verkens produktionskostnad/kwh med hjälp av payoff-metoden och vi vill jämföra de båda verkens produktionskostnad/kwh om förutsättningen är att payoff-tiden skall vara 10 år. Vad blir då produktionskostnaden/kwh för de båda verken om driftskostnaden 10 öre/kwh är lika för de båda verken under hela payofftiden? (1p) 4c) Om vi med samma förutsättningar som i 4a och 4b istället accepterar att payoff-tiden får vara 15 år, vad blir produktionskostnaden/kwh då? (1p) Uppgift 5 I ett skogklätt område har man monterat en vindmätare i en mobilmast på 30 m höjd över marken och mätt upp en medelvindhastighet på 4,5 m/s. Terrängen kring masten är omväxlande platt till starkt kuperad med dungar och låg skog på ca 20 m höjd och råhetsklass mellan 2 och 3. 5a) Beräkna den årliga energimängd som kan utvinnas från en ideal turbin med diametern 82 m och navhöjd 95 m. (3p) 5b) Om ett vindkraftverk med 82 m rotordiameter skulle producera 5 500 MWh/år på denna plats, hur stor del av den fria vindens energiinnehåll kan i så fall detta vindkraftverk omvandla till elektrisk energi? (1p) Motivera de antaganden som du gör för att lösa uppgiften och använd exponentiell modell för höjdberoendet. Uppgift 6 Terrängens utseende och markens beskaffenhet påverkar vindens hastighet på olika höjd. Ett vindkraftverk med 30 m navhöjd flyttas från det öppna platta landskapet med råhetsklass 1 nära kusten till ett skogklätt inland med råhetsklass 3. Man har mätt upp vindens medelhastighet på 10 m höjd. Beräkna hur mycket högre måste tornet byggas för att vindkraftverkets energiproduktion skall vara lika stor efter som före flytten? (3p) Motivera de antaganden som du gör för att lösa uppgiften och använd exponentiell modell för höjdberoendet. Formler, fakta och förutsättningar
För luftens densitet ρ använder vi 1,225 kg/m 3. För nollplansförskjutningen använder vi 75 % av skogens höjd (enligt MIUU-metoden). Exponenten α för exponentiell metod för höjdberoendet tas ur tabellen Råhetsklasser. Använd formfaktorn k = 2 i Weibullfördelningen. Råhetsklasser Råhets -klass Karaktär Terräng Gårdar Skog Relativ energi Exponente n α 0 Hav, sjöar, fjordar Öppet vatten -- -- 1,0 0,1 1 Öppet landskap med sparsam vegetation och bebyggelse 2 Landsbygd med en blandning av öppna ytor, vegetation och bebyggelse jämnt starkt 0-3 per -- 0,7 0,15 km 2 Upp till 10 -- 0,5 0,2 per km 2 3 Mindre tätorter eller landsbygd med många gårdar, dungar och lägivande hinder starkt Många gårdar > 10 per km 2 Låg skog 0,3 0,3 4 Större städer eller hög skog starkt Hög skog Övriga formler på sida 7 och 8 Formelblad i Övningar Vindkraft.
Del B. Börja svara på nytt blad. 1 Hur påverkas spänningsnivån i anslutningspunkten för ett vindkraftsverk? För full poäng måste du rita ett enkelt enlinjeschema innehållande en matande generator, en ledning, ett anslutet vindkraftverk och en last (ansluten i samma punkt som vindkraftverket) och utifrån detta schema beskriva hur och varför spänningen påverkas i anslutningspunkten. (3p) 2 Beskriv kortfattat hur det svenska kraftnätet är uppbyggt från produktion till förbrukning. Namnge de olika spänningsnivåerna. Var i denna kedja brukar vindkraftverken anslutas? (3p) 3 Förklara kortfattat vad som menas med elkvalitetsfenomenet flimmer. Varför uppstår flimmer och vilken olägenhet skapar detta? Nämn två typiska utrustningar som kan skapa flimmer. (2p) 4 Vad menas med baskraft, reglerkraft och spetskraft? Vilken av dessa tre är det speciellt viktigt att ha tillgång till i kraftnät där vindkraftverk står för viss del av elproduktionen? Vad fyller den för funktion? (1p) 5 Vilken svensk myndighet har det övergripande ansvaret för att det svenska kraftsystemet fungerar tillfredsställande? (1p)
Del C På del C ska du inte svara på lösa svarsblad. Skriv i stället dina svar på tentamensbladet under varje fråga. Behöver du mer plats att skriva på kan du skriva på baksidan av bladet. Skriv Vänd i så fall. 1. Enligt PBL och MB får inte vindkraftverk lokaliseras så att de står i konflikt med motstående intressen. Ge sex olika exempel på sådana motstående intressen. Observera att du ska skriva enstaka ord, inga långa beskrivningar. (6x0,5=3p) ex 1 ex 2 ex 3 ex 4 ex 5 ex 6 2. Beskriv de två huvudsakliga syftena med samråd. (2p) syfte 1 syfte 2 3. Vilka två olika kommunala plandokument har sk. rättsverkan dvs. är juridiskt bindande? (Byggnadsnämnden får inte ge bygglov om det strider mot dessa plandokument.) (2x0,5p=2p) I II
4. Beskriv gången i ett överklagande av ett bygglov. Nämn vilka myndigheter som handlägger överklagan och ge kommentarer. (5p) 5. Fyll i det som fattas, ett ord på varje understrykning : (6x0,5=3p) En MKB är dels en med, dels ett som beskriver och. Målet med en MKB är att minimeras.