Transcript Vinden som resurs samt funktionen hos ett vindkraftverk (pdf)

Varför blåser det och hur mycket
energi finns det i vinden
Agenda
•
•
•
•
•
Globala cirkulationer – konceptuell modell
Krafter som påverkar luftens rörelse
Vinden som resurs
Energiutvinning
Rotorbladet
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Global cirkulation
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Global cirkulation
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Global cirkulation
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Global cirkulation
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Global cirkulation
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Krafter som påverkar luftens rörelse
Tryckgradient kraft
500 mb
600 mb
700 mb
Nordpolen
800 mb
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
30˚N
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Sjöbris
960mb
970mb
Hav
980mb
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Land
Krafter som påverkar luftens rörelse
•
•
•
•
Tryckgradientkraften
Corioliskraften
Centrifugalkraften
Friktion
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Tryckskillnader ger upphov till en tryckgradientskraft
(PGF)
1010 mb
L
TGK
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
H
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Corioliskraften
– Många myter och missuppfattningar kring corioliskraften
– Skakandes hand med läraren är de försiktigt
ledda på en smal landgång över den
gapande klyftan mellan den statiska och den roterande
referensramen, rädd för att titta
ner i det kalla svarta vattnet mellan
dockan och fartyget. Väl i säkerhet ombord är många villiga att
acceptera tanken på en Coriolis kraft, mer eller mindre i blind
tro, övertygad om att andra har härlett den nogrant. Vissa väljer
att aldrig titta över fartygets reling igen.
(Stommel och Moore 1989).
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Krafter som påverkar luftens rörelse
CoF
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Centrifugalkraft
CfK
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Friktionskraft
FKFK
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Lägga ihop krafterna
– Geostrofisk balans och Geostrofisk vind
TGK
CoK
L
H
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Lägga ihop krafterna
– Geostrofisk balans och Geostrofisk vind
– Gradientvind
Subgeostrofisk
H
CoK
TGK
CfK
Supergeostrofisk
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
L
TGK
CoK
CfK
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Lägga ihop krafterna
– Geostrofisk balans och Geostrofisk vind
– Gradientvind
– Gulberg-Mohn Balansen
FK
FK
CoK
FK
FK
H
TGK
CfK
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
L
TGK
CoK
CfK
Krafter som påverkar luftens rörelse
• Luftens stabilitet
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
• Mäta vinden på platsen minst 1 år
– Lägst
– Medel
– Högst
7,8 m/s
8,3 m/s
9,2 m/s
93%
100 %
110 %
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
• Mäta vinden på platsen minst 1 år
– Lägst
– Medel
– Högst
8,1 m/s
8,3 m/s
8,5 m/s
97%
100 %
102%
• Två tioårsperioder kan
variera ca 0,4 m/s
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
• Mäta vinden på platsen minst 1 år
• Korrelera vinden mot en känd vindmätning
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
• Det räcker inte att veta medelvinden för att kunna
bedöma hur mycket energi ett vindkraftverk kommer att
producera
Vindfrekvensfördelning
1000
900
Timmar/år
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Vindhastighet m/s
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
• Exempel
– Plats 1, blåser det alltid 6 m/s.
– Plats 2, är det halva tiden vindstilla och halva tiden blåser det 12
m/s
– Samma medelvind men på vilken plats innehåller vinden mest
energi?
• Plats 1 ca 1183 kWh/m2 och år
• Plats 2 ca 4730 kWh/m2 och år
– Formel för effekten i strömmande luft:
1
P = ρAv 3
2
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
• Andra faktorer
– Turbulens
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
• Andra faktorer
– Turbulens
– Topografin spelar roll
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vinden som resurs
• Andra faktorer
– Turbulens
– Topografin spelar roll
– Råheten i närområdet
kring vindkraftverket
Height
100 - 1000 m
hav
slätt
skog
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Wind speed
Energiutvinning
•
Bet’z limit 16/27 ca 59%
m = ρAv
A1
U∞
A2
U2 2/3 U∞
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
A3
U4 1/3 U
∞
(U∞)
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Rotorbladet
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Rotorbladet
Axiell vindriktning
Rotationsplan
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Rotorbladet
r=R
”Fartvind”
”Relativ vind”
Urel
Rotationsplan
Axiell vindriktning
Vind
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
r=R/2
Rotorbladet - Krafter
Rotationsplan
FL
FRot
FRes
FThrust
Axiell vindriktning
FD
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Rotorbladet - Krafter
α
Rotationsplan
Axiell vindriktning
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Rotorbladet - Stall
α
α
α
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Rotorbladet - anfallsvinkel
r=R
Rotationsplan
α
Axiell vindriktning
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
r=R/2
Rotorbladet - anfallsvinkel
r=R
α
Rotationsplan
α
Axiell vindriktning
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
r=R/2
Rotorbladet - Löptal λ
Löptalet λ definieras som:
λ=
U tip
U∞
För optimal prestanda är löptalet runt 7 för en
trebladig turbin.
α
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Rotorbladet-Stall
Vid konstant varvtal ökar anfallsvinkeln vid ökad
Vindhastighet
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
α
Paus
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Vindkraftverk
Så funkar det
Agenda
• Översiktligt (olika modeller vertikal/horisontell)
• De olika koncepten
– Generatorer
– Växellådor
• Effektreglering (pitch/stall)
• Utvecklingen frammåt
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Typer av vindkraftverk
• Olika typer av vindkraftverk
– Savonious rotor
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Typer av vindkraftverk
• Darrieus -rotor
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Typer av vindkraftverk
• Vertical Wind
– 4 st 200 kW turbiner
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Typer av vindkraftverk
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Typer av vindkraftverk
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Typer av vindkraftverk
• Verkningsgraden hos olika vindkraftverk
Three bladed
Two bladed
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Effektreglering
• Effekten måste regleras när turbinen når märkeffekt
• Kan göras på två sätt
– Stall reglering
– Pitch reglering
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Effektreglering - Stall
• Passiv stall
– Bladen fast infästa i navet en fix vinkel, går ej att vrida
α
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Effektreglering - Stall
• Passiv stall
– Bladen fast infästa i navet en fix vinkel, går ej att vrida
α
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Effektreglering - Stall
• Passiv stall
– Bladen fast infästa i navet en fix vinkel, går ej att vrida
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Effektreglering - Stall
• Aktiv stall
– Bladen vridbara
α
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Effektreglering - Stall
• Aktiv stall
– Bladen vridbara
α
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Effektreglering - Pitch
• Pitch
– Bladen är vridbara i navet. Ofta individuellt vridbara
α
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Effektreglering - Pitch
• Pitch
– Bladen är vridbara i navet. Ofta individuellt vridbara
α
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
α
Olika koncept - Generatorer
Växel
-låda
Grid
Asynkron
Synkron
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Olika koncept - Generatorer
• Asynkrongeneratorn
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Det danska konceptet
• Konstant varvtal, växellåda och asynkron generator
Växel
Grid
Asynkron
Soft-starter
Capacitor bank
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Det danska konceptet
• Konstant varvtal, växellåda och asynkron generator
– OptiSlip, Vestas
Växel
Grid
Asynkron
Soft-starter
Capacitor bank
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Det danska konceptet
Partiell frekvensomvandlare
Fullskalig frekvensomvandlare
Växel
Grid
Asynkron
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Det danska konceptet
Fullskalig frekvensomvandlare
Växel
Grid
Asynkron
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Det danska konceptet
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Direktdrift och synkrongeneratorn
Stator windings
Brushes
Magnets
Stator
Rotor
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Direktdrift och synkrongeneratorn
Fullskalig
frekvensomvandlare
Växel
Grid
Synkron
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Direktdrift och synkrongeneratorn
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Kompromiss – Multibrid
• Kompromiss, (en)- eller tvåstegs planetväxellåda och
permanentmagnetiserad asynkron generator
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK
Nytt och trendigt inom vindkraften
• Direktdrift, hälften av de stora leverantörerna har
direktdrift nu
• Individuell bladvinkelsreglering, minskar lasterna med
30%
• Relativt sett billigare turbinblad leder till större rotorer
• Torn i betong, hybridtorn, trä?
• Skarvar på bladen för att underlätta transporter
• Mäta vinden framför verket
NÄTVERKET FÖR VINDBRUK