Презентація на тему:
Вітроенергетика Огляд

Вітроенергетика Огляд Як саме воно Працює & Як воно НЕ Працює (і що при тім робити слід/варт) професор Богдан І. Стадник -2010- Інститут Комп’ютерних технологій, Автоматики та Метрології Національний університет "Львівська політехніка"

Wind Turbine basics Як саме воно Працює & Як воно НЕ Працює (і що при тім робити слід/варт) Інститут Комп’ютерних технологій, Автоматики та Метрології Національний університет "Львівська політехніка" професор Богдан І. Стадник -2010- Вітроенергетика -- Огляд

1 Вітроенергетика. Основні терміни 2 Вітрові турбіни 2.1 Типи вітрових турбін 2.1.1. Горизонтально–осьові турбіни 2.1.2. Вертикально–осьові турбіни 2.2 Будова вітроенергетичної установки 3 Системи регулювання у вітрових турбінах 3.1 Методи регулювання потужності 3.2 Методи регулювання швидкості 3.2.1. Регулювання швидкості типу А: фіксованої швидкості 3.2.2. Регулювання швидкості типу В: обмеженої змінної швидкості 3.2.3. Регулювання швидкості типу С: змінної швидкості з частково-масштабованим частотним перетворювачем 3.2.4. Регулювання швидкості типу D: змінної швидкості з повномасштабним частотним перетворювачем 4 Генератор. Основні поняття 4.1 Асинхронний (індукційний) генератор (ІГ) 4.1.1. Індукційний генератор з короткозамкненим ротором (КЗІГ) 4.1.2. Індукційний генератор з фазним ротором (ФРІГ) 4.1.3. Індукційний генератор з OptiSlip (ОКІГ) 4.1.4. Індукційний генератор подвійного живлення (ПЖІГ) 4.2 Синхронний генератор (СГ) 4.2.1. Синхронний генератор з фазним ротором (ФСГ) 4.2.2. Синхронний генератор з постійним магнітом (МСГ) 4.3 Перспективні типи генераторів 4.3.1. Генератори високої напруги (ВНГ) 4.3.2. Генератор перемикання магнітного потоку (ПМПГ) 4.3.3. Генератор поперечного потоку (ППГ) 5 Силова електроніка для вітрових турбін 5.1 Плавний пускач 5.2 Батарея конденсаторів 5.3 Випрямлячі та інвертори 5.4 Частотний перетворювач Додаток А Додаток Б Додаток В Додаток Г

Характерною прикметою сучасної енергетики України є рух в напряму розвитку екологічно чистої енергетики на основі нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії. Досить швидким темпам її розвитку сприяє науковий та практичний доробок в цій галузі, набутий на протязі останніх 20 років. В останній час нетрадиційна енергетика отримала визнання з боку державних органів влади, в результаті чого підготовлено та прийнято ряд державних програм і поправок до законів про енергетику, що створює сприятливі умови як для впровадження і експлуатації вже розробленого обладнання нетрадиційної енергетики, так і розвитку нових енерготехнологій та устаткування.

Розвиток відновлювальної енергетики для України не менш важливий, ніж для країн Європейського Союзу. Спільною для нас є обмеженість власної сировинної бази щодо газу і нафти та залежність від поставок цього органічного палива з зовнішніх джерел. Однак такі поставки для європейських країн диверсифіковані. Україна ж залежить виключно від однієї країни-постачальника — Російської Федерації. Друга особливість нашої економіки — велика питома вага у структурі валового внутрішнього продукту енергоємних галузей: металургії, хімії, виробництва цементу та інших, що робить економіку України ще більш енерговразливою.

Директива Європейського Союзу від 27 вересня 2001 року вимагає від країн-членів встановити національні індикативні цільові показники споживання електроенергії, виробленої з відновлювальних джерел, та формулює завдання досягти 12% валового внутрішнього споживання за рахунок такої електроенергії до 2010 року.

В Україні є значні ресурси більшості відомих на сьогодні видів ВНДЕ. Але реальні передумови: технічна спроможність і необхідний науковий потенціал існують на двох напрямах — це використання енергії вітру та енергії малих річок. За даними НАН України, розбудова малої гідроенергетики може дати країні до 4 млрд. кВт•год, а вітроенергетики — 30—45 млрд. кВт•год електроенергії на рік. Освоєння цього значного потенціалу в Україні, можна сказати, ще не почалося. До речі, саме вітроенергетика в останні 10—15 років інтенсивно розвивається в Європі, США та багатьох країнах Азії і, по суті, є основним напрямом освоєння ВНДЕ у світі.

Уже на той час західноєвропейські країни, зокрема Данія та Німеччина, мали солідні результати у розвитку вітроенергетики. Їх досвід показував, що успіх великою мірою залежить від державної підтримки. По-перше, ВЕУ — це досить складні у технічному відношенні агрегати, більшість вузлів яких потребує створення спеціалізованих виробництв та значних інвестицій. По-друге, попри очевидні переваги ВЕУ як генераторів, що працюють без палива, навіть у Європі вони не витримували конкуренції з тепловими, атомними і тим більше гідроелектростанціями через високу ціну виробленої ними електроенергії. Вони не вироблялися серійно, а одинична потужність навіть промислових ВЕУ була дуже малою. Не на користь вітроенергетики були і відносно невисокі на той час ціни на органічне та ядерне паливо. В Україні потенційна конкурентоспроможність вітроенергетики тоді була ще меншою.

.

Вітроенергетика В Україні промислове освоєння енергії вітру розпочалося на початку дев’яностих років минулого століття з ініціативи нечисленних ентузіастів. У той період економіка країни переживала далеко не найкращі часи. У наявності був весь кризовий набір: галопуюча інфляція, глибокий спад виробництва, величезна армія безробітних і бартерні схеми розрахунків. Якогось впливу на паливно-енергетичний баланс країни у коротко- чи середньостроковій перспективі від цієї ініціативи не очікували. Разом з тим розвиток цього напрямку енергетики міг дати хоч якусь роботу підприємствам військово-промислового комплексу, більшість з яких на той час не мали замовлень. Тому цю ініціативу підтримало Міністерство промислової політики України, у підпорядкуванні якого перебували заводи, що потенційно могли виготовляти вітроенергетичні установки (ВЕУ).

Кліматична карта України Привертає увагу менша кількість шилей (цифри у колі) у центральних регіонах (Полтава)

Вартість опалення різними видами палива. Для розрахунку ми взяли середні вартості різних видів палива та ккд найпоширеніших опалювальних пристроїв . В розрахунку взята тільки вартість палива, без вартості опалювальних пристроїв, дозволів на підключення (газу) і т. д. http://frankeko.com.ua/information.php?page=ek&subpage=inform8 Вид палива та нагрівального пристрою Одиниця вимі- рювання Вартість палива Тепло-творна влас-тивість палива ККД Нагріва-льного пристрою отримане тепло Ціна одного кВт тепла од грн/од кВт/од % кВт/од грн Вугілля Твердопаливний котел тона 600 5180 70 3626 0.16 Дрова Твердопаливний котел м.куб 100 1500 0,4 600 0.17 Піролізний котел м.куб 100 1500 0,86 1290 0.08 Газ для фізичних осіб при використанні до 2500 в рік газовий котел м.куб 0.483 8 0.8 6.4 0.08 при використанні до 6000 в рік газовий котел м.куб 0.732 8 0.8 6.4 0.12 Газ для юридичних осіб газовий котел м.куб 2.630 8 0.8 6.4 0.42 Дизпаливо Дизельний котел Тона 5500 10000 0.8 8000 0.69 Електроенергія для фізичних осіб . Звичайний облік Електродний котел кВт 0.24 1 0.98 0.98 0.25 Техумови на електроопалення Трьохтарифний облік Період - ніч .Електродний котел кВт 0.07 1 0.98 0.98 0.07 Період - пік .Електродний котел кВт 0.27 1 0.98 0.98 0.28 Звичайний облік Тепловий насос кВт 0.24 1 4,5 4,5 0.05 Техумови на електроопалення Тепловий насос кВт 0.187 1 4,5 4,5 0.04 Техумови на електроопалення Трьохтарифний облік Період - ніч .Тепловий насос кВт 0.07 1 4,5 4,5 0.015 Період - пік кВт 0.27 1 4,5 4,5 0.06 Період - день кВт 0.187 1 4,5 4,5 0.04 Електроенергія для Юридичних осіб. Звичайний облік Електродний котел кВт 0.7 1 0.98 0.98 0.72 Трьохтарифний облік Період - пік .Тепловий насос кВт 1.26 1 4,5 4,5 0.28 Трьохтарифний облік Період - день .Тепловий насос кВт 0.7 1 4,5 4,5 0.156

Вид палива та нагрівального пристрою Одиниця вимі- рювання Вартість палива Тепло-творна влас-тивість палива ККД Нагріва-льного пристрою отримане тепло Ціна одного кВт тепла од грн/од кВт/од % кВт/од грн Вугілля Твердопаливний котел тона 600 5180 70 3626 0.16 Дрова Твердопаливний котел м.куб 100 1500 0,4 600 0.17 Піролізний котел м.куб 100 1500 0,86 1290 0.08 Газ для фізичних осіб при використанні до 2500 в рік газовий котел м.куб 0.483 8 0.8 6.4 0.08 при використанні до 6000 в рік газовий котел м.куб 0.732 8 0.8 6.4 0.12 Газ для юридичних осіб газовий котел м.куб 2.630 8 0.8 6.4 0.42 Дизпаливо Дизельний котел Тона 5500 10000 0.8 8000 0.69 Електроенергія для фізичних осіб . Звичайний облік Електродний котел кВт 0.24 1 0.98 0.98 0.25 Техумови на електроопалення Трьохтарифний облік Період - ніч .Електродний котел кВт 0.07 1 0.98 0.98 0.07 Період - пік .Електродний котел кВт 0.27 1 0.98 0.98 0.28 Звичайний облік Тепловий насос кВт 0.24 1 4,5 4,5 0.05 Техумови на електроопалення Тепловий насос кВт 0.187 1 4,5 4,5 0.04 Техумови на електроопалення Трьохтарифний облік Період - ніч .Тепловий насос кВт 0.07 1 4,5 4,5 0.015 Період - пік кВт 0.27 1 4,5 4,5 0.06 Період - день кВт 0.187 1 4,5 4,5 0.04 Електроенергія для Юридичних осіб. Звичайний облік Електродний котел кВт 0.7 1 0.98 0.98 0.72 Трьохтарифний облік Період - пік .Тепловий насос кВт 1.26 1 4,5 4,5 0.28 Трьохтарифний облік Період - день .Тепловий насос кВт 0.7 1 4,5 4,5 0.156

Основні терміни Вітроенергетика – це галузь виробництва, яка базується на перетворенні енергії вітру в електричну енергію. Перетворення енергії здійснюється за допомогою вітрових турбін (вітрогенераторів). Вітер обертає ротор турбіни, від якого це обертання передається на генератор, який генерує електричний струм.   Вітер. Вітром називають переміщення потоків повітря в масштабах Землі. Основними причинами виникнення вітру є рух повітря від зон більш високого тиску в зони з меншим тиском та обертання планети (сила Коріоліса). В масштабах місцевості рух повітря залежить також від сил тертя за рахунок нерівностей ландшафту та від різниці температур різних ділянок поверхні землі.

Потенціал вітрової енергії в Україні Україна має потужні ресурси вітрової енергії: річний технічний вітроенергетичний потенціал дорівнює 30 млрд. кВт´год. В результаті обробки статистичних метеорологічних даних по швидкості та повторюваності швидкості вітру проведено районування території України по швидкостях вітру і визначено питомий енергетичний потенціал вітру на різній висоті відповідно до зон районування.

Карта Середньої Швидкості Вітру

Питомий енергетичний потенціал вітрової енергії в Україні № району Середньорічна швидкість вітру, Vср, м/с Висота, м Природний потенціал вітру, кВт´год/м2 рік Технічно-досяжний потенціал вітру, кВт´год/м2 рік 1

Приведені дані є базовими при впровадженні вітроенергетичного обладнання і призначені до використання проектувальниками об'єктів вітроенергетики для встановлення оптимальної потужності вітроагрегатів та тилу енергії (електрична або механічна) для ефективного її виробництва в конкретній місцевості. В умовах України за допомогою вітроустановок можливим є використання 15¸19% річного об'єму енергії вітру, що проходить крізь перетин поверхні вітроколеса. Очікувані обсяги виробництва електроенергії з 1 м2 перетину площі вітроколеса в перспективних регіонах складають 800¸1000 кВт´год/м2 за рік.

Застосуванння вітроустановок для виробництва електроенергії в промислових масштабах найбільш ефективно в регіонах України, де середньорічна швидкість вітру > 5 м/с: на Азово-Чорноморському узбережжі, в Одеській, Херсонській, Запорізькій, Донецькій, Луганській, Миколаївській областях, АР Крим та в районі Карпат. Експлуатація тихохідних багатолопатевих вітроустановок з підвищеним обертаючим моментом для виконання механічної роботи (помолу зерна, підняття та перекачки води і т.п.) є ефективною практично на всій території України.

Вітроенергетика України має достатній досвід виробництва, проектування, будівництва, експлуатації та обслуговування як вітроенергетичних установок, так і вітроенергетичних станцій; в країні є достатньо високий науково-технічний потенціал і розвинена виробнича база. В останній час розвитку вітроенергетичного сектора сприяє державна підтримка, що забезпечує реалізацію ініціатив по удосконаленню законодавства, структури керування, створенню вигідних умов для внутрішніх і зовнішніх інвесторів.

Реалізація державних національних програм в галузі вітроенергетики на 2010 рік передбачає загальне річне виробництво електроенергії на вітроелектростанціях та автономних вітроустановках близько 5,71 млн. МВт´год; що дозволить забезпечити біля 2,5 відсотків від загального річного електроспоживання в Україні.

  Класифікація вітрів. Класифікацію вітрів здійснюють за різними ознаками, в т.ч. за силою, швидкістю, напрямком, тривалістю, масштабом тощо. Завдяки доступності, екологічності, відновлюваності та дешевизні вітрової енергії, її використовують як для виробництва електроенергії (за допомогою вітроенергетичних установок), так і в інших галузях. ДОВВЕСТИ швидкості вітрів Галицького вітрорегіону  

Вітроенергетичні установки. Вітроенергетична установка (ВЕУ) складається з комплексу споруд та механізмів, які використовуються для промислового виробництва електроенергії за рахунок енергії вітру. Основними складовими частинами ВЕУ є власне вітрогенератор (турбіна - turbine) та вежа (tower), на якій вітрогенератор розташований.  Фактори, які слід враховувати при проектуванні ВЕУ. Основними факторами, від яких залежить корисна потужність вітроенергетичної установки (вітрогенератора), є, зокрема, швидкість та напрямок вітру (роза вітрів), структура навколишнього ландшафту, висота встановлення (висота вежі) тощо. Далі детальніше про фактори впливу на ВЕУ.  

Роза вітрів. Розою вітрів називають відображення багаторічних та короткочасних метеорологічних спостережень за напрямком та швидкістю вітру в даній місцевості. На карті роз вітрів відображається відносна частота різних напрямків вітру по часу, добуток відносної частоти на середню швидкість по кожному з напрямків, або ж нормалізований добуток частоти на середню швидкість по кожному з напрямків (приведений до 100%). За допомогою карт рози вітрів розраховують потужність ВЕУ та виконують орієнтування певних видів вітрогенераторів таким чином, щоб забезпечити відбір максимальної потужності від енергії вітру найбільш частого напрямку вітру із забезпеченням максимальних значень коефіцієнта корисної дії.

Швидкість вітру. Швидкість вітру безпосередньо впливає (визначає) на потужність турбіни, оскільки енергія вітру пропорційна його швидкості в третьому степені. Частота обертання ротора, а, отже і потужність генератора, знаходяться в прямій залежності від енергії вітру.  доввестИ “ перед-виміряне (вітер) регулювання Обертання Ротора з пост-вимірюванням (биття та рівномірність)”

Напрямок вітру. Напрямок вітру – величина, що практично постійно змінюється та залежить в основному від погодних умов. В зв’язку з перемінністю напрямку та швидкості вітру у вітроенергетиці застосовують карти роз вітрів та різноманітні методи прогнозування вітрової енергії.  доввестИ “методи вимірювання Напрямку та Швидкості вітру” (картинки!!)

Обмежувачі Потужності Турбін Енергія вітру Betz межа (потік повітря не може бути сповільнений до нуля) Втрати ККД при низьких кутових швидкостях Довготривалі втрати – втрати від Неоптимальної Аеродинаміки та Конструктивні та Логістичні прорахунки

Вимірювання швидкості та напрямку вітру. Ці вимірювання мають важливе значення для вітроенергетики. Швидкість вітру вимірюється анемометром, частіше за допомогою обертового чашкового або гвинтового. В деяких випадках вимірювання швидкості вітру проводять вимірюванням ультразвукових сигналів або дії вентиляції на резистор, що нагрівається. Інший тип анемометра використовує трубку Піто, яка дозволяє вимірювати перепад тиску між внутрішньою і зовнішньою трубою, яка піддається дії вітру для визначення динамічного тиску, який потім використовується для обчислення швидкості вітру. Для визначення швидкості вітру у верхніх шарах атмосфери використовують радіонавігаційний або радіолокаційний зонди. Робота такого зонду базується на ефекті Доплера.  

Прогнозування вітрової енергії. Прогнозуванням вітрової енергії називають оцінювання очікуваної продуктивності одного, або декількох вітрогенераторів (парку вітрогенераторів) за наперед визначений період часу в найближчому майбутньому. Наявну (генеровану) потужність парку вітрових турбін віднесену до номінальної потужності вітрових ферм в одиницях потужності (кВт, МВт) називають терміном продуктивність (парку вітрових турбін) або коефіцієнтом використання його встановленої потужності. Прогноз виражається величиною енергії та визначається інтегруванням продуктивності за окремі проміжки часу. Прогнозування вітрової енергії розглядається в різних масштабах часу, та в залежності від передбачуваного застосування.

Різниця між Енергією та Потужністью

На сьогодні існує та застосовується багато різноманітних методів короткострокового прогнозування вітрогенерування (вітроенергії). Найпростіший з них ґрунтується на метеорологічних даних (кліматологія) або ж середніх статистичних значеннях минулого фактичного виробництва. Цей метод може бути застосований в якості еталонного методу, оскільки він достатньо простий в реалізації. Також, цей метод може бути використаний як базовий при оцінюванні більш сучасних та передових методів. Для розширеного методу короткострокового прогнозування є необхідним прогнозування метеорологічних змін для застосування їх в якості вхідних величин вітрового виробництва електроенергії, у рамках так званої кривої потужності.

Розширені методи прогнозування традиційно поділяються на дві групи. Перша група розширеного прогнозування, яку іменують фізичний підход,- основну увагу приділяється опису вітрового потоку навколо та всередині вітрової турбіни, та використовується криву потужності заводу-виробника для оцінювання потужності вітроенергії. Одночасно з цим друга група (статистичний підхід), концентрується на аналізі співвідношення між метеопрогнозами та вихідною потужністю з використанням статистичних моделей, при цьому параметри оцінюються виключно за зібраними даними. Прогнозування здійснюється за допомогою чисельних прогнозів моделей погоди, які ґрунтуються на рівняннях руху і сили. Однак зазначене прогнозування потребує уточнень, оскільки всім процесам моделювання притаманна деяка непевність результату вимірювання, яку обов’язково слід враховувати для оптимізації прогнозування.

  Структура ландшафту. Структура навколишнього ландшафту відіграє значну роль при встановленні вітрової станції. При встановленні турбін слід враховувати мінімальні відстані від перешкод до турбіни, можливість виникнення турбулентності, ефектів тунелю та пагорба. Нехтування переліченими факторами може призводити до недостатньо ефективної роботи турбін.

Конструкція ВЕУ. Конструкція ВЕУ також має бути найбільш придатною для ефективної роботи. Висота вежі вітрогенератора, має бути оптимальною і враховувати виникнення вітрової тіні. Конструкція ротора та інших частин вітрової турбіни також повинна бути оптимальною та розрахованою на максимальний відбір енергії вітру в заданих умовах даної місцевості, матеріали для виготовлення турбіни мають бути корозійно- та зносостійкими. Анемометри повинні бути точними та нечутливими до обмерзання. Обов’язково слід передбачати встановлення блискавкозахисту. При проектуванні турбіни також слід враховувати рівень шуму та вібрації, від роботи турбіни, та оцінювати можливий їх вплив на людей. Вітрові турбіни часто встановлюють великими групами, таким чином утворюючи парки вітрогенераторів.

 Парки вітрогенераторів. Вітровим парком називають вітроелектростанцію, яка складається із сукупності вітрогенераторів. Типовий вітровий парк включає 80 вітрогенераторів, встановлених квадратом 8 × 10. Встановлена потужність кожної турбіни може досягати 5 МВт. Встановленою називають потужність, яку міг би виробляти генератор, якщо міг би використовувати її на 100%. В європейських умовах коефіцієнт використання встановленої потужності ВЕУ (щільність потужності) ≈25%. Легко вирахувати, що реальна генерована потужність окремо взятого вітрового парку може скласти 5 × 80 × 0,25, тобто 100 МВт, що співмірно із показниками ГЕС.

 Парки вітрогенераторів. Вітровим парком називають вітроелектростанцію, яка складається із сукупності вітрогенераторів.

Парки вітрогенераторів можуть займати й значно більші площі, проте ділянки під ВЕУ частково можливо використовувати в сільськогосподарських цілях, або ж встановлювати офшорні парки вітрогенераторів, які працюватимуть від енергії вітрів над водними поверхнями (океани, моря або озера). Місце планування парків вибирають із розрахунку перспективності, але це не завжди оптимально, оскільки також слід враховувати *фактор екологічності, *віддаленості від населених пунктів (втрати електроенергії при передаванні на велику відстань) тощо. При плануванні парків слід враховувати розміщення турбін відносно перешкод, їх оптимальну висоту та взаємний вплив турбін по відношенню одна до одної.

Слід відмітити, що раніше електромережі з небажанням брали електроенергію від вітрових ферм, оскільки виробіток енергії від них – нестабільний… Враховуючи те, що електромережі підвладні періодичним пікам та провалам електроспоживання, потік енергії від ВЕУ стає додатковим дестабілізуючим фактором, хоча з встановленням системи перетворення виробленого струму та синхронізації його з загальними темпорально-енергетичними параметрами мережі – вони стали більш довершеними. До того ж концепція передачі енергії в декілька мереж одночасно (створення об’єднаних мереж – "supergrid") вирішує проблеми нестабільності споживання. Враховуючи вищенаведене, слід сказати що за вітровими парками велика перспектива.

Екологічні аспекти ВЕУ. З екологічної точки зору використання вітрової енергії менш шкідливе порівняно із традиційними джерелами енергії. Вітрова енергія не використовує органічне чи ядерне паливо, а тому не призводить до забруднення повітря. Витрати енергії на виготовлення, транспортування та встановлення вітрових турбін, компенсуються виробленою енергією за кілька місяців роботи. Негативними наслідками встановлення вітрових турбін є їх небезпека для птахів та кажанів, можлива зміна клімату у глобальних та місцевих масштабах, неможливість повноцінного застосування ділянок, виділених під вітрові станції. Всі перелічені фактори враховують при проектуванні вітрових станцій. Проблема шкідливого впливу шуму та вібрації на живі організми в минулому була достатньо актуальною, однак кожне нове покоління вітрогенераторів все тихіше та безпечніше. За останні 10 років швидкість обертання ротора знизилась в три рази (від 40 до 12-13 об/хв). Крім того, генератори тепер встановлюють на дуже високі вежі, 120 м та вище. Так, що в Європі з її жорсткими екологічними обмеженнями поряд з наземними вітропарками будують будинки.

Перспективи розвитку. Зростання світової вітрогенерації відбувається буквально шаленими темпами. Якщо десять років тому встановлена потужність всіх ВЕС в світі складала 17 ГВт, то вже в 2009 році цей показник орієнтовно був рівний 154 ГВт. За прогнозами на 2020 рік цей показник складе – 900 ГВт. Тільки за 2008 рік в Європі встановили 5000 вітрогенераторів із встановленою потужністю 2 – 5 МВт кожен, тобто більше десяти щодня. В наш час вітроенергетика перетворилася в хайтек-бізнес із обігом в десятки мільярдів євро. З кожним новим поколінням ВЕУ їх ефективність стає все більшою, а ціна виробництва та обслуговування все меншою. Для прикладу: найновіші редуктори, що використовуються у вітрогенераторах компанії VESTAS – одного з лідерів ринку – мають гарантію на 80 тисяч годин роботи без поломок. Фактично це складає 20 років безперебійної роботи та колосальну економію на ремонтах і обслуговуванні. За прогнозами економістів ЄС до 2015 року графіки цін на електроенергію із традиційних джерел та на енергію від вітростанцій зійдуться, а в подальшому енергія, одержана за допомогою вітру, стане навіть дешевшою.

Типи Вітрових Турбін За положенням осі ротора вітрові турбіни поділяють на: горизонтально-осьові (horizontal axis); вертикально-осьові (vertical axis). За типом вежі вітрові турбіни поділяють: * розміщені на сітчастих (lattice) вежах; * розміщені на трубчастих (tubular) вежах; * розміщені на вантових (guyed) вежах; * розміщені на гібридних (hybrid) вежах (змішаного типу).

Горизонтально–осьові турбіни В горизонтально-осьових турбінах (horizontal-axis wind turbine (HAWT) ротор основного валу розташований горизонтально у потоці вітру. Великі турбіни зазвичай використовують давач вітру в поєднанні з сервоприводом, а малі турбіни не мають цього.   За кількістю лопатей ротора горизонтально-осьові вітрові турбіни поділяють на: однолопатеві; дволопатеві; трилопатеві; багатолопатеві.

Горизонтально-осьові турбіни поділяються на два типи за розташуванням ротора в потоці вітру: проти вітру (upwind); за вітром (downwind).

Горизонтально-осьові турбін з ротором проти вітру поділяються за будовою на такі типи: типу «млин» (windmill); вітряк (windwheel); турбіна із високою відносною кутовою швидкістю (high tip-speed ratio).   Горизонтально-осьові турбін з ротором за вітром поділяються за будовою на наступні типи: вітряк (windwheel) турбіни із високою відносною кутовою швидкістю (high tip-speed ratio).

Переваги горизонтально-осьових турбін Горизонтально-осьові турбіни працюють при низьких швидкостях вітру, легко запускаються, мають високий коефіцієнт потужності. Турбіни із системою зміни кута повороту лопатей можуть працювати з оптимальним кутом атаки. З огляду на кут атаки можна віддалено керувати турбіною і одержувати максимальну потужність від енергії вітру в залежності від часу доби й сезону. Висота башти дозволяє отримати доступ до сильніших вітрів у місцях нерівномірного розподілу вітрів по вертикалі. У деяких місцевостях швидкість вітру може збільшитися на 20%, а потужність на 34% на кожні 10 метрів висоти. Висока ефективність турбіни забезпечується рухом лопатей в площині, яка завжди знаходиться перпендикулярно до напрямку вітру, одержуючи стабільну енергію завдяки постійному обертанню. На відміну від вертикально-осьових, більшість горизонтально-осьових турбін мають аеродинамічний (крилоподібний) дизайн лопатей. Профіль лопатей горизонтально-осьової турбіни прорізає вітер під заданим кутом незалежно від позиції обертання. Дизайн лопатей дозволяє зменшити ефект опору вітру. Таким чином підвищується ефективність роботи турбіни, і зменшуються втрати.

Недоліки горизонтально-осьових турбін Високі башти і лопаті (сягають до 90 м) важко транспортувати. Вартість транспортування може скласти 20% від вартості обладнання. Високі горизонтально-осьові турбіни важко встановлювати, оскільки це потребує високих і дорогих кранів та кваліфікованих операторів. Для підтримки важких лопатей, мультиплікаторів (редукторів) і генераторів необхідно встановлювати масивні вежі. Тінь від високих горизонтально-осьових турбін може впливати на бічні частини радіолокаційних установок створюючи перешкоди сигналам, хоча фільтрація може частково заглушити перешкоди. Значні розміри турбін роблять їх видимими на великі відстані, що змінює краєвид. Турбіни з ротором за вітром перевантажені і мають структурні ушкодження внаслідок турбулентності, коли лопать проходить через вітрову тінь вежі (з цієї причини у більшості горизонтально-осьових турбін використовують конструкцію проти вітру). Горизонтально-осьові турбіни вимагають додаткового механізму контролю для повороту лопатей назустріч вітру. Оскільки горизонтально-осьові машини, якщо вони розміщені поряд, можуть сповільнювати швидкість вітру взаємно одна для другої, то задля повного нівелювання цього шкідливого впливу, їх слід розташовувати на значних відстанях – не менше ніж десять діаметрів їх лопатей.

Будова вітроенергетичної установки  Вітроенергетична установка складається з двох основних частин: вежі (tower) та турбіни (turbine). Оскільки кращі характеристики притаманні горизонтально-осьовим турбінам, для них передбачено встановлювати достатньо високі вежі. Турбіна складається з ротора (rotor) та корпуса (housing), в якому знаходяться: мультиплікатор (gearbox), генератор (generator), частотний перетворювач (frequency converter), механізми повороту лопатей (pitch system) та турбіною (yaw motor and yaw system), системи охолодження (cooling system), система регулювання (control system) та захисту (safety system), може також бути і трансформатор (іноді розміщують у підніжжі вежі) (transformer). На корпусі також знаходиться анемометр (anemometr).

Аеродинамічний дизайн ротора розробляється таким чином, щоб збільшити ефективність відбору енергії вітру та зменшити навантаження на лопаті. Також передбачається наявність механізмів для повороту лопатей та повороту турбіни в залежності від напряму вітру. Ротор перетворює енергію вітру в обертання валу, а мультиплікатор дозволяє збільшити кількість обертів (у випадку слабкого вітру). Генератор перетворює механічну енергію обертання в електричну енергію, частотний перетворювач приводить цю енергію до необхідної частоти, а трансформатор зменшує або збільшує величину струму. Таким чином далі енергія передається в електромережу. Анемометр служить для визначення напряму та швидкості вітру.

Системи регулювання у вітрових турбінах Вітрові турбіни можуть працювати як із постійною, так і зі змінною швидкістю. На початку 90-их років почали встановлювати вітрові турбіни, які працювали із постійною швидкістю. Це означає, що, незалежно від швидкості вітру, швидкість ротора турбіни є постійною і визначається частотою приєднаної мережі, коефіцієнтом мультиплікатора та будовою генератора.

Вітрові турбіни із фіксованою швидкістю Вітрові турбіни із фіксованою швидкістю (Fixed-speed wind turbines) обладнані індукційними генераторами (з короткозамкненим або фазним ротором), який приєднаний до мережі напряму через плавний пускач і батарею конденсаторів (для зменшення реактивної потужності). Їх конструкція розроблена для досягнення максимальної ефективності при заданій швидкості вітру. Для збільшення виробітку енергії, генератор має дві обмотки: одна використовується при малих швидкостях вітру (звичайно 8 полюсів), а друга при середніх та високих швидкостях вітру (звичайно 4-6 полюсів). Вітрові турбіни із фіксованою швидкістю добре себе зарекомендували завдяки їх простоті, надійності та міцності. Складова частина вартості їх електричних частин є достатньо низькою. Недоліки таких турбін полягають у неконтрольованому споживанні реактивної потужності, збільшених механічних навантаженнях і обмеженні регулювання потужності. Незалежно від роботи при фіксованій швидкості, всі флуктуації швидкості вітру далі передаються як флуктуації механічного моменту та, відповідно, електричної потужності в мережі.

Вітрові турбіни зі змінною швидкістю В останні роки переважно використовують турбіни зі змінною швидкістю (variable-speed wind turbines). Такі турбіни розраховані для досягнення максимальної аеродинамічної ефективності при широкому діапазоні зміни швидкостей вітру. Робота турбіни зі змінною швидкістю дає можливість пристосовувати (прискорювати або сповільнювати) швидкість обертання турбіни до перемінної швидкості вітру. Таким чином співвідношення зазначених швидкостей залишається постійним та на заданому рівні, який відповідає максимальному коефіцієнту потужності. На відміну від турбін з фіксованою швидкістю, турбіни зі змінною швидкістю зберігають момент генератора постійним, а зміни швидкості вітру поглинаються швидкістю генератора. Електрична система змінношвидкісних турбін має більшу комплектацію порівняно з одно- чи двошвидкісними турбінами. Зазвичай, змінношвидкісні турбіни складаються з індукційних або синхронних генераторів і приєднані до мережі через перетворювачі, які регулюють швидкість генератора. Переваги змінношвидкісних турбін виражаються збільшеною кількістю поглинутої енергії, покращеною якістю і зменшеними механічними напруженнями на турбіну. Недоліки цих турбін полягають у втратах енергії за рахунок силової електроніки, використанні більшої кількості елементів, і збільшеній вартості обладнання (силової електроніки). При проектуванні та впровадженні змінношвидкісних турбін є змога використання більшої кількості типів генераторів з можливістю застосування декількох комбінацій типів генераторів та перетворювачів.

Поставити яко ілістрацію, що, мовляв “вітровики” вже виправилися з нестабільністю електрогенерації, чим ВЕЛЬМИ псули нерви електропередатчикам, аж до міжфахових напруженнь .

.

.

Орієнтація Турбіни можна категоризувати в двох видах, заснованих на орієнтації ротора Вертикальна Вісь Горизонтальна Вісь

Vertical Axis Turbines Advantages Omnidirectional Accepts wind from any angle Components can be mounted at ground level Ease of service Lighter weight towers Can theoretically use less materials to capture the same amount of wind Disadvantages Rotors generally near ground where wind poorer Centrifugal force stresses blades Poor self-starting capabilities Requires support at top of turbine rotor Requires entire rotor to be removed to replace bearings Overall poor performance and reliability Have never been commercially successful

Lift vs Drag VAWTs Lift Device “Darrieus” Low solidity, aerofoil blades More efficient than drag device Drag Device “Savonius” High solidity, cup shapes are pushed by the wind At best can capture only 15% of wind energy

VAWT’s не були комерційно успішні, але … Що пару років нова компанія супроводжує обіцянку революційного крупного досягнення в турбіні вітру проектують, це низька вартість, робить краще що-небудь окрім на ринку, і долає всю з попередніх проблем з VAWT’s. Вони можуть також зазвичай бути встановлені на даху або в місті, де вітер бідний. WindStor Mag-Wind WindTree Wind Wandler

Співвідношення Швидкості Ротора Ємкісний Чинник Ідеальна модель Високо-швидкістний Американський багато-пелюстковий

Horizontal Axis Wind Turbines Rotors are usually Up-wind of tower Some machines have down-wind rotors, but only commercially available ones are small turbines

Active vs. Passive Yaw Active Yaw (all medium & large turbines produced today, & some small turbines from Europe) Anemometer on nacelle tells controller which way to point rotor into the wind Yaw drive turns gears to point rotor into wind Passive Yaw (Most small turbines) Wind forces alone direct rotor Tail vanes Downwind turbines

Airfoil Nomenclature wind turbines use the same aerodynamic principals as aircraft

Lift & Drag Forces The Lift Force is perpendicular to the direction of motion. We want to make this force BIG. The Drag Force is parallel to the direction of motion. We want to make this force small. α = low α = medium

α = angle of attack = angle between the chord line and the direction of the relative wind, VR . VR = wind speed seen by the airfoil – vector sum of V (free stream wind) and ΩR (tip speed). Apparent Wind & Angle of Attack

Tip-Speed Ratio Tip-speed ratio is the ratio of the speed of the rotating blade tip to the speed of the free stream wind. There is an optimum angle of attack which creates the highest lift to drag ratio. Because angle of attack is dependant on wind speed, there is an optimum tip-speed ratio ΩR R Where, Ω = rotational speed in radians /sec R = Rotor Radius V = Wind “Free Stream” Velocity

Обрахування Оптимальної Швидкості Ротора Енергетичний Коефіцієнт (Ср) Змінюється із Співвідношенням Швидкості Наконечника

Завихорення & Конічна форма Швидкість руху леза крізь повітря змінюється з відстанню від центру Тому, співвідношення швидкості наконечника змінюється також Щоб оптимізувати «кут атаки» уздовж леза/пера, це повинно контролювати від кореня до наконечника

Контроль Pitch проти Контроль Стайні Pitch Control Blades rotate out of the wind when wind speed becomes too great Stall Control Blades are at a fixed pitch that starts to stall when wind speed is too great Pitch can be adjusted for particular location’s wind regime Active Stall Control Many larger turbines today have active pitch control that turns the blades towards stall when wind speeds are too great

Airfoil in stall Stall arises due to separation of flow from airfoil Stall results in decreasing lift coefficient with increasing angle of attack Stall behavior complicated due to blade rotation

Rotor Solidity Solidity is the ratio of total rotor planform area to total swept area Low solidity (0.10) = high speed, low torque High solidity (>0.80) = low speed, high torque R A a Solidity = 3a/A

Betz Limit Betz Limit Rotor Wake Rotor Disc All wind power cannot be captured by rotor or air would be completely still behind rotor and not allow more wind to pass through. Theoretical limit of rotor efficiency is 59%

Number of Blades – One Rotor must move more rapidly to capture same amount of wind Gearbox ratio reduced Added weight of counterbalance negates some benefits of lighter design Higher speed means more noise, visual, and wildlife impacts Blades easier to install because entire rotor can be assembled on ground Captures 10% less energy than two blade design Ultimately provide no cost savings

Number of Blades - Two Advantages & disadvantages similar to one blade Need teetering hub and or shock absorbers because of gyroscopic imbalances Capture 5% less energy than three blade designs

Number of Blades - Three Balance of gyroscopic forces Slower rotation increases gearbox & transmission costs More aesthetic, less noise, fewer bird strikes

Кількість крил/лопастей Стандарт-де-факто

Леза з Деревини з Металу Композитного пластику

Леза з Деревини ?? з Металеві ?? з Композитної пластмаси ??

Леза з Деревини ?? з Металеві ?? з Композитної пластмаси ??

Active Aerodynamic Load Control for Wind Turbine Blades Jose R. Zayas Sandia National Laboratories & C.P. van Dam, R. Chow, J.P. Baker, E.A. Mayda University of California - Davis Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company, for the United States Department of Energy under contract DE-AC04-94AL85000.

Blade Composition Metal Steel Heavy & expensive Aluminum Lighter-weight and easy to work with Expensive Subject to metal fatigue

Blade Construction Fiberglass Lightweight, strong, inexpensive, good fatigue characteristics Variety of manufacturing processes Cloth over frame Pultrusion Filament winding to produce spars Most modern large turbines use fiberglass

Hubs The hub holds the rotor together and transmits motion to nacelle Three important aspects How blades are attached Nearly all have cantilevered hubs (supported only at hub) Struts & Stays haven’t proved worthwhile Fixed or Variable Pitch? Flexible or Rigid Attachment Most are rigid Some two bladed designs use teetering hubs

Drive Trains Drive Trains transfer power from rotor to the generator Direct Drive (no transmission) Quieter & more reliable Most small turbines Mechanical Transmission Can have parallel or planetary shafts Prone to failure due to very high stresses Most large turbines (except in Germany) Direct Drive Enercon E-70, 2.3 MW (right) GE 2.3 MW (above) Multi-drive Clipper Liberty 2.5 MW (right)

Rotor Controls “The rotor is the single most critical element of any wind turbine… How a wind turbine controls the forces acting on the rotor, particularly in high winds, is of the utmost importance to the long-term, reliable function of any wind turbine.” Paul Gipe Micro Turbines May not have any controls Blade flutter Small Turbines Furling (upwind) – rotor moves to reduce frontal area facing wind Coning (downwind) – rotor blades come to a sharper cone Passive pitch governors – blades pitch out of wind Medium Turbines Aerodynamic Stall Mechanical Brakes Aerodynamic Brakes

Towers Monopole (Nearly all large turbines) Tubular Steel or Concrete Lattice (many Medium turbines) 20 ft. sections Guyed Lattice or monopole 3 guys minimum Tilt-up 4 guys Tilt-up monopole

Wind Turbine Blade Design Classroom Activities for Wind Energy Science Joseph Rand Program Coordinator The Kidwind Project joe@kidwind.org 877-917-0079

What is KidWind? The KidWind Project is a team of teachers, students, engineers and practitioners exploring the science behind wind energy in classrooms around the US. Our goal is to introduce as many people as possible to the elegance of wind power through hands-on science activities which are challenging, engaging and teach basic science principles.

Orientation Turbines can be categorized into two overarching classes based on the orientation of the rotor Vertical Axis Horizontal Axis

Calculation of Wind Power Power in the wind Effect of swept area, A Effect of wind speed, V Effect of air density, R Swept Area: A = πR2 Area of the circle swept by the rotor (m2). Power in the Wind = ½ρAV3

Number of Blades – One Rotor must move more rapidly to capture same amount of wind Gearbox ratio reduced Added weight of counterbalance negates some benefits of lighter design Higher speed means more noise, visual, and wildlife impacts Blades easier to install because entire rotor can be assembled on ground Captures 10% less energy than two blade design Ultimately provide no cost savings

Number of Blades - Two Advantages & disadvantages similar to one blade Need teetering hub and or shock absorbers because of gyroscopic imbalances Capture 5% less energy than three blade designs

Number of Blades - Three Balance of gyroscopic forces Slower rotation increases gearbox & transmission costs More aesthetic, less noise, fewer bird strikes

Blade Composition Wood Wood Strong, light weight, cheap, abundant, flexible Popular on do-it yourself turbines Solid plank Laminates Veneers Composites

Blade Composition Metal Steel Heavy & expensive Aluminum Lighter-weight and easy to work with Expensive Subject to metal fatigue

Blade Construction Fiberglass Lightweight, strong, inexpensive, good fatigue characteristics Variety of manufacturing processes Cloth over frame Pultrusion Filament winding to produce spars Most modern large turbines use fiberglass

Large Wind Turbines 450’ base to blade Each blade 112’ Span greater than 747 163+ tons total Foundation 20+ feet deep Rated at 1.5 – 5 megawatt Supply at least 350 homes

Lift & Drag Forces The Lift Force is perpendicular to the direction of motion. We want to make this force BIG. The Drag Force is parallel to the direction of motion. We want to make this force small. α = low α = medium

Airfoil Shape Just like the wings of an airplane, wind turbine blades use the airfoil shape to create lift and maximize efficiency.

Twist & Taper Speed through the air of a point on the blade changes with distance from hub Therefore, tip speed ratio varies as well To optimize angle of attack all along blade, it must twist from root to tip

Tip-Speed Ratio Tip-speed ratio is the ratio of the speed of the rotating blade tip to the speed of the free stream wind. There is an optimum angle of attack which creates the highest lift to drag ratio. Because angle of attack is dependant on wind speed, there is an optimum tip-speed ratio Where, Ω = rotational speed in radians /sec R = Rotor Radius V = Wind “Free Stream” Velocity ΩR R

Performance Over Range of Tip Speed Ratios Power Coefficient Varies with Tip Speed Ratio Characterized by Cp vs Tip Speed Ratio Curve

Межа Betzа Всю владу вітру не може захопити ротор або повітря було б цілком все ще позаду ротора і не дозволяють більшому вітру перетинати. Теоретична межа ефективності ротору є 59% Найсучасніші турбіни вітру мають КПД 35 – 45%

Rotor Solidity Solidity is the ratio of total rotor planform area to total swept area Low solidity (0.10) = high speed, low torque High solidity (>0.80) = low speed, high torque A R a Solidity = 3a/A

In the Classroom…

Wind Turbine Blade Challenge Students perform experiments and design different wind turbine blades Use simple wind turbine models Test one variable while holding others constant Record performance with a multimeter or other load device Goals: Produce the most voltage, pump the most water, lift the most weight Minimize Drag Maximize LIFT Harness the POWER of the wind!

Measuring/Storing Power Output

Setting Up the Blade Challenge What You Need: Box Fan (2-4 depending on class size) Blade Materials Balsa Paper/styrofoam plates/bowls Cardstock, cardboard, corrugated plastic Pie tins, etc.. etc.. etc… (leftover junk!) Scissors Glue/Tape Voltmeters, multimeters, and/or water pumps Hubs, motors (generators), towers, dowels

Other Challenges

For More Power… Get Your Students to Work Together… Wire the wind turbines together in a circuit Series vs. Parallel Dramatic increase in power! And make a miniature Wind Farm!

Standards Scientific Processes Collecting & Presenting Data Performing Experiments Repeating Trials Using Models Energy Transformations (forms of energy) Mechanical Electrical Circuits/Electricity/Magnetism Use of simple tools and equipment Engineering design processes Renewable vs. Non-Renewable resources

Math Lessons Tip Speed Ratio Calculating Height Using Similar Triangles Coefficient of Power Swept Area Gear Ratios Total Power Calculations Word Problems (economics, etc.) Etc…

The Kidwind Project www.kidwind.org Леза з Деревини ?? з Металеві ?? з Композитної пластмаси ??

Active Aerodynamic Load Control for Wind Turbine Blades Jose R. Zayas Sandia National Laboratories & C.P. van Dam, R. Chow, J.P. Baker, E.A. Mayda University of California - Davis Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company, for the United States Department of Energy under contract DE-AC04-94AL85000.

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Outline Problem Statement and Goal Active Control Background Microtab Motivation CFD work Wind tunnel results Modeling & Tools Future Work Conclusion EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Проблеми встановлення на Морському Дні With Wind Turbines Blades Getting larger and Heavier, Can the Rotor Weight be Reduced by Adding Active Devices? Can Active Control be Used to Reduce Fatigue Loads? Can Energy Capture in Low Wind Conditions be Improved? Research Goal: Understand the Implications and Benefits of Embedded Active Blade Control, Used to Alleviate High Frequency Dynamics EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Active Flow/Load Control Blade Load Variations Due to Wind Gusts, Direction Changes, and Large Scale Turbulence Active Load Control on Blade/Turbine can be Achieved by Modifying: Blade incidence angle (pitch) Flow velocity (modification in RPM) Blade length Blade aerodynamic characteristics through: Changes in section shape (aileron, smart materials, microtab) Surface blowing/suction Other flow control techniques (VG’s, surface heating, plasma) EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Active Flow/Load Control Active Load Control: May remove fundamental design constraints These large benefits are feasible if active control technology is considered from the onset May allow for lighter more slender blades designs Active Load Control has Already been Implemented in Wind Turbine Design. e.g.: Yaw control Blade pitch control Blade aileron (Zond 750) EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

Активний Контроль Потоку Активний Елерон на Zond 750 Blade Courtesy: NREL Micon 65 – ADAMS Model NuMAD FEA Model

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Gurney Flap (Passive) Gurney Flap (Liebeck, 1978) Significant increases in CL Relatively small increases in CD Properly sized Gurney flaps increases in L/D EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Microtab Concept Evolutionary Development of Gurney flap Tab Near Trailing Edge Deploys Normal to Surface Deployment Height on the Order of the Boundary Layer Thickness Effectively Changes Sectional Camber and Modifies Trailing Edge Flow Development (so-called Kutta condition)

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Microtab Concept Small, Simple, Fast Response Retractable and Controllable Lightweight, Inexpensive Two-Position “ON-OFF” Actuation Low Power Consumption No Hinge Moments Expansion Possibilities (scalability) Do Not Require Significant Changes to Conventional Lifting Surface Design (i.e., manufacturing or materials) EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Microtab Research Approach Wind-Tunnel Based Physical Simulations: Pro’s Proof that concept works as “advertised” Con’s Requires extensive experimental resources Can be expensive and time consuming Limited to modest chord Reynolds numbers CFD-Based Numerical Simulations: Pro’s Relatively fast and inexpensive to study a large number of geometric variations Provides detailed insight to the flow-field phenomena Con’s Requires extensive computational resources (software & hardware) Learning curve for CFD is steep EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Microtab Research Approach Current Study uses a Closely-Coupled Collaboration Between Computational Fluid Dynamics (CFD) and Wind Tunnel Experimentation Wind Turbine Dynamic Simulation Pro’s Gives understanding on the effects to the entire system Cost effective in comparison to field testing Mature codes Con’s Difficult to capture all of the physics in the model Requires insight and careful validation of the results Final Goal is to Fly an Effective, Robust Active Load Control System on a Wind Turbine EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * CFD Methods ARC2D Compressible 2D RANS One-equation Spalart-Allmaras turbulence model OVERFLOW 2.0y Compressible 3D RANS Structured Chimera overset grids Multiple turbulence models Spalart-Allmaras Menter’s k- SST model

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * CFD Methods Grid Generation Chimera Grid Tools 1.9 Structured O- and C-type grids 350 to 400 surface grid points y+ < 1.0 for all viscous surfaces EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Wind Tunnel Methods Open Circuit, Low Subsonic Test Section Dimensions Cross section: 0.86 m 1.22 m (2.8 ft 4.0 ft) Length: 3.66 m (12 ft) Low Turbulence < 0.1% FS for 80% of test section

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Wind Tunnel Methods Force Measurement Lift and moment determined using 6-component pyramidal balance Drag determined using wake measurements Pitot-static probe measurements Based on Jones’ Method

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Wind Tunnel -vs- CFD Results Repeatedly Show Excellent Agreement Between Computations and Experiment S809 Baseline Airfoil 1.1% chord tab 95% x/c lower surface Re = 1×106 Ma = 0.17

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Full System Modeling - Background Wind Turbine Model Micon 65 Stall Regulated 3-bladed upwind Model results have been verified with field data Dynamic Simulation Tools NuMAD (Numerical Manufacturing and Design Tool) ANSYS FEA preprocessor Blade property extraction tool (BPE) FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence) Modal representation Limited degrees of freedom Used as a preprocessor to ADAMS ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) Commercial multi body dynamic simulation software Virtually unlimited degrees of freedom Micon 65 – ADAMS Model NuMAD FEA Model

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * FAST –vs- ADAMS Codes Provide Virtually Identical Results EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Determining Blade Solidity Outboard Portion of the Blades is Analyzed EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Dynamic Effect of Microtabs (no control) Microtabs Deployed for the Entire Simulation EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Controlled Microtab Results Microtabs Response Using Simple Controller EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Future Work Develop and Analyze Active Control Microtab Airfoil Model for the Wind Tunnel Testing Quantify Potential Benefits of Microtabs for Increase Energy Capture Analyze other Potential Devices (flaps, spoilers,…) Model Devices on a Variable Speed / Variable Pitch Machine (in progress) Develop a MATLAB Simulink Controller for Active Devices EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads * Conclusion Potential Advantages of Active Control have been Investigated Microtab Analysis has been Quantified both Computationally and Experimentally Potential Microtab Benefits have been Demonstrated on a Full System Model Active Devices may Provide Substantial Benefit for Future Wind Turbine Designs EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads

Energy in the Wind Walt Musial Senior Engineer National Wind Technology Center National Renewable Energy Laboratory Kidwind Teachers’ Workshop May 14, 2005

Wind Energy Technology У це простіше всього, вітер повертає леза турбіни, які прядуть держак, сполучений з генератором, який робить електрику. Великі турбіни можуть групуватися разом, щоб сформувати енергетичну установку вітру, яка годує владу до електричної системи передачі.

Review of Power and Energy Relationships Force = mass x acceleration F = ma Typical Units – Pounds, Newtons Energy = Work (W) = Force (F) x Distance (d) Typical units - kilowatt hours, Joules, BTU Power = P = W / time (t) Typical units kilowatts, Watts , Horsepower Power = Torque (Q) x Rotational Speed (Ω)

Kinetic Energy in the Wind Kinetic Energy = Work = ½mV2 Where: M= mass of moving object V = velocity of moving object What is the mass of moving air? = density (ρ) x volume (Area x distance) = ρ x A x d = (kg/m3) (m2) (m) = kg V A d

Power in the Wind Power = Work / t = Kinetic Energy / t = ½mV2 / t = ½(ρAd)V2/t = ½ρAV2(d/t) = ½ρAV3 d/t = V Power in the Wind = ½ρAV3

A couple things to remember… Swept Area – A = πR2 (m2) Area of the circle swept by the rotor. ρ = air density – in Colorado its about 1-kg/m3 Power in the Wind = ½ρAV3 R

Wind Turbine basics

Contents Turbine types Mechanical parts Electrical parts Power Control methods Mita-Teknik control systems Safety Summary Wind turbine basics

Turbine types

Turbine types Capacity: Up to 6-7MW (2010) 1,2 or 3 blades Gearbox-Generator or direct Generator drive 1-2 generator fixed speed or variable speed Upwind: Rotor facing the wind Downwind: Rotor placed on the lee side of the tower Horizontal or vertical axis Panels placed in tower base and or in nacelle Wind turbine basics – Turbine types

Mechanical parts

Mechanical parts Tower Yaw system Blades Hub / pitch system Nacelle Rotor Gear box Generator Brake system Wind turbine basics – Mechanical parts

Tower Conical tubular steel towers Lattice towers Guyed Pole towers Hybrid towers Wind turbine basics – Mechanical parts

Yaw system Keeps the nacelle in wind direction Driven by electrical motors (or hydraulics) Most turbines have yaw brakes and/or damping Wind turbine basics – Mechanical parts

Blades Creates ”lift” like aeroplane and makes the rotater to rotate 1+ blades, but most common is 3 blades Wind turbine basics – Mechanical parts

Hub / pitch system Fixpoint for the blades Passive Stall: No blade rotation Pitch: Blades can rotate ”out of wind” Active Stall: Blades can rotate ”in deeper stall” (opposite direction from pitch) Blades are rotated by hydraulics or electrical motors (most common) Max 12°/s, often 8-10°/s Wind turbine basics – Mechanical parts

Nacelle Wind turbine basics – Mechanical parts

Generator Converts mechanical energy to electrical energy Synchronous / Asynchronous 2 poles => 3000 rpm @ 50Hz 4 poles => 1500 rpm @ 50Hz 6 poles => 1000 rpm @ 50Hz Etc. Water- or air cooled Wind turbine basics – Mechanical parts

Gearbox Transforms low speed shaft (rotor) to high speed shaft (generator) Contains many liters of expensive oil A heat exchanger keeps the oil temperature below typically 70 degree Celsius Temperatures and vibrations can be monitored Wind turbine basics – Mechanical parts

Brake system Aerodynamic brakes: Pitch or tip-brakes on blades Mechanical brakes: Discbrake at high speed shaft Parking brakes: Diskbrake at high and/or low speed shaft Rotor lock for service safety Automatic brake at griddrop and/or system failure Wind turbine Basics – Mechanical parts

Electrical parts

Електричні частини Control- і енергетичні групи Grid зв'язок тиристора Phase компенсація Частотний конвертер (Інвертор) Кабельна петля Високий перетворювач напруги Wind turbine basics – Electrical parts

Control and power panels Panels in tower base and/or nacelle Subpanel in nacelle Powercircuit in turbines with fixed speed Control panels in turbines with variable speed MCCB as main switch Wind turbine basics – Electrical parts

тиристорний зв’язок Обмежує поточний генератором для м'якого зв'язку 3x2 тиристорами управляють WP4060 модулі. WP4060 вимірює потік і регулює тиристори. WP4060 отримує setpoint управляють системою Wind turbine basics – Electrical parts

Фазо-компенсація Великі конденсаторні блоки і вимикачі Регулює реактивну владу від генератора На конденсаторах перемикають спеціальні замикачі, які precharges їх в зв'язку, щоб уникати великих потоків натиску Wind turbine basics – Electrical parts

Частотний конвертер / інвертор Управляє RPM генератора - змінна частота Перетворює енергію від генератора в DC і формує AC syncroneous до грат Управляє постійною владою до grid і дозволяють generator зміні його ОБОРОТ в хвилину Gridquality - esential Wind turbine basics – Електричні частини

Кабельна петля Hangs down in the tower from the nacell Can be twisted up to 5 turns The Limit is supervised by the ”yellow box” or by wireswitch. Звисає в башті від nacell Може бути крученим аж до 5 черг Межу контролює ”Жовта коробка” або wireswitch. Wind turbine basics – Electrical parts

Високовольтний перетворювач напруги Перетворює напруги від турбіни 690V до 6kV або 10kV Один перетворювач на турбіну Розміщено в окремій ”будівлі” декількох метрів від турбіни, в towerbase або в корзині аеростата Необов'язковий контроль controlsystem Wind turbine basics – Electrical parts

Методи Енергетичного Контролю

Енергетичні Криві FS-FP: Виправлена Швидкість, Виправлене падіння FS-VP: Виправлена Швидкість, Змінне падіння VS-FP: Змінна Швидкість, Виправлене падіння VS-VP: Змінна Швидкість, Змінне падіння Методи Енергетичного Контролю

FS-FP: Fixed Speed, Fixed pitch Used for small and ”simple” turbines (old ones) Thyristor grid connection Phase compensation using capacitor blocks Cut-in at 3..4 m/s Max Power at ~15 m/s Cut-out at 25 m/s Wind turbine basics – Power Curve

VS-VP: Variable Speed, Variable Pitch Used for large turbines Frequency converter (inverter) for grid connection and Phase compensation Cut-in at 3..4 m/s Max Power at 13..25 m/s Cut-out at 25 m/s Wind turbine basics – Power Curve

Sensors Мережа Контроль Обороту в хвилину Швидкість вітру та Напрям Відхилення від Курсу Температура Гідравлічний Тиск

мережА 3 фазової напруги і поточний зважені controlsystem Напруга перетворюється до 10..18V вольт WP4090/WP3090. Curerents зважені 3 поточними перетворювачами Controlsystem обчислює енергетичну реактивну владу, частота, і т.п. Рівні контролюються і Зупиняються і або контроль ФРАХТУ виконується Wind turbine basics - Sensors

Контроль Оборотів в Хвилину (RPM) Rotor and generator RPM i monitored by inductive sensors as ”time between pulses”. Контроль обертыв/хвилину для Ротору та Генератора є контрольований індуктивними датчиками як ”час між пульсами”. Ротор надають 2..24 пульси за оберт вітряка«крильчатки» Генератор надає 2..4800 пульси за оберт Охорона перевищення швидкості WP2032 використовується, щоб відкрити Коло Безпеки?? Wind turbine basics - Sensors

Швидкість Вітру та Напрям Швидкість Вітру: Зважено в m/s Кубковий анемометр / надзвуковий Пульси за метр за сек. або передача даних Напрям Вітру: Зважено як кут winddirections офсетний від напряму корзини аеростата 1, 2, 4 шматка - 4..20mA або передача даних Wind turbine basics - Sensors

Відхилення від курсу Measured often by 2 induktive sensors (greykode) Sensor 1: _------___------___------_ Sensor 2: ___------___------___----- This way direction, distance and speed can be calculated Wind turbine basics - Sensors

Температура Датчики PT100 використовуються WP3000 вимірює -29° до +212°C Наступні температури - часто зважено : Outdoor, nacell, групи · Generator провітрювання і стосунки · Нафта коробки передач і стосунки · Стрижка води Wind turbine basics - Sensors

Гідравлічний тиск Зважено в ”Барі” Майте розміри впливовими відправниками аналога, що надають 4-20mA сигнали Тиск для гальм наконечника і відхиляючись від курсу складає часто близько 80 Бару Тиск для pitch системи складає часто близько 200 Бару Wind turbine basics - Sensors

Control systems

Control systems WP3000 / WP3100 / IC1000 / WP4x00 Monitoring that the turbine is within design limits Control and optimizing operation and production Local HMI Remote HMI Data-capturing Wind turbine basics – Control systems

Safety

Safety Machine directive Belts, helmets, hard shues Emergency light Emergency stop Rescue lines Wind turbine basics - Safety

Summary

Words used Tower, platform, nacelle, hub, blades, tip of the blade Main shaft, gearbox, brake, generator yaw, pitch, stall, synchronous, asynchronous MCCB, MCB, Contactor, thyristor-block, phase-battery/capacitor, frequency converter, inverter, transformer Controller, grid connection module, vibration Real Power [W], Reactive power [var], Complex Power / Apparent Power [VA], Power factor (cos φ) kW, MW, kWh, V, kV, A, Hz, FRT RPM, °C, Bar, m/s Wind turbine basics - Summary

Today you learned Now you know a little about how a wind turbine work You know about different types of turbines You recognize some of the parts in wind turbines You are a already now more professional than a few hours ago Wind turbine basics - Summary

More information Your colleagues More training www.windpower.org Wind turbine basics - Summary

Wind turbine basics Wind turbine basics – The end Thank you for your attention

Example – Calculating Power in the Wind V = 5 meters (m) per second (s) m/s ρ = 1.0 kg/m3 R = .2 m >>>> A = .125 m2 Power in the Wind = ½ρAV3 = (.5)(1.0)(.125)(5)3 = 7.85 Watts Units = (kg/m3)x (m2)x (m3/s3) = (kg-m)/s2 x m/s = N-m/s = Watt Power in the Wind = ½ρAV3 (kg-m)/s2 = Newton

Wind Turbine Power Power from a Wind Turbine Rotor = Cp½ρAV3 Cp is called the power coefficient. Cp is the percentage of power in the wind that is converted into mechanical energy. What is the maximum amount of energy that can be extracted from the wind?

Betz Limit when a = 1/3 Vax = 2/3V1 V2 = V1/3 Actuator Disk Model of a Wind Turbine Where Free stream velocity, V1 Wake velocity, V2=(1 2a) Velocity at rotor, Vax = V1(1-a) Induction factor, a Rotor Wake Rotor Disc

Reality Check What’s the most power the .2-m turbine in the example can produce in a 5 m/s wind? 7.85 Watts x .5926 (Betz Limit) = 4.65 Watts

150 m2 250 m2 800 m2 1,800 m2 3,700 m2 1980 1985 1990 1995 2000 A= 12,000 m2 2005 How big will wind turbines be? . 2010

Analytical wind turbine models Complexity adds more limitations Stream tube model of flow behind rotating wind turbine blade Actuator Disk Theory Momentum Theory/Wake Rotation (most common) H. Glauret – Airscrew Theory, 1926 Lifting Line Theory Lifting Surface Theory Computation Flow Models NREL Unsteady Aerodynamics Experiment NASA Ames Wind Tunnel

Maximum Possible Power Coefficient

Tip-Speed Ratio Tip-speed ratio is the ratio of the speed of the rotating blade tip to the speed of the free stream wind. ΩR V = ΩR R Where, Ω = rotational speed in radians /sec R = Rotor Radius V = Free Stream Velocity

Blade Planform - Solidity Blade planform is the shape of the flatwise blade surface Solidity is the ratio of total rotor planform area to total swept area Low solidity (0.10) = high speed, low torque High solidity (>0.80) = low speed, high torque R A a Solidity = 3a/A

Blade Planform Types Which should work the best?? Rectangular Reverse Linear Taper Linear Taper Parabolic Taper

Airfoil Nomenclature wind turbines use the same aerodynamic principals as aircraft α VR = Relative Wind α = angle of attack = angle between the chord line and the direction of the relative wind, VR . VR = wind speed seen by the airfoil – vector sum of V (free stream wind) and ΩR (tip speed). V ΩR Ωr V

Airfoil Behavior The Lift Force is perpendicular to the direction of motion. We want to make this force BIG. The Drag Force is parallel to the direction of motion. We want to make this force small. α = low α = medium

Airfoil in stall (with flow separation) Stall arises due to separation of flow from airfoil Stall results in decreasing lift coefficient with increasing angle of attack Stall behavior complicated due to blade rotation

Gradual curves Sharp trailing edge Round leading edge Low thickness to chord ratio Smooth surfaces Making Good Airfoils Good Not so good

More Blade Geometry Terms Twist Angle, θ – The angle of an airfoil’s chord line relative to a reference chord line (usually at the blade tip). Typical blades have about 20 degrees from root to tip. Pitch angle, β, – The rotation angle of the whole blade measured from the plane of rotation from the tip chord line. θ Root Airfoil Tip airfoil

Energy Production Terms Power in the Wind = 1/2 AV3 Betz Limit - 59% Max Power Coefficient - Cp Rated Power – Maximum power generator can produce. Capacity factor Actual energy/maximum energy Cut-in wind speed where energy production begins Cut-out wind speed where energy production ends. Typical Power Curve

Performance Over Range of Tip Speed Ratios Power Coefficient Varies with Tip Speed Ratio Characterized by Cp vs Tip Speed Ratio Curve

Considerations for Optimum Blade Optimum blade will have low solidity (10%) and tip speed ratio, λ, about 5-7. (match speed to generator) High λ means lower pitch angle (blade tip is flat to the plane of rotation). Lower λ means higher pitch angle (feathered). Pitch angles should be equal for all blades. Optimum blade has large chord and large twist near hub and gets thinner near the tip. Optimum blade is only "optimum" for one tip speed ratio. The optimum blade will have smooth streamlined airfoils.

Sirocco Теплий вітер Середзем’я - південний суховій, що виникає перед областю низкого тиску, що рухається з Сахари чи Аравійських пустель Вітроенергетика Огляд професор Богдан І. Стадник -2010-

Вітроенергетика Огляд Як саме воно Працює & Як воно НЕ Працює (і що при тім робити слід/варт) професор Богдан І. Стадник -2010- Інститут Комп’ютерних технологій, Автоматики та Метрології Національний університет "Львівська політехніка" Sirocco Теплий вітер Середзем’я - південний суховій, що виникає перед областю низкого тиску, що рухається з Сахари чи Аравійських пустель