theory of turbo machinery / turbomaskinernas teori dixon, … · 2009. 9. 29. · theory of turbo...
TRANSCRIPT
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.)
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Todays topics
• Wind and windpower; why, where and how much• Types of turbines• Theory• Example
LTH / Kraftverksteknik / JK
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
LTH / Kraftverksteknik / JK
Globala luftströmmar
Alvarez
LTH / Kraftverksteknik / JK
Sjö och landbris
Alvarez
LTH / Kraftverksteknik / JK
Medelvind i norra Europa
LTH / Kraftverksteknik / JK
Terrängens inflytande
Wizelius
LTH / Kraftverksteknik / JK
Statistisk beskrivning
Wizelius
Frekvensfördelningar:
• Weibull
• Rayleigh
Dvs Weibull m. k = 2
( )( )2
2
2
exp 2xx
f x σσ
−=
( ) ( )1
expk kk x xf x σσ σ
−⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠
LTH / Kraftverksteknik / JK
Hur mycket kraft?
Wizelius
LTH / Kraftverksteknik / JK
Hur mycket kraft?
USA: • Large turbines• Long experience
Europe:• Most installed power
Asia:• Coming
LTH / Kraftverksteknik / JK
Vad sätter begränsningarna?
Varför har vi inte mycket mer vindkraft?
LTH / Kraftverksteknik / JK
Types of Wind Turbines
Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) or Darrieus turbine
LTH / Kraftverksteknik / JK
Types of Wind Turbines
Horisontal Axis Wind Turbine (HAWT)
totalhöjd 62-72mrotordiameter 44mnavhöjd 40-50mProduktionskostnad: ~ 6 Mkr
Vid 10 m/s:
3 2 30 2 1.2 4 10 2 912kWTeoretisktP AU Dρ π= = × ≈
I verkligheten under hälften av detta
Varför så få blad?Blåser vinden inte bara rätt igenom?
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Ny Teknik: 8 steg mot vindkrafthttp://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.
LTH / Kraftverksteknik / JK
TheoryDip.-Ing. Dr. Albert Betz
Windenergie
und ihre Ausnutzung durch Windmühlen
Göttingen, Vandenhoek & Ruprecht 1926
Reprint: ÖKO-Buchverlag, Kassel, 1982
LTH / Kraftverksteknik / JK
Single stream tube analyses
1xc2xc
3xc
Assumptions:
Steady uniform flow, upstream and at the disc.No flow rotation produced by discFlow contained by stream tubeIncompressible flow
LTH / Kraftverksteknik / JK
Axiellt inflöde, roterande utflöde
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Fig 10.10, Schematic drawing of the vortex system convecting downstream of a two-bladed wind turbine rotor
LTH / Kraftverksteknik / JK
Mass flow 2 2xm c Aρ=
Single stream tube analyses
Axial force ( )1 3x xX m c c= −
Energy loss of the wind ( )2 21 3 2W x xP m c c= −
Disk power ( )2 1 3 2x x x xP Xc m c c c= = −
Setting :WP P=
( ) ( ) ( )2 21 3 2 1 3 2 1 32 2x x x x x x x xm c c c m c c c c c− = − ⇒ = +
LTH / Kraftverksteknik / JK
Axial flow induction factor
Rewriting power ( ) ( )21 3 2 2 2 1 3x x x x x xP m c c c A c c cρ= − = −
Using 3 2 12x x xc c c= − the power becomes
( ) ( )2 22 2 1 2 1 2 2 1 22 2x x x x x x xP A c c c c A c c cρ ρ= − + = −
It is convenient to introduce an axial flow induction factor
( )1 2 1x x xa c c c= −
( )232 12 1xP a A c aρ= −
What does this mean?
LTH / Kraftverksteknik / JK
The power coefficient
max 1 2xQ c A=
The total available power, P0, in the upstream vind may be defined from maximum possible volume flow and maximum obtainable pressure drop
and maximum obtainable pressure drop 2max 1 2xp cρΔ =
3max max 0 2 1 2xQ p P A cρΔ = =
A power coefficient may now be defined:
( ) ( )23
22 13
0 2 1
2 14 1
2x
Px
a A c aPC a aP A c
ρρ
−= = = −
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
( )22 1
4 12X
x
XC a aA cρ
= = −
Axial Force Coefficient:
( )24 1PC a a= −
Power Coefficient:
,max 16 27 @ 1 3PC a= =
LTH / Kraftverksteknik / JK
Optimum power coefficient
1x
RJCΩ
=
Tip speed ratio
• Typical values in GT:< 1 (.5)
• Typical values WT:5-10
• Tip speeds still far from transonic
1x
RJCΩ
=
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Limitations of the disc model:
( )22 1
4 12X
x
XC a aA cρ
= = −
becomes 0 at 0.5a =
10.8. Comparison of theoretical curve and measured values of CX
( )3 1 1 2x xc c a= −
The exit velocity
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Fig 10.10, Schematic drawing of the vortex system convecting downstream of a two-bladed wind turbine rotor
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Power output range
LTH / Kraftverksteknik / JK
Types of Wind Turbines
Horisontal Axis Wind Turbine (HAWT)
totalhöjd 62-72mrotordiameter 44mnavhöjd 40-50mProduktionskostnad: ~ 6 Mkr
Vid 10 m/s:3 2 3
0 3 2 1.2 4 10 2 912kWP Ac Dρ π= = × ≈
0 16 27 912 503 kWPP C P= = × ≈
Till detta kommer turbinens ”normala” verkningsgrad, mekaniska förluster, generatorns vekningsgrad mm.
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Wind induction factor
Directly upstream
Directly Downstream
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Effect of tip-speed ratio and number of blades
Why choose 3 blades?
LTH / Kraftverksteknik / JK
Stort diameter/nav förhållande
Den resulterande vindhastigheten ökar som funktion av rotorradien. Därmedminskar den relativa vindens vinkel mot rotationsplanet ju längre ut på bladetman kommer.
För att kompensera för detta kan bladprofilen torderas (vridas).
LTH / Kraftverksteknik / JK
Svårigheter
Vänstra figuren: Det blåser mer påövre 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
LTH / Kraftverksteknik / JK
Vestas V90-3.0 MW
Vestas V90-3.0 MW
LTH / Kraftverksteknik / JK
Vestas V90-3.0 MW
Vestas V90-3.0 MW
LTH / Kraftverksteknik / JK
Vestas V90-3.0 MW
Vestas V90-3.0 MW
LTH / Kraftverksteknik / JK
Vestas V90-3.0 MW
RotorDiameter: 90 mArea swept: 6,362 m2Nominal revolutions: 16,1 rpmOperational interval: 8.6-18.4 rpmNumber of blades: 3Power regulation: Pitch/OptiSpeed®Air brake: Full blade pitch by three separate hydraulic pitch cylinders
TowerHub height: 80 m, 105 m
WeightNacelle: 70 tRotor: 41 tTowers:Hub height: IEC ……80 m 160 t - - 160 t105 m - 285 t 235 t -
LTH / Kraftverksteknik / JK
Vestas V90-3.0 MW
Operational dataCut-in wind speed: 4 m/sNominal wind speed: 15 m/sCut-out wind speed: 25 m/s
GeneratorType: Asynchronous with OptiSpeed®Rated output: 3,000 kWOperational data: 50 Hz1,000 V
ControlType: Microprocessor-based control of all the turbine functions with the option of remote monitoring.
Output regulation and optimisation via OptiSpeed® and OptiTip® pitch regulation.
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
Vestas V90-3.0 MW
RotorDiameter: 90 mArea swept: 6,362 m2Nominal revolutions: 16,1 rpmOperational interval: 8.6-18.4 rpmNumber of blades: 3Power regulation: Pitch/OptiSpeed®Air brake: Full blade pitch by three separate hydraulic pitch cylinders
TowerHub height: 80 m, 105 m
LTH / Kraftverksteknik / JK
Example LANDSORT
Landsort
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0 5 10 15 20 25 30
wind speed (m/s)
prob
abili
ty d
ensi
ty fu
nctio
n
measured data
LTH / Kraftverksteknik / JK
Wind Turbines
2
2
2
exp2
( )
uup u
σσ
⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠=
Rayleigh distribution:
σdär är en konstant
Landsort
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0 5 10 15 20 25 30
wind speed (m/s)
prob
abili
ty d
ensi
ty fu
nctio
n
measured dataRayleigh 5 distribution