Vindenergi en gammel teknologi med nye udfordringer

Størrelse: px

Starte visningen fra side:

Download "Vindenergi en gammel teknologi med nye udfordringer"

Frans Skaarup
8 år siden
Visninger:

1 en gammel teknologi med nye udfordringer Institut for Ingeniørvidenskab, Aarhus Universitet IFA Fysiklærerdag 2013

2 Vindturbinefysik En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Lad vejret bestemme!

3 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften De første vindmøller Mellemøstlige vertikal-akse møller så tidligt som 1700 f.kr.! Kinesiske flap-sejls-møller, cirka 1000 e.kr.

Mellemøstlige vertikal-akse møller så tidligt som

4 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Vindmøller i Europa Horisontal-akse møller udvikles senere i Europa (skriftlige kilder 1200 e.kr.)

5 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften En typisk vindturbine (Siemens SWT VS) vinger: 40 m lange, 15 ton, glasfiber nacelle: 15 m lang, 80 ton, stål tårn: 80 m højt, 150 ton, stål Vingerne roterer 18 omgange pr. minut ved 13 m/s og møllen producerer da 2.3 MW

3-82 VS) vinger: 40 m lange, 15 ton, glasfiber nacelle: 15 m lang, 80 ton,

6 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Nacellens indre 7: lav-hastigheds aksel 8: gearkasse 12: generator

7 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Vindens kinetiske energi v A m = ρav t v t E kin = 1 2 m v 2 = 1 2 ρav 3 t For v = 10 m/s og A = π(40m) 2 : dm dt = 60 ton/s og P kin = 3 MW!

8 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Vindens kinetiske energi v A m = ρav t v t E kin = 1 2 m v 2 = 1 2 ρav 3 t For v = 13 m/s og A = π(40m) 2 : dm dt = 85 ton/s og P kin = 6.8 MW!

9 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Problemet med grådighed v

10 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Problemet med grådighed v F p x

11 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Problemet med grådighed v 1 v 2 v 3 p p + p x

12 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Optimal grådighed og Betz-grænsen Impulsbevarelse fra 1 til 3: F = dm (v 1 v 3 ) = ρav 2 (v 1 v 3 ) dt p v 1 v 2 v 3 F p + p Energibevarelse (Bernoulli) fra 1 til 2 og fra 2 til 3: p + p 0 = 1 (v 2 ρ 2 ) 1 v2 2 p 0 p = 1 (v 2 ρ 2 ) 2 v2 3 x Kraftbalance omkring rotor: Resultat: ( p+ p ) A = F v 2 = v 1 + v 3 2 P = P kin c p c p = 1 + v 3 v 1 2 [ 1 ( v3 v 1 ) 2 ] max c p = v 3 = 1 3 v 1

(Bernoulli) fra 1 til 2 og fra 2 til 3: p + p 0 = 1 (v 2 ρ 2 ) 1 v2 2 p 0 p = 1 (v 2 ρ 2 ) 2 v2 3 x Kraftbalance

13 En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Vindmølle-design Mission: Brems vinden til v 3 = 1 3 v 1 og opsaml al energien Det gode trick: aerodynamisk lift L L = 1 2 ρw 2 cbc L w α Ωr v 2 τ = sin(α)lr P = τω Moderne møller: ΩR 10v 1 stor w og lille τ smalle vinger og lille rotationstab

Det gode trick: aerodynamisk lift L L = 1 2 ρw 2 cbc L w α Ωr v 2 τ = sin(α)lr

14 Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Et eklatant symmetribrud... Nysted havvindmøllepark Nysted layout, Jensen Katic, k jensen =0.04, theta= total power angle (degrees)

15 Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Et eklatant symmetribrud... Nysted havvindmøllepark Nysted layout, Jensen Katic, k jensen =0.04, theta=270 total power m 72 turbines, rated power: 2.3 MW rotor radius: 41.2 m m angle (degrees) Vindskygger!

04, theta=270 total power 90 100 120 60 80 60 150 30 40 20 180 0 482m 72 turbines,

16 Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Statiske, geometriske modeller y v = ue x Jensen model: v x = v w (x) r(x) r(x) = R + kx R y x Frandsen model: r(x) z r(x) = R αx/r Disse modeller afløses kun langsomt af egentlige simuleringer! Gode i middel: Kan de også bruges på øjebliks-billeder?

17 Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Hvorfor se på øjebliksbilleder? Nysted layout, Jensen Katic, k jensen =0.04, theta= total power Blå line: selviske møller Turkis line: uselviske møller angle (degrees) Teoretisk potentiale (statisk): et par procent ekstra produktion I praksis virker det dårligt...

04, theta=270 120 90 100 60 80 150 60 40 30 total power 180 0 20 Blå line: selviske møller

18 Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Parametrisering af produktionsmønstre ved simple vindskyggemodeller [UVP, J. Scholz, J. Cleve, E. Hedevang, M. Greiner] Data: 3 måneders SCADA data fra Nysted, cirka 1 Hz tidsopløsning fixed frame (η=0) Metode: 1. kalibrer møllernes krøjningssensor 2. udtræk fri vind fra forreste møller for hver e.g. 30 sekunds periode 3. fit modellen til øjebliksbillederne

vindskyggemodeller [UVP, J. Scholz, J. Cleve, E. Hedevang, M.

19 Vindturbinefysik Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Hvor godt virker det? T=30 s T=120 s T=600 s no wake (a) 0.1 T=15 s T=600 s (b) k p(ε) k (a) α p(ε) 5 0 (c) (d) α (b) (c) (e) (f) α α p(ε) ε v0 [m/s] θ [degrees] 300

05 0.05 1 0 0.6 α p(ε) 5 0 (c) (d) 0.6 0.4 α (b) 7 0.4 3 0.2 0.2 1 0 (c) 7 0.6 0 (e) (f) 0.6 0.4 α α p(ε) 5 0.

20 Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Kan det forbedres? Ja, propagerende vindskift kan fanges i medfølgende ramme: fixed frame (η=0) co moving frame (η=0.8)

21 Lad vejret bestemme! Hvordan skal fremtidens elsystem designes? [R. Rodriguez, G. Andresen, M. Rasmussen, M. Greiner, (UVP)] Mere el fra fluktuerende kilder nye udfordringer til produktion og transmission! Aarhus tilgangen er Lad vejret bestemme! fysiske niveau, i.e. ingen økonomisk model historiske vejrdata + installationsstrategi fiktive produktionstidsserier for vind og sol + historiske forbrugsdata fiktiv balancering, lagring og transmission

22 Lad vejret bestemme! Hvorfor transmission? Resourcerne er tidsligt (dag-nat!) og rumligt ulige fordelt

23 Lad vejret bestemme! Balancering versus transmission Antagelse: vind og sol producerer i gennemsnit præcis nok el Balancing energy [normalised] Installed capacity Minimum balancing energy Interpolation A Interpolation B Interpolation C Total installed transmisison capacity [GW] Konklusion: 24% balancering nødvendig uden transmission, 15% ved optimal transmission (cirka 6 gange nuværende)

24 Lad vejret bestemme! Tak for opmærksomheden! Spørgsmål er velkomne (også på

Relaterede dokumenter

Siemens Power Generation 2005. All Rights Reserved. Siemens Wind Power

Siemens Power Generation 2005. All Rights Reserved. Siemens Wind Power Siemens Wind Power Produktions- og administrationsbygninger i Brande Siemens Wind Power s hovedkontor har ligget i Brande siden 1980 Den nuværende kontorbygning blev bygget i 2001 Udvidelse med 15,000