• Ingen resultater fundet

Fremtidens vindmøllevinger -når vind globalt leverer over 10 % af vores el

N/A
N/A
Info
Hent
Protected

Academic year: 2022

Del "Fremtidens vindmøllevinger -når vind globalt leverer over 10 % af vores el"

Copied!
29
0
0

Indlæser.... (se fuldtekst nu)

Hele teksten

(1)

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

 Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.

 You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

 You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from orbit.dtu.dk on: Mar 24, 2022

Fremtidens vindmøllevinger -når vind globalt leverer over 10 % af vores el

Rasmussen, Flemming

Publication date:

2013

Link back to DTU Orbit

Citation (APA):

Rasmussen, F. (Forfatter). (2013). Fremtidens vindmøllevinger -når vind globalt leverer over 10 % af vores el.

Lyd og/eller billed produktion (digital)

http://www.dkvind.dk/html/arrangementer/tidligere/021113_vindtraef/program.htm

(2)

Fremtidens vindmøllevinger

-når vind globalt leverer over 10 % af vores el

Flemming Rasmussen flra@dtu.dk

Sektionen for Aeroelastisk Design Denmarks Tekniske Universitet DTU Wind Energy – Risø Campus

(3)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Indhold

• Global status for vindkraft

• Status for teknologien og tendenser

• De næste skridt mod fremtidens vindmøllevinger (10 MW Ref. Mølle)

• Fremtidens vindmøllevinger

Antagelse:

• Vindenergi ændrer rolle til at blive rygraden i en sikker global

energiforsyning, eller Vindenergi som ”base load”.

(4)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Prøvestationen for vindmøller, Risø 1979

30 KW Riisager-mølle, Risø 1979

(5)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Accumulated power in the world

10 % Wind energy-scenario (1998)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

POWER [GW]

YEAR

Nuclear Wind

Hydro Wind installed

Year 2012

Nuclear: 13 % of World electricity supply (2008) Hydro: 16 %, 945 GW installed (2008)

Wind: 2.6 % , 285 GW installed

(6)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Verdens elforbrug

Vindenergi som ”base load”

Integration er udfordringen - Vandkraft

-”pumped storage”

en del af løsningen Eksempel Norge:

30 GW vandkraft

2 GW pumpekraftværker

ca. 15 GW udbygningspotentiale for begge Globalt:

Vandkraft leverer 16 % med en kapacitetsfaktor på 1/3 Kunne levere 50 %, ”hvis der var vand nok”

Samtænkning vand/vind gør det realistisk

(7)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Opskalering

Opskalering med x 100 på 30 år

Opskalering, teori: ”Square-cube law”

•Effekten stiger med kvadratet på vingelængden

•Massen stiger med tredje potens

Bladmasse stiger kun tæt på diameteren i anden potens (eksponent 2.1-2.3) på grund af optimerede og tykke profiler og optimeret strukturelt design

(8)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Aktuel bladmasse og opskaleret til 10 MW

7 4 November

2013

Massglass = 0.0023*Length2.17 Masscarbon = 9E-05*Length2.95

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

30 40 50 60 70 80 90

Blade mass [tons]

Blade length[m]

73.5m blade upscaled with x^3 73.5m blade upscaled with x^2.16 DTU-10MW-RWT blade

Glasfiber Carbonfiber

Upscale from 40m blades with x^3 Power (Glasfiber)

Power (Carbonfiber)

(9)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

En materiale optimeret maskine, 6 MW 10 m/s:

•200 tons/sek.: Luftmasse gennem rotorarealet.

•Behandler luftmasse svarende til møllens

totalvægt på 5 sekunder.

•Yderste ¼ af vingerne

overstryger enormt areal med meget lidt materiale

•Aksialtryk og

drejningsmoment.

(10)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Typisk vindmølle 2012

9

Wind turbine 2012

Resultat af 30 års optimering.

Ved direkte opskalering fra 55kw ville 6 MW møllen være 10 gange tungere.

Karakteristika:

 Negativ koning

 Høj tilt

 Fra at designe for stivhed til at designe for styrke

 Mere optimeret

 Mere fleksibel

 Slanke vinger med tykke profiler

(11)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Light rotor projekt med Vestas Blad til 10 MW vindmølle

• Det er et reference blad som er designet med eksisterende teknologi til brug også i INWIND.EU projektet

• Lettere blade skal udvikles i projektet

10

(12)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

DTU 10 MW Reference rotor

Nominal power 10.0 MW Rotor

configuration

Upwind, 3 blades

Control Variable speed, collective pitch

Rotor diameter 178.3 m Hub height 119.0 m Rated tip speed 90 m/s Blade pre-bend 3.3 m

Tower mass 628.4 tons Nacelle mass 446.0 tons Rotor mass 230.7 tons Blade mass 41.7 tons

11 4 November

2013

(13)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Light Rotor 10 MW Reference Rotor

• Specs

– IEC IA

– Rated power=10 MW – Rotor

• Radius=89.17m

• Airfoils: FFA-W3-xxx

• Max tip speed=90m/s

• Optimal TSR=7.5

• Control: PRVS

• Upstream cone, tilt and prebend

– Specific power=407W/m2

• Investigations

– Full aeroelastic load calculations including control

– Aeroelastic stability computations – Full 3D CFD rotor computations – Full FEM model of blade

12 4 November 2013

(14)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

• Layup definition of the blade in 100 regions radially and 10 regions

circumferentially.

• Geometry and layup is generated in a finite element shell model.

13

The DTU 10 MW Reference Wind Turbine

Structural Design

(15)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark 14

ABAQUS: layered shell model

Local stress and failure

Ultimate loads HAWC2: aeroelastic analysis

Cross section stiffness properties

BECAS: cross section analysis Automatic generation

of BECAS input files Geometry, material

and composite layup definition

Automatic generation of ABAQUS input files

Buckling

The DTU 10 MW Reference Wind Turbine

Structural Design: Design loop

(16)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Næste skridt mod fremtidens vindmøllevinger:

Videreudvikling af DTU 10 MW Ref.-rotoren

Parameterstudier:

• Passivt indbygget kontrol, herunder flow-kontrol – Gurney flaps

– Vortex generatorer – Slats

– Tipudformning – Flap/twist kobling

– Flap/profilkrumning kobling

• Aktiv kontrol

– Kombineret pitch og aktiv bagkant-flap kontrol

• Øget tiphastighed

• Længere vinger

• Antal blade

– Trebladet/tobladet

15 4 November

2013

(17)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

LightRotor 10 MW RWT blade with

multi-element airfoils

(18)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Thick flat back airfoil with slat

• A multi-element airfoil was designed and tested

• The slat was designed using an optimization tool coupled with EllipSys2D.

• 2D CFD succeeded to a large extent in predicting the correct characteristics.

(19)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Flow kontrol med vortex generatorer

18 4 November

2013

(20)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

LightRotor 10 MW RWT blade with winglet

and flat-back airfoils at root with Gurney flap

19

(21)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Flap-torsion coupled blade

20 A Twist–flap Coupled Blade Design to Alleviate

Fatigue Loads (on the left with material coupling and on the right with a curved blade

Feather

Combined passive built-in coupling and multi-variable control

- an optimum design

(22)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Possible flap-camper coupling?

21

(23)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Blade pitch and trailing edge control

20-40% reduction in blade- and tower fatigue loads

Variable trailing edge flap

22

Elastomeric controllable flap activated by pressure in voids

(24)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Fatigue Damage

Equivalent Loads (DEL)

% alleviation at root flapwise bending IEC class IA

18m/s

CONTROL OBJECTIVE:

Reduce the pitch activity and alleviate the loads using the same sensors as for the pitch system

KOMBINERET PITCH OG FLAPKONTROL BASERET PÅ

MÅLING AF FLAPMOMENT I RODEN

(25)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Lidar technology

24

Measuring inflow for pitch or flap control

Inflow measured with four five hole pitot tubes

(26)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Rotating test rig and rubber trailing edge flap

(27)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Forhold ved opskalering

• Stigende Reynoldstal en fordel op til 10 Mio. (ca. 10 MW). Derefter en ulempe?

• Øget tiphastighed (Mach nr.) en ulempe efter 90 m/s

• Turbulens: Filtrering fra roterende sampling giver relativt mindre laster

(28)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Antal blade: 2-bladet/3-bladet

Den 2-bladede har:

• 50% større korde

• 4% mindre virkningsgrad

• 15 % større turbulenslastinput (fordi 2p<3p)

• Ca. 2/3 rotorvægt

Med vippenav:

• Ca. 50% rotorvægt

• Bladlast ~ bladlast for 3-bladet

• Mulighed for større diameter

• Tårnegenfrekvens skal være lavere (ned mod 1p)

27

(29)

DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

Perspektiver

• Er lavt belastede rotorer (som kører lavere belastet end det optimale) og derved giver mindre wakeeffekt i parker kost-effektive?

• Kan man forestille sig, at passiv og aktiv kontrol ud langs vingerne kan regulere effekten så hurtigt, at man igen kan køre med fast

omdrejningstal?

• Opskaleringen har igen taget fart, og 10 MW er realistisk. Vil den fortsætte til 20 MW?

Fremtidens vinger bliver længere – både relativt og absolut.

Referencer

RELATEREDE DOKUMENTER

Hvis nu jeg udover en rigtig stor skov også havde en rig onkel i Amerika (eller det var “min” of- fentlige skov), og onklen sagde: “Ja hvis du driver din skov så den er til

- når man planter træer er det svært at vide hvad de skal bruges til senere, fordi markedet kan have ændret sig. omkring 1800 vidste alle at skibe skulle bygges af træ; træ fly-

- Cypressen skal give læ om vinteren og stabilitet, siger Hans. kirsebærren er smuk i blomstring, og linden er resistent mod hon- ningsvamp. Blandinger er smukkere, mere robuste

Det vil dog formentlig være sådan, at det ikke er de samme styringsinstrumenter, der skal anvendes til at drive energisystemet i retning af vind- el- ler brintscenariet, som der

Library (Central), hvor udstillingen Morph, som formidlede Vancouvers historie og forandring i transformere- de billeder, ”Vancouver – before and after”, gjorde indtryk.

Hvor pædagogerne generelt oplevede en mulighed for intern medbestemmelse og indflydelse, oplever samtlige af pædagogerne således, at de ikke har en autonomi

Derfor vil det være en stor fordel hvis de mange decentrale varmeværker der bruger biomasse også kunne producere el.. Problemet forstærkes af at vind- energi udgør en stigende

Danmark bør gøre det lettere for virksomheder at tiltrække højt specialiserede og veluddannede udlændinge. Det kunne eksempelvis gøres igennem genetablering af greencard-ordningen