Kleine en middelgrote windturbines Technische aspecten

Transcriptie

1 Kleine en middelgrote windturbines Technische aspecten Karel Van Wyngene Power-Link, Universiteit Gent 1

2 Inhoud - Vermogen in de wind - Types windturbines - Aanbod kleine en middelgrote windturbines - Jaarlijkse energieproductie - Invloedsfactoren 2

3 Vermogen in de wind P = 1 2 ρ π R2 v 3 ρ = luchtdensiteit, R = rotorstraal, v = windsnelheid 3

4 Vermogen in de wind P = 1 2 ρ π R2 v 3 ρ = luchtdensiteit, R = rotorstraal, v = windsnelheid - densiteit daalt op hogere hoogte en bij hogere temperatuur Zeeniveau: 1,293 kg/m³ Mount Everest: 0,425 kg/m³ 4

5 Vermogen in de wind P = 1 2 ρ π R2 v 3 ρ = luchtdensiteit, R = rotorstraal, v = windsnelheid - evenredig met kwadraat van rotorstraal 5

6 Vermogen in de wind P = 1 2 ρ π R2 v 3 ρ = luchtdensiteit, R = rotorstraal, v = windsnelheid - evenredig met 3 de macht van de windsnelheid windsnelheid x 2 vermogen 8 windsnelheid / 2 vermogen 8 6

7 Betz limiet het rendement van de windenergieconvertor - windsnelheid voor de rotor v - windsnelheid ter hoogte van de rotor v b - windsnelheid na de rotor v d - rotoroppervlak A 7

8 Betz limiet vermogen in de wind P = 1 2 ρ A v3 [W] energie door rotoroppervlak A P a = 1 2 ρ A v b (v² v d ²) v b = v + v d 2 = 1 2 ρ A 1 2 (v + v d) (v² v d ²) = 1 2 ρ A v³ v d v = 1 2 ρ A v³ v d v = 1 2 ρ A v³ C p 2 + v d v 1 v d v v d v 2 3 8

9 Betz limiet rotorefficiëntie C p C P = v d v 1 v d v 2 maximum C p v d v x d dx x 1 x2 = x2 x = 0 x = 1 3 C Pmax = = 59,3% 9

10 Betz limiet maximum C p - 59,3% - maximale limiet voor alle types windturbines - geen mechanische, elektrische verliezen in rekening - grote turbines: 40%-50% - kleine turbines: 10%-40% - sommige type turbines hebben lagere limieten (bv Savonius) 10

11 Rotorefficiëntie of vermogenscoëfficiënt C P wordt beïnvloedt door: - type rotor - windsnelheid - tip speed ratio λ (verhouding tipsnelheid t.o.v. windsnelheid) 11

12 Inhoud - Vermogen in de wind - Types windturbines - Aanbod kleine en middelgrote windturbines - Jaarlijkse energieproductie - Invloedsfactoren 12

13 Types windturbines HAWT Upwind Downwind VAWT Savonius Darrieus 13

14 VAWT Savonius kenmerken: - meest eenvoudige turbine - gebaseerd op dragkracht - krachtenkoppel ontstaat door verschil in luchtweerstand - zeer beperkte rendementen (ɳ: 15%) 14

15 VAWT Savonius werking: 15

16 VAWT Savonius toepassingen: - reclameborden - trekkap - demonstratie - cup anemometer (windsnelheidsmeter) 16

17 VAWT Darrieus kenmerken: - airfoils of aerodynamische profielen ( vliegtuigvleugel ) - gebaseerd op liftkracht - hoger rendement dan Savonius - moeilijk zelfstartend (soms combinatie Savonius) 17

18 VAWT Darrieus werking: 18

19 VAWT Darrieus aanvalshoek: - lift- en drag coëfficiënten variëren met aanvalshoek α - Darrieus turbine heeft vaste pitch - productie van koppel is zeer pulserend 19

20 VAWT Darrieus voor- en nadelen: - theoretisch hoge rendementen, in principe gelijk aan HAWT - geen slagschaduw, geen kruisysteem - mechanische problemen: trillingen, buiging, slechts op één punt ingeklemd 20

21 Horizontale as windturbines kenmerken: - gebaseerd op liftkracht - moet in de wind gedraaid worden: kruien - rotor levert continu koppel - meestal drie wieken (elektrische turbines) of meer (kleine turbine, pompturbine) 21

22 Horizontale as windturbines werking: - idem Darrieus, maar met wieken rond horizontale as geplaatst - controle van aanvalshoek mogelijk pitchcontrole 22

23 Horizontale as windturbines pitchcontrole: 23

24 Horizontale as windturbines pitchcontrole: - optimaal rendement bij iedere windsnelheid - rendement verlagen bij maximaal generatorvermogen - complexe sturing - niet aanwezig in kleine windturbines 24

25 Horizontale as windturbines solidity: - verhouding tussen de totale koorde lengte en de omtrek van de rotor σ = c B 2 π R c = koorde van rotorblad, B = aantal rotorbladen, R = rotorstraal - solidity beïnvloedt vorm en ligging C p curve 25

26 Horizontale as windturbines solidity: - grote σ (type A) traag draaiend hoog koppel - kleine σ (type D) traag draaiend hoog koppel 26

27 Horizontale as windturbines kruisystemen - passief upwind rotor: windvaan downwind rotor 27

28 Horizontale as windturbines kruisystemen - kruimotor op tandrad in gondel - sturing met windvaan en anemometer op gondel 28

29 Partner van: Overzicht types windturbines Power-Link, Universiteit Gent - Wetenschapspark 1 - B-8400 Oostende wk13@ugent.be

30 Inhoud - Vermogen in de wind - Types windturbines - Aanbod kleine en middelgrote windturbines - Jaarlijkse energieproductie - Invloedsfactoren 30

31 KMWT kleine versus (middel)groot kleine windturbines 15 m 1-10 kw middelgrote windturbines m kw 50 m 15 m 20 m 31

32 KMWT hoogte en diameter Kleine turbine Middelgrote turbine Vermogen (kw) 0, Masthoogte (m) Rotordiameter (m)

33 KMWT productie Kleine turbine Middelgrote turbine Vermogen (kw) 2, Geschatte Jaaropbrengst (kwh)* * Bij een gemiddelde windsnelheid van ca. 5 m/s 33

34 KMWT prijzen - Leading Edge LE-300 (P = 300 W) 1000 EUR incl. installatie, excl. Onderhoud - Windera IN S (P = 3,5 kw) EUR incl. installatie, excl. Onderhoud - Sonkyo Windspot (P = 7,5 kw) EUR incl. installatie, excl. Onderhoud - XANT-21 (P = 100 kw) EUR incl. installatie, excl. Onderhoud 34

35 Inhoud - Vermogen in de wind - Types windturbines - Aanbod kleine en middelgrote windturbines - Jaarlijkse energieproductie - Invloedsfactoren 35

36 Jaarlijkse energieproductie powercurve 36

37 Jaarlijkse energieproductie windverdeling 37

38 Jaarlijkse energieproductie windverdeling - lage windsnelheden komen vaker voor, aandeel niet onderschatten - schatting via gemiddelde windsnelheid en powercurve is foutief! 38

39 Jaarlijkse energieproductie berekening X - histogram vermenigvuldigen met powercurve geeft correcte inschatting! 39

40 Inhoud - Vermogen in de wind - Types windturbines - Aanbod kleine en middelgrote windturbines - Jaarlijkse energieproductie - Invloedsfactoren 40

41 Invloedsfactoren obstakels OpenEI 41

42 Invloedsfactoren obstakels Vuistregel rotor min. 10 m hoger dan obstakels binnen een straal van 100 m Voornamelijk obstakels in zuidwestelijke richting (upstream) kleine windturbines binnen een straal van 100 m geen obstakels hoger dan 5 m rotorstaal 42

43 Invloedsfactoren obstakels Roeselare Veldegem Diepenbeek windfinder.com 43

44 Invloedsfactoren kite test 44

45 Invloedsfactoren turbines onderling onderlinge afstand zijwaarts 3-5 x rotordiameter onderlinge afstand downstream 6-10 x rotordiamter 45

46 Invloedsfactoren windsnelheid toename 0,5 m/s toename 39% jaarlijkse productie 46

47 Huidige installaties in Vlaanderen? Registreer uw kleine of middelgrote windturbine via 47

48 Small Wind Turbine Field Lab - UGent 48

49 Bedankt voor jullie aandacht Karel Van Wyngene Universiteit Gent, Power-Link 49