Energiemanagement Windturbines

Transcriptie

1 Energiemanagement Windturbines Waarom duurzame energiesystemen? Steeds meer toegepast In praktijk kom je dit tegen Als o.a. adviseur, ontwerper, beheerder zijn kennis en vaardigheden hiervan vereist. Versie Dichtbij huis INTERMEZZO ENERGIE & VERMOGEN Bron: Samsung EHS Energie? Wat is energie? Hoe druk je energie uit? 1 J = 1 Nm (1 N = 1 kg.m/s 2 ) 1 J = 1 kg.m 2 /s 2 Vraag: wat is een kilowattuur? Een watt is geen energie! Definitie? Energie blijkt lastig te definiëren. Energie heeft de capaciteit om o.a. warmte of beweging te creëren. Energie is overdraagbaar. En belangrijk in de techniek, energie heeft het vermogen om Arbeid te verrichten (vandaar Nm). Energie is niet te vernietigen (les 5), wel van vorm te veranderen. 1

2 Energievormen Nog meer belangrijke grootheden Kinetische energie (bewegingsenergie) Potentiele energie Elektromagnetische energie Kernenergie (Nucleaire energie) Warmte (thermische energie) Straling Chemische energie Elektrische energie Magnetische energie Elastische energie Geluidsenergie Lichtenergie Massa (E=mc2) Grootheid Kracht Arbeid Vermogen Druk Volumestroom Massastroom Warmtestroom Symbool F W P (dus niet p!) p (dus niet P!) Φ v Φ m Φ w Eenheid N J W * Pa m 3 /s kg/s J/s (W) * Let op het verschil tussen het symbool W en de eenheid W! Een beetje referentie Energie en Vermogen Huishouden Drie klovendam Auto Saturnus 5 raket Waxinelichtje? 3500 kwh e m 3 gas GWh/jaar? Pk hoeveel watt? kn, kg watt Worden vaak door elkaar gehaald. Dat gaat jou als toekomstig ingenieur natuurlijk nooit overkomen. Energie: heb je nodig om van hier naar daar te komen W = F.s [Nm=J] Vermogen: heb je nodig om INTERMEZZO dat in een bepaalde tijd te doen P = [Nm/s = W] 68Pk/50kW 750Pk/560kW Welke energiesystemen Windenergie (les 1 en 2) Zonnepanelen (les 3) Zonnecollectoren (les 4) Energie-opslag (les 5) Verschillen en overeenkomsten (les 6) Afsluitend; inloop / vragen (les 7) EINDE INTERMEZZO 2

3 Energiemanagement: lesdoelen Begrijpen en beschrijven van de werking Berekenen van het vermogen en energie-opbrengst Bepalen van rendementen en COP s Bekend zijn met randvoorwaarden voor goede werking Boek aanschaffen: Duurzame energietechniek (zie studiewijzer) Huidige titel of Oude titel (let op deel 2!) 3e druk 1e en 2e druk Afspraken Betrokkenheid Bestudeer je boek Maak je opgaven Stel je vragen Wat gaan we dit college doen? Principe van de windturbine Typen windturbines Trends in windturbines Berekening vermogen Windturbines in operatie Subsystemen windturbine Windturbine - Arne KAs What's inside a wind turbine? UVSAR (Areva) van een windturbine - Discovery Enercon E126 - The Most Powerful Wind Turbine in The World 29 oktober 2013: twee doden na brand windturbine Toren 2. Rotor 3. Transmissie (optioneel) 4. Generator 5. Electrical converter 6. Variable speed control system (optioneel) 3

4 Functies Toren: plaatst de rotor op een bepaalde hoogte boven de grond Rotor: vormt kinetische (wind) energie om tot mechanische energie Transmissie: transformeert de rotatiesnelheid van de as van de rotor naar een andere rotatiesnelheid van de generatoras Generator: vormt mechanische energie om tot electrische energie Electrische converter: regelt de frequentie van de uitgaande electriciteit Speed control system: controleert de rotatie snelheid van de as van de rotor en regelt de stand van de rotor Onderdelen windturbine 1. Rotorbladen. 2. Gietijzeren naaf. 3. Gondelframe uit nodulair gietijzer 4. Lager 5. As 6. Tandwielkast 2-traps 7. Schijfrem op de snelle as 8. Flexibele koppeling 9. Generator 2500 kw watergekoeld 10. Koelsysteem koelt generator en tandwielkast 11. Koelsysteem voor de Generator 12. Redundant windmeetsysteem 13. Besturing 14. Hydraulisch Systeem voor rembediening 15. Kruimotor drievoudig 16. Draaikrans 17. Glasvezelversterkte polyester kap 18. Toren 19. Pitch-systeem Soorten windturbines Aerodynamisch principe Liftprincipe horizontale as Liftprincipe verticale as Weerstandsprincipe Bron: [Wind Energy] Krachten worden veroorzaakt door drukverschil aan de boven en onderkant van het blad. Kan worden uitgelegd m.b.v Bernouilli: p + ½ρv 2 = constant Zie bijvoorbeeld: Bron: [Toegepaste Energietechniek, deel 2, J. Ouwehand] Stroming en krachten Opgenomen vermogen Het vermogen dat door de windturbine is opgenomen uit de wind is: P = ½*η *ρ*a*v 3 η het rendement P het maximale vermogen dat de wind bezit ρ de dichtheid van de lucht A het oppervlak dat de wieken overspannen V de windsnelheid Bron: [ Dus: De windsnelheid is de dominante parameter Hoe groterρ, A of V, hoe meer vermogen de turbine uit de wind kan halen! 4

5 Wat is een realistische waarde voor de windsnelheid? Power coefficient: het rendement van de bladen Windkracht gemiddelde benaming omschrijving in Beaufort windsnelheid in m/s bladeren ritselen, windvanen zwakke wind bewegen kleine takken, stof en papier matige wind bewegen takken maken zwaaiende vrij krachtige wind bewegingen krachtige wind men hoort de wind fluiten harde wind bomen bewegen stormachtige wind dunne takken breken af storm lichte schade, dakpannen waaien af zware storm bomen vallen om zeer zware storm zware schade overal 12 >32 orkaan Bron: [ Duurzame Energietechniek, J. Ouwehand] fig Snellopendheid (of tip speed ratio) van een windturbine: λ = v tip /v wind Verliezen Er zijn de volgende verliezen: 1. Er is energieverlies doordat het zog achter de turbine draait. Dit is het sterkst bij langzaam draaiende turbines. 2. Het blad heeft wrijvingsverliezen (drag). 3. Het blad heeft tipverliezen. 4. Het centrum van de rotor veroorzaakt verliezen 5. Betz ging uit van een oneindig aantal wieken Trend in windmolens Daarom: Cp van een moderne windturbine 0,46 á 0,49 (Nieuwe ontwikkeling 0,53) Bron: [Toegepaste Energietechniek, deel 2, J. Ouwehand] Variabele speed control system Wind speed Maar ook ontwikkeling kleine windmolen: Zorgt voor ongeveer een toename in electriciteitsproductie van rond de 10% 5

6 Voorbeeldvragen Samenvatting Welke subsystemen vind je in een windturbine? Welke type windmolens zijn er? Wat zijn de voor- en nadelen van de diverse types? Leg aan de hand van wet van Bernouilli uit hoe het liftprincipe werkt Waarom is het onmogelijk om een power coëfficiënt van meer dan 59% te hebben? Wat is een representatieve waarde voor een power coëfficiënt voor een tweebladige HAWT? Waarom heeft de power coëfficiënt een optimum bij een bepaalde snellopendheid? Hoe groot is het vermogen dat uit de wind gehaald kan worden door een windturbine met een rotordiameter van 90 meter bij een windsnelheid van 10 m/s als geldt: η=0,45; ρ=1,2 kg/m 3 Waarom levert deze turbine bij dezelfde windsnelheid meer vermogen in Nederland dan bijvoorbeeld in de Alpen op 2000 m hoogte? Hoeveel windmolens van 2,5 MW zijn er nodig ter vervanging van een kolengestookte centrale van 250 MW? Zie: Design.html 6