Vindkraftens teknologi (pdf, 10,6 MB) - Skolresurs.fi

Wind power within European UnionInstalled wind power end of 2012218.3.2013© MERVENTO

Wind power within European UnionWind power share of electricity end of 2012418.3.2013© MERVENTO

Wind power within European UnionInstalled power 2000 - 2012518.3.2013© MERVENTO

Wind power within European UnionInstalled power 2000 - 2012In 2011 the global investments 6 in renewables was 257 billion USD.Corresponding investments in nuclear power in 2011 was 16 billion USD.18.3.2013© MERVENTO

THE MERVENTO SOURCING STRATEGY The wind turbine contains many disciplines;mechanical, electrical, automation, composites,hydraulics, infra, civil.... Sourcing strategy: Mervento is aiming for the besttechnology combined with high quality to areasonable total cost High performance → Substantial revenue Low O&M costs → Low total cost of ownership All included → High value added720.5.2013© MERVENTO

7 Typer av vindkraftverkTip speed ratio and power coefficient1328.3.2013© MERVENTO

7 Typer av vindkraftverkHorizontal versus vertical2200 m184 m‣ Horizontal‣ Rotor diameter 118 meter‣ Projected area 11 000 m 2‣ C pmax = 0,50‣ Vertical‣ Rotor diameter 10 meter‣ Projected area 22 000 m 2‣ C pmax = 0,251428.3.2013© MERVENTO

7 Typer av vindkraftverkTurbine Station konceptet‣ Assembled in cleanfactory environment.‣ Tested at factorytogether with the nacelle.‣ Transported as completeto site, ”plug-and-play”.‣ Vibration free operation.‣ Stable temperature andhumidity.‣ Easy and fastmaintenance.‣ Arc gas channel toexternal from both powerconverter and MVswitchgear.‣ Meets all operationalsafety regulations.UPSPower converterCooling radiatorAuxiliary transformerTurbine controllerMV switchgear17Main transformer28.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorGenerellt‣ Ett vindkraftverks rotorblad och nav (hub) är tillsammansturbinens rotor. Detta inkluderar även det som finns inne i navet.‣ I rotorn konverteras vindens energi till mekanisk energi.Huvudaxeln roterar och den är kopplad till generatorn rotordirekt eller via en växellåda.‣ En 3-bladig turbin har alltid lika mycket massa på båda sidornaom tornet.‣ Det är mera behagligt att se på en långsamt roterande turbin änpå en snabbt roterande turbin.‣ En två bladig turbin ger en visuellt intryck som är störande dåbladen sammanfaller med tornet två gånger per varv.‣ Rotorns diameter är den viktigaste parametern i turbinen medtanke på energiproduktionen. Vindens hastighet är denviktigaste parametern i energiproduktionen.‣ Vid större rotordiameter måste varvtalet vara lägre.Spetshastigheten inverkar på ljudemissioner och bladerosion.1828.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorPower from the wind‣ The power that can be captured from the wind with a windenergy converter is:P = 0,5 x air x C p (,) x A x wind 3Ppower captured from the wind [W]A rotor effective area [m 2 ] air mass density of the air [kg/m 3 ]C pAccording to IEC 61400 shall be used air = 1,225 kg/m 3 at 15°Cpower coefficient that depends on the blade design, tipspeed ratio and pitch angle wind wind speed [m/s]1928.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorWind to be converted to mechanical energy‣ The energy in the wind is converted to rotating mechanicalenergy in the rotor. In the generator is the mechanical energy isconverted to electrical energy.‣ The mass of air passing through the rotor in one second at ratedwind speed is:M air = air x A x windM air mass of the air passing through the rotor in one second [kg]A rotor effective area [m 2 ] air mass density of the air [kg/m 3 ]According to IEC 61400 shall be used air = 1,225 kg/m 3 at 15°C wind rated wind speed [m/s]M air = 154 059 kg / s2018.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorLöptal‣ Löptalet (TST, Tip Speed Ratio)anger förhållandet mellanbladspetsens hastighet och denostörda vindens hastighet.‣ Antal rotorblad har eget optimumför löptalet.‣ Vid flera blad ökareffektkoefficienten.‣ Flera blad ger högre kostnader irotorblad och bladvinkelreglersystem.‣ Flera blad ger mindre löptal somger långsammare rotation vidsamma effekt. Detta ger störrevridmoment som i sin tur ger störrekomponenter i drivlinan, bådeelektriskt och mekaniskt.‣ Löptalet för 3-bladiga turbiner är i28.3.2013dag 9 – 11. 21© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorPower output versus wind speedPercentual share valid for a class IIAturbine in annual average windspeed 8,5 m/s and with Rayleighdistribution18 % 64 %18 %2228.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorEffektreglering‣ Man måste begränsa turbinens effekt till dess märkeffekt.‣ Alla nya moderna turbiner har bladvinkelreglering eller pitchreglering för att begränsa effekten. Vindens energi släppsigenom rotorn.‣ När turbinen uppnått märkeffekten har märkvinden uppnåtts.Den var i gamla turbiner 13 – 16 m/s. I de nya turbinerna ärmärkvinden 9 – 12 m/s. Märkvinden varierar med temperaturen.‣ För högre vindhastigheter (klass 1) är rotordiametern mindreoch märkvinden högre.‣ För låga vindhastigheter (klass 3) är rotordiametern större ochmärkvinden lägre.‣ Turbinen stoppas vid 20 m/s i klass 3 och vid 25 m/s för klass 2och 3. Vid denna vindhastighet är bladvinkel 25 – 35 grader.‣ Turbinen stoppas genom att alla tre rotorblad flöjlas (feathering)eller vrids 90 grader. Aerodynamisk broms.28.3.201323© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorControl of the wind turbine2428.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorRotor blade power efficiency2528.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorRotor blade power efficiency‣ Om vindens hastighet är den samma före och efter rotorninfångas ingen energi.‣ Om all energi infångas så stannar vinden efter rotorn och ingenny energi kan flöda igenom.‣ Den optimala punkten finns mellan dessa extrenum och kallasBetz faktor Cp = 59,4% vid v 2 / v 1 = 1/3.2628.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorLyftkraft och framdrivande kraft‣ Bladen vrids till vinkel som motsvarar vinkeln vid maximalvindstryrka vid start. Drag är stor och rotorn börjar rotera så attlift ökar.Endast drag som i ett segel27Lift som i en flygplansvinge28.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorLyftkraft och framdrivande kraft‣ Bladets lift ger både framåt drivande kraft som böjande kraft.2828.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorTordering‣ Vindens hastighet är teoretisktsamma över hela rotorytan.‣ Bladets pereferihastighet ärolika utöver bladets längd.‣ För att ha samma anfallsvinkelutöver hela bladet måste bladettorderas.2928.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorRotorbladens konstruktion‣ Glasfiber armerad epoxi ellerpolyester.‣ Alla material utmattas.‣ Fyllnads/distansmaterial epoxy ellerolika skummaterial.‣ Kan vara förstärkt med kolfibersträngar för att minska böjning.‣ Vacum injecering.‣ Består av flertal delar som limmasoch injeceras till ett rotorblad.‣ Borde vara så tunna som möjligtmed höjd behövs för styvheten.‣ Spetsen gör smalare än denoptimala bredden för att maximeralängden.3028.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorRotorbladets delar3128.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorBelastningar på rotorbladen och turbinen‣ Turbinen utsätts för många olika belastningar.3228.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorBelastningar på rotorbladen och turbinen‣ Det gäller att försäkratillräcklig livslängd förrotorbladen samt etttillräckligt avstånd mellantorn och rotorblad.3328.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorBladvinkelreglering, hydraulisk vs elektriskHydraulic+ Fail-safe functionality+ High power density+ Reasonable size for large forces and torques+ Robust system+ Controlled supplier chain by the turbine manufacturer+ Fast response time in operation+ Long life time of piston pressure accumulators+ Easier maintenance+ More reliable+ Longer service intervals+ Operates at very low temperatures+ Low losses heating the hub in summer time+ No lubrication needed+ Short recharging time of pressure accumulators+ Closed loop measurement of blade positioning- Risk for oil leakages- Fluid rotary union needed- High energy consumption if the pumps are runningcontinuously- With wrong oil and no pre-heating of the oil causesproblems in low temperaturesElectric+ Easy to design+ Easy to control+ No risk for leakage of fluids+ Low energy consumption+ Silent operation- Not fail-safe system in all circumstances- Gear back lash- Batteries in the hub- Short life time for batteries (2 – 3 years)- Battery performance in low temperatures- Planetary gears for each actuator- Low system reliability- High losses heating the hub in summer times- Slip rings for power supply- Very critical with wear in rim teething- Complicated in maintenance- Gear engagement needs lubrication- Long recharging time of batteries- Challenge to have close loop signal for blade positioning3428.3.2013© MERVENTO

8 Vindkraftverkets rotorBladvinkelreglering‣ Energin för vridning av bladenbör ackumuleras, batteri ellertryckackumulatorer.‣ Individuellt styrda ochpåverkade.‣ Om ett blad fastnat räcker tvåflöjlade blad att stoppaturbinen.3528.3.2013© MERVENTO

9 MaskinhusGenerellt‣ Maskinhus kallas också gondol och nacell. Finska ”konehuone”bör undvikas. Mest använt i Finland är nacell.‣ I nacellet kan finnas mera eller mindre komponenter beroendepå turbin typ och tillverkare.‣ Trenden är att man flyttar ner komponenter såsomfrekvensomriktare, transformator och ställverk från nacellet tillbotten av tornet. Med lågspännings generator ger detta fleraoch större kablar i ”loopen” och i tornet.3628.3.2013© MERVENTO

9 MaskinhusGenerellt‣ Traditionellt high speed koncept3728.3.2013© MERVENTO

9 MaskinhusGenerellt3828.3.2013© MERVENTO

Direct drive power trainHigh reliability and efficiencySingle main bearingMedium voltage permanent magnet generatorHigh availability and minimised losses3928.3.2013© MERVENTO

Actuating systemsAll actuating systems are hydraulicYaw SystemPitch SystemRotor BrakeHydraulic system suitable for large loads4028.3.2013© MERVENTO

9 TornGenerellt‣ Syftet med tornet är att rotorn skall vara på en högre höjd vardet blåser mera.‣ Trenden är större rotor diameter och högre torn.‣ Med högre torn sjunker systemets egensvängnings frekvensoch risker för resonans uppstår.‣ Vikten och kostnaden för tornet växer exponentiellt med högrenavhöjd.4128.3.2013© MERVENTO

9 TornOlika alternativ4228.3.2013© MERVENTO

9 TornGenerellt‣ Transportproblem resulterar i lösningar var man bygger torn frånmindre delar på situ.‣ Transporten avgör diameter, längd och vikt för ståltorn segment.‣ Till och med trätorn finns på marknaden.‣ Betongtorn skall vara förspända, belastning endast på trycksidan.‣ Betongtorn kan vara gjutna på plats eller bestå av elementtillverkade på fabrik.‣ Bultförbanden i fackverk och steel shell kritiska. Skruvarna kortaoch ytbehandlingen tjock på många ytor. Stor risk för sättning.‣ Fackverks torn behöver en stor ”foot print”.‣ Cylindriska ståltorn har den optimala formen med tanke påbelastningar. De stora ytorna är dock benägna för buckling.‣ Många anser att torn är statiskt belastade. Om rotorn ochnacellets delar är dynamiskt belastade så hur kan då tornet varastatiskt belastad. Tornets livslängd är också begränsad till 20 år.4328.3.2013© MERVENTO

9 FundamentGenerellt‣ Fundamentet är en mycket viktig komponent, men ingår sällan iturbinleveransen. Ritningar ges åt kunden som tarhelhetsansvar för arbetet.‣ Fundamenten kan baseras på stor diameter och massa ellervara förankrade i berggrunden.4428.3.2013© MERVENTO

9 FundamentGenerellt‣ Marken under fundamentet måste vara stabilt och dränerat.‣ Fundamentet skall klara av tjälen.‣ Fastsättningen av tornet skall vara med långa bultar och inteingjuten stålcylinder.4528.3.2013© MERVENTO

9 FundamentInfästning av tornet‣ Det finns självklart mångaolika inankringar av tornfotentill fundamentet.‣ Följande grundmodell ärkanske den mest vettiga.Tornets fotFrigående,men fastgjutnabultar.ArmeringFundamentIngjuten bultfläns4628.3.2013© MERVENTO

9 FundamentTornets fastsättningFpsF sF vF A SAF PAF AkFVll svl pvlLong flexible studs with low stress amplitude due to external loadCorrosion protection by organic zinc coating,hot dip zink coatings gives hydrogen embrittlement4728.3.2013© MERVENTO

9 FundamentFundament alternativTorn och fundament – onshore● Fundamentet till en multi-MW turbin medfristående torn är enormt!● Fundamentet skall klara extremapåfrestningar, moment, vibrationer ochtyngder under turbinens hela livstid.● Ett fundament är vanligtvis 8-kantigt. Detär optimalt.● Några typer av fundament:● Gjuten och armerad platta●●– Vanligaste typen. Bilderna tillhögerAnkrad i berget– Bra lösning där berget är nära.Djup fundament– Lösning som tillämpas på mjukmark och sand. Ofta använd vidOff-Shore.48Fundament till 3MW Vestas. 14m diam.Fundamentet till en Enercon E-126. Receptetlyder: 1400 m3 betong, 120 ton stålarmering och29m i diameter.Tornet är gjutet av betong28.3.2013© MERVENTO

9 FundamentOffshore fundament alternativ4928.3.2013© MERVENTO

Grunden ärviktigast!5028.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaVindkraftverk med växellådaROTORKonverterarvindens energi tillmekaniskroterande energiVÄXELLÅDAÖkar varvtalet pårotationen ochminskarvridmomentetGENERATORKonverterar denmekaniska energintill elektrisk energiEFFEKTOMVANDLAREOmvandlar denvarierandefrekvensen till nätetskonstanta frekvensTRANSFORMATORHöjer spänningen fördistribution i elnätet3350 kW5 – 15 rpm2 130 000Nm3250 kW500 – 1500rpm20 700 Nm3150 kW15 – 50 Hz1000 V3050kW50 Hz1000 V3000 kW50 Hz20 000 V51© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaVäxellåda‣ Vindkraftverket kan ha en växellåda med:‣ 3-steg i≈100‣ 2-steg i≈25‣ 1-steg i≈5‣ 0-steg i≈15228.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaVäxellåda‣ Har många rörliga delar.‣ Mycket noggranna toleranser.‣ Mycket små spel.‣ Kräver mycket renhet.‣ Kräver smörjning ochkomplicerat system.‣ Ger förluster som skall kylasbort.‣ Kräver oljebyten och filter byten.‣ Kräver avanceratkonditionssystem som skallkopplas till turbinens styrsystem.‣ Kräver uppvärmning i kallaklimat.5328.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaStopptid i vindturbinerISET & Reliawind ISET Strategy Engineers Analysis VTT1. Electrical system 1. Generator 1. Pitch system 1. Gearbox2. Gearbox 2. Gearbox 2. Power converter 2. Pitch system3. Generator 3. Drive train 3. Generator 3. Electrical system4. Control system 4. Rotor blades 4. Yaw system 4. Hydraulics5. Yaw system 5. Pitch system 5. Control system 5. Control system6. Drive train 6. Supporting structures 6. Gearbox 6. Rotor bladesSource: Strategy Engineers Analysis,Reliawind 2010Source: Tuulivoiman TuotantotilastotVTT Vuosiraportti 2010Source: Institutefor Solar EnergySupplyTechnology inKassel Germany(ISET) and theEU-fundedReliawind studySource:Institute forSolar EnergySupplyTechnology inKasselGermany(ISET)5428.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets elsystemÖverblickG3~4,0 MW3,9 kV‣ Vindkraftverkets elektriska drivlina (power train)består av generator, tornkablar, frekvensomriktare,transformator, medelspänningsställverk.‣ Därtill finns site kablering, elstation, transformatoroch koppling till nätet.3,9 kV /20 kV20 kV /400 VIU553,6 MW20 kV28.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaGeneratorn‣ I generatorn omvandlas den mekaniskaroternande energin till elektrisk energi.‣ Generatorn består av en rotor somroterar och en stator som är stationär.‣ Rotorn kan var innanför statorn ellerutanför statorn.‣ Statorn har spår och kopparlindningar.‣ Rotorn kan också ha lindningar ellerpermanentmagneter.‣ Rotorns roterande rörelse ger ettroterande magnetfält som inducerarväxelspänningar i statorns lindningar.‣ Vid varierande rotationshastighetvarierar frekvensen.5628.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaGeneratorn‣ Två olika typer av generator finns,synkrona och asynkrona.‣ En synkrongenerator kan vara anslutentill ett elnät eller arbeta oberoende avnätet.‣ En asynkrongenerator däremot måstevara ansluten till ett elnät för att fungera,eftersom den tar sinmagnetiseringsström från nätet viduppstart och den styrs av nätetsfrekvens.‣ Asynkrongeneratorer användes iturbiner med fast var varvtal.‣ Driftvarvtalets avvikelse från detsynkrona varvtalet kallas eftersläpning(slip). 28.3.201357© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaSquirrel Cage Induction Generator SCIG‣ Generatorn har konstanthastighet‣ 3 stegad planetväxellåda + SCIG‣ ”Det danska konceptet”‣ Turbinerna har vanligtvis Stall kontroll‣ Robust, enkelt och relativt billigt.‣ Kräver extern magnetiseringström. Omöjligt att uppfylla dagensstränga grid codes och dess krav på spänningskontroll‣ Parallellkopplade kondensatorer för att kompensera förkonsumptionen av reaktiv effekt.5828.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaDouble Fed Induction Generator DFIG‣ Turbiner med variabel hastighet (med viss begränsning).‣ Bredare driftsområde (nominellt ±30%) än SCIG. Utanför dettaområde är det ytterst kritiskt p.g.a. för höga spänningar.‣ 3-stegs växellåda.‣ Frekvensomvandlaren är dimensionerad för 25-30% avtotaleffekten. Genom att kontrollera frekvensen i rotorn kan manockså kontrollera rotationshastigheten.‣ Både stator och rotor lindad. Släpringskoppling krävs för rotorn.‣ Statorn direkt kopplat till elnätet.‣ Frekvensomvandlaren möjliggör både kompensering för reaktiveffekt samt en mjuk balanderad elnätsinkoppling.‣ Generatorn behöver el för att funka. DFIG saknar Ride-throughmöjlighet. 28.3.201359© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaDouble Fed Induction Generator DFIG‣ När rotationen är på synkront varvtal matas all ström via statorlindningarna (S=0). Notera att effekten är maximal på dennapunkt. Ingen activ effekt går I rotorlindningarna.‣ När vinden ökar, ökar också rotationshastigheten för att hållaoptimalt löptal. Då opererar generatorn super-synkront (S0) och konvertern absorberar effekt från nätet för exciteringav rotorlindningarna.‣ Detta minskar energi produktionen på det område turbinenopererar mest.28.3.201360© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaElectrical Excited Synchronous Generator EESG‣ Turbiner med variabel hastighet‣ Lindad rotor. Magnetiseringen sköts undefär på samma sättsom i en DFIG generator.‣ Generators och turbinens rotor roterar med samma lågahastighet‣ Ingen växellåda krävs, men däremot släpringskoppling för DCspänningensom krävs för magnetiseringen.‣ Frekvensomvandlaren möjliggör både kompensering av reaktiveffekt samt en mjuk överföring till elnätet.‣ Fulleffektsfrekvensomvandlaren dyr!‣ Ride-through möjlighet ges tack vare motstånd i DC-linken ifrekvensomvandlaren.‣ Kräver stor diameter på Generatorn för att stå emotvridmomentet.28.3.201361© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaPermanent Magnet Synchronous Generator PMSG‣ Växellåda som kan vara 2- eller 3-stegs växellåda.‣ Generatorn ansluts till nätet genom en fulleffektsfrekvensomvandlare.‣ Inga släpringskoppling som är potentiella felkällor och kräverunderhåll.‣ Frekvensomvandlaren möjliggör både kompensering av reaktiveffekt samt en mjuk överföring till elnätet.‣ Frekvensomvandlaren är dyr när den är för full effekt.‣ Hög effektivitet och produktion.‣ Ride-through möjlighet ges tack vare motstånd i DC-linken ifrekvensomvandlaren.‣ Stor efterfråga och temporärt mindre utbud påpermanentmagneter höjde priset.‣ Risk för demagnetisering av permanentmagneterna vid hög62temperatur. Kräver därför ett fungerande kylsystem!28.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaPermanent Magnet Synchronous Generator PMSG‣ Direktdriven generator ansluts till nätet genom enfulleffektsfrekvensomvandlare.‣ Generatorns och turbinens rotor roterar med samma låga hastighet.‣ Ingen växellåda eller släpringskoppling som är potentiella felkälloroch kräver underhåll.‣ Frekvensomvandlaren möjliggör både kompensering av reaktiveffekt samt en mjuk överföring till elnätet.‣ Frekvensomvandlaren är dyr när den är för full effekt.‣ Hög effektivitet och produktion.‣ Ride-through möjlighet ges tack vare motstånd i DC-linken ifrekvensomvandlaren.‣ Kräver stor diameter på Generatorn för att stå emot vridmomentetsamt att man kan få tillräckligt antal poler (tillräckligt hög frekvens viduppstart).‣ Stor efterfråga och temporärt mindre utbud på permanentmagneterhöjde priset.6328.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaDouble-fed concept6428.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaHigh-speed full converter concept6528.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaMedium-speed full converter concept6628.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaLow-speed full converter concept6728.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaHydraulisk drivlinaHelhydraulisk transmission● En nykomling på marknaden är Mitsubishis Sea Angel 7MW.● Introducerades på EWEA:s offshoremässa hösten 2011.● Turbinen har ingen mekanisk växellåda, ej heller frekvensomvandlare.● Kraftomvandlingen sker med hjälp av en högeffektiv hydraulpump frånArtemis.● Voith är en liknande tillverkare av hydraulpumpar.● Pumpen driver två motorer som driver två högspänningsgeneratorer.● Infasning, elreglering och justeringar görs med hjälp av digitalhydraulik.● Turbinen saknar kraftelektronik, men har ett desto mera sofistikierathydraulsystem.6828.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaHydraulisk drivlinaHelhydraulisk transmission.Mitsubishis nya kocept ”SEA ANGEL”6928.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaHydraulisk drivlinaHelhydraulisk transmission7028.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaPower train comparison‣ The comparison is excluding the losses in the step-uptransformer as well as the power for own use71Source: The Switch 28.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets drivlinaFördelar och nackdelar med direktdrift+ Bättre tillförlitlighet.+ Mindre vibrationer.+ Bättre verkningsgrad på lägreeffekt.+ Lämpar sig bättre för kallaklimat.+ Lägre kostnader för produceradenergi.+ Bättre logistik.- Större diameter som ger högreinvesteringskostnader.- Stor mängd dyra magneter.- Svår att transportera och resa.7228.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemGenerellt‣ För att ett vindkraftverks skall utnyttja vindens maximalt börrotorns varvtal variera i proportion till vindens hastighet för attlöptalet skall hållas optimalt.‣ Snabb löpare har dock ett brett varvtalsområde, löptalet kanvariera ganska mycket utan att rotorns verkningsgrad sjunkerdrastiskt.7328.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemGenerellt‣ Vinden är mycket turbulent. Om turbinen har konstant varvtalkommer hela turbinen att utsättas för stora belastningar. Omrotorns varvtal kan variera accelererar varvtal inom givnagränser och producerar mera el till nätet samtidigt sombelastningsnivån på turbinen sjunket. Vid en mycket kraftigacceleration kommer bladvinkelregleringen aktivt att minskavarvtalet. En temporär effektökning på grund av högre varvtalförorsakar inte för höga temperaturer i lindningarna förutsatt attgeneratorns kylsystem fungerar effektivt.‣ Variable speed and variable pitch.‣ Detta leder till att utvecklingen går mot permanentmagnetgeneratorer kombinerade med fulleffekt frekvensomformare.‣ Kraftelektroniken möjligör att elen som matas till nätet har denfasvinkel och reaktiva effekt som nätet har behov av vidanslutningspunkten.‣ Kraftelektronik är dyr och mycket sensitiv för fukt ochvibrationer. Olika övertoner måste också filtreras.7428.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemTorque Controller7528.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemPitch Controller7628.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemTorque in the turbine rotor7728.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemControl of the wind turbine7828.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemPreventive condition monitoringMervento CMS monitors thefollowing:• Running hours• Wind speed and direction• Temperatures• Blade root bending moment• Oscillations (tower)• Vibrations ( main bearing, mainshaft, blade bearings)• Noise in nacelle• Pressures absolute/differential• Hydraulic oil quality• Electrical parameters• Generator air gap camera• Web cameraCondition monitoring system integrated into the turbine controller7928.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemCommunication layout* Redundant operator accessEthernetOpticalTurbine nTurbine 4GridTurbine 1FI0101Park ControllerPark ServerHMI 15”TurbineControllerTurbine 3Turbine 2FI0102HMI 15”TurbineController1* Windpark connection redundant (fiber optics) 1*ADSL(IPSec)UtilityOwner/OperationMervento R&DSubsuppliersTrends/Reports/StorageTrends/Reports/StorageTrends/Reports/StorageTrends/Reports/Storage8028.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemValue chain of CMS/CBM8128.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemGraphical user unterface8228.3.2013© MERVENTO

10 Vindkraftverkets styrsystemGenerellt‣ Turbin controller, Remote control & monitoring (SCADA),Condition Monitoring System (CMS), Condition BasedMaintenenace (CBM) allt integrerat till ett system.‣ Styrning, driftövervakning och driftuppföljning i ett och sammasystem.‣ Totalt 300 I/O i systemet.‣ Web baserade rapporteringssystem.‣ Styrsystem simulerade med Mathlab Simulink.8328.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaGenerellt‣ Formeln för effekten i vinden bör vara i ”ryggraden”.‣ Skillnaden mellan energi och effekt måste vara ”kristallklar”.‣ När man pratar om vindkraft blandar man ofta ihopverkningsgrad och kapacitetsfaktor.‣ Fullasttimmar borde man inte prata om eftersom dessa är fiktivatimmar.‣ Vinden är inte normalfördelad. Weibull fördelningen kan varieralokalt och vindmätningar är nödvändiga.‣ Det som man strävar efter inom vindkraften och all annanenergiproduktion är en så låg kostnad för den produceradeenergin som möjligt.8428.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaKostnad för producerad energiQualityReliabilityInvestment costCapital costFixed operationalcostsMaintenancecostsAccessabilityFuel costsCost of EnergyCoE =CAPital EXpendituresCAPEX + OPEXEPEnergy ProductionOPerational EXpendituresPower CurveSite conditionsAvailabilityEfficiencyOwn useenergyWind speedHub heightWeibulldistributionRotorbladeicingPredictivemaintenanceReliabilityAccessability28.3.201385© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEffekten i vinden‣ The power that can be captured from the wind with a windenergy converter is:P = 0,5 x air x C p (,) x A x wind 3Ppower captured from the wind [W]A rotor effective area [m 2 ] air mass density of the air [kg/m 3 ]C pAccording to IEC 61400 shall be used air = 1,225 kg/m 3 at 15°Cpower coefficient that depends on the blade design, tipspeed ratio and pitch angle wind wind speed [m/s]8628.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEnergi produktion‣ Vid beaktande av energiproduktionen är rotordiametern ochvindenhastighet de viktigaste parametrarna.‣ Vad är då koncekvenserna av denna utveckling8728.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaTurbine powerTurbine power [MW]10,009,008,007,006,005,004,003,002,001,00880,001980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 202028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaRotor diameterRotor diameter [m]200180160140120100806040208901980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 202028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaBlade tip speedTip speed [m/s]1009080706050403020109001980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 202028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaRotor rotational speedRotational speed [rpm]1009080706050403020109101980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 202028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaRotor torqueRotor torque [kNm]100009000800070006000500040003000200010009201980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 202028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaRotor thrust forceThrust force [MN]2,01,81,61,41,21,00,80,60,40,2930,01980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 202028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaHub vertical forceHub vertical force [MN]2,01,81,61,41,21,00,80,60,40,2940,01980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 202028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaRotor bending momentRotor bending moment [kNm]50,045,040,035,030,025,020,015,010,05,0950,01980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 202028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEnergi produktion‣ Den så kallade 3 punkts lösningen är den största utmaningen för växellådan.‣ Rotor axel med två lager är en mycket bättre lösning.‣ Den bästa lösningen är kopierad från valssytem pch är inte vanlig (Doosan,lösning från Orbital 2)9628.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEnergi produktion‣ Belastningarna på turbinenerna har ökat exponentionellt pågrund av ökad effekt och rotordiameter.‣ Större belastningar ger större och styvare strukturer för att hållaspänningarna på acceptabel nivå. Trots det så blirdeformationer och förskjutningar större i en större turbin.‣ I växellådan finns komponenter med mycket noggrannatoleranser och spel på10 – 30 µm. Förskjutningarna ochdeformationerna i växellådans hus (skal) uppgår till 10 – 30 mmpå grund av att den deltar aktivt i att ta upp rotorns belastningar.‣ På grund av detta fungerar växellådan bättre i mindre turbiner.‣ Direkt drift lämpar sig bättre för större turbiner i offshoreapplikationer.‣ Denna kraftiga utvecklig av effekt och rotordimeter har resulterattill att turbiner på marknaden är mer eller mindre prototyper.9728.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEffektkurva och verkningsgrad‣ Effektkurvan är turbinens effekt som funktion av vindenshastighet.‣ Effekten i vinden är direkt en funktion av vindens hastighet.‣ Verkningsgraden kan betraktas som helhets verkningsgrad ellerverkningsgraden i drivlinan endast.‣ Den elektriska verkningsgraden för en vindturbin är ca 45%.Detta är en av de största för alla elproduktionsmetoder.‣ Verkningsgraden i en full frekvens omvandlare och en växellådaär ungefär den samma, 97 – 98%.‣ Effektkurvan kan anges vid olika punkter i drivlinan.9828.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEffektkurvaPercentual share valid for a class IIAturbine in annual average windspeed 8,5 m/s and with Rayleighdistribution18 % 64 %18 %9928.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEgen förbrukning10028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEffektkurvor med beaktande av egen användningIn production the own use power reduces the net power tothe grid. In stand-by the own 101 use energy is approximately 6kWh and taken from the grid.28.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaRotor verkningsgrad10228.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaVerkningsgrad i drivlinan10328.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaVerkningsgrad i hela turbinen10428.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaKapacitetsfaktorn‣ Kapacitetsfaktorn är ettprocenttal för denproducerade elen påårsbasis dividerad medden teoretiskt möjliga.‣ Kapacitetsfaktorn ärlägre för vindturbinereftersom den opererarstörsta delen av tidenunder märkeffekten.‣ Alla energiproduktionsmetoderhar enkapacitetsfaktor påunder 100%.‣ Kapacitetsfaktorn ivindkraft varierar kraftigtberoende på28.3.2013vindförhållandena. 105© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaKapacitetsfaktornOnshore Near shore Offshore OffshoreWind speed class III II II IAnnual avererage wind speed6,5 – 7,5 m/s 7,5 – 8,5 m/s 7,5 – 8,5 m/s 8,5 – 10,0 m/sCapacity factor state of the art 25% 35% 40% 40%Future capacity factorsconsidered by Mervento25 – 35 % 35 – 45 % 45 – 55 % 45 – 60 %The capacity factor depends mainly on the annual average windspeed and thereby there is a range within the wind class.The capacity factors can be increased by:1. Improved turbine RELIABILITY through better technicalsolutions and high quality components and solutions.2. Improved AVAILABILITY as a result of improved turbinereliability and well planned predictive maintenance.3. Better ACCESSABILITY at class II offshore than class Ioffshore.10628.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEffekt och energi239195+ 50%125157987657246 10 1522314310728.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEffekt och energiAnnual average wind speed 8,5 m/sWeibull parameter Gamma Γ 0,591Weibull parameter Scale factor k 2,010828.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEffekt och energi●Weibull-fördelningen baserar sig på två parametrar:●●K = FormparameternA eller C = Skalningsparametern●Rayleigh-distributionen kan också användas för att beskrivavindhastighetsvariationer, med en Weibull med K=210928.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaEffekt och energi29542533239215318141951512157+ 20%12461251013984912246 10 1580 127 189 269 369 26383181143577611028.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaFormler för jämförelse av prestandaAEPSE = ---------A rotorAEPCF = ---------P * 8760 hTISI = ------AEP * LTSE = Specific Energy [kWh/m 2 /a]AEP = Annual Energy Production [kWh]A rotor = Rotor area [m 2 ]CF = Capacity Factor [%]AEP = Annual Energy Production [MWh]P = Nominal power [MW]SI = Specific Investment [€/MWh]TI = Total investment [€]AEP = Annual Energy Production [MWh]LT = Life time [a]IAO + IAFMTBA = ------IATBA = Time Based Availability [%]IAO = Information Available Operative [h]IAFM = Information Available Force Majeure [h]IA = Information Available [h]PBA = ------IAO A + IAFM AIA PPBA = Production Based Availability [%]IAO A = Information Available Operative Actual [MWh]IAFM A = Information Available Force Majeure Actual [MWh]IA P = Information Available Potential [MWh]11128.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaVindklasser enligt IEC 61400-1Klass I II III IVReferens vindhastighet 50 42,5 37,5 30Årlig medelvindhastighet 10 8,5 7,5 650-åriga extremvindpust 70 59,5 52,5 42Årlig extremvindpust 52,5 44,6 39,4 31,5Kategori A B A B A B A BTurbulensintensitet vid 15m/s 18% 16% 18%Exempel:Off shore”Till havs”112Exempel:Nearshore”Närahavet”,”Fjäll”16% 18% 16% 18%Exempel:On shore”Godavindområden påland”16%Exempel:On shore”Dåligavindområden tilllands”28.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaKostnad för producerad energiQualityReliabilityInvestment costCapital costFixed operationalcostsMaintenancecostsAccessabilityFuel costsCost of EnergyCoE =CAPital EXpendituresCAPEX + OPEXEPEnergy ProductionOPerational EXpendituresPower CurveSite conditionsAvailabilityEfficiencyOwn useenergyWind speedHub heightWeibulldistributionRotorbladeicingPredictivemaintenanceReliabilityAccessability28.3.2013113© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaApplikationerOnshore Near shore Offshore OffshoreWind speed class III II II IAnnual avereragewind speed6,5 – 7,5 m/s 7,5 – 8,5 m/s 7,5 – 8,5 m/s 8,5 – 10,0 m/sCapacity factor 25 – 35 % 35 – 45 % 45 – 55 % 45 – 60 %Rotor diameters 90 – 120 m 100 – 120 m 100 – 120 m 115 – 170 mNominal turbinepowerWind power plantcost1,5 – 3,0 MW 3,0 – 4,0 MW 3,0 – 4,0 MW 5,0 – 7,0 MW1,2 – 1,6 M€/MW 1,4 – 1,8 M€/MW 2,0 – 3,0 M€/MW 3,0 – 4,5 M€/MWAvailability > 95 % > 98 % > 90 % > 90 %Tower Head Mass < 140 t 200 – 300 t 200 – 300 t 300 – 600 tO&M costs 15 – 25 €/MWh 10 – 15 €/MWh 30 – 40 €/MWh 40 – 70 €/MWhCost of Energy 60 – 90 €/MWh 50 – 80 €/MWh 80 – 120 €/MWh 120 – 180 €/MWh11428.3.2013© MERVENTO

11 Vindkraftverks effektivitet och prestandaUtvecklingstrenderClass III‣ Larger rotor diameters (increased energy yield)‣ Elevated hub heights (increased energy yield)‣ Small overall dimensions and low erection weights, highspeedClass II‣ Larger rotor diameters‣ Elevated hub heights‣ Increased energy production and low maintenance coststhrough slightly higher investment costs, direct driveClass I‣ Two design philosophies‣ 5 – 6 MW with rotor diameters ±120 meters‣ 6 – 7 MW with rotor diameters +150 meters‣ MV power trains‣ New topology for electrical power train‣ Minimized operation and maintenance costs, direct drive28.3.2013115© MERVENTO

"A pessimist sees the difficulty in every opportunity; anoptimist sees the opportunity in every difficulty.“Sir Winston Churchill (1874-1965)11628.3.2013© MERVENTO