Vindenergi – en gammel teknologi med nye udfordringer
Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Vindenergi – en gammel teknologi med nye udfordringer Uffe V. Poulsen Institut for Ingeniørvidenskab, Aarhus Universitet IFA Fysiklærerdag 2013 Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Vindturbinefysik En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Vindfarme og vindskygger Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Konsekvenser for elsystemet Lad vejret bestemme! Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften De første vindmøller Mellemøstlige vertikal-akse møller sa˚ tidligt som 1700 f.kr.! Kinesiske “flap-sejls-møller”, cirka 1000 e.kr. Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet 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.) Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften En typisk vindturbine (Siemens SWT-2.3-82 VS) vinger: 40 m lange, 15 ton, glasfiber ˚ nacelle: 15 m lang, 80 ton, stal ˚ ˚ tarn: 80 m højt, 150 ton, stal Vingerne roterer 18 omgange pr. minut ved 13 m/s og møllen producerer da 2.3 MW Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Nacellens indre 7: lav-hastigheds aksel 8: gearkasse 12: generator Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Vindens kinetiske energi v A ∆m = ρAv ∆t ⇓ ∆Ekin = v ∆t 1 1 ∆m v 2 = ρAv 3 ∆t 2 2 For v = 10 m/s og A = π(40m)2 : dm dt = 60 ton/s og Pkin = 3 MW! Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Vindens kinetiske energi v A ∆m = ρAv ∆t ⇓ ∆Ekin = v ∆t 1 1 ∆m v 2 = ρAv 3 ∆t 2 2 For v = 13 m/s og A = π(40m)2 : dm dt = 85 ton/s og Pkin = 6.8 MW! Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften ˚ Problemet med gradighed v Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften ˚ Problemet med gradighed v F p x Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften ˚ Problemet med gradighed v1 v3 v2 p p+ x p− Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften ˚ Optimal gradighed og Betz-grænsen Impulsbevarelse fra 1 til 3: F = v1 p v3 v2 x p0 − p− = 2 Resultat: v1 + v3 2 P = Pkin cp " 2 # 1 + vv13 v3 cp = 1− 2 v1 v2 = Energibevarelse (Bernoulli) fra 1 til 2 og fra 2 til 3: 1 (v1 − v3 ) = ρAv2 (v1 − v3 ) Kraftbalance omkring rotor: p− 2 1 dt p+ − p− A = F F p+ p+ − p0 = dm 2 2 ρ v1 − v2 2 2 ρ v2 − v3 max cp = 59% Uffe V. Poulsen Vindenergi @ v3 = 1 v1 3 Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet En gammel teknologi Den moderne turbine Turbinens vekselvirkning med luften Vindmølle-design Mission: Brems vinden til v3 = 31 v1 og opsaml al energien Det gode trick: aerodynamisk lift L 1 2 ρw cbCL 2 τ = sin(α)Lr L= w α Ωr v2 P = τΩ Moderne møller: ΩR ∼ 10v1 → stor w og lille τ → smalle vinger og lille “rotationstab” Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Et eklatant symmetribrud... Nysted havvindmøllepark Nysted layout, Jensen−Katic, kjensen=0.04, theta=270 90 100 120 60 80 60 150 30 40 total power 20 180 0 330 210 300 240 270 angle (degrees) Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Et eklatant symmetribrud... Nysted havvindmøllepark Nysted layout, Jensen−Katic, kjensen=0.04, theta=270 90 100 120 72 turbines, rated power: 2.3 MW 60 80 rotor radius: 41.2 m 60 150 30 482m 40 44◦ 67◦ 20 total power 358 ◦ 180 0 867m 98◦ 124 ◦ 330 210 300 240 270 angle (degrees) Vindskygger! Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Statiske, geometriske modeller y v = uex vx = vw (x) Jensen model: r (x) = R + kx r (x) R x y r (x) z Frandsen model: p r (x) = R αx/R Disse modeller afløses kun langsomt af egentlige simuleringer! Gode i middel: Kan de ogsa˚ bruges pa˚ øjebliks-billeder? Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Hvorfor se pa˚ øjebliksbilleder? Nysted layout, Jensen−Katic, kjensen=0.04, theta=270 90 100 120 60 80 60 150 30 40 total power 20 180 0 Bla˚ line: selviske møller Turkis line: uselviske møller 330 210 300 240 270 angle (degrees) Teoretisk potentiale (statisk): et par procent ekstra produktion ˚ I praksis virker det darligt.... Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Parametrisering af produktionsmønstre ved simple vindskyggemodeller [UVP, J. Scholz, J. Cleve, E. Hedevang, M. Greiner] ˚ Data: 3 maneders 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 Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet 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) 0.15 0.1 k p(ε) 5 0.15 k (a) 7 3 0.05 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 0.4 3 0.2 0.2 1 0 0.1 0.2 0.3 ε 0.4 0.5 0.6 Uffe V. Poulsen 0 6 7 8 9 v0 [m/s] Vindenergi 10 11 12 0 0 100 200 θ [degrees] 300 Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Farme vs. enkelte turbiner Vindskygge-modeller Kan det forbedres? Ja, propagerende vindskift kan fanges i “medfølgende” ramme: co−moving frame (η=0.8) fixed frame (η=0) Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet 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!” I “fysiske niveau”, i.e. ingen økonomisk model I historiske vejrdata + installationsstrategi → fiktive produktionstidsserier for vind og sol I + historiske forbrugsdata → fiktiv balancering, lagring og transmission Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Lad vejret bestemme! Hvorfor transmission? Resourcerne er tidsligt (dag-nat!) og rumligt ulige fordelt Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Lad vejret bestemme! Balancering versus transmission Antagelse: vind og sol producerer i gennemsnit præcis nok el Balancing energy [ norm alised] 0.27 0.25 Int erpolat ion A Int erpolat ion B Int erpolat ion C Inst alled capacit y 2010-2011 0.23 0.21 0.19 0.17 0.15 0 0 Minim um balancing energy 100 200 300 400 500 600 700 800 Tot al inst alled t ransm isison capacit y [ GW] 900 Konklusion: 24% balancering nødvendig uden transmission, 15% ved optimal transmission (cirka 6 gange nuværende) Uffe V. Poulsen Vindenergi Vindturbinefysik Vindfarme og vindskygger Konsekvenser for elsystemet Lad vejret bestemme! Tak for opmærksomheden! ˚ er velkomne (ogsa˚ pa˚ uvp@phys.au.dk) Spørgsmal Uffe V. Poulsen Vindenergi
© Copyright 2024