1. Regenerative Energy technique II
Wind Energy
Part 3
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2. Rotor power coefficient of a resistance
Drag coefficients (left) and principle of the rotor resistance (right)
Fw = Resistance (N)
ρ
• resistance Fw = c w L (v − u)2 A ρL =Density of air
(kg/m³)
2 A = considered area (m²)
4 v = Flow velocity (m/s)
• maximum power coefficient c p,w = c w
u = Peripheral speed (m/s)
27
cw = Drag coefficient
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3. Rotor power coefficient of a resistance
Vergleich der Leistungsbeiwerte des
idealen Läufers nach Betz mit
verschiedenen Widerstandsläufern
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4. Flow around an airfoil
FA = Buoyancy
FW =Resistance
FRS = resultant force
αA = Angle
bp = Profile width
w = Flow velocity
(m/s)
Druckverteilung an einem aerodynamisch günstig geformten Rotorbl attprofil (links)
und Luftkräfte am Profil (rechts)
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5. Lift coefficient and drag coefficient
Example of a polar diagram for a simple
rotor blade profile (Re = 10 ). 5
Have low speed at the outer radius of a
Reynolds number of 10 5,
while machine speed in the range 10 6
to 107 .
w bp
Re =
v'
Fw = Resistance
(N)
FA = Buoyancy
(N)
ρL = Density of air
(kg/m³)
A = considered area
(m²)
ρL 2
• resistance Fw = c w w A cw = Drag coefficient
2 ca = Lift coefficient
ρ w = Flow velocity
(m/s)
FA = c a L w 2 A
• buoyancy 2 bp = Profile width (m)
v‘ = kinematic viscosity
(m²/s)
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6. Velocity and air forces on the rotor
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7. Twisting of the rotor blade
Twisting of the rotor blade
at the angle ∆β
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8. Aerodynamic losses on the rotor blade
uE
Tip speed:
Ratio of peripheral speed uE at the end of λS =
the rotor to the wind speed v v
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9. Effect of lift /drag ratio Eg and the bladeno. zF to the power coefficient
ca
L/D
: EG =
cw
Verhältnis von Auftriebs-
beiwert zu
Widerstandsbeiwert
• Simple profile with less L/D
have their optimum for
small λS. These rotors
are therefore called slow
operated runner.
• At low glide ratios, i.e. with simple profiles, the leaf number z F a great
influence on the optimal power coefficient cp . With large numbers of sheets
can achieve much higher power.
• For large glide ratio E and large speed ratio λ S ,the dependence
G
of optimal cp- with the blade number z F is less.
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10. Influence of a non-optimal flow profile
• Wird ein Rotorblatt, das sich mit konstanter Drehzahl und daher mit konstanter
Umfangsgeschwindigkeit dreht, mit einer steigenden Windgeschwindigkeit
beaufschlagt, dann sinkt die Schnelllaufzahl (links)
• Umgekehrt steigt die Schnelllaufzahl bei sinkender Windgeschwindigkeit (rechts)
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11. Power coefficient and tip speed
Power coefficients of wind rotors of various
designs
Leistungsbeiwert eines Schnellläufers in
Abhängigkeit von der Schnelllaufzahl mit
dem Blatteinstellwinkel als Parameter
Die Kurven haben ein Maximum, d.h. es
gibt für jeden Blatteinstellwinkel eine
andere optimale Schnelllaufzahl
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12. Power coefficient and moment for slow and fast
• Drehmoment Md am Rotor:
P
Md = (Nm)
ω
• Drehmomentenbeiwert cm:
Md
cm =
0,5ρL v 2 A 0RE
cp
cm =
λS
P = given rotor power (W)
ω = Angular velocity
(1/s)
A0 = Rotor swept area
(m²)
v = Wind speed
(m/s)
RE = outer rotor radius
(m)
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13. Torque coefficients of rotors of various designs
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14. Wind turbines with vertical axis
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15. Wind turbines after the lift and drag principles
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16. Horizontal axis converter
Rotor: • rotor blades and hub form the rotor
• The aerodynamic efficiency for the extraction of wind power to the
lift principle stands at 50%, typical values for rotors: 42 -48%
•To avoid high gear ratio and generators with
t
1000 -1500 rpm to use, the rotor is designed for high speeds
(30 – 50 U/min)
Three-bladed rotor: • 90% of all installations
• favorable mass distribution ⇒ Low Vibration dynamic problem
• λs ∼ 6 – 10; i.e. not too fast and without extreme noise
Two-bladed rotor: • 10% of all installation
• Saving a blade
• greater effort to catch the hub for higher dynamic loads
• λs ∼ 8 – 14
• in MW systems eventually cheaper than three-bladed rotors
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17. Horizontal axis converter
One blade rotor • Problems with dynamics
• need of repair
• high noise
• λs ∼ 14 – 16
Rotor blades: • Fibre-reinforced plastics with glass, carbon or aramid fibers
• Important parameters: specific gravity, maximum breaking stress,
modulus of elasticity, tensile strength, fatigue strength
• Rotor diameter: 10 – 115 Meter
• Rotor area: 80 – 10.390 m²
Hubs: • rigid and hingeless hub
• teetering (especially for two-bladed); gimbal suspension with damping
• Blow- and/or swivel joint hub; Each blades have a joint impact and can
thus independently adjust to the respective forces.
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18. Horizontal axis converter
Sheet adjustable • Power and speed control, Standstill
mechanism • rotor blade storage at the blade root (cone-bearing and moment)
• adjustment of the rotor blades are electro-mechanical or hydraulic
• energy supply store (about 2% of the total cost)
• Not adjusting system for feathering + mechanical brake
Transmission: 50 Hz generators need about 1500 rpm With the usual speed of
eg. 30-50 rpm at market-MW plant is therefore a conversion gear needed
• one-or multi-stage spur or planetary gearboxes
• Housing in the Gondel
• Efficiency 98% per gear box
• The disadvantage is the noise
• Plants without transmission ; variable speed ring generator with dc
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19. Horizontal axis converter
Generator: • direct interconnection with synchronous and asynchronous
• Synchronous generator: constant speed, resulting in high
dynamic loads in the drivetrain
• asynchronous: nearly constant speed, robust + cheaper
• indirect interconnection allows variable speed operation: from the
Generator power generated variable voltage and frequency is first rectified a
then placed in the inverter to the mains voltage and frequency
Wind direction - • Optimal alignment of the rotor
for implementation: • Rotation of the Gondel on ring gear and rotary drive
• Control over wind meter on the gondola
• Energy costs about 2% of the total
Tower: • Steel or concrete
• 20 – 125 Meter
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20. Acceleration control
• The low speed because of blades
have insufficient thrust
characteristics,
at the start of the installation of
the blade pitch angle
β must be as large as possible
• Eine Auftriebskraft in
Richtung der Rotorebene
entsteht erst, wenn der
Blatteinstellwinkel so weit
vergrößert wird, daß die
Strömung am Profil anliegt
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21. Volllastregelung (Pitch-Regelung)
• Die Vollastregelung erfolgt
durch Blattverstellung. Dabei
wird der Blatteinstellwinkel β
so verändert, daß der
Auftriebswert des Profils
kleiner wird
• Would be the profile with
increasing
Wind speed v > vNenn
in the nominal blade pitch angle
βNenn the angle of attack
αA
bigger and thus the lift force. The
power rating would be exceded.
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22. Power regulation: Pitch
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23. Leistungsregelung: Stall
Bei der Stall-Regelung wird ausgenutzt, daß es bei großen Anstellwinkeln zum
Strömungsabriss (engl. stall) kommt. Dadurch geht der Auftrieb weitgehend
verloren. Die Leistung, die vom Wind an den Rotor abgegeben wird, lässt sich
somit begrenzen.
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24. Elektrische Generatoren
Der Generator wandelt die mechanische Energie der Drehbewegung des Triebstrangs in
elektrische Energie um.
Synchron • Synchrongeneratoren besitzen außen einen feststehenden Stator und
innen einen Rotor oder Läufer, der sich auf der drehbaren Welle befindet.
generator: Dem Läufer wird meistens über Schleifringe ein Gleichstrom zugeführt,
der in der Läuferwicklung ein Magnetfeld aufbaut (Erregung). Wird die
Welle angetrieben, erzeugt dieses umlaufende Magnetfeld im Stator eine
Spannung mit einer Frequenz, die genau (synchron) der
Umlaufgeschwindigkeit des Läuferdrehfeldes entspricht.
• Wird ein Synchrongenerator gekoppelt mit einem
stabilen Netz betrieben, wie es z.B. in Deutschland mit
einer Netzfrequenz von 50 Hz der Fall ist, kann er nur
mit der Drehzahl laufen, die dieses Netz vorgibt; er
verhält sich dadurch drehzahlsteif.
• Ein Vorteil des Synchrongenerators ist, dass er auch
Blindleistung liefern kann, die zum Betrieb
verschiedener Verbraucher (z.B. Motoren) benötigt
wird.
Synchronmaschine mit Schenkelpolläufer
(zwei Pole)
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25. Elektrisches System: Asynchrongenerator
Asynchron • Asynchrongeneratoren besitzen ebenfalls einen feststehenden Stator und
einen drehbaren Rotor bzw. Läufer. Die Erregung, d.h. der Aufbau des
generator: Läufermagnetfeldes, erfolgt jedoch anders. Beim Asynchronmotor bef indet
sich im Läufer eine Wicklung, die direkt oder über einen Widerstand
kurzgeschlossen ist.
• Bei stehender Maschine (im Motorbetrieb) läuft das Drehfeld über den
stehenden Läufer hinweg und induziert in den Leitern der Läuferwicklung
eine Spannung. Hierdurch entstehen in den geschlossenen
Wicklungsstäben Stabströme, die eine Tangentialkraft auf den Läufer
verursachen und diesen in Bewegung setzen. Bei Motorbetrieb bewe gt sich
der Läufer mit der Läuferdrehzahl n, die stets geringer ist als die
Synchrondrehzahl n s, da eine Drehzahldifferenz benötigt wird, um
Spannungen im Läufer zu induzieren. Die relative Differenz zwischen der
Läuferdrehzahl n und der Synchrondrehzahl n s wird als Schlupf
bezeichnet: n −n
s= s
ns
Wird die Asynchronmaschine als Generator betrieben, bewegt sich der
Läufer schneller als das Ständerfeld (n > ns, s < 0).
• Im Gegensatz zum Synchrongenerator benötigt der Asynchrongenerator
zum Betrieb stets induktiven Blindstrom.
• Große Asynchrongeneratoren (> 100 kW) haben nur noch einen Schlupf
von 0,5 bis 1 % und sind fast so drehzahlsteif wie Synchrongener atoren.
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26. Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung (I)
Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer
(Erreger) und Drehstromwicklung im
Ständer (Anker)
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27. Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung (II)
Betriebspunkte eines Asynchron-
generators bei direkter
Netzkopplung
Betriebspunkte einer Windkraftanlage
mit zwei Asynchrongeneratoren bei
unterschiedlichen Drehzahlen
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28. Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung
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29. Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis
Betriebspunkte einer drehzahl-
variablen Windkraftanlage:
1: Leistungsbegrenzung durch
konstante Drehzahl
2: Leistungsbegrenzung durch
Umrichter
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30. ENERCON E-112
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31. Optimale Rotordrehzahl
Leistungs-Drehzahlkennfeld eines
Schnellläufers
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32. Luft- und Massenkräfte am Rotor (I)
Schematischer Verlauf der Tangentialkräfte und der Schubkräfte am Rotor
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33. Luft- und Massenkräfte am Rotor (II)
Konuswinkel des Rotors und Kräfte
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34. Luft- und Massenkräfte am Rotor (III)
Drei der am häufigsten ausgeführten Rotorbauweisen:
Starrer Rotor, Schlagrotor und Pendelrotor
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35. Schwingungsbeanspruchung
Resonanzdiagramm einer Windkraftanlage (Nenndrehzahl 35 Umdr./min)
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