Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik

Regenerative Energy technique II

Wind Energy

Part 3

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A)uv(2

cF 2Lww −ρ=

w

L

w

274

ww,p

Rotor power coefficient of a resistance

Drag coefficients (left) and principle of the rotor resistance (right)

• resistance

• maximum power coefficient c = c

ρ =Density of air (kg/m³)F = Resistance (N)

A = considered area (m²)v = Flow velocity (m/s)u = Peripheral speed (m/s)c = Drag coefficient

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Vergleich der Leistungsbeiwerte des idealen Läufers nach Betz mit verschiedenen Widerstandsläufern

Rotor power coefficient of a resistance

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Druckverteilung an einem aerodynamisch günstig geformten Rotorblattprofil (links) und Luftkräfte am Profil (rechts)

A

W

RS

A

p

Flow around an airfoil

F = Buoyancy F =Resistance F = resultant force α = Angle b = Profile width w = Flow velocity (m/s)

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Aw2

cF 2Lww

ρ=

w

A

L

w

a

pAw

2cF 2L

aAρ=

5

5

6

7

'p

v

bwRe =

Example of a polar diagram for a simplerotor blade profile (Re = 10 ).

Have low speed at the outer radius of a Reynolds number of 10 , while machine speed in the range 10to 10 .

• resistance

• buoyancy

F = Resistance (N)F = Buoyancy (N)ρ = Density of air (kg/m³)A = considered area (m²)c = Drag coefficient c = Lift coefficient w = Flow velocity (m/s)b = Profile width (m)v‘ = kinematic viscosity (m²/s)

Lift coefficient and drag coefficient

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Velocity and air forces on the rotor

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Twisting of the rotor blade

Twisting of the rotor bladeat the angle ∆β

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Ev

uES =λ

Aerodynamic losses on the rotor blade

Tip speed: Ratio of peripheral speed u at the end ofthe rotor to the wind speed v

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g F

Verhältnis von Auftriebs-beiwert zu Widerstandsbeiwert

w

a

ccE =

S

F

p

p F

Effect of lift /drag ratio E and the bladeno.z to the power coefficient

L / D : G

•Simple profile with less L/D have their optimum for small λ . These rotors are therefore called slowoperated runner.

• At low glide ratios, i.e. with simple profiles, the leaf number z a great influence on the optimal power coefficient c . With large numbers of sheets can achieve much higher power.

G S •For large glide ratio E and large speed ratio λ ,the dependence of optimal c - with the blade number z is less.

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•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)

Influence of a non-optimal flow profile

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Leistungsbeiwert eines Schnellläufers in Abhängigkeit von der Schnelllaufzahl mit dem Blatteinstellwinkel als ParameterDie Kurven haben ein Maximum, d.h. es gibt für jeden Blatteinstellwinkel eine andere optimale Schnelllaufzahl

Power coefficient and tip speed

Power coefficients of wind rotors of various designs

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0

E

)Nm(PMd ω=

• Drehmoment Md am Rotor:

• Drehmomentenbeiwert cm:

E02

L

dm RAv5,0

Mcρ

=

S

pm

cc

λ=

Power coefficient and moment for slow and fast

P = given rotor power (W)ω = Angular velocity (1/s)A = Rotor swept area (m²) v = Wind speed (m/s)R = outer rotor radius (m)

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Torque coefficients of rotors of various designs

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Wind turbines with vertical axis

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Wind turbines after the lift and drag principles

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Rotor:

s

•λs ∼ 8 – 14

• The aerodynamic efficiency for the extraction of wind power to thelift principle stands at 50%, typical values for rotors: 42 -48%

(30 – 50 U/min)1000 -1500 rpm to use, the rotor is designed for high speeds

•To avoid high gear ratio and tgenerators with

• favorable mass distribution ⇒ Low Vibration dynamic problem

•λ ∼ 6 – 10; i.e. not too fast and without extreme noise

Two-bladed rotor:

Three-bladed rotor: • 90% of all installations

Horizontal axis converter

• rotor blades and hub form the rotor

•10% of all installation • Saving a blade• greater effort to catch the hub for higher dynamic loads

• in MW systems eventually cheaper than three-bladed rotors

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•λs ∼ 14 – 16

One blade rotor

• Important parameters: specific gravity, maximum breaking stress,modulus of elasticity, tensile strength, fatigue strength

•Blow- and/or swivel joint hub; Each blades have a joint impact and can thus independently adjust to the respective forces.

Horizontal axis converter

• Problems with dynamics• need of repair• high noise

Rotor blades: • Fibre-reinforced plastics with glass, carbon or aramid fibers

•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

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Sheet adjustablemechanism • rotor blade storage at the blade root (cone-bearing and moment)

• adjustment of the rotor blades are electro-mechanical or hydraulic

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

•Housing in the Gondel• Efficiency 98% per gear box

•Plants without transmission ; variable speed ring generator with dc • The disadvantage is the noise

• one-or multi-stage spur or planetary gearboxes

• Not adjusting system for feathering + mechanical brake

• energy supply store (about 2% of the total cost)

• Power and speed control, Standstill

Horizontal axis converter

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Generator:

•20 – 125 Meter

Horizontal axis converter

• 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 theGenerator power generated variable voltage and frequency is first rectified and then placed in the inverter to the mains voltage and frequency

Wind direction -for implementation:

• Optimal alignment of the rotor •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

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•Eine Auftriebskraft in Richtung der Rotorebene entsteht erst, wenn der Blatteinstellwinkel so weit vergrößert wird, daß die Strömung am Profil anliegt

Acceleration control

•The low speed because of blades have insufficient thrustcharacteristics, at the start of the installation ofthe blade pitch angleβ must be as large as possible

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Volllastregelung (Pitch-Regelung)

• Die Vollastregelung erfolgt durch Blattverstellung. Dabei wird der Blatteinstellwinkel βso verändert, daß der Auftriebswert des Profils kleiner wird

Nenn

Nenn

A

• Would be the profile with increasingWind speed v > vin the nominal blade pitch angleβ the angle of attack α bigger and thus the lift force. Thepower rating would be exceded.

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Power regulation: Pitch

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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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Elektrische Generatoren

Synchrongenerator:

•Synchrongeneratoren besitzen außen einen feststehenden Stator und innen einen Rotor oder Läufer, der sich auf der drehbaren Welle befindet. 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.

Der Generator wandelt die mechanische Energie der Drehbewegung des Triebstrangs in elektrische Energie um.

•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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Elektrisches System: Asynchrongenerator

Asynchrongenerator:

•Asynchrongeneratoren besitzen ebenfalls einen feststehenden Stator und einen drehbaren Rotor bzw. Läufer. Die Erregung, d.h. der Aufbau des 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 bewegt sich der Läufer mit der Läuferdrehzahl n, die stets geringer ist als die Synchrondrehzahl ns, da eine Drehzahldifferenz benötigt wird, um Spannungen im Läufer zu induzieren. Die relative Differenz zwischen der Läuferdrehzahl n und der Synchrondrehzahl ns wird als Schlupfbezeichnet:

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 Synchrongeneratoren.

s

s

nnns −=

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Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung (I)

Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer (Erreger) und Drehstromwicklung im Ständer (Anker)

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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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Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung

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Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis

Betriebspunkte einer drehzahl-variablen Windkraftanlage:1: Leistungsbegrenzung durch konstante Drehzahl2: Leistungsbegrenzung durch Umrichter

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ENERCON E-112

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Optimale Rotordrehzahl

Leistungs-Drehzahlkennfeld eines Schnellläufers

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Luft- und Massenkräfte am Rotor (I)

Schematischer Verlauf der Tangentialkräfte und der Schubkräfte am Rotor

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Luft- und Massenkräfte am Rotor (II)

Konuswinkel des Rotors und Kräfte

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Luft- und Massenkräfte am Rotor (III)

Drei der am häufigsten ausgeführten Rotorbauweisen: Starrer Rotor, Schlagrotor und Pendelrotor

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Schwingungsbeanspruchung

Resonanzdiagramm einer Windkraftanlage (Nenndrehzahl 35 Umdr./min)