H1: Wind energy: an overview
1.1 Wind energy
Renewable energy “hot” since 70s
1.2 Power generation
Kinetic energy
Wind= Airflow containing kinectic energy → kinetic energy= 0.5*m*v²
Flowing air mass: m = ρ * A * v (ρ = air density)
Kinetic Power = 0.5 * ρ * A * v³ ➔ Variatie in windsnelheid maakt groot verschil in beschikbare power
→ Hierdoor dienen blades groot te zijn
OPM: Natuur zorgt voor veel verschillende factoren…
Windturbines op berg: ρ is kleiner → kinetic energy ↓
Atmosferische druk afh van temp → hoge temp → ρ ↓ → kinetic energy ↓
Betz Limit
Jammer genoeg niet alle kinetic power kan worden overgedragen aan de rotor blades
𝑣+𝑣𝑑
Windspeed passing rotor blades: 𝑣𝑏 = 2
𝑣 = upwind speed (inkomende wind)
𝑣𝑑 = downwind speed (lagere snelheid)
Power extracted from the wind:
𝑃𝑏 = 0.5 ρ A 𝑣𝑏 (𝑣² + 𝑣𝑑 ²)
𝑃𝑏 = 𝐶𝑝 0.5 ρ A 𝑣³
𝑣
𝑣𝑑 = → Max power extracted: 𝑃𝑏,𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑝,𝑚𝑎𝑥 0.5 ρ A 𝑣³
3
16
Max rotor efficiency: 𝐶𝑝,𝑚𝑎𝑥 = 27 = 59.3% => downwind speed = 1/3 van
upwind => maximale hvl power extracted
Realiteit: 80% van benz limit is al heel erg goed
Wind speeds
Power curve
v< cut in WS → geen rotatie → geen power
cut in WS < v < rated WS → rotatie ↑ → power ↑
rated WS < v < shut down WS → power mag niet verder stijgen (limitatie
in mechanische of elektrische design)
shut down WS < v → rotor bladen in feathering position (eigenlijk zo de
bladen draaien dat het amper wind vangt)
➔ shutdown probleem voor voorziening elek → backup capaciteiten in
stand-by staan
1
Samenvatting: ©Pjotr Vande Velde
,Generated power
Wind turbines produceren niet steeds hun volledige energie
Vuistregel:
Onshore: 25% van nominal power
Offshore: 33% van nominale power
Windsnelheid stijgt exponentioneel afh van de hoogte
Hellman exponent = wrijvings coëfficiënt (kleiner bij smooth
surfaces) (0.1 ≤ α ≤ 0.4)
Indien α klein is → variaties in windsnelheid gaan beperkt blijven → kleinere variaties in power
OPM: Ongelijkheden in landschap zorgen niet enkel voor hogere weerstand maar ook voor turbulence → Power ↓
De wind surface boundry layer is belangrijk, kan varieren van 10 tot 100’en meters
Windsnelheid gaat in tijd ook sterk veranderen → zowel snelle als trage veranderingen → maakt voorspellingen moeilijk
Fluctuaties in de elektriciteitsproductie tegen gaan:
1. Meerdere windturbines plaatsen met verschil van locatie/tijd gaat voor beetje uitleveling zorgen
2. Derating van wind turbines, de fluctuaties vallen beetje beter op te vangen (pitch control)
Praktijk: indien rated WS < v < shut down WS → pitch control zo regelen dat de power constant blijf ondanks toch de
wind snelheid varieert.
De-rating: 80-90% -> kleinere power fluctions
De-rating: 50-60-70% -> power fluctions bijna verdwenen → ebe
2
Samenvatting: ©Pjotr Vande Velde
,Wind turbines
Wind turbine types
To drive a mechanical load (lower speed, higher torque) (veel rotor bladen)
To drive an electrical generator (higher speed, lower torque) (minder rotor bladen)
Vertical axis wind turbines (VAWT) (Darrieus and Savonius)→ wind komt van alle richtingen, no yawing (voornamelijke
kleine powers)
Horizontal axis wind turbines (HAWT)
Up-wind turbine
Yawing mechanism needed (zorgen dat wieken juiste richting staan van wind)
flexibility of blades must be limited (avoiding a tower strike by the blades)
impact of the tower shadow on the torque is limited
Down-wind turbine
No separate yawing mechanism (the nacelle takes care of the yawing)
Rotor blades can be flexible (cheaper) (no danger of a tower strike)
Tower shadow is a problem → dip in torque
More noise production
Solidity = soliditeit
→ hoe meer rotorbladen hoe meer area covered
Een grotere soliditeit → torque ↑, rotation speed ↓ ➔ goed voor mechanische load
Tip speed ratio: verhouding tussen de snelheid op de toppen van de rotorbladen en de ongestoorde windsnelheid.
π∗66∗10 𝑚
VB: 3 blade HAWT, rotor diameter: 66m, rotatiesnelheid: 10rpm → tipspeed = 60
= 35 𝑠
Tip speed ratio too low?
Lower efficiency
If low solidity + low speed → wind blows through the area without touching
blades → no energy to blades
Tip speed ratio too high?
Lower efficiency
Blades die te snel gaan, geven turbulentie en heeft negatieve impact op
volgende blade.
ATM: 3 bladige rotors
→ iets lagere snelheid dan 1 of 2 wiekig → reduce noise pollution
→ Blades lagere snelheid → minder verslijten
→ Maximum efficientie is hoger
→ Minder dips in torque door toren schaduw (dips in torque verlagen levensduur door mechanische stress)
3
Samenvatting: ©Pjotr Vande Velde
, H2: Fluid mechanics
2.1 Drag and lift forces
Bovenaan: snelheid ↑, druk ↓
Onderaan: snelheid ↓, druk ↑
→ door druk verschil opwaartse kracht = lift force = nuttige kracht
Law of Bernoulli
Ook dragforce aanwezig → deze minimaliseren door vleugelprofiel te stroomlijnen.
2.2 Forces on the rotor blades
Dragforce: zelfde richting als relative wind speed
Liftforce staat loodrecht op op relative wind speed
Dragforce + Liftforce → F1 en F2
F1→ blades + generator driven = bruikbaar
F2→ turbine moet tegen F2 bestendig zijn = niet bruikbaar
The forces acting on the rotor blades depend on
• wind speed
• rotational speed of the blades
• cross section of the airfoil (blade)
• pitch angle
• angle of attack
2.3 The pitch angle
The pitch angle θ0,7 = angle between the chord line & plane of rotation
→ willen constante angle of attack
→ pitch angle ↓ als r ↑
→ rotor needs a twist as a function of the radius r
4
Samenvatting: ©Pjotr Vande Velde
1.1 Wind energy
Renewable energy “hot” since 70s
1.2 Power generation
Kinetic energy
Wind= Airflow containing kinectic energy → kinetic energy= 0.5*m*v²
Flowing air mass: m = ρ * A * v (ρ = air density)
Kinetic Power = 0.5 * ρ * A * v³ ➔ Variatie in windsnelheid maakt groot verschil in beschikbare power
→ Hierdoor dienen blades groot te zijn
OPM: Natuur zorgt voor veel verschillende factoren…
Windturbines op berg: ρ is kleiner → kinetic energy ↓
Atmosferische druk afh van temp → hoge temp → ρ ↓ → kinetic energy ↓
Betz Limit
Jammer genoeg niet alle kinetic power kan worden overgedragen aan de rotor blades
𝑣+𝑣𝑑
Windspeed passing rotor blades: 𝑣𝑏 = 2
𝑣 = upwind speed (inkomende wind)
𝑣𝑑 = downwind speed (lagere snelheid)
Power extracted from the wind:
𝑃𝑏 = 0.5 ρ A 𝑣𝑏 (𝑣² + 𝑣𝑑 ²)
𝑃𝑏 = 𝐶𝑝 0.5 ρ A 𝑣³
𝑣
𝑣𝑑 = → Max power extracted: 𝑃𝑏,𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑝,𝑚𝑎𝑥 0.5 ρ A 𝑣³
3
16
Max rotor efficiency: 𝐶𝑝,𝑚𝑎𝑥 = 27 = 59.3% => downwind speed = 1/3 van
upwind => maximale hvl power extracted
Realiteit: 80% van benz limit is al heel erg goed
Wind speeds
Power curve
v< cut in WS → geen rotatie → geen power
cut in WS < v < rated WS → rotatie ↑ → power ↑
rated WS < v < shut down WS → power mag niet verder stijgen (limitatie
in mechanische of elektrische design)
shut down WS < v → rotor bladen in feathering position (eigenlijk zo de
bladen draaien dat het amper wind vangt)
➔ shutdown probleem voor voorziening elek → backup capaciteiten in
stand-by staan
1
Samenvatting: ©Pjotr Vande Velde
,Generated power
Wind turbines produceren niet steeds hun volledige energie
Vuistregel:
Onshore: 25% van nominal power
Offshore: 33% van nominale power
Windsnelheid stijgt exponentioneel afh van de hoogte
Hellman exponent = wrijvings coëfficiënt (kleiner bij smooth
surfaces) (0.1 ≤ α ≤ 0.4)
Indien α klein is → variaties in windsnelheid gaan beperkt blijven → kleinere variaties in power
OPM: Ongelijkheden in landschap zorgen niet enkel voor hogere weerstand maar ook voor turbulence → Power ↓
De wind surface boundry layer is belangrijk, kan varieren van 10 tot 100’en meters
Windsnelheid gaat in tijd ook sterk veranderen → zowel snelle als trage veranderingen → maakt voorspellingen moeilijk
Fluctuaties in de elektriciteitsproductie tegen gaan:
1. Meerdere windturbines plaatsen met verschil van locatie/tijd gaat voor beetje uitleveling zorgen
2. Derating van wind turbines, de fluctuaties vallen beetje beter op te vangen (pitch control)
Praktijk: indien rated WS < v < shut down WS → pitch control zo regelen dat de power constant blijf ondanks toch de
wind snelheid varieert.
De-rating: 80-90% -> kleinere power fluctions
De-rating: 50-60-70% -> power fluctions bijna verdwenen → ebe
2
Samenvatting: ©Pjotr Vande Velde
,Wind turbines
Wind turbine types
To drive a mechanical load (lower speed, higher torque) (veel rotor bladen)
To drive an electrical generator (higher speed, lower torque) (minder rotor bladen)
Vertical axis wind turbines (VAWT) (Darrieus and Savonius)→ wind komt van alle richtingen, no yawing (voornamelijke
kleine powers)
Horizontal axis wind turbines (HAWT)
Up-wind turbine
Yawing mechanism needed (zorgen dat wieken juiste richting staan van wind)
flexibility of blades must be limited (avoiding a tower strike by the blades)
impact of the tower shadow on the torque is limited
Down-wind turbine
No separate yawing mechanism (the nacelle takes care of the yawing)
Rotor blades can be flexible (cheaper) (no danger of a tower strike)
Tower shadow is a problem → dip in torque
More noise production
Solidity = soliditeit
→ hoe meer rotorbladen hoe meer area covered
Een grotere soliditeit → torque ↑, rotation speed ↓ ➔ goed voor mechanische load
Tip speed ratio: verhouding tussen de snelheid op de toppen van de rotorbladen en de ongestoorde windsnelheid.
π∗66∗10 𝑚
VB: 3 blade HAWT, rotor diameter: 66m, rotatiesnelheid: 10rpm → tipspeed = 60
= 35 𝑠
Tip speed ratio too low?
Lower efficiency
If low solidity + low speed → wind blows through the area without touching
blades → no energy to blades
Tip speed ratio too high?
Lower efficiency
Blades die te snel gaan, geven turbulentie en heeft negatieve impact op
volgende blade.
ATM: 3 bladige rotors
→ iets lagere snelheid dan 1 of 2 wiekig → reduce noise pollution
→ Blades lagere snelheid → minder verslijten
→ Maximum efficientie is hoger
→ Minder dips in torque door toren schaduw (dips in torque verlagen levensduur door mechanische stress)
3
Samenvatting: ©Pjotr Vande Velde
, H2: Fluid mechanics
2.1 Drag and lift forces
Bovenaan: snelheid ↑, druk ↓
Onderaan: snelheid ↓, druk ↑
→ door druk verschil opwaartse kracht = lift force = nuttige kracht
Law of Bernoulli
Ook dragforce aanwezig → deze minimaliseren door vleugelprofiel te stroomlijnen.
2.2 Forces on the rotor blades
Dragforce: zelfde richting als relative wind speed
Liftforce staat loodrecht op op relative wind speed
Dragforce + Liftforce → F1 en F2
F1→ blades + generator driven = bruikbaar
F2→ turbine moet tegen F2 bestendig zijn = niet bruikbaar
The forces acting on the rotor blades depend on
• wind speed
• rotational speed of the blades
• cross section of the airfoil (blade)
• pitch angle
• angle of attack
2.3 The pitch angle
The pitch angle θ0,7 = angle between the chord line & plane of rotation
→ willen constante angle of attack
→ pitch angle ↓ als r ↑
→ rotor needs a twist as a function of the radius r
4
Samenvatting: ©Pjotr Vande Velde
