Transcript
Page 1: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society

Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Mihaela Popescu & Jon  SamsethSINTEF Norway

Diaspora în Cercetarea Ştiinţifică şi Învăţământul Superior din România ‐ Diaspora şi prietenii săi, 2016

Page 2: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society

Emisia zero de poluanti sau/și gaze cu efect de seră.

Nu se produc deșeuri. Prezenta lor este necesara in zonele izolate. Prezenta turbinelor eoliene ne poate 

asigura confort in cazul crizei energiei.

2

De Ce Turbine Eoliene?

https://www.wpclipart.com/energy/wind_turbine_color.png.html

http://sesiondecontrol.com/sociedad/medio‐ambiente/el‐mapa‐de‐la‐energia‐eolica/

Page 3: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 3

Istorie

http://www.kenergywind.com/uat2/wind_technology/history.html

Asia: Primele atestari documentare sunt in jurul anului 1700  IC in Mesopotamia.Regele Hammurabi folosea puterea vantului sa irige Mesopotamia

Europa: prima atestare a turbinelor eoliene in Europa: Ktesibios de Alexandria  ‐ 225‐222 IC

Moara de vant era folosita sa producasunete

E.Papadopoulos, "Distinguished Figures in Mechanism and Machine – Chapter 9: Heron of Alexandria Science", Marco Ceccarelli – Springer Printed in the Netherland, pp.217‐245 2007

Page 4: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 4

Turbine Eoliene

Europa – Turbine eoliene Orizontale

Turbine eoliene Persane: secolele VII-X

Asia – Turbineeoliene Verticale

Turbine eolieneTibetane si Chinezesti

Page 5: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 5

1887 –James Blyth (Irlanda) prima turbina de vant care genera electricitate, dand destula putere pentru un bec de 25 W (turbina eoliana verticala)

1888 – Charles F. Bush (America) prima turbina care produce electricitate si opera automat. Aceasta putea fi oprita daca vantul era prea puternic (12 kW) (turbinaeoliana orizontala)

Dupa al doilea razboi mondial s‐au creat conditii pentru dezvoltarea turbinelor eoliene datorita experientei acumulate in dezvoltarea aeroplanelor

Primele Turbine Eoliene Producatoare de Energie Electrica

Prima turbina de vant carea generat electricitatehttps://www.strath.ac.uk/archives/iotm/march2012/

Prima turbina care opera automat si genera electricitatehttps://www.pinterest.com/pin/97460779412725500/

Page 6: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 6

De ce avem nevoie de evaluari numerice pentru turbine eoliene?

https://www.youtube.com/watch?v=oAWMpxX60KM

Page 7: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 7

Energia de la turbine eoliene

Turbine eoliene Eficienta turbinelor

o Performanta aerodinamicao Cost Energia eoliana in ferme de vant

o Turbulenta datorata:• Nivelul de turbulenta a 

vantului• 6% ‐ 8%, turbulența

offshore • 10% ‐ 12% inland 

turbulență• Interactiunii dintre wake 

cu alte turbine

Page 8: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society

, Pierderi din cauza profilului palei

1 where   and 

Rotor tip losses ‐

Coeficientul de putere ia in considerare ca directia vantului se schimba dupace trece de rotorul turbinei

8

Coeficientul de putere

Page 9: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society

Cele două efecte principale ale wake sunt: reduce producția de energie a parcului

eolian;Crestere a turbulentei vântului, determina 

solicitarea mecanică a turbinelor . Alegerea unui model pentru evaluarea

turbinelor eoliene depinde de trei factori: timpul de calcul droit;precizia necesară de predicție;parametrii disponibili de modelare a 

vântului.

9

Wake‐ul Turbinelor Eoliene

Local spinning motion of flow around wind turbine

Page 10: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society

CFD simulation este un mijloc de a intelege curgerile din fermele de turbine eoliene

CFD Rotorul este modelat detaliile turbinei rotorului sunt modelate

Actuator Disk Model Rotorul este modelat ca un disc poros

Actuator line Model  Fiecare pala de turbine este approximata cu o linie de surse. Se utilizeaza Blade Element method(BEM) pentru a estima fortele

10

Modelare CFD

Page 11: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 11

CFD : Actuator line model vs Actuator disk model

Actuator line model (stanga) si actuator disk model (dreapta)

L.A. Martinez Tossas and S. Leonardi, "Wind Turbine Modeling for Computational Fluid Dynamics", NREL Technical Monitor: Pat Moriarty, 2012

Vitezia medie in sectiunea transversalăde curgere, care este un diametru în spatele rotorului turbinei ‐ALM (stânga) și ADM (dreapta)

Contur de viteza ‐ALM (stânga) și ADM (dreapta)

Page 12: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 12

1D –Jensen model modificat Diametrul wake‐ului se extinde liniar –

este o aproximatie buna pentru fermecare sunt relativ mici

  

k wake decay coefficient x distanta la care masuram raza wake‐

ului r0 raza rotorului r raza wake‐ului la distanta x

2‐D Ainslie model

1 .

b – este raza wake‐ului Modelul ia in consideratie nivelul de

turbulenta din mediu sau creat deturbinele anterioare

Aproximare simpla (model ingineresc)

10

http://offwind.eu/Help/EngWindSim

Page 13: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society

Comparatii

13

Ferma Lillgrund offshore care este operata de VattenfallVindkraft AB.

Page 14: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 14

Modelare inginereasca: Ainsle si Jensen model

Velocity distribution: Ainsle model (stanga) si Jensen model (dreapta)

Line A

Line B

Line D

LES

Page 15: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 15

Pressure (ALM): k–ε model vs LES

Distributia de presiune in ferma – LES turbulent modelStructured grid: 315x106 grid pointsMatthew J. Churchfield, Sang Lee, and Patrick J. Moriarty, "A Large‐Eddy Simulation of Wind‐Plant Aerodynamics", 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting ,  USA, January 9‐12, 2012

Distributia de presiune in ferma –k–ε turbulent modelStructured grid: 7x106 grid points

Ambele modele dau solutii asemanatoare calitative.  LES obtine mult maimulte detalii

Page 16: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 16

Viteza (ALM): LES turbulent model vs k–ε turbulent model 

Distributia de viteza in ferma – LES turbulent modelStructured grid: 315x106 grid pointsMatthew J. Churchfield, Sang Lee, and Patrick J. Moriarty, "A Large‐Eddy Simulation of Wind‐Plant Aerodynamics", 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting ,  USA, January 9‐12, 2012

Distributia de viteza in ferma –k–ε turbulent modelStructured grid: 8 x106 grid points

Ambele modelare dau solutii asemanatoare calitative.  LES obtine mult maimulte detalii.

Page 17: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 17

Modelare inginereasca: Ainsle si Averaged CFD –LES turbulent model

Velocity distribution: Ainsle model (stanga) si CFD (LES) (dreapta)

Line A

Line B

Line DMatthew J. Churchfield, Sang Lee, and Patrick J. Moriarty, "A Large‐Eddy Simulation of Wind‐Plant Aerodynamics", 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting ,  USA, January 9‐12, 2012

Page 18: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 18

CFD Modelare (ALM) vs Modelare Inginereasca (Jensen)

Page 19: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society

Se crede ca inceputul folosirii puterii vantului dateaza din secolul 17 IH Turbinele eoliene moderne sunt datate in jurul secolului 11 DH. 

Asia – VAWT Europe ‐ HAWT

Coieficientul de putere se calculeaza in functie de caracteristicile turbinei si vitezavantului

Modelarea turbinelor eoliene: CFD

CFD ‐ rotorul turbinei eoliene se ia in considerare ca atare in calcul. Aceastametoda se foloseste foarte rar – necesita imense resurse de calcul

ADM si ALM au rezultate asemanatoare daca se foloseste LES turbulent model

ALM ( k‐εmodelul  de turbulenta) poate aproxima comportamentul turbinei Inginereasca 

2D  Ainsle aproximeaza mai bine puterea si viteza decat 1D Jensen, dar rezultatele sunt asemanatoare

Este recomandat sa se utilizeze 1D Jensen numai  in ferme mici de turbine eoliene.

19

Concluzii

Page 20: Modelarea Fermelor de Turbine Eoliene

Technology for a better society 20