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
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/
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
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
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/
Technology for a better society 6
De ce avem nevoie de evaluari numerice pentru turbine eoliene?
https://www.youtube.com/watch?v=oAWMpxX60KM
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
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
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
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
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)
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
Technology for a better society
Comparatii
13
Ferma Lillgrund offshore care este operata de VattenfallVindkraft AB.
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
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
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.
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
Technology for a better society 18
CFD Modelare (ALM) vs Modelare Inginereasca (Jensen)
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
Technology for a better society 20