Download - Design Of An Urban Wind Turbine With Diffuser Final

1

Ontwerp van een stedelijke windturbine met diffuser

Afstudeerpresentatie

Cornelis van Beveren

01-02-2008

2 / 36

Inhoud

1. Stedelijke windturbines2. Ontwerp3. Diffuser4. Testopstelling5. Experimenten6. Resultaten7. Ontwerp (vervolg)8. Conclusie9. Aanbevelingen

Stedelijke windturbines Ontwerp Diffuser Testopstelling Experimenten Resultaten Ontwerp (vervolg) Conclusies Aanbevelingen

3 / 36

Stedelijke windturbines

Wind rond gebouwen:

• variabel,• niet constant,• toename windsnelheid bij

grotere hoogte boven grond.

hoogte boven grond

windsnelheid


4 / 36


Horizontale as windturbine

= Vtip/Vwind ~ 4-8 → geluid

Variabele windrichting: kruibeweging → prestatie


5 / 36


Verticale as windturbine (H-Darrieus)

Vtip/Vwind ~ 3-5 → geluid

Onafhankelijk van windrichting → prestatie


6 / 36


Windturbine met horizontale as (Darrieus)

Vtip/Vwind ~ 3-5 → geluid

Afhankelijk van windrichting → prestatie


7 / 36


Verticale as windturbine (Savonius)

Vtip/Vwind ~ 1 → geluid

Lagere opbrengst/m2 → prestatie


8 / 36


Verticale as windturbine (Savonius)

frontaal oppervlak

Vtip/Vwind ~ 1 → geluid

Lagere opbrengst/m2 → prestatie


9 / 36

Ontwerp

Plaatsing stedelijke windturbine• Veel windaanbod (terugverdientijd):

• geen obstakels,• geen hinder van gebouw ernaast,• zo hoog mogelijk.

• Relatief kleine windturbines op de markt.• Kleine windturbine → grote hoogte → hoog en groot

gebouw → kleine bijdrage aan energiebehoefte gebouw.

→ Wens: relatief grote windturbine op hoog gebouw.


10 / 36

Ontwerp

Eisen:

• Visueel aantrekkelijk voor gebouw en omgeving.• Veilig.• Laag geluidsniveau.• Lage kosten van elektriciteit.• Lage belastingen op het gebouw.


11 / 36

Ontwerp


Wind

12 / 36

Ontwerp

Dwarsdoorsnede hoogbouw faculteit LR. Hoogte: 52 m

Wind


13 / 36

Ontwerp

Getordeerde bladen:• Gelijkmatige aandrijfkracht gedurende rotatie• Geluidsniveau laag

Rotatie as

Windturbineblad

Windturbine met horizontale as (H-Darrieus)


14 / 36

Ontwerp


15 / 36

Diffuser


Vleugels → zuiging van wind door nauwste doorsnede (keel)

keel

vleugelprofiel

16 / 36

Diffuser

Lengte van streepje ~ grootte van windsnelheid → hoge windsnelheid aan bovenkant van profiel (zuig zijde)Stedelijke windturbines Ontwerp Diffuser Testopstelling Experimenten Resultaten Ontwerp (vervolg) Conclusies

Aanbevelingen

17 / 36

DiffuserV/V0

Wind


18 / 36

Diffuser

Locatie voor windturbine

Wind

V/V0


19 / 36

Testopstelling

Uitgangspunt: Bestaande windturbine (H-Darrieus), ontwikkeld aan de TU-Delft.

Rt = 30 cm

Ht = 55 cm

rotatie as


20 / 36

Testopstelling c

Rt

CPd/CP Verhouding tussen prestatie van windturbine met diffuser en zonder diffuser.

cL draagkrachtcoëfficiënt (vleugelprofiel en stand)

C constante

→ vleugelprofiel met grote draagkracht → beste prestatie

c/Rt = 3 → CPd/CP ~ 2.5

2

16

11

21

tt

L

P

Pd

R

c

R

ccC

C

C

Prestatiemodel


21 / 36

TestopstellingVleugel (boven)

Vleugel (onder)

H-Darrieus

Eindplaat

Frame

Bevestigingsbalk (dak)


22 / 36

Testopstelling

Vleugels: Kern van schuim, huid van

glasvezeldoekgeïmpregneerd met Epoxy.

Frame:Werkplaats TU-Delft.

Elektronica:Elektronische afdeling TU-Delft.


23 / 36

Testopstelling

• Generator levert vermogen bij opstarten.• Generator absorbeert vermogen bij windaandrijving.• Sensoren meten:

• aandrijfkracht,• toerental,• windsnelheden.

• PC registreert data van sensoren.

Generator


24 / 36

Experimenten

Testen:

1. zonder vleugels,2. met 1 vleugel (boven),3. met 2 vleugels.

Verbetering windturbineprestaties?


25 / 36

Experimenten

26 / 36

Resultaten

Test data

Bruikbare data:

• van vier dagen

• data tijd > 5 uur

Scan RPM W RPM M Output F W tijd (sec) W2 Date Time0 0 0 0 362 8.51451 0 8.78154 04/05/20071 0 0 0 4 8.00739 54.237 7.68574 04/05/20072 0 0 0 0 8.30646 55.239 5.93246 04/05/20073 0 0 0 2 8.82658 56.24 6.22468 04/05/20074 0 0 0 8 8.13742 57.241 6.68735 04/05/20075 0 0 0 2 7.82534 58.243 6.22468 04/05/20076 0 0 0 0 8.67054 59.244 6.93086 04/05/20077 0 0 0 16 8.61853 60.246 7.66139 04/05/20078 0 0 0 12 8.59252 61.247 8.63543 04/05/20079 0 0 0 2 8.51451 62.249 7.17437 04/05/2007

10 0 0 0 0 9.71079 63.25 7.9536 04/05/200711 0 0 0 8 9.08664 64.252 8.17276 04/05/200712 0 0 0 0 9.60676 65.253 5.90811 04/05/200713 0 0 0 0 8.4755 66.254 8.22146 04/05/200714 0 0 0 -2 7.91637 67.256 6.73605 04/05/200715 0 0 0 0 7.73432 68.257 7.00391 04/05/200716 0 0 0 0 8.56652 69.259 6.83345 04/05/200717 0 0 0 12 9.24268 70.26 6.88215 04/05/200718 0 0 0 8 9.06063 71.262 7.73444 04/05/200719 0 0 0 2 10.1139 72.263 8.07536 04/05/200720 0 0 0 6 10.3349 73.264 9.87733 04/05/200721 0 0 0 2 10.8811 74.266 8.53803 04/05/200722 0 0 0 0 10.8811 75.267 8.70848 04/05/200723 0 0 0 8 11.4012 76.269 8.56238 04/05/200724 0 0 0 2 9.93184 77.27 7.10131 04/05/200725 0 0 0 2 9.73679 78.272 7.66139 04/05/200726 0 0 0 16 9.22967 79.273 7.32047 04/05/200727 0 0 0 2 9.50274 80.275 7.24742 04/05/200728 0 0 0 8 10.9201 81.276 6.8091 04/05/200729 0 0 0 16 9.56775 82.277 8.29452 04/05/200730 0 0 0 6 9.90583 83.279 8.34322 04/05/200731 0 0 0 6 9.3467 84.28 8.78154 04/05/200732 0 0 0 54 8.86559 85.282 7.63704 04/05/200733 0 0 0 60 8.20243 86.283 7.24742 04/05/200734 0 0 0 -4 8.65754 87.285 7.10131 04/05/200735 0 0 0 -2 9.85382 88.286 5.7133 04/05/200736 0 0 0 2 10.0099 89.288 9.0007 04/05/200737 0 0 0 0 10.1529 90.289 7.17437 04/05/200738 0 0 0 2 8.99562 91.29 7.63704 04/05/200739 0 0 0 8 9.87983 92.292 7.53963 04/05/200740 0 0 0 10 10.2959 93.293 7.10131 04/05/200741 0 0 0 4 9.3467 94.295 7.46658 04/05/200742 0 0 0 6 8.43649 95.296 7.19872 04/05/200743 0 0 0 2 8.39748 96.298 7.9049 04/05/200744 0 0 0 18 7.59129 97.299 5.76201 04/05/200745 0 0 0 8 8.26745 98.3 6.07857 04/05/200746 0 0 0 22 9.04763 99.302 6.78475 04/05/200747 0 0 0 14 9.04763 100.303 5.73766 04/05/200748 0 0 0 22 10.3479 101.305 8.53803 04/05/200749 0 0 0 4 10.699 102.306 7.22307 04/05/200750 0 0 0 4 9.67178 103.308 7.75879 04/05/200751 0 0 0 12 8.99562 104.309 6.93086 04/05/200752 0 0 0 0 9.86682 105.311 6.12727 04/05/200753 0 0 0 0 10.1789 106.312 7.75879 04/05/200754 0 0 0 4 10.426 107.313 8.53803 04/05/200755 0 0 0 30 8.95661 108.315 9.63382 04/05/200756 0 0 0 26 8.87859 109.316 7.44223 04/05/200757 0 0 0 12 8.89159 110.318 7.05261 04/05/200758 0 0 0 24 8.0724 111.319 5.81071 04/05/200759 0 0 0 42 7.47426 112.321 6.02987 04/05/200760 0 0 0 10 7.39624 113.322 6.05422 04/05/200761 0 0 0 2 7.57829 114.324 7.68574 04/05/200762 0 0 0 4 7.86435 115.325 6.93086 04/05/200763 0 0 0 4 9.02163 116.326 7.73444 04/05/200764 0 0 0 8 9.19067 117.328 7.97795 04/05/200765 0 0 0 4 9.37271 118.329 6.61429 04/05/200766 0 0 0 -4 9.25568 119.331 9.77993 04/05/200767 0 0 0 8 9.52874 120.332 8.051 04/05/200768 0 0 0 -2 10.1789 121.334 8.0023 04/05/200769 0 0 0 6 7.94237 122.335 7.78314 04/05/200770 0 0 0 6 8.03339 123.336 6.83345 04/05/200771 0 0 0 0 7.79934 124.338 7.15002 04/05/200772 0 0 0 -6 7.87736 125.339 7.24742 04/05/200773 0 0 0 -6 7.94237 126.341 7.83185 04/05/200774 0 0 0 6 7.68231 127.342 6.8091 04/05/200775 0 0 0 14 7.07117 128.344 4.95842 04/05/200776 0 0 0 2 6.51204 129.345 6.05422 04/05/200777 0 0 0 20 6.12194 130.347 6.17597 04/05/200778 0 0 0 4 6.25197 131.348 6.95521 04/05/200779 0 0 0 6 6.42101 132.349 5.20193 04/05/200780 0 0 0 18 6.23897 133.351 5.90811 04/05/200781 0 0 0 4 5.66684 134.352 5.81071 04/05/200782 0 0 0 20 6.369 135.354 4.13049 04/05/200783 0 0 0 56 5.74485 136.355 6.8578 04/05/200784 0 0 0 50 5.17272 137.357 5.17758 04/05/200785 0 0 0 68 5.45879 138.358 5.17758 04/05/200786 0 0 0 50 5.40678 139.36 5.78636 04/05/200787 0 0 0 60 3.98944 140.361 3.42431 04/05/200788 0 0 0 36 4.2495 141.362 4.56881 04/05/200789 0 0 0 6 4.78263 142.364 4.4227 04/05/200790 0 0 0 98 5.66684 143.365 5.05583 04/05/200791 0 0 0 80 5.15972 144.367 4.00873 04/05/200792 0 0 0 8 5.21173 145.368 5.15323 04/05/200793 0 0 0 16 7.6303 146.37 5.5672 04/05/200794 0 0 0 10 7.95537 147.371 7.46658 04/05/200795 0 0 0 4 7.81234 148.372 5.76201 04/05/200796 0 0 0 4 7.70832 149.374 5.54285 04/05/200797 0 0 0 6 7.55228 150.375 5.64025 04/05/200798 0 0 0 28 7.92937 151.377 4.34965 04/05/200799 0 0 0 14 8.13742 152.378 7.9536 04/05/2007

100 0 0 0 12 8.33246 153.38 6.7117 04/05/2007101 0 0 0 14 7.60429 154.381 7.39353 04/05/2007102 0 0 0 8 8.29345 155.383 7.39353 04/05/2007103 0 0 0 6 8.13742 156.384 6.83345 04/05/2007104 0 0 0 12 9.20367 157.385 7.63704 04/05/2007105 0 0 0 4 8.0464 158.387 7.22307 04/05/2007106 0 0 0 10 7.92937 159.388 8.12406 04/05/2007

Analyse met behulp van twee

methoden:

1. standaardmethode

1. zelf ontwikkelde methode


27 / 36

Resultaten

= Vtip/Vwind

CP : Vermogenscoëfficiënt van windturbine (prestatie).Stedelijke windturbines Ontwerp Diffuser Testopstelling Experimenten Resultaten Ontwerp (vervolg) Conclusies

Aanbevelingen

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

[-]

CP [-

]2 vleugels1 vleugelgeen vleugels

28 / 36

Ontwerp (vervolg)

Vleugel (boven)

Dakafronding (onder)

H-Darrieus

Constructie


7 m

3 m

Dt = 3 m

29 / 36

Ontwerp (vervolg)

Generator

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P [kW]

Cos

ts [€

]

Fortis Windenergy

Windstream

Rivertrade

TrendInverter

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P [kW]

Cos

ts [€

]

Fortis BergeyWindstream Enflo ®ARE ® Eoltec (Sirocco ®)Windwall ® RivertradeTrend Tulipo ®

Frame

€ 0

€ 1,000

€ 2,000

€ 3,000

€ 4,000

€ 5,000

€ 6,000

€ 7,000

0 5 10 15 20 25 30 35 40

A [m2]

Cos

ts [

€]

Fortis

TrendBlades

2175

2895

€ 1,088.01

420

910

€ 100.74€ 290.14

201.4829142€ 241.78

€ 0

€ 500

€ 1,000

€ 1,500

€ 2,000

€ 2,500

€ 3,000

€ 3,500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P [kW]

[Eu

ro]

Fortis

Windstream

Prince Fibre Tech (Tooling)

Trendline

y=589.53*x^0.7Tower

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Height [m]

Cos

ts [€

]

Turby ®,stainless steel(supported)

Turby ®,galvanised(supported)

Turby ®,stainless steel(free standing)

Turby ®,galvanised(free standing)

Turby ® tubular towers

Bergey 10 kW

Fortis 10 kW

Fortis 5 kW ARE ®

Bergey 1 kWFortis 0.8 kW

Kosten database: Kostenmodel:

- Kleine windturbines

tot 10 kW (A ~ 40 m2)

- Kosten van onderdelen

% Functies in Matlab voor kostenberekening van Ducted Windturbine% Doel: Kosten van realisatie kanaal berekenen en vergelijking mogelijk% maken met situatie zonder kanaal. Subdoel: Kosten van energie schatten% voor conceptuele Ducted Windturbine

clcclose allclear allformat short

rgb_img = imread('duct.jpg'); % Load the imageimage(rgb_img) % Display the RGB imageaxis image

% De waarden die hierna worden genoemd, zijn beschreven in het rapport:

% HAWT: Horizontale as windturbine% VAWT: Verticale as windturbine% WW: Windwall% Sav: Savonius

% Definieren van waarden % Buildinga=5*20/3; % Breedte van gebouw [m] b=20; % Diepte van gebouw [m]h=2*20; % Hoogte van gebouw [m]*1.99% Turbinelabda=5; % Snellopendheid windturbine [-] (=V_tip/V_wind)V_w_uit=20; % Uittree windsnelheid [m/s]D=1.5*1/20*h; % Rotordiameter [m] 0.3=>0.5 0.55=>1.0 0.65=>1.2 1.4=>2.5 2.7=>4.9 4.1=>7.4 5.5=9.9


30 / 36

Ontwerp (vervolg)

Kostenschatting van diffuser:

• keuze voor productieprocessen,

• materiaal- en productiekosten.


31 / 36

Ontwerp (vervolg)

Vier eenheden

Ptotaal = 25 kW

Vnominaal = 12 m/s

Afrontaal = 84 m2

Nauwkeurigheid: 50%

Bijdrage diffuser: - ~ +

21% 41% 62%

Onderdeel BijdrageKoste

n

[%] [€]

Rotorbladen 9.2 11,884

Rotor as 2.3 3,012

Bevestiging rotorbladen aan as

2.7 3,419

Lagers 1.6 2,035

Generator 7.9 10,745

Inverter 6.8 8,710

Constructie 12.8 16,510

Fundatie 8.0 10,256

Kabels 0.3 407

Anemometer 1.1 1,465

Bliksem beveiliging 5.4 6,919

Vleugel boven + constructie

33.3 42,855

Vleugel onder + constructie

8.0 10,332

Totale kosten 128,548


32 / 36

Ontwerp (vervolg)

Diffuser

• Opbrengstvergroting ontwerp 40%-80%(prestatiemodel)

• Extra kosten (kostenschatting) 21%-62%

• Hoeveel energie wordt met het nieuwe ontwerp opgewekt en wat zijn de elektriciteitskosten?


33 / 36

Ontwerp (vervolg)

Opbrengstberekening (opbrengstmodel)

• Opbrengst van de windturbine op dak van faculteit LR

→ 400 kWh/m2/jaar• Extra opbrengst door diffuser: 50%→ 200 kWh/m2/jaar

→ 600 kWh/m2/jaar x 84 m2 = 50400 kWh/jaar• Eén huishouden (2 personen) 3500 kWh/jaar →

14 huishoudens.Stedelijke windturbines Ontwerp Diffuser Testopstelling Experimenten Resultaten Ontwerp (vervolg) Conclusies Aanbevelingen

34 / 36

Ontwerp (vervolg)

• Levensduur: 20 jaar.• Investering: 128.548,- € (± 50%) → 0.11 – 0.33

€/kWh.• Onderhoud: 0.03 – 0.08 €/kWh (kostenmodel).• Energiekosten: 0.14 – 0.41 €/kWh (~ 0.27 €/kWh).

• Huidige prijspijl elektrische energie voor huishouden: 0.25 €/kWh (Nuon, januari 2008).

• Investeringskosten terugverdiend na ~ 20 jaar.• Windturbine heeft schone energie opgeleverd.


35 / 36

Conclusies

• Experimenten laten verbetering van windturbineprestaties zien bij plaatsing van diffuser, al zijn er onzekerheden in de testresultaten.

• Nieuwe ontwerp van stedelijke windturbine toont mogelijkheden om de diffuser te integreren met gebouw.

• Windturbineprestatie verbetert door diffuser met 40%-80%.

• Kosten van diffuser zijn 21%-62%.→ Waarschijnlijk voordelig om een diffuser te

plaatsen.Stedelijke windturbines Ontwerp Diffuser Testopstelling Experimenten Resultaten Ontwerp (vervolg) Conclusies Aanbevelingen

36 / 36

Aanbevelingen

• Testen van testopstelling in de nieuwe open straal windtunnel van de sectie Windenergie van de TU-Delft om factor waarmee prestatie wordt vergroot te meten (windtunnel gereed: ~ zomer 2008).

• Uitwerken van het ontwerp.• Plaatsing van een grote stedelijke windturbine op

het dak van faculteit LR als onderzoeksturbine.


37 / 36

Vragen?

38 / 36

Huishoudelijk

Er is koffie, thee en wat lekkers in de kantine.

Vanavond welkom, vanaf 20.45 uur, in De Wijnhaven,

Wijnhaven 22, Delft.

39 / 36

Energiemodel

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

350-10 20-40 50-70 80-100 110-130 140-160 170-190 200-220 230-250 260-280 290-310 320-340

N NNO ONO O OZO ZZO Z ZZW WZW W WNW NNW

Windrichting

Ene

rgie

[kW

h]HDTHDCTHDCT+W

HDCT HDT

EHDCT/EHDT

[-]

0.54

40 / 36

Onderhoudskosten

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 5 10 15 20 25 30 35 40

A [m2]

O&

M [€

/kW

h]HAWT incl. inspection

HDT incl. inspection

DCT incl. inspection

Savonius incl. inspection

HAWT

Tulipo®

WindWall®

41 / 36

Opbouw energietarieven

Energietarieven zijn opgebouwd uit drie onderdelen: levering, netbeheer en belastingen. In de grafiek kunt u zien hoe de verdeling is. De tarieven zijn exclusief teruggave energiebelasting van € 236,81.De genoemde bedragen en percentages zijn gebaseerd op een jaarverbruik van 3.500 kWh voor stroom en een jaarverbruik van 1.820 m³ voor gas in Groningen/Friesland, tariefregio A (prijspeil januari 2008).

www.nuon.nl