Microwindturbines & Hybridesystemen 1
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
2
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
3
Inleiding
4
5
Inleiding • • • • •
Geschiedenis Wat is een microwindturbine ? Waarom installeren ? Verschillende types Mogelijke afmetingen
6
Inleiding • • • • •
Geschiedenis Wat is een microwindturbine ? Waarom installeren ? Verschillende types Mogelijke afmetingen
7
Inleiding
Geschiedenis • -200 vc eerste windmolen om bloem te maken • 12de eeuw in Europa • 1887: eerste windmolen om elektriciteit te maken met 144 riembladen • 1956: eerste AC windturbine (200 kW)met 3 wieken • 1995: het grootste windturbine leverde 0.6 MW • Nu 5 MW, vaak geïnstallerd in windmolenpark aan zee
8
Inleiding • • • • •
Geschiedenis Wat is een microwindturbine ? Waarom installeren ? Verschillende types Mogelijke afmetingen
9
Inleiding
Wat is een microwindturbine? • Windmolen die voor eigen elektriciteitsproductie zorgt • Microwindturbine Ø < 4m en P < 3,5 kW • Kleine windturbine Ø < 16m en P < 50 kW
10
Inleiding • • • • •
Geschiedenis Wat is een microwindturbine ? Waarom installeren ? Verschillende types Mogelijke afmetingen
11
Inleiding
Waarom installeren? • • • •
Klein systeem met lage kosten Productie hernieuwbare energie C02 uitstoot ↓ Interessant als er geen connectie met het net mogelijk is
12
Inleiding • • • • •
Geschiedenis Wat is een microwindturbine ? Waarom installeren ? Verschillende types Mogelijke afmetingen
13
Inleiding
Verschillende types • De verschillen zijn er door de positie van de as: – Horizontaal – Verticaal • Darieus windturbine • Savonius windturbine
14
Inleiding • • • • •
Geschiedenis Wat is een microwindturbine ? Waarom installeren ? Verschillende types Mogelijke afmetingen
15
Inleiding
Mogelijke maten • Van 100 W en 1m diameter die zorgt voor een lage spanning (12 V of 24 V) om batterijen op te laden • Tot 50 kW met een mast van 25 m voor grotere gebouwen • Op daken gebruiken we vaak 0.5 tot 2.5 kW windturbines
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
16
Typevoorbeelden van Microwindturbines Billiet Davy Beyaert Xavier 17
18
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten – Overzicht – Aërodynamische windturbines – Darieus-type – Weerstandstype
• Voorbeelden
19
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten – Overzicht – Aërodynamische windturbines – Darieus-type – Weerstandstype
• Voorbeelden
20
Overzicht Horizontale windasturbine HAT windrichting
Verticale windasturbine VAT windrichting as
as
Savonius-type of weerstandstype • Bladen elk om beurt • Groot wind vangend oppervlak
Darrieus-type of lifttype • Liftprincipe • Rotorbladen dwars op windrichting
21
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten – Overzicht – Aërodynamische windturbines – Darieus-type – Weerstandstype
• Voorbeelden
22
Aërodynamische windturbines • • • • • •
klein deel van windoppervlak bestreken draait door windstroming (lift) ηmax = 59% (Betz) onttrekken vermogen haaks op wind bladsnelheid ↑ ⇒ beschikbare energie ↑ zelfde vermogen ⇒ 1/3 oppervlakte
23
Aërodynamische windturbines • horizontale as: – kruien – duur – hoog rendement
• verticale as (Darrieus [1927]) – altijd goede richting – minder onderhoud – niet zelfstartend
24
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten – Overzicht – Aërodynamische windturbines – Darieus-type – Weerstandstype
• Voorbeelden
25
Darrieus turbine
26
Darrieus turbine Enkele nadelen: • trilt hevig • lawaaierig • laag rendement
27
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten – Overzicht – Aërodynamische windturbines – Darieus-type – Weerstandstype
• Voorbeelden
28
Weerstandsturbines • • • • • • •
Savonius (1922) verticaal volledig windoppervlak bestreken draait door wind zelf ηmax = 19% bladsnelheid ↑ ⇒ beschikbare energie ↓ lage bladsnelheid ⇒ weinig geluid?
29
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
30
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
31
HAT - SWIFT • • • • • • •
horizontale type stil, vibratievrij eenvoudige installatie veilig, efficiënt, onderhoudsvrij autonoom MPPT-controller weerstandsturbine
32
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
33
VAT - TURBY • • • • •
verticale type aërodynamische windturbine niet autonoom traagdraaiend ideaal voor bebouwde gebieden
34
Turby
Concept • afstand bladen-as = constant • oneven aantal bladen • schuine bladmontage
35
Turby ⇔ terreinruwheid • wind: weg van minste weerstand • langs randen: windophoping • gunstige plaatsing + juiste turbinekeuze = rendementsverhoging
36
Turby ⇔ terreinruwheid • boven turbulentielaag (± 5m hoog) • centraal op het dak
37
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
38
HAT - Tulipo • • • •
Geluidsarm Ashoogte: 12,5 m Levensduur 15 jaar Onderhoud 1 x per jaar • Netkoppeling mogelijk • Laag toerental • Variabel toerental
39
Tulipo
Kenmerken • • • • • •
Bij lage windsnelheden Inschakelsnelheid 3 m/s Uitschakelsnelheid 18 m/s Nominale snelheid 10 m/s Vermogen bij nom. snelheid 2,5 kW 4000 – 8000 kWh/jaar
40
Tulipo
Kenmerken
41
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
42
HAT - MotorWind
43
MotorWind Kenmerken
• Start bij 2 m/s 4 m/s • Geen netaansluiting – Pgeg moet verbruikt worden – 2008 nieuw model netaansluiting wel mogelijk • Eenvoudige en simpele constructie • Per 8 of per 20 turbines • Goedkoop • Kan in beide richtingen werken – 12V generator
44
MotorWind Kenmerken
45
MotorWind Kenmerken
46
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
47
VAT - WindHELIX • Savonius-type – In elkaar gedraaid – Draaiing 180 graden
48
WindHELIX Kenmerken
• Geluidarm • Hoog rendement • Hoger rendement dan horizontale molens tot 5 m/s • Lange levensduur • Fraaie en esthetische vormgeving • In meerdere kleurcombinaties verkrijgbaar
49
WindHELIX Twee soorten • WindHELIX 1200
• WindHELIX Flex
windHELIX1200
windHELIXflex
Hoogte
1,2 meter
max. 3.0 meter
Oppervlak
0,5 m²
2,4 m²
Vermogen bij windsnelheid van resp. 5 m/s en 10 m/s
8,4 / 48 Watt
49 / 280 Watt
Jaaropbrengst bij windsnelheid van resp. 3 m/s en 5 m/s
9,6 / 30 kWh
120 / 420 kWh
Levensduur
40 jaar
40 jaar
50
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
51
VAT - WindWall
52
WindWall Kenmerken
• Darrieus type • 2 x 5 m lang en 2,5 m in diameter • Asynchrone generator – 6 kW – 70000 kWh/jaar
• Geluidsarm door vorm • Kan niet naar de wind worden gedraaid
53
WindWall Kenmerken
• Vanaf 3 m/s • Vermogen neemt evenredig toe met windsnelheid • Nom. windsnelheid 11 m/s • Max windsnelheid 25 m/s • Redelijk duur systeem
54
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
55
Duogen Water/Wind
56
Duogen Water/Wind • Werkt zowel op water als op windenergie • Overschakeling makkelijk • 3-fasige permanente magneet AC alternator omgezet naar DC • Geluid wordt zoveel mogelijk gereduceerd
57
Duogen Water/Wind
1 knot = 0,51 m/s
58
Duogen Water/Wind • 3 bladen • 310 mm diameter • 250 Watt bij 800 tpm
• 5 bladen • 1,1 m diameter • 100 Watt bij 450 tpm
59
Typevoorbeelden van Microwindturbines • Soorten • Voorbeelden – – – – – – – –
Swift Turby Tulipo MotorWind WindHELIX WindWall Duogen Magenn air rotor system
60
Magenn air rotor system • Helium gevuld • 3D structuur – Groot koppel – Lage startsnelheid – Praktisch overal bruikbaar
• Magnus effect – Extra lift – Stabiliteit – Positionering
61
Magnus effect • Roterende cilinder • Luchtlaag meenemen • Luchtlaag werkt mee • Andere zijde werkt ze tegen • Verschil windsnelheid • Verschil druk
62
Magenn air rotor system
63
Magenn air rotor system
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
64
Opstelling van een microwindturbine Dewulf Michael De Coninck Dimitri 65
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld
66
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld
67
68
Installatieschema • Eilandbedrijf
69
Installatieschema • Aansluiting op het net
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld
70
Opstelling van een microwindturbine • Installatieschema • Bepaling windkarakteristieken – Gemiddelde windsnelheid • Windkaart Europa • Windkaart Vlaanderen
– Meten op de site • Metingen • Beoordeling metingen
• Economische haalbaarheid • Praktisch voorbeeld
71
72
Gemiddelde windsnelheid • Windkaarten Europa en Vlaanderen – Kararkteristieken site • Geen WASP programma
– Bij meetstations • Sampletijd van 3 s gedurende 10 min – Na de 10 min wordt gemiddelde berekend
• Metingen – Meetapparatuur – Verwerking van de meetgegevens – Beoordeling van de verkregen gegevens
73
Windkaart Europa Op 50 m hoogte
74
Windkaart Vlaanderen Op 50 m hoogte
Opstelling van een microwindturbine • Installatieschema • Bepaling windkarakteristieken – Gemiddelde windsnelheid • Windkaart Europa • Windkaart Vlaanderen
– Meten op de site • Metingen • Beoordeling metingen
• Economische haalbaarheid • Praktisch voorbeeld
75
76
Meten op de site • Meten op 2/3 van de hoogte van de toekomstige turbine • Beoordeling metingen – Kwantitatief (Weibull distributie, energieroos) – Kwalitatief ( turbulentieroos)
• Meetapparatuur – Digitale anemometer • Digitale meters gaan langer mee
– Analoge meter • Analoge meter digitaal uitlezen • Windsnelheid en windrichting
77
Metingen Gemiddelde windsnelheid en weibullverdeling
Windroos
78
Beoordeling metingen • Turbulentie- en energieroos – Verschillende weibullverdelingen voor dezelfde gemiddelde snelheden – Welke windrichting heeft de grootste energieinhoud
Plaatsing van een microwindturbine • Turbulenties vermijden
79
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld
80
Opstelling van een microwindturbine • Installatieschema • Bepaling windkarakteristieken • Economische haalbaarheid – Gemiddelde turbineprijs – Energieproductie van een microwindturbine – Energie opbrengst en financiële opbrengst • Energie productie • Financiële opbrengst • Beïnvloedende parameters
• Praktisch voorbeeld
81
82
Gemiddelde turbineprijs • Gemiddelde prijs per vermogen
Opstelling van een microwindturbine • Installatieschema • Bepaling windkarakteristieken • Economische haalbaarheid – Gemiddelde turbineprijs – Energieproductie van een microwindturbine – Energie opbrengst en financiële opbrengst • Energie productie • Financiële opbrengst • Beïnvloedende parameters
• Praktisch voorbeeld
83
De energieproductie van een microwindturbine •
Voorbeeld: blokschema energieverbruik en energieproductie – – – – – –
Gemiddelde windsnelheid: 4,5 m/s Jaarlijks verbruik particulier: 4500 kWh Dag/ totaal verhouding: 2/3 Groene stroomcertificatie: 60EUR/MWh Distributietarief: dag (15,57 cEuro/kWh); nacht (8,48 cEuro/kWh) Investeringsfactor: 2,5%
84
Opstelling van een microwindturbine • Installatieschema • Bepaling windkarakteristieken • Economische haalbaarheid – Gemiddelde turbineprijs – Energieproductie van een microwindturbine – Energie opbrengst en financiële opbrengst • Energie productie • Financiële opbrengst • Beïnvloedende parameters
• Praktisch voorbeeld
85
Energieproductie en financiële opbrengst • Energieproductie – Gemiddelde windsnelheid: 4,5 m/s op 50 m hoogte
86
87
• Financiële opbrengst – = wat men jaarlijks op de energiefactuur kan uitsparen – De financiële opbrengst is tijdens de dag is veel groter dan tijdens de nacht. – Geen rekening gehouden met groene stroom certificaten
Parameters met invloed op de energie en financiële opbrengst • Parameters die invloed hebben op de energieopbrengst – Gemiddelde windsnelheid – Jaarlijks verbruik van de particulier – Dag/totaal verhouding van het verbruik
• Parameters die invloed hebben op de financiële toestand van de molen – Groene stroomcertificatie – elektriciteitstarief dag en nacht – Investeringsfactor (%)
88
89
Invloed windsnelheid
• (geen rekening gehouden met het rendement) • Bij grotere gemiddelde windsnelheid – Het nominaal vermogen van de meest optimale molen zakt – De terugbetalingstijd verkleint
90
Invloed dagelijks verbruik
• Bij stijgend dagelijks verbruik – Nominaal vermogen molen stijgt – Terugbetalingstijd wordt kleiner
91
Dag verbruik/totaal verbruik
• De dag/totaal verhouding wordt groter – Het optimale nominale vermogen wordt groter. – Bij een te kleine dag/totaal verhouding wordt het optimale nominaal vermogen terug groter.
Invloed dag verbruik/ totaal verbruik • Het kantelpunt – De verhoging van de productie tijdens de dag heeft een voordeel
92
93
Dag verbruik/totaal verbruik • Invloed van de dagtotaal verhouding op de opbrengst.
94
Dag verbruik/totaal verbruik • Gegeven dag/totaal : 3/6 – Indien er minder verbruikt wordt tijdens de dag dan tijdens de nacht: negatieve invloed.
95
Groenestroomcertificatie • Groene stroom certificaten – Reduceren de terugbetaaltijd
96
Invloed van het elektriciteitstarief • Het elektriciteitstarief – Hoe hoger het tarief, hoe kleiner de terugverdientijd – Bepaalt niet het optimale turbinevermogen
97
De investeringsfactor • De investeringsfactor – Hoe kleiner de investeringsfactor, hoe kleiner de terugverdientijd – Geen invloed op het optimale turbinevermogen
98
De investeringsfactor • Bij een investeringsfactor van 2,5%
De bekomen winst na een aantal jaar Na 23 jaar wordt er winst gemaakt
99
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld
100
101
Praktisch voorbeeld • Zelf een “eenvoudige” windturbine maken, van het axiale type, voor huishoudelijk gebruik.
102
Vooraleer te beginnen • Milieuvergunning • Bouwvergunning • Buren?
103
Vooraleer te beginnen • Doel?: – Deelproductie/ Totaalproductie/ Overproductie ÆNodige vermogen
• Dimensionering componenten – De generator – De rotorbladen – De mast
Nodige vermogen (Totaalproductie) •
Gemiddeld gezin: – 4500 kWh/jaar
•
Windturbine: – Gem. 1800 draaiuren/jaar – 1 kW Turbine: 1800 kWh/jaar – 2,5 kW Turbine: 4500 kWh/jaar
104
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld – De generator – De rotorbladen – De mast – Windturbine afwerken – Kostprijs
105
106
De generator • Alternator uit auto (2,5 kW) Æ Normaal 1kW
• Nadelen: – 2,5 kW is al groot vermogen Æ duur – Grote snelheid vereist voor volledig vermogen (6000 tr/min)
107
108
De generator • Voordelen: – Courant op de markt – Verschillende kleine vermogens – Eenvoudig koppelsysteem – Reeds een gelijkrichter en spanningsregelaar aanwezig – Werkbesparing
De generator Andere mogelijkheden • Voorbeelden uit de praktijk: – Zelf alternator wikkelen ÆPMG ÆVeel werk ÆGoedkoopste oplossing
109
De generator Andere mogelijkheden – Een inductiemotor uitrusten met condensatoren
110
De generator Andere mogelijkheden ÆCondensatoren voorzien magnetisatiestroom ÆZonder de condensatoren moet generator met net verbonden zijn en sneller draaien dan synchroon toerental om energie te leveren ÆKleinere toerentallen (750/1500/3000) ÆVele vermogens ÆWeinig onderhoud
111
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld – De generator – De rotorbladen – De mast – Windturbine afwerken – Kostprijs
112
113
De rotorbladen • P= Cp 0.5 ρ A v³ – P= vermogen in W (2500 W) – Cp= Rotorefficiëntie (0,4) – Ρ = Luchtdensiteit (1.2kg/m³) – A= Rotoroppervlakte (πd²/4) – v= windsnelheid in m/s (7,5 m/s)
• 2,5kW Æ 5,6m diameter ÆPraktische toepassingen: 5m
114
•Minihelikopter rotorbladen tot 1,5m diameter, niet duur (€20 tot €50) •Zelf maken uit hout, niet moeilijk met handleiding ÆVoor diameters > 1,5m
115
• 2 of 3 schoepen monteren • Eenvoud: geen roteerbare schoepen ÆGeen snelheidsregeling Æ Invloed op frequentie, vermogen
• Wordt gelijkgericht en gebufferd, dus geen probleem
116
• Uitbalanceren! ÆLagers ÆTrillingen
117
• Praktisch: Snelheid as: 120 - 300 tr/min ÆTandriemoverbrenging naar nominaal toerental generator
118
• Juiste tandriemoverbrenging belangrijk! – Bevat as (moet sterk genoeg zijn) – Correcte verhouding – Toerental mechanisch beveiligen tegen rukwinden
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld – De generator – De rotorbladen – De mast – Windturbine afwerken – Kostprijs
119
120
De mast • Locatie – Op het dak – In de tuin
• Oriëntatie – Axiale rotoropstelling: Æ Draaibaar met de wind opstellen
121
De getuide mast -Voor kleinere microwindturbines < 5 kW -Hoogte: 12-24 m Æmoet boven huizen uitsteken -Constructie -Stalen kabels -Metalen buizen -Voor grotere microwindturbines : vaste paal constructie in een betonnen voet
122
De getuide mast
Voordelen: • Geen kraan nodig om de mast op te hijsen •De mast kan neergelegd worden tijdens storm of onderhoud
123
Zelfgemaakte getuidemast
124
De vakwerkmast • Nadeel – Kraan nodig om het op te hijsen – Duurder dan een getuide mast
• Voordeel – Geen stalen kabels nodig – Stabiel
125
Constructie op een zadeldak
Trillingen tegengaan door rubberen nippel Turbine < 400 W
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld – De generator – De rotorbladen – De mast – Windturbine afwerken – Kostprijs
126
De windturbine afwerken • Bekisten • Stroom niet rechtstreeks gebruiken ÆFrequentie
• Gelijkrichten en op een batterij plaatsen ÆBuffer en UPS
• Synchroniseren vooraleer op het net te sturen (Inverter) • Registratieapparatuur
127
128
Inverter AC/DC
Inverter AC/DC • Bruggelijkrichter • Spanningsregelaar U=14V
129
Inverter DC/AC • • • • •
2500W Input 12V DC Output 230V AC ± € 800 Nadeel: – Harmonischen (PWM)
130
131
Registratieapparatuur • Toerental • Windsnelheid • Spanning / stroom
Sensoren Æ RS485-kabel Æ
ÆVb: Labview software
Opstelling van een microwindturbine • • • •
Installatieschema Bepaling windkarakteristieken Economische haalbaarheid Praktisch voorbeeld – De generator – De rotorbladen – De mast – Windturbine afwerken – Kostprijs
132
Kostprijs 2,5 kW Turbine • Kant en klaar pakket (www.turby.nl) : – Turbine: € 11500 – Mast: ± € 2000 – Totaal: ± € 13500
• Zelfbouw: – In de praktijk: ± € 2000 à € 3000
133
134
Voorbeelden
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
135
Labo windenergie en zonne-energie Tine Gilis Davy Naesen
136
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
137
138
Labo Windenergie • • • •
Inleiding Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid Rendement Vermogenkarakteristiek bij constante belasting
139
Labo Windenergie • • • •
Inleiding Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid Rendement Vermogenkarakteristiek bij constante belasting
140
Inleiding
• Windturbine “Superwind 350” • Frequentieomvormer • Vliegtuigmotor
141
Superwind 350
142
Superwind 350 • • • • • • •
Nominaal vermogen = 350 W Nominale windsnelheid = 12,5 m/s Nominale spanning = 12V DC of 24 V DC Generator met permanente magneet 3 bladen Diameter rotor = 1,2 m Mechanisch beveiligingsmechanisme
143
Frequentieomvormer • Regeling frequentie vliegtuigmotor • Frequentie lineair met windsnelheid Verband tussen frequentie en windsnelheid y = 2,8492x - 0,9444 20,00 18,00 windsnelheid (m/s)
16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 5
10
15
20
25
30
frequentie (Hz) Verband tussen frequentie en de windsnelheid Lineair (Verband tussen frequentie en de windsnelheid)
35
144
Labo Windenergie • • • •
Inleiding Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid Rendement Vermogenkarakteristiek bij constante belasting
Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid • Belasting : 0 Ω - ∞Ω • Belasting verhogen = versnellen turbine • Snelheid ~ weerstand => spanning ~ snelheid • Δ belasting => Δ spanning en Δ stroom
145
Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid • • • • • •
Metingen bij 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, 25 Hz Meten van spanning U [V] Meten van stroom I [A] Berekenen van vermogen P [W]= U.I Grafiek : P ifv U Maximale vermogens
146
147
Meting bij 10 Hz K.S.
O.K.
U [V]
afgelezen in mV
I [A]
P [W]
0,008
0,5
0,1
0
0,108
0,5
0,1
0,01
0,225
0,5
0,1
0,02
0,4
0,6
0,12
0,05
1,09
0,9
0,18
0,2
3,1
1,9
0,38
1,18
8,8
4,3
0,86
7,57
11,45
2,5
0,5
5,73
12,53
1,6
0,32
4,01
13,47
1
0,2
2,69
13,8
0,8
0,16
2,21
13,9
0,6
0,12
1,67
15,41
0
0
0
148
Meting bij 15 Hz K.S.
U [V]
afg in mV
I [A]
P [W]
0,108
8,7
1,74
0,19
1,701
10,1
2,02
3,44
5,35
15,9
3,18
17,01
18,9
39,2
7,84
148,18
22,3
34,9
6,98
155,65
27
28,2
5,64
152,28
30
22
4,4
132
31,2
19,3
3,86
120,43
31,9
17,3
3,46
110,37
32,3
15,7
3,14
101,42
•
Opmerkingen:
1. Bij OK draait turbine te snel, het beveiligingsmechanisme treedt in werking 2. Belasting nog meer verhogen: stroom door de belasting wordt te groot
Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid Vermogenkarakteristiek bij constante snelheden 180,00
160,00
140,00 y = 0,0087x
3,1193
120,00 f=10 Hz f=15 Hz f=20 Hz f=25 Hz Reeks5 Macht (Reeks5)
P [W]
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00 0
5
10
15
20 U [V]
25
30
35
40
149
Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid • Hogere frequentie Æ hogere snelheid Æ hoger vermogen • Maximaal vermogen curve : 3e macht y = 0.0087 x3.1193
150
151
Labo Windenergie • • • •
Inleiding Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid Rendement Vermogenkarakteristiek bij constante belasting
152
Rendement • Verhouding turbinevermogen/windvermogen • Turbinevermogen = max vermogen 3 η wind = 0.5 ρ v A • Windvermogen met : ρ = luchtdichtheid = 1,2 kg/m³ v = windsnelheid A = doorstroomopp. = π d²/4 = 1,13 m²
153
Rendement Pwind [W]
Pturbine [W]
η
4.83
75,05
7,57
10,09%
15
7.22
255,4
32,76
12,83%
20
10.56
799,09
81,77
10,23%
25
13.61
1710,72
155,65
9,10%
f (Hz)
v (m/s)
10
• Maximaal 12,83% bij 7,22 m/s • Gemiddelde 10,5%
154
Labo Windenergie • • • •
Inleiding Vermogenkarakteristiek bij constante snelheid Rendement Vermogenkarakteristiek bij constante belasting
Vermogenkarakteristiek bij constante belasting • • • • • •
Belasting = 20,8 Ω f = 10 Hz … 25 Hz Meten van U [V] Meten van I [A] Berekenen van P [W] Grafiek P ifv f
155
Vermogenkarakteristiek bij constante belasting f [Hz]
U [V]
Afgelezen in mV
I [A]
P [W]
8,75
0,005
0
0
0
9,37
9,7
2,4
0,48
4,656
10,78
12,35
3,1
0,62
7,657
11,36
13,6
3,4
0,68
9,248
12,68
16,2
4,1
0,82
13,284
13,68
18,3
4,6
0,92
16,836
14,44
19,6
5
1
19,6
15,84
22,25
5,7
1,14
25,365
17,54
25,3
6,5
1,3
32,89
18,6
26,8
6,9
1,38
36,984
19,45
28,4
7,3
1,46
41,464
20,77
31
8
1,6
49,6
21,79
32,9
8,4
1,68
55,272
23,95
34,6
8,9
1,78
61,588
9
1,8
0
26,3
156
157
Vermogenkarakteristiek bij constante belasting Vermogenkarakteristiek bij constante belasting 70 60
P [W]
50 40 30 20 10 0 0
5
10
15 Frequentie [Hz]
20
25
30
Vermogenkarakteristiek bij constante belasting
• Bij constante belasting zal het vermogen stijgen naarmate de frequentie stijgt • We kunnen de wind niet oneindig laten toenemen wegens mechanische beveiliging
158
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
159
160
Zonne-energie • Bouw zonnecel • Theorie karakteristieken • Metingen • Besluiten
161
Zonne-energie • Bouw zonnecel • Theorie karakteristieken • Metingen • Besluiten
162
Bouw zonnecel • Zeer zuiver Silicium • Één zonnecel – U = 1.5 V – I = 30mA/cm²
• Een module = meerdere zonnecellen – Serie of parallel
163
Bouw zonnecel
164
Zonne-energie • Bouw zonnecel • Theorie karakteristieken • Metingen • Besluiten
165
Theorie karakteristieken • IV-karakteristiek ⎛ qV ⎞ I = I 0 .⎜ e kT − 1⎟ − I L ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ kT ⎛ I L ⎞ Voc = . ln⎜⎜ + 1⎟⎟ q ⎝ I0 ⎠
FF =
Vmp .I mp Voc .I sc
166
Theorie karakteristieken • Serie- en parallel schakelen
2 cellen
1 cel serie
2 cellen
1 cel parallel
167
Theorie karakteristieken • Invloed van de schaduw
Serie
parallel
168
Theorie karakteristieken • Invloed van de temperatuur
169
Zonne-energie • Bouw zonnecel • Theorie karakteristieken • Metingen • Besluiten
170
Metingen • één module – Donkerkarkteristiek – Lichtkarakteristiek => verschillende temperaturen
• Twee modules – Parallel en serie • Donkerkarakteristiek • Lichtkarakteristiek bij één module belicht • Lichtkarakteristiek bij twee modules belicht ¾ Verschillende temperaturen
171
Eén module
172
Twee zonnecellen in serie
173
Twee zonnecellen in parallel
Eén module onder een hoek belicht
174
175
Zonne-energie • Bouw zonnecel • Theorie karakteristieken • Metingen • Besluiten
176
Besluiten • Invloed van de temperatuur –T
=> Vok wordt sneller bereikt
–T
=> Iks is lager
–T
=> hoger vermogen, kleiner bereik
– Invloed van Vok > Iks
177
Besluiten • Zonnecellen in serie – Één donkere cel • stroom verwaarloosbaar • Stroom ~= stroom zwakste module
– Twee belichte cellen • UBuigpunt ~= som van de twee • Pgegenereerd,serie = ΣPgegenereerd, apart
178
Besluiten • Zonnecellen in parallel – Één donkere cel • I ~= I1module
– Twee belichte cellen • IBuigpunt ~= som van de twee • Pgegenereerd,serie ~= ΣPgegenereerd, apart
179
Besluiten • Een module onder een hoek belicht – Hoek
=> minder stroom
– Ubuigpunt blijft ongeveer gelijk
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
180
Hybride systemen Moens Dieter Del Tedesco Nicolas
181
Hybride systeem
182
183
Hybride systemen • • • • • •
Introductie Methodes Systeem beschrijving en modellen Voorbeeld 1 Voorbeeld 2 Conclusie
184
Hybride systemen • • • • • •
Introductie Methodes Systeem beschrijving en modellen Voorbeeld 1 Voorbeeld 2 Conclusie
185
Introductie • Waarom hernieuwbare energie systemen ? – Pollutie vrij – Oneindige voorraad energiebron
• Waarom hybride systemen ? – Hogere beschikbaarheid en dus een meer betrouwbaar systeem – Geen (minder) overdimensionering
• Verschillende combinaties mogelijk, zon/wind hybride
186
Hybride systemen • • • • • •
Introductie Methodes Systeem beschrijving en modellen Voorbeeld 1 Voorbeeld 2 Conclusie
187
Methodes • Analytisch – Mathematisch model
• Simulatie – Door proces te simuleren, schatting van de betrouwbaarheid – Serie van experimenten: variaties van windsnelheid, zonnestraling, belasting,… – Verschillende types: • 1e chronologische perioden reeks: – Zeer veel data nodig, meestal niet beschikbaar is in ontwerpfase.
• 2e waarschijnlijkheidsmethode: – Variabelen = willekeurige waarden – Distributie functies om variabelen waarden mee te geven
• 3e energie balans: – Gemiddelde waarden (maandelijks, dagelijks) – Inefficiëntie: geeft niet de (snelle) variaties van energiebronnen en belasting(en)
188
Hybride systemen • Introductie • Methodes • Systeem beschrijving en modellen – – – –
WECS model PVS model Hybrid system model EENS
• Voorbeeld 1 • Voorbeeld 2 • Conclusie
189
Systeem beschrijving en modellen • • • •
WECS model PVS model Hybride systeem model EENS
190
Systeem beschrijving en modellen • WECS: wind energie conversie systeem • PVS : photovoltaïsch systeem • Via controle eenheid met het net en belasting verbonden • Bi-directionele connectie
191
Systeem beschrijving en modellen • Introductie • Methodes • Systeem beschrijving en modellen – – – –
WECS model PVS model Hybride systeem model EENS
• Voorbeeld 1 • Voorbeeld 2 • Conclusie
192
WECS model • Benodigde data: – Windsnelheid (over lange periode) – Karakteristiek uitgangsvermogen
• Voor het berekenen van de verdelingsfunctie f(Pw) en de cumulatieve verdelingsfunctie F(Pw) dienen een aantal parameters gekend te zijn: – – – –
Vc: cut-in wind snelheid (3,6 m/s) Vr: nominale (rated) wind snelheid (12,5m/s) Vf: cut-out wind snelheid (14,5m/s) Pr: nominaal vermogen (1,5kW)
Ref.: G.Tina, S. Gagliano, S. Raiti (maart 2005). Hybrid solar/wind power system probabelistic modelling for long-term performance assesment
193
• Pw: gegenereerd vermogen door de windturbine
194
Systeem beschrijving en modellen • Introductie • Methodes • Systeem beschrijving en modellen – – – –
WECS model PVS model Hybride systeem model EENS
• Voorbeeld 1 • Voorbeeld 2 • Conclusie
195
PVS model • Hoeveelheid zonnestraling die de aarde bereikt is afh. van de plaats • Wolken zijn de grootste invloedsfactor • Kt: dagelijkse helderheid index=It/I0 • It: irradiatie op aarde • I0: totale irradiantie • PV panelen met PPV = 240 W
196
• Het PV vermogen: • Verdelingsfuncties voor het PV vermogen
197
Systeem beschrijving en modellen • Introductie • Methodes • Systeem beschrijving en modellen – – – –
WECS model PVS model Hybride systeem model EENS
• Voorbeeld 1 • Voorbeeld 2 • Conclusie
198
Hybride systeem model • Het vermogen van het hybridesysteem is de som van de vermogens van WECS en PVS
199
Systeem beschrijving en modellen • Introductie • Methodes • Systeem beschrijving en modellen – – – –
WECS model PVS model Hybride systeem model EENS
• Voorbeeld 1 • Voorbeeld 2 • Conclusie
200
EENS • ‘Expected energy not supplied’ • Als de belasting het gegenereerde vermogen overstijgt • Als de belasting groter is dan Phmax: • Als Phmin ≤ L ≤Phmax: • Als L
201
• Via statistische weg kan men de lange termijn prestaties van een hybride systeem evalueren • Het is niet makkelijk dergelijk systeem te ontwerpen, vooral voor stand-alone toepasssingen die continue veromogen vragen
202
Hybride systemen • • • • • •
Introductie Methodes Systeem beschrijving en modellen Voorbeeld 1 Voorbeeld 2 Conclusie
203
Voorbeeld 1 • • • •
Eiland in Italië Lage gemiddelde windsnelheid (4.55m/s) Equivalent zonne-uren:ESH=5.5h Voordeel in dit geval: als er weinig wind is, is er veel zon
204
• Grote variatie in belasting in functie van de maand (afhankelijk van vakanties)
• Grote verhouding van minimale en maximale belasting
205
• Het gekozen vermogen van het hybride systeem is 80 kW • Er zijn verschillende mogelijkheden van de combinatie, van volledige productie met PV zonnepanelen tot volledige productie d.m.v. windturbines
206
• Ook de hoek van de photovoltaïsche panelen kan variëren:
• In dit geval is het best om β=0° te nemen, zodat meer energie in de zomer gegenereerd wordt (de belasting is dan het hoogst)
207
• Om te weten te komen wat de beste combinatie is, moet er een optimalisatie probleem worden opgelost • De oplossing is verkregen via Simulink, een Matlab functie
208
Hybride systemen • • • • • •
Introductie Methodes Systeem beschrijving en modellen Voorbeeld 1 Voorbeeld 2 Conclusie
209
Voorbeeld 2 • Mongolië • 140 000 windturbines • Leveren 1/3 van niet aan het net geconnecteerde huishoudens • Probleem: zomermaanden = weinig wind • Oplossing: hybride systeem zon/wind
210
211
• Belasting: – Groot ~ 1075 kWh/jaar – Klein ~ 166 kWh/jaar – Gemiddelde Î 633 kWh/jaar
• Variatie door al dan niet gebruik van toestellen zoals – Koelkast – Wasmachine – droogkast
212
213
214
215
Hybride systemen • • • • • •
Introductie Methodes Systeem beschrijving en modellen Voorbeeld 1 Voorbeeld 2 Conclusie
216
Conclusie • Complementaire profielen van zonneen windenergie Î Combinatie van windturbine en PV resulteren in betere energiehuishouding
Microwindturbines & Hybridesystemen • • • •
Inleiding Typevoorbeelden van microwindturbines Opstelling van een microwindturbine Labo – Windenergie – Zonne-energie
• Hybride systemen • Conclusie
217
218
Conclusie • • • •
Verschillende maten en vormen Zelf installeren Eventueel in combinatie met PV Opbrengsten (gegenereerd vermogen)
Bedankt voor uw aandacht Zijn er nog vragen?
219