ELEKTRICITETSLÄRA

Pågående forskningsprojekt
Vindkraft
Projektledare: Professor Hans Bernhoff
 
Forskare:
Marcus Berg, Mikael Bergkvist, Sandra Eriksson, Anders Goude
Doktorander: Senad Apelfröjd, Eduard Dyachuk, Petter Eklund, Jon Olauson, Per Ribbing, Morgan Rossander, Stefan Sjökvist

Ett ökat globalt elbehov tillsammans med oron för sinande icke-förnybara energikällor har fått samhället att rikta intresset mot alternativa energikällor. Att producera el från vindens energi ger inga utsläpp och förbrukar inget bränsle. Vindenergiproduktionen kan bara planeras och regleras i mycket begränsad omfattning till skillnad mot t.ex. vattenkraften. I Sverige är den ett bra komplement till vattenkraften. När det blåser kan vatten sparas i dammar vars vatten sedan utnyttjas när vinden är svagare.

Vindkraft har inga transport- eller avfallskostnader och dessutom är “bränslet” gratis. Det finns fortfarande en förbättringspotential vad gäller kostnader och tillförlitlighet. Forskning och utveckling är nödvändigt för att i framtiden effektivare och med bättre ekonomi kunna utnyttja vindkraften i än större skala.

Utvecklingenstrenden går mot större och robustare vindkraftverk. Det blir vanligare att vindkraftverk placeras ute till havs dels på grund av brist på lämpliga landbaserade platser men också på grund av att det blåser mer och jämnare över hav än det gör över land. För att öka robusthet och minska kostnader är det viktigt att minska antalet ingående komponenter samt att fortsätta utveckla generatorer, vingprofiler m.m.

Vertikalaxlade vindkraftverk

Avdelningen för elektricitetslära fokuserar på forskningen kring vertikalaxlade vindkraftverk. Vindkraftverket består av en turbin med de vertikala bladen monterade på axeln via bärarmar. Den typ av konstruktion som Ångströmlaboratoriet jobbar med kallas för H-rotor, se bild nedan. Tack vare den vertikala axeln kan generatorn placeras på marken och behöver därmed inte optimeras för vikt och volym.

H-rotor
Figur 1: H-rotor i Marsta utanför Uppsala

Världens första vindturbin tros ha varit en vertikalaxlad väderkvarn som perserna använde ca 900 e. Kr. för att mala säd. Dagens vindturbiner är i huvudsak horisontalaxlade och det finns flera tänkbara förklaringar till varför vår utveckling fokuserats på just horisontalaxlade verk. En av förklaringarna är att fördelarna med vertikalaxlade verk framförallt visar sig i storskaliga verk. Vertikalaxlade turbiner körs helst med variabelt varvtal vilket man hade svårt att hantera då vindkraftverken började utvecklas. Forskningen syftar till en mera robust och kostnadseffektiv vindkraft. Det finns goda skäl att tro att storskaliga vertikalaxlade vindkraftverk kan vara mera kostnadseffektiva än dagens horisontalaxlade kraftverk.

Forskningen har till syfte att bidra till enklare, mer effektiv och mer resurssnål teknik. För att förstå dess egenskaper görs studier på hela vindkraftverket från ställverk, elektriska maskiner till aerodynamik. Fokus ligger på helhetsperspektivet och systemförståelse utifrån grundläggande fysik.

Varför vertikalaxlad teknik?

Den största fördelen med det vertikalaxlade system som studeras vid Uppsala universitet är enkelheten i både mekaniken och elsystemet. Enkelheten borgar för hög verkningsgrad, lågt slitage och stor tillförlitlighet.

Systemet saknar växellåda, pitch-reglering för bladen samt system för girning. Dessa mekaniska system står för stora delar av driftstoppen hos konventionella verk varför den vertikalaxlade turbinen antas komma få mycket högre driftsäkerhet. Bilden nedan visar hur olika komponenter bidrar till driftstoppen för horisontalaxlade verk.

komponenters bidrag till driftstopp i svenska vindkraftverk
Figur 2: Olika komponenters bidrag till driftstopp i svenska vindkraftverk mellan 2000-2004. Bild tagen från Ribrant, L. och Bertling, L.M. "Survey of failures in wind power systems with focus on Swedish wind power plant during 1997-2005"

Den vertikalaxlade vindkraften från Ångströmlaboratoriet är en teknik med potentiellt få driftstopp. Det vill säga ett system med få rörliga delar, robust generator och elkrets. Potentiella fördelar med vertikala vindkraftverk är:

  • Vindenergi kan absorberas från alla riktningar, inget girningssystem behövs
  • Den vertikala axeln gör att generatorn kan placeras på marken vilket underlättar vid konstruktion
  • Bladen behöver inget system för pitch-reglering
  • Tornet kan förankras med staglinor vilket kan göra tornkonstruktionen billigare
  • Lägre rotationshastighet leder till en lägre ljudnivå
  • Generatorn är direktdriven och behöver ingen växellåda
  • Vertikal vindkraftteknik kan ha miljömässiga fördelar gentemot horisontalaxlad teknik

Vertikalaxlade verk behöver inte gira in mot vinden och därmed behövs inget mekaniskt system för girning vilket ofta är dyrt och komplext samt en källa till driftstopp. Eftersom vindriktningen inte spelar någon roll kan vertikalaxlade verk stå på platser som är relativt turbulenta, t.ex. i bergområden eller stadsmiljö. Dock krävs det självklart att det blåser tillräckligt mycket på den tänkta platsen för vindkraftverket för att göra installationen ekonomisk.

Generatorn till ett vertikalaxlat verk kan placeras på marken vilket underlättar installation och även underhåll. Installationskostnaden reduceras ytterligare eftersom ingen generator behöver lyftas på plats av en lyftkran. Då generatorns vikt inte behöver vägas in vid designen kan fokus istället läggas på att optimera verkningsgraden. Systemet som utvecklats vid Uppsala universitet använder en direktdriven generator och således saknas växellåda. En vanlig orsak till driftavbrott i konventionella vindkraftverk är bl.a. just växellådor som går sönder.

Horisontalaxlade vindkraftverk kontrolleras ofta med hjälp av så kallad pitch-reglering vilket innebär att bladen vrids runt sin axel för att optimera vindens anfallsvinkel. Det krävs ett mekaniskt system för att sköta pitch-regleringen. Det vertikala vindkraftverket saknar pitch-reglering och styrs istället elektriskt med hjälp av generatorn. Då inget mekaniskt pitch-system används minskar risken för driftstopp samt behovet av underhåll.

H-rotorn har ett längre avstånd mellan torn och turbinblad än vad som är fallet för en horisontalaxlad turbin. Detta minskar turbinens materialkrav eftersom bladen tillåts svikta mer. Det minskar också kraven på tornet eftersom staglinor skulle kunna användas på ett sätt som inte är möjligt för ett horisontalaxlat verk. Hela tornkonstruktionen blir då möjligtvis billigare. Tillsammans tar dessa linor en större landyta i anspråk vilket tekniskt sett oftast inte är något problem. Ett säkerhetsavstånd är ändå nödvändigt på grund av bland annat iskast från verket. På landsbygden kan det däremot vara mer ekonomiskt att bygga ett starkare torn istället för att använda staglinor eftersom den omkringliggande marken nyttjas av lantbrukare.

Den vertikalaxlade tekniken antas ha vissa miljömässiga fördelar gentemot den horisontalaxlade tekniken. En vertikalaxlad turbin har generellt lägre rotationshastighet än motsvarande horisontalaxlad turbin. Därmed blir ljudnivån från de roterande bladen lägre vilket annars kan vara ett problem hos stora horisontalaxlade verk med hög vingspetshastighet. Iskast från en vertikalaxlad turbin kastas inte lika långt eftersom de aldrig kan kastas vertikalt i luften utan enbart horisontellt. Då generatorn är placerad på marken blir konstruktionen enklare med mindre stålkrävande torn som i slutändan kan leda till stora besparingar i materialanvändning.

På vissa platser i världen är det ett problem med relativt frekventa kollisioner mellan roterande blad och fåglar eller fladdermöss. Ett vertikalaxlat verk är troligen säkrare för fåglar och fladdermöss. Detta beror på att ett vertikalaxlat verk är lättare att upptäcka för en inflygande fågel då det inte rör sig i vertikalt led. Ett horisontalaxlat verk har dessutom högre vinghastigheter vilket gör det svårare att undvika kollision

Aerodynamik

Ett simuleringsverktyg har utvecklats för att räkna på aerodynamiken vid ett vertikalaxlat vindkraftverk. Målet har varit att bättre förstå hur ett vertikalaxlat verk fångar upp energi ur vinden och därmed kunna förbättra prestandan genom att optimera turbindesignen.

Aerodynamik är komplext och måste i många fall lösas numeriskt. När aerodynamiken simuleras för de vertikalaxlade turbinerna används generellt tre olika metoder: strömrörsmodellen, virvelmodeller samt finita element/volym metoden. På Uppsala universitet ligger fokus på de två förstnämnda modellerna.

Strömrörsmodellen är den metod som snabbast går att lösa numeriskt då den inte innehåller något tidsberoende flöde. Hastighetsfältet approximeras endast kring turbinbladen. Tack vare dess snabbhet kan denna modell utnyttjas för att simulera strömningen i tre dimensioner. Det möjliggör simuleringar av varierande vindhastighet över turbinarean samt inverkan från bladens bärarmar.

Vid studier av hur flera olika turbiner påverkar varandra måste istället virvelmetoden användas som är något mer komplex. Virvelsimuleringarna görs med fördel i två dimensioner då dessa kräver mer beräkningskraft. Enligt simuleringarna med virvelmetoden har det konstaterats att man kan erhålla högre effekt hos enskilda turbiner om de placeras nära varandra i en linje samtidigt som flödesriktningen är vinkelrät mot denna linje.

Modellen som utvecklats vid Uppsala universitet kan användas vid design av en H-rotor för att optimera effekten och/eller minimera materiallasterna. Med hjälp av vindstatistik från en given plats kan den mest optimala designen för en turbin räknas ut iterativt.

Generator

Generatorn används förutom att generera el även som reglerverktyg och startmotor för turbinen. När turbinen nått tillräckligt hög rotationshastighet kan vinden driva turbinen. Energin som går åt i startsekvensen motsvarar ungefär den energi som genereras under 3 sekunder nominell drift.

Då turbinen inte roterar med konstant hastighet är det viktigt att generatorn har en hög verkningsgrad under ett brett spann av rotationshastigheter. Möjligheterna för detta undersöktes och en 225 kW generator har designats, konstruerats och installerats i Falkenberg. Generatorn har en minsta verkningsgrad på 96 % i vindhastigheter över 6,5 m/s. Generatorn har till uppgift att reglera turbinens rotation för optimal effektivitet men också att verka som broms vid mycket höga vindhastigheter.

Forskningsstationer

År 2005 konstruerades det första vertikalaxlade vindkraftverket (märkeffekt 2 kW) på avdelningen, se bild nedan. Året därpå installerades ett större verk på 12 kW vid Marsta väderstation utanför Uppsala. Verket används som forskningsstation och åtskilliga tester görs på hela systemet.

12 kW-turbin
2 kW-turbin
Figur 3: Till vänster, 12 kW-turbinen i Marsta; till höger, 2 kW-turbinen

Turbinen

Turbinen designades efter de aerodynamiska simuleringar som gjorts. Axeln mellan turbin och generator är 5,4 m lång och rotorarean är ca 30 m2. Vid en vindstyrka på 12 m/s roterar turbinen med 127 rpm och genererar 12 kW.

Konstruktion av turbinen
Konstruktion av turbin2
Figur 4: Konstruktion av turbinen i Marsta

Då turbinen testats i fält har den aerodynamiska effektfaktorn uppmätts till ca 30 % vilket är ett relativt högt värde för en så pass liten turbin. En effektkurva för olika rotationshastigheter har också tagits fram vilket är viktigt för att kunna optimera energiproduktionen och anpassa reglersystemet.

Både horisontalaxlade och vertikalaxlade verk utsätts för ett varierande vridmoment då bladen rör sig runt centrum. I det vertikala fallet är vindens relativa anfallsvinkel gentemot vingarna olika beroende på var i rotationen ett blad befinner sig. Detta ger upphov till ett oscillerande vridmoment vilket verkar utmattande på material.

Forskning på turbinens oscillerande vridmoment har utförts på avdelningen. Det har visat sig att de oscillerande vridmomenten går att mäta från avvikelser i den likriktade generatorströmmen. Därmed kan mätare placeras i en skyddad miljö under tak istället för på själva turbinen vilket underlättar insamlandet av data. Det kan även vara möjligt att direkt från den likriktade generatorströmmen mäta den inkommande vinden.

Generatorn

En prototypgenerator används på Ångströmlaboratoriet som liknar den installerade generatorn i Marsta. Prototypen utnyttjas i olika experiment, bland annat i studier om hur värme sprider sig i generatorn. Studier har också gjorts för att kartlägga de förluster som uppkommer i statorplåtarna när generatorn körs på låg elektrisk frekvens.

Prototypgenerator
Figur 5: Prototypgeneratorn som används på Ångströmlaboratoriet i Uppsala

Falkenberg

Uppsala universitet driver ett vertikalaxlat vindkraftverk på 200 kW vid Torsholm utanför Falkenberg. Experimentuppställningen är av stor vikt för forskningen då den tillåter studier på ett komplett nätanslutet storskaligt system jämfört med forskningsstationen i Marsta.

Studier görs bland annat på: styrsystemet, generatorns överlastförmåga för att öka möjligheten att utvinna energi ur höga vindhastigheter och växelverkan mellan de mekaniska delarna i verket samt aerodynamiken.

200 kW-verket i Torsholm
Figur 6: 200 kW-verket i Torsholm, Falkenberg
Vindkraft till telekommaster

I många U-länder finns inte möjlighet att ansluta telkommaster till det lokala elnätet. Lösningen har då normalt varit att man förbrant diesel eller biobränsle för att förse masten med elektricitet. En lösning som bidrar till utsläpp av växthusgaser men också kräver transport av bränsle till anläggningen.

År 2007 byggde Ericsson en ny typ av telekom mast där det var tänkt att strömförsörjningen skulle komma från vindkraft. Ett vindkraftverk skulle sitta på tornet men placerat på ett sådant vis så att antennerna inte blev elektromagnetiskt störda eller skuggade. Ett vertikalt vindkraftverk var att föredra eftersom det kunde placeras på tornet och inte måste sitta högst upp där det stör kommunikationen. Alternativet hade varit att ha ett horisontalaxlat vindkraftverk på ett eget torn bredvid masten.

Tillsammans med Uppsala universitet och företaget Vertical Wind utvecklades turbinen och generatorn för att passa Ericssons mast. Enligt kravspecifikationerna behövde tornets insida användas för transport av radiobasstationer och annan utrustning. Därmed kunde ingen axel placeras i mitten av tornkonstruktionen. Rotorn kopplades istället direkt till turbinbladen vilket uteslöt behovet av en axel. Statorn placerades på insidan av rotorn men på utsidan av tornet. Resultatet blev en direktdriven permanentmagnetiserad generator placerad på utsidan av tornet och i direkt anslutning med turbinen.

Statorlindningar
Figur 7: Statorlindningarna som sitter utanpå masten

Systemet, i sin helhet, är relativt enkelt vilket minimerar underhållsbehovet och passar väl i applikationer som t.ex. telekommaster. Generatorn levererar den nödvändiga effekten och tillsammans med batterier kan strömförsörjningen till masten säkras.

Telekommast med vindkraftverk
Figur 8: Telekommasten med vindkraftverket

Publikationer

Fredrik Bülow, Sandra Eriksson, Hans Bernhoff, "No-load core loss prediction of PM generator at low electrical frequency", Journal of Renewable Energy, Volume 43, July 2012, Pages 389-392. doi:10.1016/j.renene.2011.12.002

Sandra Eriksson, Hans Bernhoff, Mikael Bergkvist, "Design of a unique direct driven PM generator adapted for a telecom tower wind turbine", Renewable Energy, Volume 44, August 2012, pp. 453-456. doi: 10.1016/j.renene.2012.01.090

Fredrik Bülow, "Extreme Load Conditions for Wind Powered Direct Drive PM Generators", UURIE 324-11L, Uppsala 2011. PDF

Anders Goude, "Fluid mechanical simulations and development for vertical axis turbines", UURIE 329-11L, Uppsala 2011.

Sandra Eriksson, Tobias Semberg, Hans Bernhoff, Mats Leijon, "Gerador de ímãs permanentes de acionamento direto para turbina de eixo vertical", Eletricidade Moderna, p.160-165, Oct. 2011.

Sandra Eriksson, Hans Bernhoff and Mats Leijon, "A 225 kW Direct Driven PM Generator Adapted to a Vertical Axis Wind Turbine" , Advances in Power Electronics, vol. 2011, Article ID 239061, 7 pages, 2011. doi:10.1155/2011/239061

Sandra Eriksson and Hans Bernhoff, "Loss Evaluation and Design Optimisation for Direct Driven Permanent Magnet Synchronous Generators for Wind Power",Applied Energy 88 (2011), pp. 265-271. doi: 10.1016/j.apenergy.2010.06.010

Jon Kjellin, Fredrik Bülow, Sandra Eriksson, Paul Deglaire, Mats Leijon and Hans Bernhoff, "Power Coefficient Measurement on a 12 kW Straight Bladed Vertical Axis Wind Turbine" , Renewable Energy 36 (11), Pages 3050-3053, 2011.
doi: 10.1016/j.renene.2011.03.031

Jon Kjellin and Hans Bernhoff, "Electrical Starter System for an H-Rotor Type VAWT with PM-Generator and Auxiliary Winding" , Wind Engineering volume 35, no. 1, 2011 pages 85-92. doi:10.1260/0309-524X.35.1.85

Paul Deglaire, "Analytical aerodynamic simulation tools for Vertical Axis Wind Turbines",Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214; 704. Abstract + Fulltext

Jon Kjellin, ”Experimental Vertical Axis Wind Turbine System” , UURIE 318-10L, Uppsala 2010.

Anders Goude, O. Ågren, "Numerical Simulation of a Farm of Vertical Axis Marine Current Turbines", Proceedings of the ASME 2010 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2010), June 6-11, 2010, Shanghai, China, OMAE2010-20160.

F. Bülow, J. Kjellin, S. Eriksson, M. Bergkvist, P. Ström, H. Bernhoff, "Adapting a VAWT with PM generator to telecom applications", European Wind Energy Conference & Exhibition 2010, Tuesday 20 - Friday 23 April 2010, Warsaw, Poland.

S. Eriksson, T. Semberg, H. Bernhoff and M. Leijon, "A 225 kW direct driven PM generator for a vertical axis wind turbine", European Wind Energy Conference & Exhibition 2010 , Tuesday 20 - Friday 23 April 2010, Warsaw, Poland. doi:10.1155/2011/239061

P. Deglaire, S. Engblom, O. Ågren, H. Bernhoff, "Analytical solutions for a single blade in vertical axis turbine motion in two-dimensions", European Journal of Mechanics - B/Fluids Volume 28, Issue 4, July-August 2009, Pages 506-520. doi:10.1016/j.euromechflu.2008.11.004

Sandra Eriksson, Hans Bernhoff and Mats Leijon, "FEM Simulations and Experiments of Different Loading Conditions for a 12 kW Direct Driven PM Synchronous Generator for Wind Power" , International Journal of Emerging Electric Power Systems: Vol. 10 : Iss. 1, Article 3. DOI: 10.2202/1553-779X.1958 (2009). Available at: http://www.bepress.com/ijeeps/vol10/iss1/art3

A. Goude, E. Lalander and M. Leijon, "Influence of a Varying Vertical Velocity Profile on Turbine Efficiency for a Vertical Axis Marine Current Turbine", Proceedings of the 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2009), May 31 to June 5, 2009, Honolulu, Hawaii.

Goude, A., Lundin, S. & Leijon, "A parameter study of the influence of struts on the performance of a vertical-axis marine current turbine." , In Proceedings of the 8th European wave and tidal energy conference, EWTEC09, Uppsala, Sweden, pp. 477–483.

Sandra Eriksson, "Direct Driven Generators for Vertical Axis Wind Turbines", Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 547, ISBN 978-91-554-7264-1 Abstract

Sandra Eriksson, Andreas Solum, Mats Leijon and Hans Bernhoff, "Simulations and experiments on a 12 kW direct driven PM synchronous generator for wind power", Renewable Energy, Volume 33, Issue 4, April 2008, Pages 674-681.

Sandra Eriksson, Hans Bernhoff and Mats Leijon, "Evaluation of different turbine concepts for wind power", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 12, Issue 5, June 2008, Pages 1419-1434. doi:10.1016/j.rser.2006.05.017

J. Kjellin, S. Eriksson, P. Deglaire, F. Bülow, H. Bernhoff, "Progress of control system and measurement techniques for a 12 kW vertical axis wind turbine", Proceedings of European Wind Energy Conference & Exhibition EWEC 2008, March 31- April 3, 2008, Brussels, Belgium.

Andreas Solum, Mats Leijon, "Investigating the overload capacity of a direct-driven synchronous permanent magnet wind turbine generator designed using high-voltage cable technology" , International Journal of Energy Research, Volume 31, Issue 11, September 2007, Pages 1076-1086.

Paul Deglaire, Sandra Eriksson, Jon Kjellin, Hans Bernhoff, "Experimental results from a 12 kW vertical axis wind turbine with a direct driven PM synchronous generator", Presented at EWEC 2007 - European Wind Energy Conference & Exhibition, Milan, Italy, May. 7-10, 2007.

Sandra Eriksson, "Vertical Axis Wind Turbines with Direct Driven Generators", UURIE 302-06L, Uppsala 2006.

Eriksson, S., Bernhoff, H. "Generator-Damped Torsional Vibrations of a Vertical Axis Wind Turbine", Wind Engineering (2006) vol. 29, No. 5 p449, DOI: 10.1260/030952405775992625

O. Ågren, M. Berg, and M. Leijon, "A time-dependent potential flow theory for the aerodynamics of vertical axis wind turbines", J. Appl. Phys. 97, May 2005, 104913.