Prezentacja „Projektowanie i budowa morskich farm wiatrowych” Witolda Skrzypińskiego została zaprezentowana podczas seminarium popularnonaukowego w Ustce (24.10.2012r.) i Smołdzinie (25.10.2012r.). Wydarzenie zostało zorganizowane przez dwóch partnerów projektu SB OFF.E.R (South Baltic Offshore Wind Energy Regions) współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej (Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego): POMCERT z Polski oraz DTU Wind Energy z Danii. Seminarium poprowadzili: - Aleksandra Jędrzejewska, Agnieszka Miszewska, Henryk Zemsta (POMCERT, PL), - Mariusz Wójcik (Grupa Doradcza SMDI, PL) - Witold Skrzypiński (DTU Wind Energy, DK). Pozostałe prezentacje z tego wydarzenia są również dostępne na SlideShare.

1. ROAD SHOW- Ustka, 24.10.2012 r.; Smołdzino, 25.10.2012 r.
„Morska energetyka
wiatrowa”
- seminarium
popularnonaukowe

2. Prezentacja „Projektowanie i budowa morskich farm
wiatrowych” Witolda Skrzypińskiego
została zaprezentowana podczas
seminarium popularnonaukowego
w Ustce (24.10.2012r.) i Smołdzinie (25.10.2012r.).
Wydarzenie zostało zorganizowane przez dwóch partnerów projektu
SB OFF.E.R (South Baltic Offshore Wind Energy Regions)
współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej
(Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego):
POMCERT z Polski oraz DTU Wind Energy z Danii.

3. Projektowanie i budowa
morskich farm wiatrowych
Witold Skrzypiński
DTU Wind Energy (Risø)
wisk@dtu.dk
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

4. Plan prezentacji
•Normy i wymogi projektowe
•Klasy turbin z uwzględnieniem wiatru
•Rozmieszczenie turbin na farmie wiatrowej
•Fundamenty
o
Czynniki wymagające rozpatrzenia
o
Poziomy głębokości wody
o
Rodzaje
•Wysokościowa energia wiatru
o
Skysails
o
Makani Wind Power
4 DTU Wind Energy, Technical University of Denmark 26 Oct 2012

5. O czym należy pamiętać
projektując turbinę wiatrową?
Normy!
(zbiór zasad i reguł
służących do oceny)
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

6. Normy
• Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC)
• IEC 61400
o
Zbiór międzynarodowych norm dotyczących turbin
wiatrowych
• IEC 61400-1
o
Ogólne wymogi projektowe dla turbin wiatrowych
• IEC 61400-2
o
Wymogi projektowe dla małych turbin wiatrowych
• IEC 61400-3
o
Wymogi projektowe dla morskich turbin wiatrowych
• IEC 61400-3-2
o
Wymogi projektowe dla pływających turbin wiatrowych
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

7. EIC 61400-1 Przykłady wymogów projektowych
Fatigue – postępująca zmiana strukturalna ECD – ekstremalny podmuch ze zmianą kierunku
występująca gdy materiał jest poddawany cyklicznym EWS – ekstremalny gradient wiatru
obciążeniom EOG – ekstremalny podmuch operacyjny
NTM – model normalnych turbulencji
ETM – model ekstremalnych turbulencji

8. EIC 61400-1 Przykłady wymogów projektowych
Fatigue – postępująca zmiana strukturalna EWM – model ekstremalnej prędkości wiatru
występująca gdy materiał jest poddawany cyklicznym NWP – model normalnego profilu wiatru
obciążeniom EDC – ekstremalna zmiana kierunku wiatru
NTM – model normalnych turbulencji
EOG – ekstremalny podmuch operacyjny

9. EIC 61400-1 Przykłady wymogów projektowych
NTM – model normalnych turbulencji EWM – model ekstremalnej prędkości wiatru
około 400 symulacji, aby uwzględnić sytuacje 1.1-7.1

10. Przykłady obciążeń projektowych
• EIC 61400-3 określa następujące parametry:
•
Wiatr
•
Fale
o
Maksymalna wysokość fal
•
Kierunkowość wiatru i fal
o
Jednokierunkowe lub wielokierunkowe
•
Prądy morskie
•
Poziom wody
•
Lód
o
Obciążenia poziome wywierane przez unoszące się
kry lodowe

11. Jak wykonuje się te wszystkie
obliczenia?
Przy pomocy
programów BEM
Blade Element Momentum method
Metoda Glauerta
HAWC2
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

12. Przyjrzyjmy się niektórym
wynikom:
(a) Shaft-main-bearing tilt moment (b) Shaft-main-bearing side moment
20 20
Max
M [kNm]
M [kNm]
Mean
0 0 Min
x
y
Std
-20 -20
0 10 20 30 0 10 20 30
V [m/s] V [m/s]
w ind w ind
(c) Shaft-main-bearing torsional moment (d) Blade-root out-of-plane moment
10 20
M [kNm]
M [kNm]
0 0
z
x
-10 -20
0 10 20 30 0 10 20 30
V [m/s] V [m/s]
w ind w ind
(e) Blade-root in-plane moment (f) Blade-root torsional moment
10 0.2
[kNm]
[kNm]
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
0 0

13. Przetwarzanie wyników zawiera:
o
Ekstrapolację wydarzeń ekstremalnych
• 50-letni okres powtarzalności
• Wynikające obciążenie jest ok dwukrotnie większe
od maksimum 10-minutowej symulacji
o
Analizę zmęczenia materiału przez obciążenia cykliczne
• 20-letni okres użytkowania
Części turbiny wiatrowej najbardziej
podatne na uszkodzenia:
o
Dolny odcinek wieży
o
Wał przy głównym łożysku
o
Podstawa łopaty
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

14. O czym należy pamiętać kupując
turbinę wiatrową?
O wyborze
właściwej
turbiny
... ze zwzględu na
charakterystykę wiatru w danej
lokalizacji
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

15. Klasy turbin wiatrowych
Klasy turbin wiatrowych determinują, która turbina jest odpowiednia dla
normalnych warunków wiatrowych panujących w określonej lokalizacji
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

16. Rozmieszczenie turbin na farmie
wiatrowej
• Stosunkowo nowy temat badań
• Dotychczas najważniejszymi czynnikami były:
o
Estetyka
o
Produkcja energii
o
Wliczając straty energii wynikające ze
znajdowanie się w cieniu innych turbin
• Duńska farma morska Middelgrunden:
o
Blisko wybrzeży Kopenhagi
o
20 2MW turbin Bonus B80
o
76 m średnica wirnika
o
64 m wysokość turbiny
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

17. Rozmieszczenie turbin na farmie
wiatrowej
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

18. Rozmieszczenie turbin na farmie
wiatrowej
P.-E. Rethore et al: TOPFARM:
Multi-fidelity Optimization of
Wind Farms
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

19. Rozmieszczenie turbin na farmie
wiatrowej
• Włączanie większej ilości
czynników do procedury
optymalizacyjnej:
o
Koszt sieci energetycznej
o
Koszt fundamentów
o
Obciążenia robocze
• Optymalizacja jest procesem
wymagającym pod względem
obliczeniowym
• Dokłada się starań, aby była ona
przeprowadzana tak efektywnie
jak to możliwe
P.-E. Rethore et al: TOPFARM:
Multi-fidelity Optimization of
Wind Farms
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

20. Fundamenty – istotne czynniki
• Głębokość wody
o
Długość wolnostojącej kolumny
• Obciążenie falami
o
Większe obciążenie i moment gnący niż od samej
turbiny!
• Warunki podłoża
o
Nośność podłoża morskiego
• Częstotliwości obciążeń cyklicznych
o
Łączne obciążenie falami i samą turbiną
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

21. Fundamenty – głębokość wody
NREL
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

22. Fundamenty – różne rodzaje
• Monopal
o
Stalowa rura o średnicy 4-8 m
o
Umiejscowiona w podłożu morskim przy
pomocy młota hydraulicznego
o
Stoi w pozycji pionowej dzięki tarciu
dna morskiego i jej ścian
o
Odpowiednia dla twardych i
półtwardych warunków podłoża
o
Głębokość wody do 25 m
http://offshorewind.net
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

23. Fundamenty – różne rodzaje
• Fundament grawitacyjny
o
Ciężka struktura
o
Zazwyczaj betonowy
o
Osadzony na dnie morskim
o
Średnica podstawy 15-25 m
o
Podłoże półtwarde do twardego
o
Płytkie wody
o
Wypełniony kamieniami lub innym
balastem
o
Waga: 1500 - 4500 ton
o
Podłoże musi być przygotowane przez
bagrowanie i materiał wypełniający http://offshorewind.net
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

24. Fundamenty – różne rodzaje
• Trójnóg
o
Pojedyncza stalowa rura nad
poziomem wody
o
Pod wodą– trójnożny fundament
o
Każdy pal zakończony jest tuleją
o
Z każdej tulei poprowadzony jest w
podłoże pal kotwiczący
o
Duża stabilność
o
Wiarygodny w głębokościach
sięgających 50 m
o
Drogi w produkcji i czasochłonny w
montażu
http://offshorewind.net
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

25. Fundamenty – różne rodzaje
• Fundament kratownicowy
o
Struktura kratownicy
o
Lekkie
o
Odpowiednie dla dużych głębokości
o
Tuleje palii i pale kotwiczące
o
Kosztowo porównywalne z trójnogami
o
Kosztowna ochrona przeciwlodowa
Deepwater Wind
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

26. Fundamenty – zdjęcia
Photo: Aarsleff Bilfinger Berger Joint Venture
A2SEA
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark BIS

27. Fundamenty – zdjęcia
Kurt Thomsen: “Offshore Wind: A Comprehensive Guide to Successful Offshore Wind Farm Installation ”
OWEC
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

28. Offshore jutra– HAWE?
• High-altitude wind-energy
• Szybujące uwiązane obiekty wykorzystujące energię
mechaniczną systemu mocowania
• Kajty, szybowce i inne prototypy
• 200 m do 20 km wysokości
• Głębokość wody do 700 m
• 22 firmy rozwija systemy tego typu na świecie
• GL Garrad Hassan określa zasoby jako „bardzo
obiecujące”
• Nie ma jeszcze komercyjnej farmy wiatrowej typu
HAWE
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

29. Offshore jutra– HAWE?
SkySails
SkySails
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

30. Offshore jutra– HAWE?
Makanipower
Makanipower
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

31. Offshore jutra– HAWE?
Makanipower
http://www.makanipower
.com/category/flights/
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

32. Źródła:
• Kurt Thomsen: “Offshore Wind: A Comprehensive Guide to
Successful Offshore Wind Farm Installation”
• John Twidell, Gaetano Gaudiosi: “Offshore Wind Power”
• Martin O. L. Hansen: “Aerodynamics of Wind Turbines”
• http://offshorewind.net
• http://www.bluehgroup.com
• http://recharge.com
• http://www.makanipower.com
• http://wikipedia.org
Deepwater Wind
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark

33. Dziękuję za uwagę.
DTU Wind Energy, Technical University of Denmark