VÄRLDENS SKILLNAD Svenskt VindkraftsTekniskt Centrum Svensk VindkraftsTekniskt Centrum har bildats för att stödja svensk industri med kunskap inom vindkraftens konstruktionsfrågor och för att utbilda ingenjörer inom ämnet. Fokus ligger först och främst på att utveckla vindkraftverkens konstruktion för att minimera kostnaderna för tillverkning och underhåll av vindkraftverk. Målet med verksamheten är att möjliggöra utveckling och produktion av delsystem och kompletta vindkraftverk i Sverige. Mål Bygga upp komponent- och systemkunskap kring hela vindkraftverket för att möjliggöra: • Ledande utveckling och tillverkning av kompletta vindkraftverk i Sverige • • • • • • • • • • Ledande svensk utveckling och tillverkning av delsystem: mekaniska drivlina växellåda axlar bladvinkelmekanismer turbinblad torn nav generatorer transformatorer • Sprida kunskapen genom undervisning och kurser Samarbetspartners Temagrupper Ola Carlson Lars Davidsson Viktor Berbyuk Thomas Abrahamsson Lina Bertling Tjernberg Jan-Olof Aidanpää Ekonomisk översikt Industri Energimyndigheten Akademiska parter Den undre delen av cirkeln är minimal kontant finansiering, dvs. hela beloppet från Energimyndigheten och 25% av insatsen från industri och universitet vardera. Övrig del kan vara naturainsats, dvs. insatt arbete eller material. Personal • Vid universitet: 11 seniora forskare 7 doktorander 2 tekniker • Vid industrin: 26 personer • Övriga: 5 personer • Totalt: 51 personer verksamma inom SWPTC Pågående projekt inom SWPTC TG1-4 Grid code testning TG1-1 Reglering av turbiner TG1-6 LIDAR mätsystem för optimering TG2-2 Vindkraft i skog TG5-1 Underhållstyrning av verk TG5-2 Lagerströmmar TG1-5 Mätning på verk TG1-2 Modellering av elektrisk drivlina TG2-1 Modellering av rotorblad TG4-1 Modellering av verk TG4-2 Optimering av blad TG6-2 Avisningsmetoder för blad TG3-1 Modellering av mekanisk drivlina TG6-1 Sensorer för detektion av ispåväxt VÄRLDENS SKILLNAD Varför ett vindkrafttekniskt centrum? • I Sverige finns det stor kunskap inom vindkraftsteknik, bland underleverantörer, ABB och SKF är världsledande leverantörer på generatorer respektive lager • Jämfört med Danmark och Tyskland är den svenska vindkraftsindustrin mycket liten • Tillväxtpotentialen är enorm globalt inom området. EWEA (European Wind Energy Association) spår en tillväxt på antalet anställda inom sektorn från 154 000 år 2007 till 377 000 år 2030. Danmark, Tyskland och Spanien står idag för 75 % av arbetstillfällena. I Sverige sysselsätts idag ca 2500 direkt med vindkraftsarbeten. • Stor kunskap inom utveckling och produktion av komplexa sammansatta mekaniska och elektriska system i Sverige från bla. fordonsindustrin Organisation Representanter i temagrupperna Temagrupp 1 Elkraft- och styrsystem Chalmers ABB Göteborg Energi GE WindVector Temagrupp 2 Turbin och vindlast Chalmers GE Marström DIAB Temagrupp 3 Temagrupp 4 Temagrupp 5 Mek. kraftöverföring & systemoptimering Bärande struktur och fundament Underhåll och tillförlitlighet Chalmers SKF GE ABB Semcon Chalmers GE DIAB Marström Chalmers ABB Göteborg Energi GE Triventus Service SKF Semcon Temagrupp 6 Kallt klimat Chalmers LTU Swerea DNV DIAB Styrelsemedlemmar 1 • Matthias Rapp Styrelseordförande, SWPTC • Christer Ovrén • Alf-Erik Almstedt • Lina Bertling ABB • • • • • • • • • • Lennart Thålin DIAB Johan Sandberg DNV Andreas Gustafsson Energimyndigheten Hartmut Scholte-Wassink GE Katarina Gögelein Göteborg Energi Jan-Olof Aidanpää Luleå tekniska universitet Håkan Mann Marström Composite Mikael Eklund Semcon Pär Malmberg SKF Lars Liljenfeldt Swerea Chalmers, Strömningslära Chalmers, Elteknik Styrelsemedlemmar 2 • Johan Hagelin Triventus Service • Lars Mattila • Stellan Wickström • Birgitta Losman Vindmark Technologies WindVector Västra Götalandsregionen, adjungerad Pågående projekt inom SWPTC 1 • Stokastisk modellpredektiv reglering av vindturbiner • Modeller för elektrisk drivlina för vindkraftverk • Grid Code testning med VSC-HVDC • Mätning av vindkraftverk för verifiering av komponentdesign • Rekonfigurerbart LIDAR mätsystem för stöd till systemoptimering av optimering av vindkraftverk • Aerodynamiska laster på rotorblad • Vindkraft i skog: utmattning och livslängd • Vind turbin drivlina dynamik, system simulering och accelererad provning Pågående projekt inom SWPTC 2 • Validering av strukturdynamiska modeller av vindkraftverk • Utvärdering av tillverkningsmetoder och materialval för kostnadsoptimala rotorblad • Last- och riskbaserad underhållsstyrning för vindkraftverk • Strömskador i lager • Sensorer för detektion av ispåväxt på vindkraftsverks rotorblad • Effektivitet och påverkan av avisningsutrusning på blad till vindkraftverk Stokastisk modellprediktiv reglering av vindturbiner En ny stokastisk modellprediktiv reglerstrategi för vindturbiner ska utvecklas i detta projekt. Reglerstrategin bygger på mätning av vindhastighet i lovart samt lastmätningar. Det primära målet är att minska turbinbelastningarna vid höga vindhastigheter; dessutom har en mer exakt reglering nära begränsningarna ytterligare potential att förbättra turbineffektivitet vid höga vindhastigheter. Andra viktiga frågor i projektet rör sensorplacering, algoritmer för signalbehandling och möjligheterna att skatta turbinbelastningar med dynamiska modeller och befintliga sensorer. Modeller för elektrisk drivlina för vindkraftverk Målet med projektet är att utveckla goda och anpassade modeller av den elektriska drivlinan som kan integreras med det mekaniska systemet i vindkraftverket. I de senare stegen av projektet är målet att optimera det elektriska och det mekaniska systemet. Modellerna som tas fram i projektet kommer att användas för att diagnostisera potentiella fel i turbinen, vilket kräver tillförlitliga modeller och därför är validering av modellerna en viktig del av projektet. Grid Code testning med VSC-HVDC General Electric konstruerar och installerar Göteborg energi kör vindkraftverk och installerar HVDC-anläggning Chalmersprojektet utvecklar metoder, simulerar och provar att vindkraftverket uppfyller Grid Codes. HVDC = High Voltage Direct Current 4 MW General Electric 8 MW HVDC-light anläggning Utvärdering av LIDAR som vindsensor för vindkraftverk LIDAR (Light detection and ranging) är en av de mest lovande teknologierna för fjärranalys av vind. Att med hjälp av LIDAR löpande ge vindkraftverk information om vindens hastighet och riktning med 10 – 20 sekunders framförhållning öppnar nya möjligheter till bl a • ökad effektivitet • minskat slitage • mer kostnadseffektiva konstruktioner Med hjälp av ett rekonfigurerbart LIDAR system undersöker detta projekt vilka möjligheter och begränsningar LIDAR teknologi innebär för optimering av drift och konstruktion av vindkraftverk. Aerodynamiska laster på rotorblad Projektet kommer att utveckla beräkningsmetoder för beräkning av transienta aerodynamiska laster på vindkraftverkets rotorblad. Idag används vanligen ”the Blade Element Model (BEM)” vilken är en kombination av bladelementmomentmetoden och bladelementmetoden. BEM är inte lämplig för beräkning av transienta aerodynamiska laster. Målet med projektet är att implementera och utvärdera andra metoder som kan hantera transienta laster. Ett första steg är att byta ut bladelementmomentmetoden mot vortexmetoden. Olika versioner av denna metod kommer att implementeras, utvärderas och om det behövs utvecklas. Nästa steg är att ersätta bladelementmetoden med CFD (Computational Fluid Dynamics). Vindkraft i skog: utmattning och livslängd I skog är turbulensen hög och vindgradienten stor jämfört med förhållanden på slättland. Den kraftiga turbulensen och starka vindgradienten ger upphov till stora fluktuerande krafter och moment på vindkraftverket. Detta leder till utmattningsskador, mer underhåll och kortare livslängd. LES (Large Eddy Simulations) kommer att användas för att beräkna de turbulenta fluktuationerna som kommer in mot ett vindkraftverk. Dessa ska användas för att beräkna fluktuerande laster på rotorblad, lager, växellåda och torn. Vind turbin drivlina dynamik, system simulering och accelererad provning För att underlätta design och produktion av effektiva och pålitliga drivlinor kommer projektet att utveckla metoder, matematiska modeller samt beräkningsverktyg för avancerad analys av drivlinans dynamik och lasttransmission i multimegawattturbiner. Projektet förväntas ge ny grundläggande kunskap om dynamiken i vindkraftverkets drivlina. Kunskapen kan användas för att få inblick i flera viktiga områden som relaterar till modellering, analys och design av pålitliga drivlinor, till exempel hur olika undersystem interagerar och vilken detaljnivå som krävs för att få tillräcklig noggrannhet i beräkningarna. Mätningar kommer att utföras för att validera modellen samt uppdatera simuleringsresultat. Beräkningsmodeller kommer att utvecklas för att tillämpas i accelererad provning av vindkraftverkets drivlinor och deras komponenter. I projektet kommer även ett integrerat systemsimuleringsverktyg att utvecklas för att kunna designa robusta och kostnadseffektiva multimegawatturbiner. Arbetet kommer resultera i ett gränssnitt som kontrollerar hur data kommuniceras mellan verkets olika undersystem i systemmodellen. Validering av strukturdynamiska modeller av vindkraftverk I det här projektet studeras validering av strukturdynamiska modeller av vindkraftverk. Detta görs för att ge fördjupad insikt i vindkraftverkets beteende under dynamiska laster, speciellt blad-egenskaperna som medvetet konstrueras för lastreduktion i vindbyar. Två olika modeller skall skapas, en detaljerad modell samt en förenklad modell. Den detaljerade modellen är helt baserad på fysikaliska principer. Från denna skall en förenklad modell tas fram genom modellreduktion. Den förenklade modellens användningsområde blir inom systemsimulering och optimering som kräver beräkningssnabbhet. Den detaljerade modellen skall valideras mot fysiska prov. Den förenklade modellen skall valideras gentemot den detaljerade. Projektet har tre huvudsyften. Det första är fokusering på att testdata skall göras maximalt informativ med avseende på de fysiska egenskaper som ska valideras. Det andra är modellkalibrering, där den sättning av modellparametrar söks som ger minst avvikelse från test. Det tredje syftet är att ge en sammanfattning av erhållna lärdomar som anvisning till framtida strukturdynamisk modellering av vindkraftverk. Utvärdering av tillverkningsmetoder och materialval för kostnadsoptimala rotorblad I det här projektet studeras möjligheten att realisera vindkraftsblad tillverkade i kolfiberkomposit med avancerade kärnmaterial. Tillverkning av kolfiberbaserade blad med autoklavteknik har potential att ge betydande viktreducering och utmattningshållfasthet hos vindkraftsbladen. Projektet kommer att studera aspekter på marknadsintroduktion av komponenter, speciellt blad, för vindkraftverk. Turbintillverkarna kräver omfattande analys av ny teknik i komponenter för att ersätta befintlig teknik. För att kunna göra en livscykelanalys av vindkraftverket och för att förstå effekten av minskad bladvikt behövs en systemanalys av vindkraftverket utföras. Vidare måste metoder för systemoptimering utvecklas för att kunna utvärdera för/nackdelar med nya bladmaterial. Optimeringsprocessen skall speciellt inriktas på att ge starkt konstruktionsstöd. Genom analys och optimering skall kostnad och nytta av olika komponenttekniker kunna värderas mot varann. Last -och riskbaserad underhållsstyrning av vindturbiner Målet är att leda till reducera livstidskostnader för underhåll för vindturbiner och att ge ökat värde genom högre teknisk tillgänglighet. I nom projektet utvecklas tillförlitlighetsbaserade kvantitativa metoder för underhållsstyrning av vindturbiner. Fokus i projektet ligger i att studera hur service intervall för underhåll är relaterade till felinträffande för vindturbiner M a in t e n a n c e U n d e r h å ll P r e v e n t iv e C o r r e c t iv e M a in t e n a n c e M a in t e n a n c e F ö reb yg g an d e A v h jä lp a n d e U n d e r h å ll U n d e r h å ll C o n d it io n b a s e d P r e d e t e r m in e d M a in t e n a n c e M a in t e n a n c e T ills t å n d s b a s e r a t F ö ru tb e stä m t U n d e r h å ll U n d e r h å ll Svensk Standard SS-EN 13306 Strömskador i lager - mekanismer för uppladdning, urladdning samt skadebegränsning Öka förståelsen av strömskador i lager genom karakterisering och modellering av • Uppladdningsmekanism • Axelspänning • Urladdningsväg • Sammanbrottsmekanism • Skadekarakterisering Strömskador på kula Oskadat Elektriska urladdningar i lager 30 V genom • Laboratorieexperiment • Modellering • Fältmätningar • Studier av skadade lager Sensorer för detektion av ispåväxt på vindkraftsverks rotorblad Isbildning på rotorbladen är ett problem vid drift av vindkraftverk i kallt klimat. Isen skapar obalanser i turbinen och orsakar förlorad uteffekt när turbinhastigheten minskar eller när verket stängs av. Minskningen av den genomsnittliga årsproduktionen beräknas bli i storleksordningen 10-15% från turbiner som körs i kallt klimat. Det huvudsakliga målet med forskningen är att utvärdera sensorer för isdetektering. Sensorn bör vara enkel, effektiv och billig samt ge en noggrann detektering av is. Projektet kommer att fokusera på att upptäcka is på rotorbladen. Projektet mål är: • Definiera krav och specifikationer för att utveckla sensorer och isdetekteringssystem för vindkraftverk i kallt klimat. • Utvärdera om magnetostriktiva ställdon/sensor, LIDAR och lasersensorer är effektiva sätt att upptäcka isbildning på turbinbladen.