2 Wind turbine technology and desig

2 Wind turbine technology and design concepts 3
2.1 Wind power from a historical point of view . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 General description and layout of a wind turbine . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Blades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.2 Number of blades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.3 Airfoil design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.4 Lightning protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.5 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.1 Tubular steel towers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
v
2.4.2 Lattice towers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.3 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Hub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5.1 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 Nacelle and bedplate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6.1 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.7 Braking system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7.1 Aerodynamic brakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7.2 Mechanical brakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7.3 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.8 Yaw mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.8.1 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.9 Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.1 Constant speed generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.1.1 Two generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.1.2 Pole changing generators . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.2 Variable speed generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.2.1 Variable slip generators . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.9.2.2 Indirect grid connection . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.9.2.3 Direct drive system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.9.3 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.10 Power control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.10.1 Pitch controlled wind turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.10.2 Stall controlled wind turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.10.3 Active stall controlled wind turbines . . . . . . . . . . . . . . 16
2.10.4 Other control mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.10.5 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.11 Gearbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.11.1 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
vi
3 Wind turbine design calculations 19
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Present wind turbine design codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 Wind field representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Rotor aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.1 Blade element theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 Loads and structural stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5.1 Uniform and steady flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5.2 Nonuniform and unsteady flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.3 Tower interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.4 Gravitational, centrifugal and gyroscopic forces . . . . . . . . 28
4 Finite element modelling of wind turbines 31
4.1 General feature requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Element considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3 Component modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.1 Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.2 Blades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.3 Drive train and bedplate modelling . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.4 Pitching system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.5 Yaw system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.6 Foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 Solution methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4.1 Damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4.2 Numerical methods and tolerances . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.5 Program structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.1 Structural modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.2 Aerodynamic modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5.3 Wind modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5.4 Calculation scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
vii
4.5.4.1 Derivation of transformation matrices . . . . . . . . 48
4.5.4.2 Information needed through input files . . . . . . . . 48
5 Numerical examples 51
5.1 Alsvik turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1 Example of blade failure simulation . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.1.1 Results of blade failure simulation . . . . . . . . . . 53
5.1.1.2 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2 Tjæreborg turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.1 Visualisation and description of an emergency stop of the
Tjæreborg turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.2 Simulation of emergency brake situations based on a modified
Tjæreborg turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 Comments on simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6 Conclusions and future work 69
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2 Future research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Kết quả (Việt) 1:

2 gió tuabin công nghệ và thiết kế khái niệm 32.1 gió năng lượng từ một quan điểm lịch sử............... 32.2 mô tả chung và cách bố trí của một tuốc bin gió............ 42.3 Blades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3.2 số lưỡi......................... 62.3.3 kiểu cánh thiết kế........................... 72.3.4 bật sét...................... . 72.3.5 bật cấu trúc mô hình...................... . 72.4 Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4.1 hình ống thép tháp...................... . 8v2.4.2 lưới tháp........................... 82.4.3 cấu trúc mô hình...................... . 82.5 Hub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5.1 cấu trúc mô hình...................... . 92.6 vỏ và bedplate........................... 92.6.1 cấu trúc mô hình...................... . 92.7 Braking system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7.1 khí động học phanh...................... . 102.7.2 cơ khí hệ thống phanh ô........................ 102.7.3 cấu trúc mô hình...................... . 112.8 Yaw mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.8.1 cấu trúc mô hình...................... . 112.9 Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.9.1 máy phát điện vận tốc không đổi........ 122.9.1.1 hai máy phát điện..................... 122.9.1.2 cực thay đổi máy phát điện............... . 122.9.2 máy phát điện biến tốc độ........ 122.9.2.1 máy phát điện biến trượt............... . 132.9.2.2 gián tiếp lưới kết nối............... . 132.9.2.3 trực tiếp hệ thống lái xe................... 132.9.3 cấu trúc mô hình...................... . 142.10 Power control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.10.1 pitch kiểm soát tua bin gió Hider 152.10.2 gian hàng kiểm soát tua bin gió Hider 152.10.3 hoạt động gian hàng kiểm soát tua bin gió.............. 162.10.4 các cơ chế kiểm soát khác........ 162.10.5 cấu trúc mô hình...................... . 162.11 Gearbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.11.1 cấu trúc mô hình...................... . 17vi3 gió tuabin thiết kế tính toán 193.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2 trình bày gió tuabin thiết kế Mã........ 193.3 gió trường đại diện......................... 213.4 khí động học cánh quạt............................ 223.4.1 blade yếu tố lý thuyết...................... . 223,5 tải và căng thẳng cấu trúc...................... . 253.5.1 thống nhất và ổn định dòng chảy..................... 263.5.2 nonuniform và dòng chảy Hider 283.5.3 sự can thiệp tháp........................ 283.5.4 lực lượng hấp dẫn, ly tâm và gyroscopic....... 284 phần tử hữu hạn mô hình của tua bin gió 314.1 tổng quát tính năng yêu cầu...................... . 314.2 yếu tố xem xét.......................... 324.3 thành phần, mô hình.......................... 334.3.1 Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.2 Blades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.3 chuỗi lái và bedplate mô hình............... 344.3.4 bày hệ thống.......................... 364.3.5 Yaw system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.3.6 Foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.4 giải pháp phương pháp............................. 384.4.1 Damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.4.2 phương pháp tính và dung sai............... 394,5 chương trình cấu trúc............................ 414.5.1 cấu trúc mô hình...................... . 414.5.2 khí động học mô hình..................... 424.5.3 gió mô hình.......................... 444.5.4 tính toán đề án........................ 47VII4.5.4.1 lấy đạo hàm của biến đổi ma trận....... 484.5.4.2 thông tin cần thiết thông qua bức ảnh đầu vào....... 485 ví dụ số 515.1 Alsvik turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.1.1 ví dụ của lưỡi thất bại mô phỏng............... 535.1.1.1 kết quả của lưỡi thất bại mô phỏng.......... 535.1.1.2 kết luận...................... . 565.2 Tjæreborg tua bin............................ 565.2.1 trực quan và các mô tả của một dừng khẩn cấp của cácTjæreborg tua bin........................ 575.2.2 mô phỏng tình huống phanh khẩn cấp dựa trên một lầnTjæreborg tua bin........................ 645.2.2.1 giới thiệu...................... 645.2.2.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.2.2.3 kết luận...................... . 675.3 ý kiến về mô phỏng........................ 686 kết luận và làm việc trong tương lai 696.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.2 trong tương lai nghiên cứu............................. . 70

Kết quả (Việt) 2:

Công nghệ tua bin gió và 2 khái niệm thiết kế 3
điện 2.1 Gió từ một điểm của lịch sử. . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Mô tả chung và cách bố trí của một tuabin gió. . . . . . . . . . . . 4
2.3 Blades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.1 Vật liệu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.2 Số lưỡi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.3 cánh máy bay thiết kế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.4 chống sét. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.5 mô hình cấu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Tower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.1 tháp thép hình ống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
v
2.4.2 tháp lưới. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.3 mô hình cấu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Hub. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5.1 mô hình cấu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 vỏ bọc động cơ và bedplate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6.1 mô hình cấu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
hệ thống phanh 2.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7.1 phanh khí động học. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7.2 Cơ phanh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7.3 Kết cấu mô hình. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.8 Cơ chế Yaw. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.8.1 Kết cấu mô hình. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.9 Generator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.1 máy phát tốc độ không đổi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.1.1 Hai máy phát điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.1.2 Cực thay đổi máy phát điện. . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.2 máy phát tốc độ biến. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.2.1 phát phiếu biến. . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.9.2.2 kết nối lưới gián tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.9.2.3 Hệ thống lái Direct. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.9.3 Kết cấu mô hình. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.10 Power kiểm soát. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.10.1 Pitch kiểm soát tuabin gió. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.10.2 Stall điều khiển tuabin gió. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.10.3 hoạt gian hàng kiểm soát các tuabin gió. . . . . . . . . . . . . . 16
2.10.4 cơ chế kiểm soát khác. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.10.5 mô hình cấu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.11 Hộp số. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.11.1 mô hình cấu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
vi
3 tuabin gió tính toán thiết kế 19
3.1 Giới thiệu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Present mã thiết kế tuabin gió. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
đại diện trường 3.3 Wind. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Rotor khí động học. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.1 Blade lý thuyết phần tử. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 Tải trọng và ứng suất cơ cấu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5.1 Uniform và dòng chảy ổn định. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5.2 không đều và không ổn định dòng chảy. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.3 Tháp can thiệp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.4 hấp dẫn, lực ly tâm và hồi chuyển. . . . . . . . 28
4 mô hình phần tử hữu hạn của tua bin gió 31
4.1 Yêu cầu tính năng chung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Yếu tố cân nhắc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3 Hợp phần mô hình hóa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.1 Tower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.2 Blades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.3 tàu Drive và mô hình bedplate. . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.4 Hệ thống Pitching. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.5 Hệ thống Yaw. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.6 Foundation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 Phương pháp Solution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4.1 Damping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4.2 Phương pháp số và dung sai. . . . . . . . . . . . . . . 39
cấu trúc 4.5 Chương trình. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.1 Kết cấu mô hình. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.2 mô hình khí động học. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5.3 mô hình Wind. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5.4 Tính toán đề án. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
vii
4.5.4.1 thức chiết khấu của các ma trận chuyển đổi. . . . . . . . 48
4.5.4.2 Thông tin cần thiết thông qua các tập tin đầu vào. . . . . . . . 48
5 ví dụ bằng số 51
5.1 Alsvik tuabin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1 Ví dụ về mô phỏng suy lưỡi. . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.1.1 Kết quả mô phỏng suy lưỡi. . . . . . . . . . 53
5.1.1.2 Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2 Tjæreborg tuabin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.1 Visualization và mô tả của một dừng khẩn cấp của
tuabin Tjæreborg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.2 Mô phỏng các tình huống phanh khẩn cấp dựa trên một biến đổi
tuabin Tjæreborg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2.1 Giới thiệu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2.2 Kết quả. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2.3 Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 Nhận xét ​​về mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6 Kết luận và tương lai công việc 69
6.1 Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2 Nghiên cứu tương lai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70