I dagsläget finns det en mängd olika storlekar på vindkraftverk, allt från små landbaserade vindkraftverk på några hundra kilowatt till havsbaserade kraftverk på upp till 14 MW. Bland de största vindkraftverken ute till havs, är direktdrivna vindkraftverk dominerande på grund av en högre driftssäkerhet och livslängd på komponenterna. En stor nackdel med dessa direktdrivna vindkraftverk är att för att få ut en hög effekt ur en relativt låg rotationshastighet, behöver generatorerna vara väldigt stora och blir då väldigt tunga. Syftet med det här arbetet var att titta närmare på vilka fördelar som potentiellt finns med att halvera vikten på nacellen som innehåller drivlinan och generatorn. De delarna som utreds i den här rapporten är viktens inverkan på vindkraftverkets torn och fundament men även kostnader för att transportera och montera vindkraftverk. Då allting som rör vindkraftverk är väldigt komplext, har en hel del förenklingar fått göras. För det första förenklades vindkraftverks torn till en fast inspänd balk med en punktmassa på toppen, vilket motsvarar massan för nacellen, hubben och bladen. När det kommer till transporter och montering har det inte gått att få fram exakt vad det kostar att transportera och montera en nacell, men utifrån en del data kunde uppskattningar göras för att skapa en bild av vad kostnaderna låg på och vilka kostnadsfördelar som skulle kunna finnas av att minska vikten.För att få bra data på olika vindkraftverk användes data för olika referenskraftverk som finns tillgängliga för forskningssyfte. De som användes var NREL 5 MW, LW 8 MW, DTU 10 MW och IAE 15 MW. Efter beräkningar på dessa vindkraftverk kan det konstateras att en minskning av krafterna som verkar på fundamenten är den stora fördelen men en halverad vikt på nacellen. I de beräkningar som gjordes låg minskningarna på mellan 13 – 17%. När det kommer till viktens inverkan på tornet är det svårare att dra några klara slutsatser. Enligt beräkningarna minskade de maximala tryckspänningarna med ungefär 1.5 – 2.5%, medan dragspänningarna istället ökade med 0.6 – 2.1 %. Tryckspänningarna i tornet var de största och därav minskar de största spänningarna i tornet, men då till exempel vissa vindkraftverks torn är gjorda i betong, som är sämre på att ta upp dragspänningar, kan ökande dragspänningar vara något som vill undvikas. När beräkningar gjordes för egenfrekvenserna på tornet visade de att egenfrekvensen ökar med ungefär 20 % vid en halverad vikt, vilket både kan vara en fördel och en nackdel. När det kommer till kostnader för transporter och montering är det svårt att ge en exakt siffra eller procentsats över hur mycket billigare det blir. Det kan vara allt från några tiotusentals kronor per nacell i vissa delar, upp till miljontals kronor för ett helt projekt i andra delar. / Today there is a large amount of different wind turbines, from small onshore turbines with an effect of only a few kilowatts to huge offshore turbines with an effect of 14 MW. The largest offshore turbines are dominated by turbines with a direct drive drivetrain due to a higher operational reliability and longer life span of the components. A major disadvantage of these direct-drive wind turbines is that in order to have a high power output from a relatively low rotational speed, the generators become very large and heavy.For this project, the purpose is to analyze the potential benefits of lowering the weight of the nacelle, which contains the drivetrain and the generator. The parts discussed in this report are the nacelle’s weight’s impact on the wind turbine’s tower and its foundation and the costs for transporting and assembling wind turbines. Since everything that concerns wind turbines is very complex, a lot of simplifications had to be made. First of all, the wind turbine’s tower was simplified as a cantilever beam with a mass at the top corresponding to the mass of the nacelle, hub and blades. When it comes to transportations and installations, it has not been possible to find out the exact costs to transport and install a nacelle, but based on some data, estimations could be made of what the costs are and what benefits there could be of reducing the weight. To get reliable data on different wind turbines, reference turbines were used. These are turbines used for research and almost all information is accessible online. The reference turbines that were used were the NREL 5 MW, the LW 8 MW, the DTU 10 MW and the IAE 15 MW. After calculations on these wind turbines, it became clear that the forces affecting the foundations are the biggest advantages (regarding forces) with a reduced weight on the nacelle. In the calculations that were made, the forces were reduced by between 13 - 17% if the nacelle weighs 50% less. When it came to the impact of weight of the nacelle had on the tower, it was more difficult to come to any clear conclusions. The calculations shows that the maximum compressive stresses decreased by approximately 1.5 – 2.5% while the tensile stresses increased by 0.6 – 2.1 %. The compressive stresses in the tower were the largest and hence, the largest forces on the tower decrease. But since some wind turbines are made of concrete, which isn’t as good on taking tensile forces, therefor increasing tensile stresses may be undesirable. When analyzing the natural frequencies of the different towers, calculations showed that the natural frequency were raised by approximately 20%.When it comes to costs of transportations and installations, it is difficult to give an exact figure or percentage of how much cheaper it will be. It could range from a couple of thousand US dollars per nacell in some instances, up to a several hundred thousand US dollar for an entire project in other instances.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-298840 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Rosén, Johan |
| Publisher | KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2021:359 |
Page generated in 0.0031 seconds