marknads- och teknikperspektiv
11 Konstruktion av vindkraftverk
11.1 Resultat från Vindforskprogrammet
Inom Vindforskprogrammet anslogs under perioden 2006/08 5,3 Mkr eller 15 procent av medlen till projekt inom området.
Optimering och styrning av vindkraftstation
V-123 Design tool optimization of wind farm topology and operation – Topfarm
Projektledare: Ingemar Carlén, Teknikgruppen AB
Detta EU-projekt delfinansieras av Elforsk och drivs av nio europeiska forskningsinstitutioner och företag vilka under två år ska utveckla metoder och beräkningsverktyg för att öka produktionen i grupper av vindkraftverk och samtidigt minska utmattningslasterna på vitala komponenter. Den svenska delen ska resultera i en ny generation mjukvara för att simulera turbulens inom vindkraftstationer samt reglerrutiner för generatorer, girdrifter och bladvinkelreglering.
Metod för skarvning av stålskaltorn V-223 Höghållfasta ståltorn
Projektledare: Milan Veljkovic, Byggkonstruktion, Luleå Tekniska Universitet Den konventionella metoden för att foga samman tornsektioner till vindkraftverk är med skruvförband mellan flänsar, vilka svetsats till sektionernas bägge ändar. Denna metod medför stora kostnader dels därför att flänsarna är dyra att tillverka, dels därför att areaförändringar och svetsar innebär extra anvisningar för utmattning, vilket leder till att man måste använda tjockare tornplåt än som annars skulle varit nödvändigt.
Sammanfogning av tornsektionerna med överlappande skruvförband är en mer optimal lösning, men har fått begränsad tillämpning därför att det är svårt att komma åt tornet från utsidan under montaget. Den föreslagna metoden innebär att tungor skärs upp på i den nedre/inre tornsektionen och att övre/yttre tornsektionen alltså kan sättas på plats trots förmonterade
ELFORSK
84
Figur 6. Principiellt utförande av tornskarv enligt Veljkovic.151
Skruvar, se Fig. 6. Inom projektet, som bedrivs i EU-samarbete och slutförs under 2008, utmattningsprovas sådana skarvar. I projektet ingår även certifieringsorganet Germanischer Lloyd, vilket ska klargöra möjligheterna att praktiskt använda skarvmetoden.
Beräkning av vakar med CFD-modell V-219 Numeriska beräkningar vakar Projektledare: Dan Henningson, KTH
Projektet ingår i ett doktorandarbete och syftar till att genom numeriska beräkningar i en CFD-modell (computational fluid dynamics) uppnå en beskrivning av vaken och dess successiva utfyllnad. Modellen ska kunna behandla upp till nio vindturbiner samtidigt. Arbetet har hittills resulterat i ett antal delrapporter152 153 och beräknas bli klart under året. Se även meteorologi-avsnittet där forskningsläget för bl a vakar beskrivs.
Deltagande i internationellt standardiseringsarbete V-103 Standardisering
Projektledare: Jan Blix, Vattenfall AB
Den tekniska kommittén TK88 arbetar med standarder inom vindkraftsområdet i samarbete med motsvarande internationella organ IEC och Cenelec. IEC har givit ut ett antal standarder i serien 614 00.
151 Milan Veljkovic. Höghållfasta torn. Presentation vid Vindforsk-konferens, Stockholm, 2008-05-15.
152 Stefan Ivanell et al. Stability analysis of the tip vortices of a wind turbine. American Institute of Aeronautics and Astronautics.
153 Stefan Ivanell et al. Three dimensional actuator disc modelling of wind farm wake interaction.
ELFORSK
85
En arbetsgrupp ägnar sig åt säkerhetsfrågor avseende främst dimensionering.
Under en vindturbins livslängd utsätts strukturen för ett stort antal belastningsväxlingar. För att uppnå en säker drift krävs en god beskrivning av vinden och lasterna. Ett tillägg till grunddokumentet och en genomarbetad version av ett dokument för vindkraftverk till havs väntas bli publicerade till årsskiftet 2008/09.
Möjligheten att uppföra vindkraftverk nära bebyggelse begränsas av kraven på låga ljudnivåer. Akustikstandarden reglerar hur man ska mäta och tolka resultat från mätningar av ljud från vindkraftverk. IEC-arbetsgruppen räknar med att publicera en ny version av dokumentet i slutet på år 2008.
Flera grupper arbetar med standarder för att mäta prestanda (uteffekt som funktion av vinden) både för enskilda turbiner och för grupper av turbiner.
Här föreskrivs vilka metoder som är användbara och hur mätdata ska behandlas.
Standarden rörande elkvalitetsfrågor blir allt viktigare i och med att mängden vindkraft i elnätet ökar. Vindkraftverk ansluts ofta långt ut i elnätet, där ledningarna är klent dimensionerade, vilket ställer speciella krav. Under året har en revidering av standarden färdigställts. En viktig fråga i den nya standarden har varit att specificera kraven för att både enskilda vindkraftverk och grupper ska kunna klara av korta störningar på nätet utan att kopplas bort (fault ride-through).
Huvuddelen av en kommunikationsstandard för övervakning och styrning av vindkraftverk färdigställs under 2008. Det internationella arbetet under fem år har letts av Anders Johnsson, Vattenfall Research & Development AB.
Standarden ska underlätta kommunikation med turbiner av olika fabrikat och typer. Detta är framför allt av värde för större vindkraftsägare. Publicering av av den återstående condition monitoring–delen sker 2009.
En ny arbetsgrupp behandlar definitionen av begreppet ”availability”, tillgänglighet. Arbetet ska vara färdigt i november 2010.
11.2 Omvärldsanalys
Omfattningen av forskning och utveckling inom vindkraftsområdet i världen är idag mycket stor. En ökande del av verksamheten sker hos de tillverkande företagen, utan offentlig publicering av resultaten. Detta gäller även en stor del av EU-projekten. Tidigare har Sverige haft en heltäckande forskning inom vindkraftsområdet, men i takt med att försöken att etablera tillverkning av vindkraftverk tynat bort har denna alltmer försvunnit. Fortfarande är dock tekniken långt ifrån mogen och innebär alltså rikliga tillfällen till forskning och utveckling som kan påverka utförandet hos de framtida vindkraftverken.
European Wind Energy Technology Platform
European Wind Energy Technology Platform (2008) ägnar en stor del av utrymmet åt konstruktionsområdet. Forskning föreslås inom följande områden:
- Grundläggande förståelse av vindturbinen som strömningsmaskin.
ELFORSK
86 - Metoder för lastberäkning.
- Nya material.
- Optimerade konstruktioner . - Verifiering.
- Tillförlitlighet hos komponenter som drivsystem (kuggväxlar), blad och torn.
- Förbättringar av elektriska högspänningskomponenter för ökad verkningsgrad och lägre kostnad.
- Vidareutveckling av elektriska omriktare för bl a högre verkningsgrad.
- Utveckling av nya, lätta direktdrivna generatorer med litet underhållsbehov.
- Reglersystem som ökar uteffekten och produktionen samt minskar lasterna.
- Kontrollalgoritmer som säkrar den aeroelastiska stabiliteten hos vindkraftverken.
- Sensorer, exempelvis lidar, för att kunna mäta vinden innan den träffar turbinen.
- System för reglering och underhåll baserade på tillståndskontroll.
- Innovativa vindturbiner och komponenter.
- Integrerade konstruktionsmetoder.
- Fortsatt utveckling av standarder för vindkraftverk, vilka utnyttjar möjligheterna till teknisk utveckling samtidigt som förtroendet för säkerhet och prestanda bevaras.
Betydelsen av Vindforsks projekt
I ett internationellt perspektiv är den svenska verksamheten på området mycket begränsad, vilket är förklarligt med hänsyn till den nuvarande avsaknaden av en egen vindturbintillverkning.
11.3 Framtida utveckling
Med undantag för standardiseringsområdet är fortsatta svenska insatser i stor utsträckning kopplade till i vilken utsträckning mer omfattande tillverkning av vindkraftverk och komponenter för dessa kommer till stånd i landet.
Standardisering
Ett självklart område för fortsatt svensk medverkan är det internationella standardiseringsarbetet. Skäl för detta är såväl möjligheterna till inflytande på arbetet och valet av områden (exempel skog och kallt klimat, vilka hittills saknats) som den tidiga information om resultaten som ett eget deltagande ger.
ELFORSK
87 Övriga områden
Eftersom en fortsatt verksamhet inom konstruktionsområdet av resursskäl knappast kan bli heltäckande är den rimliga lösningen att inriktningen också i fortsättningen blir ad hoc-betonad, där sådan verksamhet stöds som det finns kompetens och intresse för i Sverige, särskilt i sådana fall där det krävs en kompletterande finansiering till projekt som delfinansieras av EU. För det fall att en egen utveckling av vindkraftverk tar fart i landet kan det därutöver finnas skäl att stödja forskning som innebär ett strategiskt stöd för denna.
ELFORSK
88