1 Avanceret krøjesystem til vindmøller Gruppe 512 P5-projekt efterår 2003

2 Avanceret krøjesystem til vindmøller Formål og systembeskrivelse - Lars J Vindenergi og vingedesign - Katrine Aerodynamik - model - Morten Pitchregulering - Lars S Effektregulering - Jan Effektforstærker - Haukur Konklusion og perspektivering - Michael Demonstration i laboratoriet

3 Indhold Formål Systembeskrivelse DC-motor Vindmøllemodel Virkemåde

4 Formål Vindmøllen skal krøjes så den har front mod vinden Dette skal foregå ved pitching af vingerne Der skal holdes en konstant omdrejnings- hastighed for at lette design af pitchregulator

5 Systembeskrivelse

6 DC-motor

7 Motorens DC-modstand R [mΩ] –Måles ved DC strøm og spænding –U/I = R Motorens induktans L [μH] –Måles ved AC strøm og spænding –

8 Motorens spændingskonstant k E [Vs/rad] Motorens momentkonstant k T [Nm/A] –k E = k T = k –Forholdet mellem forsyningsspænding og omdrejningshastighed og forholdet mellem strøm og moment DC-motor

9 Systemets tørfriktion T c [Nm] –I · k plottes som funktion af (U – R · I) · k –Skæring med y-aksen er T c Systemets friktionskonstant B [kg·m 2 ] –Kurvens hældning er B –B afhænger af ω på grund af vindlast

10 DC-motor Systemets inertimoment J –Der optages en udløbskurve for systemet –

11 Vindmøllemodel Vindmøllemodellen er opbygget af en modelhelikopter Placeret på tårn Sensorer: –Omdrejningsmåler (hall-element) –Krøjevinkelmåler (potentiometer) –Vindretningsmåler (potentiometer) –Krøjemomentmåler (strain gauge)

12 Virkemåde Vinden kommer fra en skæv vinkel Effektiviteten er: cos 3 (ψ) Areal Det effektive areal er mindsket

13 Virkemåde Pitchregulatoren øger pitchvinklen på den vinge der er op mod vinden Kraften på den vinge der er op mod vinden vil være større end på den anden Krøjekraften er forskellig fra 0

14 Virkemåde Vindmøllen krøjer op mod vinden Der bremses ved at pitche den modsatte vinge, hvis det er nødvendigt Vingerne pitches tilbage i neutral stilling

Vindenergi og vingedesign Katrine

16 Indhold Vindhastigheder Vindmøllens omgivelser Vingedesign - Udformning af vinger - Vingeprofil

17 Ideelle vindhastigheder

18 Vindmøllens omgivelser Undgå steder med turbulens - Lægivere - Ru overflader Ruhedsklassen betegner hvor mange ”forhindringer”, der er i terrænet - Vand har ruhedsklasse 0 - Store byer har ruhedsklasse 4

19 Vindrose Fremherskende vindretning - Kan findes vha. vindroser

20 Udformning af vinger Snoede vinger - Ensartet angrebsvinkel Lydniveau Mekanisk styrke Lettere at starte

21 Lift og drag

22 Vingeprofil Defineres ud fra tykkelse, korde, midterlinie og camber Giver forskellige lift og drag afhængig af camber

23 L/D-forhold for SG6040 og SG6043

24 Konklusion Modelhelikopterens vinger - Vingeprofil er brugbar - Er ikke smal ved vingespidsen - Er ikke snoede Helikopterens vinger er ikke egnet til vindmøller

25 Aerodynamisk model Morten

26 Indhold Formål med model Valg af model Blokdiagram over Matlab program Testresultater Konklusion

27 Aerodynamisk model Formål med model –Beregne total krøjemoment –Overføringsfunktion for krøjemoment Valg af model –2 dimensionel model efter ”vortex teori” –Grove antagelser omkring vindforhold

28 Anvendt beregningsmodel ”vortex teori”

29 Opdeling af rotorfladen i segmenter Anvendt metode til at finde total krøjemoment

30 Flowdiagram over Matlabprogram

31 Beregning af angrebsvinkel Itererer sig frem til værdier af a og a’

32 Testresultater

33 Ændringer til program Nuværende program –Vindhastighed sættes til fast værdi Udvidet program –Måling af vind og rotorhastighed –Opdateres hver gang løkken køres –Implementeres i C167

34 Konklusion Hvad skyldes testresultats unøjagtigheder? Unøjagtigheder ved model –Antager at vinden er jævn foran mølle Afvigelser ved vingeprofil. –Tip speed ratio (TSR) formindskes –Medføre mindre relativ vindhastighed –Vingebredde afviger fra virkeligheden –Reynoldsnummeret påvirkes

Pitchregulering Lars S

36 Indhold Pitchregulering Design af regulator Måleresultater

37 Pitchregulering

38 Pitchregulering Krav –Oversving: Mp ≤ 10 % –Settling time: t s ≤ 60 s –Stationær fejl: e ss ≤ 1°

39 Bodeplot uden regulator s2s2 s3s3

40 Bodeplot med regulator

41 Bodeplottet

42 Måleresultater

43 Bodeplot

44 Måleresultat

45 Konklusion Princip virker Ustabil – forkerte/ukendte parametre P-regulator/PI-regulator

Effektregulering Jan

47 Indhold Formål Blokdiagram Blokdiagram for Gm(s) Gavlventilatoren - Påvirkning fra vinden Optimering

48 Formål Konstant vinkelhastighed Motor og generatordrift

Blokdiagram

50 Blokdiagram med forstyrrelse

51 Gavlventilator Uregelmæssig vind ( ikke fast belastning ) Vinden kommer oppefra og ned

52 Måling af vinkelhastighed

53 Optimering Frekvensen af forstyrrelsessignalet Ny overføringsfunktion

54 Blokdiagram med forstyrrelse Superpositions princip

55 Overføringsfunktion E = Elektronisk overføringsfunktion M = Mekanisk overføringsfunktion

56 Konklusion Brugbar effektregulering Videreudvikling Mindske forstyrrelsen

Effektforstærker Haukur

58 Indhold Formål Virkemåde af SMPS Forbedring af effektiviteten

59 Formål Overføre effekt til/fra motoren Andet formål til endeligt produkt

60 Virkemåde af SMPS

61 Virkemåde af SMPS

62 Virkemåde af SMPS

63 Forbedring af effektiviteten Andre transistorer –Lavere R on –Mindre kapacitans Styrekreds der kan levere mere strøm

64 Konklusion Det konkluderes at forstærkeren er god nok til formålet

Konklusion og perspektivering Michael

66 Konklusion Princippet med krøjning ved hjælp af pitch af vingerne virker

67 Perspektivering Reguleringsalgoritme: Swash-plate  individuel pitch Opstart efter udkrøjning eller ved lav vindhastighed

68 Reguleringsalgoritme

69 Reguleringsalgoritme

70 Uafklarede spørgsmål Rotoren har været stoppet, og vindretningen har ændret sig. –Krøje op mod vinden ved hjælp af: pitch alene, pitch og en hjælpemotor Opstart ved lav vindhastighed.

71 Effektkarakteristik

72 Weibull-fordeling

73 Demonstration i LAB Gennemgang af testopstilling Forklare og vise test af pitchregulering og effektregulering