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Impianti Eolici: introduzione e definizioni Prof. Alessandro Croce Milano, May 2019

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First of all: (three) basic components of a wind turbine

1. WIND

2. ROTOR

3. ELECTRICAL GENERATOR

Wind power

Mechanical power

Mechanical power

Electrical power

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Making Torque from Wind

Horns Rev Wind Farm, Eastern North Sea – Photo © Christian Steiness

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Making Torque from Wind

Wake expansion

Pressure drop

Pressure rise

Slowed speed due to energy extraction from flow

Incoming wind (fuel)

Horns Rev Wind Farm, Eastern North Sea – Photo © Christian Steiness

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Making Torque from Wind

Wake expansion

Pressure drop

Pressure rise

Slowed speed due to energy extraction from flow

Torque

Incoming wind (fuel)

Horns Rev Wind Farm, Eastern North Sea – Photo © Christian Steiness

Wake swirl

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HAWT VS VAWT

► TN420 Tozzi Nord(source: http://www.tozzinord.it/)

► TN1.5 Tozzi Nord(source: http://www.tozzinord.it/)

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HAWT VS VAWT

► Éole Cap-Chat 4MW, 110m (source: http://www.eolecapchat.com/e_index.html)

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HAWT VS VAWT

► Innovative Offshore Vertical-Axis Wind Turbine Rotors (source:http://energy.sandia.gov/energy/renewable-energy/wind-power/offshore-wind/innovative-offshore-vertical-axis-wind-turbine-rotors/)

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Anatomy

GENERATOR

PITCH ACTUATOR

BLADE

TOWER

NACELLE

YAW BEARING

DRIVE TRAIN SHAFT

HUB

(picture source: GE)

PITCH BEARING

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Blade

► LM Glasfiber LM 37.35590kg (1-1.5MW)

► LM Glasfiber LM 61.518841kg (5MW)

(source: LM Glasfiber)

(source: LM Glasfiber)

(source: poliwind.org)

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Blade

► Siemens B75 75m (6MW)

(source: siemensgamesa.com)

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Blade

► SPP 83.5m~30tons (for Samsung's S7.0 171 7MW offshore turbine)

(source: ssptech.com)

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Blade► LM Wind Power 88.4m

(source: lmwindpower.com)

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Blade

► GE Haliade-X 12MWLM Wind Power 107m

(source: genewsroom.com & lmwindpower.com )

(source: genewsroom.com)

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(sources: reuk.co.uk, geograph.org.uk, coriolis-energy.com, windpowerengineering.com)

Gearbox

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(sources: wind-energy-the-facts.org, scruss.com, windpowerengineering.com, inhabitat.com, leitwind.com, innwind.eu)

Direct-Drive Configurations

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(sources: Clipper Windpower, wind-energy-the-facts.org, eetweb.com, machinedesign.com)

Hybrid Concepts

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► Bosch Rexroth(Yaw Actuator)

► BluMiniPower(Passive Yaw)

►MiniWind 1100-24 (Downwind)

Yaw Control

►Seawind 6(Yaw Control)

(sources: boschrexroth.com, stonewindsolar.co.uk, assorinnovabili.it, norcowe.no)

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Fuhrländer AG FL2500 ►(lattice tower, h=160m)

▲ Leitwind LTW-62(steel tower, h=58m)

▲Enercon E-101(concrete tower segments)

Tower

Nordex N131 3.3MW ►(hybrid tower, h=164m)

(sources: poliwind.org, r2controls.com, stonewindsolar.co.uk, commons.wikimedia.org, www.windpowermonthly.com)

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Last, but not least… Foundations

(sources: windfarmbop.com)

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Foundations

(sources: steelwindtower.com)

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Onshore VS Offshore wind farm

▲ Off-shore wind farm (Copenhagen, DK)▲ On-shore wind farm Cocullo (Abruzzo, Italy)

(sources: estremocentrobasilicata.wordpress.com, poliwind.org)

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Offshore foundations

(Illustration by Josh Bauer, National Renewable Energy Laboratory (NREL), graphics: poliwind.org)

MONOPILE JACKET TWISTED JACKET

Fixed

SEMI-SUBMERSIBLE TENSION LEG PLATFORM SPAR BUOY

Floating

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Offshore foundations

(Source: windpowerengineering.com, seawindtechnology.com, www.energy.gov, StatoilHydro)

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How we get here?

8 MW

1970 2016

First attempts by large(mostly aerospace) companiesLockheed, Boeing, Hamilton Standard, Kaman Aerospace, MBB, MAN, Fokker

(from Prof. G. van Kuik)

Pioneers …

… have become world playersWTS-4 (4 MW)

Hamilton Standard, 1982MOD-5B (3.2 MW)Boeing, 1987

10 kW

V164 (8 MW)Vestas, 2016

V10 (30 kW)Vestas, 1979

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Unique Aspects: a) Dimensions

In Germany (source: IWES)

Size

Weig

ht

(Cost)

Cubic law of growth

Technological innovation

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Unique Aspects: b) Simplicity

Significant differences with respect to aeronautical technology:

• Dimensions: need relatively low cost materials, large volumes

• Reliability/maintenance: performance with simplicity and robustness

• One primary objective: minimize cost of energy

Moving parts, actuators, sensors

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Forecasts of reasonable accuracy: 6% 24 h, 2.5% 2h (ISET)

Where the Wind is in Europe

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The Energy Mix - EuropeData from 25 February 2019 – Source: windeurope.org/about-wind/daily-wind/

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The Energy Mix - EuropeData from 25 February 2019 – Source: windeurope.org/about-wind/daily-wind/

TOTAL [GW] 416.16

Wind Offshore 1.20

Wind Onshore 29.18

Other Renewables 1.31

Solar 28.39

Other 11.51

Hydro 77.51

Gas 76.21

Hard Coal 32.84

Lignite 39.66

Nuclear 105.11

Biomass & Waste 13.25

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The Energy Mix - ItalyData from 25 February 2019 – Source: windeurope.org/about-wind/daily-wind/

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The Energy Mix - ItalyData from 25 February 2019 – Source: windeurope.org/about-wind/daily-wind/

TOTAL [GW] 37.94 100%

Wind Onshore 5.54 14.60%

Other Renewables 0.65 1.71%

Solar 5.59 14.73%

Other 4.24 11.18%

Hydro 4.40 11.60%

Gas 15.06 39.69%

Hard Coal 1.92 5.06%

Biomass & Waste 0.54 1.42%

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https://demanda.ree.es/demandaGeneracionAreasEng.html

Wind 34%

Wind 60%

Wind 22%

The Energy Mix

• Wind energy cannot have the same importance in all countries

• Different countries should aim at different energy mixes, depending on their specific natural resources

• An integrated efficient network enables the management of the energy mix within each country (time of the day/season) and across borders

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The mix: annual installed capacity and renewable share in EU-28

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

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Wind in 2017 was the 2nd largest power generating capacity in the EU

• Total RES = 26%

• Wind power = 6%

EU Power MIX 2005 (GW) EU Power MIX 2017 (GW)

• Total RES = 47%

• Wind power = 18%

Source: Wind in power 2017, WindEurope, February 2018

The power mix: share in installed capacity

EU Power MIX 2000 (MW)

• Total RES = 24%

• Wind power = 2.4%

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Share of new installed capacity in 2017 – record year!

New installed capacity: total 28,310 MW New renewable power installations: total 23,926 MW

Source: Wind in power 2017, WindEurope, February 2018

• Total RES = 84.5%

• Wind power = 55.4%

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The mix: Total power generation capacity in the European Union 2005-2017

Source: Wind in power 2017, WindEurope, February 2018

With a total net installed capacity of 169 GW, wind energy in 2017 remains the second largest form of power generation capacity in Europe, closely approaching gas installations.

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The mix: Total power generation capacity in the European Union 2008-2018

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

With a total net installed capacity of 169 GW, wind energy remains the second largest form of power generation capacity in Europe, closely approaching gas installations.

2007: Wind overtakesFuel Oil

2013: Wind overtakesNuclear

2015: Wind overtakesLarge Hydro

2016: Wind overtakesCoal

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The mix: Total power generation capacity in the European Union 2008-2018

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

With a total net installed capacity of 169 GW, wind energy remains the second largest form of power generation capacity in Europe, closely approaching gas installations.

2007: Wind overtakesFuel Oil

2013: Wind overtakesNuclear

2015: Wind overtakesLarge Hydro

2016: Wind overtakesCoal

FLEX POINT

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Gross annual onshore and offshore wind installations in Europe

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

• 2018 was the lowest year for new onshore installations since 2008

• offshore installation were 16% lower than the record year 2017

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National breakdown of wind installations - 2018

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

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National breakdown of wind installations in Europe – 2008-2018

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

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National breakdown of wind installations in Europe – 2008-2018

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

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Cumulative wind installations in Europe – 2008-2018

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

189 GW of wind power capacity are now installed in Europe. 10% of these are offshore. Cumulative capacity grew 6% compared to 2017

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Cumulative wind installations in Europe – 2008-2018

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

189 GW of wind power capacity are now installed in Europe. 10% of these are offshore. Cumulative capacity grew 6% compared to 2017

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Gross installations, decommissioning and cumulative capacity in 2018

EU-28 (MW) NEW INSTALLATIONS 2018 DECOMMISSIONED CUMULATIVE CAPACITY 2018ONSHORE OFFSHORE

Austria 230 - 29 3,045 Belgium 204 309 - 3,360 Bulgaria - - - 691 Croatia - - - 583 Cyprus - - - 158 Czechia 14 - - 317 Denmark 220 61 13 5,758 Estonia - - - 310 Finland 0 - 3 2,041 France 1,563 2 13 15,309 Germany 2,402 969 249 59,311 Greece 207 - 15 2,844 Hungary - - - 329 Ireland 193 - - 3,564

Italy 452 - - 9,958 Latvia - - - 66 Lithuania 18 - - 439 Luxembourg - - - 120 Malta - - - -Netherlands 166 - 72 4,471 Poland 16 - - 5,864 Portugal 67 - 14 5,380 Romania - - - 3,029 Slovakia - - - 3 Slovenia - - - 3 Spain 392 5 - 23,494 Sweden 717 3 13 7,407 UK 589 1,312 - 20,970

Total EU-28 7,450 2,661 421 178,826

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

Other EU (MW) NEW INSTALLATIONS 2018 DECOMMISSIONED CUMULATIVE CAPACITY 2018ONSHORE OFFSHORE

Bosnia and Herzegovina 51 - - 51 Kosovo 32 - - 32 Montenegro 46 - - 118 North Macedonia - - - 37 Norway 480 - - 1,675 Russia 35 - - 139 Serbia 356 - - 374 Switzerland - - - 75 Turkey 497 - - 7,369 Ukraine 68 - - 533

Total others 1,566 - - 10,403

Total Europe 9,015 2,661 421 189,229

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Wind power installed in EU - 2018

Source: Wind energy in Europe in 2018, WindEurope, February 2019

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… and in the World

Source: GWEC Global Wind Report April 2018 Final

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… and in the World

Source: GWEC Global Wind Report April 2018 Final

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… and in Italy?

(source: IEA Annual report 2015)

• A decrease in new added capacity was experienced since 2013 due to the new incentive mechanism introduced on 1 January2013;

• Wind electricity generation decreased from 15.1TWh (2014) to 14.6TWh (2015) (corresponds to 4.6% of total electricitydemand);

• As in previous years, most of WTs were supplied by foreign producers;

• In 2015 a considerable number of small wind turbines (under 200 kW) were installed. About 50MW are from 2000 small WTs.

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windeurope.org

gwec.net

Further Information

poliwind.org

eawe.eu

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Basic concept: power coefficient

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Basic concept: power coefficient

1D Momentum Theory

Ain,rin

VinVoutVD

AD,rD

Aout,rout

inlet section rotor disc section outlet section

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Basic concept: power coefficient

1D Momentum Theory

Ain,rin

VinVout

Aout,rout

AD

ሶ𝑚 ሶ𝑚

Ain

VD

AD,rD

Detailed mathematical model will be faced in the rotor aerodynamics classes

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Basic concept: power coefficient

1D Momentum Theory

Ain,rin

VinVout

Aout,rout

AD

ሶ𝑚 ሶ𝑚

Ain

ሶ𝑚 = 𝜌𝑖𝑛𝐴𝑖𝑛𝑉𝑖𝑛 = 𝜌𝐷𝐴𝐷𝑉𝐷Mass flow rate

VD

AD,rD

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Basic concept: power coefficient

Available kin. energy:

Reference kin. energy:

Power coefficient (hence not a real efficiency)

So that aerodynamic power

𝐸𝐾 =1

2ሶ𝑚𝑉𝑖𝑛

2 =1

2𝜌𝑖𝑛𝐴𝑖𝑛𝑉𝑖𝑛

3

𝐸0: =1

2𝜌𝑖𝑛𝐴𝐷𝑉𝑖𝑛

3 = 𝐸𝐾𝐴𝐷𝐴𝑖𝑛

𝐶𝑃: =𝑃𝐴𝐸0

𝑃𝐴 =1

2𝜌𝑖𝑛𝐴𝐷𝑉𝑖𝑛

3𝐶𝑃

𝐶𝑃 = 𝐶𝑃(λ)

𝜆 ≔Ω𝑅

𝑉

Where:

• r0 constant (M<<1)

• Vin farfield flow velocity;

• AD rotor disc area;

• Cp (non-dimensional) power coefficient

Being l=TSR

𝜌0 = 𝜌

simplifying the notation: 𝑃𝐴 =1

2𝜌𝐴𝑉3𝐶𝑃

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Basic concept: power coefficient

Available kin. energy:

Reference kin. energy:

Power coefficient (hence not a real efficiency)

So that aerodynamic power

𝐸𝐾 =1

2ሶ𝑚𝑉𝑖𝑛

2 =1

2𝜌𝑖𝑛𝐴𝑖𝑛𝑉𝑖𝑛

3

𝐶𝑃: =𝑃𝐴𝐸0

𝐶𝑃 = 𝐶𝑃(λ)

𝜆 ≔Ω𝑅

𝑉

Where:

• r air density

• V farfield flow velocity;

• A rotor disc area;

• Cp (non-dimensional) power coefficient

Being l=TSR (Tip Speed Ratio)

𝑃𝐴 =1

2𝜌𝐴𝑉3𝐶𝑃

𝐸0: =1

2𝜌𝑖𝑛𝐴𝐷𝑉𝑖𝑛

3 = 𝐸𝐾𝐴𝐷𝐴𝑖𝑛

Detailed mathematical model will be faced in the rotor aerodynamics classes

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Basic concept: power coefficient

Ctorque≠0 Ctorque=0 CP=0 ↔ l=0 or Ctorque=0

𝐶𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟 = 𝜆𝐶𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒

Detailed mathematical model will be faced in the rotor aerodynamics classes

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Basic concept: power coefficient

CP=CP ( l) presents a max value!

i.e. a TSR where the rotor extract the maximum energy from the wind (for this pitch actuation…)

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Basic concept: power coefficient. Example

Hp1:

• Wind Turbine Pnameplate =1MW (aerodynamic power, no losess here);• CP = 0.5;• Vrated = 10m/s (low value, but in IT mean wind ≈7m/s);• ISA, h=0, (r=1.225Kg/m3);

Hp2: • Vrated = 12m/s (standard value);

► Diameter D2 = 49.0m

Note: no control law, no stall effect. Only torque control (i.e. rotor speed control) @ TSRmaxCp

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Basic concept: power coefficient. Example

Hp1:

• Wind Turbine Pnameplate =1MW (aerodynamic power, no losess here);• CP = 0.5;• Vrated = 10m/s (low value, but in IT mean wind ≈7m/s);• ISA, h=0, (r=1.225Kg/m3);

► Diameter D1 = 64.5m

Hp2: • Vrated = 12m/s (standard value);

► Diameter D2 = 49.0m

Note: no control law, no stall effect. Only torque control (i.e. rotor speed control) @ TSRmaxCp

𝑃𝐴 =1

2𝜌𝐴𝑉3𝐶𝑃

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Basic concept: power coefficient. Example

Hp1:

• Wind Turbine Pnameplate =1MW (aerodynamic power, no losess here);• CP = 0.5;• Vrated = 10m/s (low value, but in IT mean wind ≈7m/s);• ISA, h=0, (r=1.225Kg/m3);

► Diameter D1 = 64.5m

Hp2: • Vrated = 12m/s (standard value);

► Diameter D2 = 49.0m

Note: no control law, no stall effect. Only torque control (i.e. rotor speed control) @ TSRmaxCp

𝑃𝐴 =1

2𝜌𝐴𝑉3𝐶𝑃

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Basic concept: power coefficient. Example

Hp1:

• Wind Turbine Pnameplate =1MW (aerodynamic power, no losess here);• CP = 0.5;• Vrated = 10m/s (low value, but in IT mean wind ≈7m/s);• ISA, h=0, (r=1.225Kg/m3);

► Diameter D1 = 64.5m

Hp2: • Vrated = 12m/s (standard value);

► Diameter D2 = 49.0m

Note: no control law, no stall effect. Only torque control (i.e. rotor speed control) @ TSRmaxCp

𝑃𝐴 =1

2𝜌𝐴𝑉3𝐶𝑃

𝑃𝐴 =1

2𝜌𝐴𝑉3𝐶𝑃

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Basic concept: power coefficient. Example

case 1 (D=64m)

case 2 (D=49m)

@ 7m/s (mean value in IT): P1=343kW , P2=199kW

@ 15m/s: P1=3.3MW , P2=1.9MW

𝑃𝐴 =1

2𝜌𝐴𝑉3𝐶𝑃

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Basic concept: power coefficient. Example

case 1 (D=64m)

case 2 (D=49m)

@ 7m/s (mean value in IT): P1=343kW , P2=199kW

@ 15m/s: P1=3.3MW , P2=1.9MW

Site Selection & CoE Evaluation!

Need Control!

𝑃𝐴 =1

2𝜌𝐴𝑉3𝐶𝑃

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