SMG-4500 Tuulivoima. Kuudennen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan energiantuotanto-odotukset AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (1/2)

Transkriptio

1 SMG-4500 Tuulivoima Kuudennen luennon aihepiirit Tuulivoimalan energiantuotanto-odotukset Aiheeseen liittyvä termistö Pinta-alamenetelmä Tehokäyrämenetelmä Suomen tuulivoimatuotanto 1 AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (1/2) Tuulivoimalan energiantuotannon tehokkuutta kuvaavien termien kanssa tulee olla tarkkana, sillä eri lähteissä niiden merkitykset saattavat vaihdella. Tuulivoimalan hyötysuhde on generaattorin tuottaman sähkötehon ja roottorin pyyhkäisypinta-alalle tulevan ilmavirtauksen tehon osamäärä. Tuulivoimalan kokonaishyötysuhteella tarkoitetaan yleensä sähköverkkoon syötetyn tehon ja roottorin pyyhkäisypinta-alalle tulevan ilmavirtauksen tehon osamäärää. Tällöin myös tehoelektroniikkakomponenttien häviöt tulee huomioitua. Käytännöllinen yläraja tuulivoimalan kokonaishyötysuhteelle on noin 40%. Ilmavirtauksen tehosta (0.5 Av 3 ) korkeintaan noin 50% muuttuu roottorin mekaaniseksi tehoksi ( ). Kun lisäksi otetaan huomioon laakeroinnin lämpöhäviöt, generaattorissa tapahtuvat resistiiviset häviöt ja tehoelektroniikkaan liittyvät häviöt, päädytään parhaimmillaan noin 40%:n kokonaishyötysuhteeseen. Käytännössä näin korkean hyötysuhteen saavuttaminen on kuitenkin harvinaista. 2 1

2 AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (2/2) Huipunkäyttöaika kertoo, kuinka monta tuntia voimalan tulee toimia nimellistehollaan, jotta toteutunut vuosituotanto täyttyy. Tuulivoimalan nimellisteho tarkoittaa generaattorin nimellistehoa, joka saavutetaan yleensä noin 12 m/s tuulennopeudella. Huipunkäyttöajan yläraja on 8760 h. Ydinvoimalat saavuttavat tyypillisesti yli 8000 tunnin huipunkäyttöajan. Tuulivoimalan erittäin hyvän tuotannon rajana pidetään 2400 h huipunkäyttöaikaa. Kapasiteettikerroin on huipunkäyttöajan prosentuaalinen esitys. Jos tuulivoimalan huipunkäyttöajaksi on saatu 2400 h, kapasiteettikerroin on 2400 Cp 27.4% PINTA-ALAMENETELMÄ (1/4) Pinta-alamenetelmä on yksinkertainen tapa tuulivoimalan energiantuotannon arviointiin. Yksinkertaisuus tulee siitä, ettei pinta-alamenetelmä ota mitään kantaa tuulivoimalan generaattoriin, vaan voimalan energiantuotantoarvio perustuu pelkästään roottorin pinta-alalta virtaavan ilman energiaan. Pinta-alamenetelmän lähtökohtana on kohteen tuulennopeuden todennäköisyysjakauma voimalan napakorkeudella. Jos mitattua aineistoa ei ole saatavilla, weibull-analyysi on hyvä vaihtoehto. Arvioidaan pinta-alamenetelmällä tuulivoimalan vuosituotantoa, kun keskituulennopeus napakorkeudella on 8 m/s ja roottorin halkaisija 100 m. Lähdetään liikkeelle tuulisuuden mallintamisesta weibull-analyysillä. Kohde sijaitsee maalla, jolloin hyvä arvaus muotokertoimelle on k =

3 PINTA-ALAMENETELMÄ (2/4) Kun pystyakselin todennäköisyysarvot muutetaan vuoden tunneiksi, saadaan selville, kuinka monta tuntia vuoden aikana tuulee milläkin nopeudella. Nyt päästään kätevästi laskemaan tehoja ja energioita. Oletetaan, että lämpötila on 15 o C, jolloin ilman tiheys on kg/m 3. 5 PINTA-ALAMENETELMÄ (3/4) Roottorin pyyhkäisypinta-alalta virtaavan ilman teho saadaan laskettua yksinkertaisesti (P iv = 0.5 Av iv3 ). Kun tämä riippuvuus kerrotaan tuulennopeuskomponenttien esiintymistodennäköisyyksillä ja edelleen vuoden tunneilla, saadaan selville kutakin tuulennopeuskomponenttia vastaava energiasisältö vuoden aikana. 6 3

4 PINTA-ALAMENETELMÄ (4/4) Arvio vuotuisesta kokonaisenergiasta saadaan edellisen kuvaajan palkkien summana. Tämän tarkastelun vuotuiseksi kokonaisenergiaksi saadaan noin GWh. Jos tuulivoimalan kokonaishyötysuhde vaihtelee välillä 20 40%, tuotettu sähköenergia vaihtelee likimain välillä GWh. Täten tuulivoimalan vuotuista energiantuotantoa on pystytty arvioimaan pelkän roottorin pyyhkäisypinta-alan avulla ottamatta lainkaan kantaa generaattorin tehoon. Siksi tätä menetelmää kutsutaan pinta-alamenetelmäksi. 7 TEHOKÄYRÄMENETELMÄ (1/2) Kun generaattorin tehokäyrä yhdistetään tuulennopeusjakaumaan, tuulivoimalan vuosituotantoa arvioidaan tehokäyrämenetelmällä. Generaattorin tehokäyrä kertoo, kuinka suuren sähkötehon generaattori tuottaa milläkin tuulennopeudella. Kun tuulennopeusjakauma on tiedossa, pystytään laskemaan, kuinka kauan generaattori toimii vuoden aikana milläkin teholla. 8 4

5 TEHOKÄYRÄMENETELMÄ (2/2) Kun tarkastellaan esimerkiksi tuulennopeutta 10 m/s, tehdään seuraavat havainnot. Generaattori tuottaa tällöin likimain 2 MW:n sähkötehon. Tuulennopeus on lukemassa 10 m/s vuoden aikana likimain 630 h. Kun v iv = 10 m/s, generaattori tuottaa vuoden aikana sähköenergiaa n GWh. Kokonaisenergia saadaan käymällä kaikki tuulennopeudet vastaavalla tavalla läpi. Kokonaisenergiaksi saadaan noin GWh. Kun turbiinin lävistävän ilmavirran kokonaisenergiaksi saatiin GWh, generaattorin havaitaan toimivan 27.0%:n hyötysuhteella. 9 TUNNUSLUKUJEN LASKENTA Kuten edellä jo mainittiin, tässä laskentaesimerkissä tuulivoimalan hyötysuhteeksi (generaattorin teho / tuulen teho) saatiin 27.0%. Jos tehoelektroniikkakomponenttien hyötysuhteen oletetaan olevan 95%, kokonaishyötysuhteeksi (verkkoon syötetty teho / tuulen teho) saadaan 25.7%. Tarkastellun tuulivoimalan nimellisteho on 3 MW, joten huipunkäyttöajaksi saadaan GWh th 3500 h. 3 MW Kapasiteettikertoimeksi saadaan siis 3500 h Cp 40.0% h 10 5

6 SUOMEN TUULIVOIMATUOTANTO (1/3) Asennettujen tuulivoimaloiden yhteenlaskettu nimellisteho oli Suomessa vuoden 2011 lopussa 199 MW. Tavoitteena on, että vuoteen 2020 mennessä nimellisteho on 2500 MW. Jos voimaloiden nimellistehon keskiarvon oletetaan olevan 2.5 MW, vuoteen 2020 mennessä Suomeen asennetaan noin 900 uutta tuulivoimalaa. 11 SUOMEN TUULIVOIMATUOTANTO (2/3) Edellisen kuvaajan perusteella pystytään laskemaan huipunkäyttöajat. Melko alhaiset lukemat selittyvät sillä, että kyseessä on kaikkien voimaloiden huipunkäyttöaikojen keskiarvot. Joukossa on erinomaisesti (> 3000 h) ja surkeasti (~ 500 h) toimineita voimaloita. Jos voimaloiden toiminta saadaan vakiinnutettua vuoden 2011 tasolle, Suomen tuulivoimatavoite (2500 MW 6 TWh vuoteen 2020 mennessä) on realistinen. 12 6

7 SUOMEN TUULIVOIMATUOTANTO (3/3) 13 TUULIVOIMALOIDEN YLEISIMMÄT VIAT Suomen tuulivoimaloiden teknisen käytettävyyden keskiarvo on 2000-luvulla vaihdellut 89%:n ja 96%:n välillä. Tekninen käytettävyys kertoo, kuinka suuren osan vuodesta voimala on ollut käyttökunnossa. Huollot, tutkimukselliset katkot ja voimalan esittelyyn liittyvät katkot ovat suunniteltuja katkoja. Häiriö on suunnittelematon katko, joka korjaantuu uudelleenkäynnistyksellä. Vika on suunnittelematon katko, joka ei korjaannu uudelleenkäynnistyksellä. 14 7