Innovation in Wind Turbine Design

Aktualisiert und erweiterte Neuauflage dieses umfassenden Leitfadens zu Innovationen in der Entwicklung von Windkraftanlagen
 
Die 2. Auflage von Innovation in Wind Turbine Design beschäftigt sich im Detail mit den Designgrundlagen, erläutert die Entscheidungsgründe für ein bestimmtes Design und beschreibt Methoden zur Bewertung innovativer Systeme und Komponenten.
 
Die 2. Auflage wurde wesentlich erweitert und insgesamt aktualisiert. Neue Inhalte befassen sich mit den theoretischen Grundlagen von Antriebsscheiben in Bezug auf induktionsarme Rotoren. Wesentlich erweitert wurden die Abschnitte zu Offshore-Fragen und Flugwindkraftsystemen. Aktualisierte Inhalte beziehen sich auf Antriebsstränge und die grundlegende Theorie von Planetengetrieben und Differenzialgetrieben. Die Grundlagen der Windenergie und Irrtümer hinsichtlich des Designs von Rotoren mit Luftkanälen, Labor- und Feldtests der Rotorsysteme Katru und Wind Lens werden deutlicher herausgearbeitet. LiDAR wird kurz vorgestellt, ebenso die neuesten Entwicklungen beim Multi-Rotor-Konzept, darunter das Vier-Rotor-System von Vestas. Ein neues Kapitel beschäftigt sich mit dem innovativen DeepWind VAWT.
 
Das Buch ist in vier Hauptabschnitte gegliedert: Hintergrundinformationen zu Designs, Technologiebewertung, Designthemen und innovative Technologiebeispiele.
 
Wichtige Merkmale:
- Stark erweiterte und um neue Inhalte ergänzt.
- Deckt die Designgrundlagen umfassend ab, erläutert die Entscheidungsgründe für ein bestimmtes Design und beschreibt Methoden zur Bewertung innovativer Systeme und Komponenten.
- Enthält innovative Beispiele aus der Praxis.
- Jetzt mit Informationen zu den neuesten Entwicklungen in dem Fachgebiet.
 
Dieses Buch ist ein Muss für Windkraftingenieure, Energieingenieure und Turbinenentwickler, Berater, Forscher und Studenten höherer Semester.
 

List of contents

Foreword xv
 
Preface xvii
 
Acknowledgement xix
 
Introduction 1
 
0.1 Why Innovation? 1
 
0.2 The Challenge of Wind 2
 
0.3 The Specification of a Modern Wind Turbine 2
 
0.4 The Variability of the Wind 4
 
0.5 Early Electricity-Generating Wind Turbines 4
 
0.6 Commercial Wind Technology 6
 
0.7 Basis of Wind Technology Evaluation 7
 
0.7.1 Standard Design as Baseline 7
 
0.7.2 Basis of Technological Advantage 7
 
0.7.3 Security of Claimed Power Performance 8
 
0.7.4 Impact of Proposed Innovation 8
 
0.8 Competitive Status of Wind Technology 8
 
References 9
 
Part I Design Background 11
 
1 Rotor Aerodynamic Theory 13
 
1.1 Introduction 13
 
1.2 Aerodynamic Lift 14
 
1.3 Power in the Wind 16
 
1.4 The Actuator Disc Concept 17
 
1.5 Open Flow Actuator Disc 19
 
1.5.1 Power Balance 19
 
1.5.2 Axial Force Balance 20
 
1.5.3 Froude's Theorem and the Betz Limit 20
 
1.5.4 The Power Extraction Process 22
 
1.5.5 Relativity in a Fluid Flow Field 23
 
1.6 Why a Rotor? 25
 
1.7 Actuator Disc in Augmented Flow and Ducted Rotor Systems 26
 
1.7.1 Fundamentals 26
 
1.7.2 Generalised Actuator Disc 28
 
1.7.3 The Force on a Diffuser 36
 
1.7.4 Generalised Actuator Disc Theory and Realistic Diffuser Design 37
 
1.8 Blade Element Momentum Theory 38
 
1.8.1 Introduction 38
 
1.8.2 Momentum Equations 38
 
1.8.3 Blade Element Equations 40
 
1.8.4 Non-dimensional Lift Distribution 40
 
1.8.5 General Momentum Theory 41
 
1.8.6 BEM in Augmented Flow 42
 
1.8.7 Closed-Form BEM Solutions 44
 
1.9 Optimum Rotor Design 46
 
1.9.1 Optimisation to Maximise Cp 46
 
1.9.2 The Power Coefficient, Cp 48
 
1.9.3 Thrust Coefficient 51
 
1.9.4 Out-of-Plane Bending Moment Coefficient 52
 
1.9.5 Optimisation to a Loading Constraint 54
 
1.9.6 Optimisation of Rotor Design and Hub Flow 56
 
1.10 Limitations of Actuator Disc and BEM Theory 57
 
1.10.1 Actuator Disc Limitations 57
 
1.10.2 Inviscid Modelling and Real Flows 58
 
1.10.3 Wake Rotation and Tip Effect 58
 
1.10.4 Optimum Rotor Theory 59
 
1.10.5 Skewed Flow 59
 
1.10.6 Summary of BEM Limitations 59
 
References 60
 
2 Rotor Aerodynamic Design 65
 
2.1 Optimum Rotors and Solidity 65
 
2.2 Rotor Solidity and Ideal Variable Speed Operation 66
 
2.3 Solidity and Loads 68
 
2.4 Aerofoil Design Development 68
 
2.5 Sensitivity of Aerodynamic Performance to Planform Shape 73
 
2.6 Aerofoil Design Specification 74
 
2.7 Aerofoil Design for Large Rotors 75
 
References 77
 
3 Rotor Structural Interactions 79
 
3.1 Blade Design in General 79
 
3.2 Basics of Blade Structure 80
 
3.3 Simplified Cap Spar Analyses 82
 
3.3.1 Design for Minimum Mass with Prescribed Deflection 83
 
3.3.2 Design for Fatigue Strength: No Deflection Limits 83
 
3.4 The Effective t/c Ratio of Aerofoil Sections 84
 
3.5 Blade Design Studies: Example of a Parametric Analysis 85
 
3.6 Industrial Blade Technology 91
 
3.6.1 Design 91
 
3.6.2 Manufacturing 92
 
3.6.3 Design Development 94
 
References 94
 
4 Upscaling of Wind Turbine Systems 97
 
4.1 Introduction: Size and Size Limits 97
 
4.2 The 'Square-Cube' Law 100
 
4.3 Scaling Fundamentals 100

About the author

PETER JAMIESON is based at Strathclyde University for two days a week acting as a special technical advisor whilst also conducting independent research into wind energy. As a founder member of GL Garrad Hassan's Scottish office and of their Special Projects Department, he is uniquely positioned to offer the highest guidance in the future development of wind energy in the UK and beyond.

Summary

Aktualisiert und erweiterte Neuauflage dieses umfassenden Leitfadens zu Innovationen in der Entwicklung von Windkraftanlagen

Die 2. Auflage von Innovation in Wind Turbine Design beschäftigt sich im Detail mit den Designgrundlagen, erläutert die Entscheidungsgründe für ein bestimmtes Design und beschreibt Methoden zur Bewertung innovativer Systeme und Komponenten.

Die 2. Auflage wurde wesentlich erweitert und insgesamt aktualisiert. Neue Inhalte befassen sich mit den theoretischen Grundlagen von Antriebsscheiben in Bezug auf induktionsarme Rotoren. Wesentlich erweitert wurden die Abschnitte zu Offshore-Fragen und Flugwindkraftsystemen. Aktualisierte Inhalte beziehen sich auf Antriebsstränge und die grundlegende Theorie von Planetengetrieben und Differenzialgetrieben. Die Grundlagen der Windenergie und Irrtümer hinsichtlich des Designs von Rotoren mit Luftkanälen, Labor- und Feldtests der Rotorsysteme Katru und Wind Lens werden deutlicher herausgearbeitet. LiDAR wird kurz vorgestellt, ebenso die neuesten Entwicklungen beim Multi-Rotor-Konzept, darunter das Vier-Rotor-System von Vestas. Ein neues Kapitel beschäftigt sich mit dem innovativen DeepWind VAWT.

Das Buch ist in vier Hauptabschnitte gegliedert: Hintergrundinformationen zu Designs, Technologiebewertung, Designthemen und innovative Technologiebeispiele.

Wichtige Merkmale:
- Stark erweiterte und um neue Inhalte ergänzt.
- Deckt die Designgrundlagen umfassend ab, erläutert die Entscheidungsgründe für ein bestimmtes Design und beschreibt Methoden zur Bewertung innovativer Systeme und Komponenten.
- Enthält innovative Beispiele aus der Praxis.
- Jetzt mit Informationen zu den neuesten Entwicklungen in dem Fachgebiet.

Dieses Buch ist ein Muss für Windkraftingenieure, Energieingenieure und Turbinenentwickler, Berater, Forscher und Studenten höherer Semester.

Product details

• Authors: P Jamieson, Peter Jamieson, Peter (Strathclyde University Jamieson, Jamieson Peter
• Publisher: Wiley, John and Sons Ltd
• Languages: English
• Product format: Hardback
• Released: 31.03.2018
• EAN: 9781119137900
• ISBN: 978-1-119-13790-0
• No. of pages: 416
• Subjects: Natural sciences, medicine, IT, technology > Technology > Electronics, electrical engineering, communications engineering; Maschinenbau, Energietechnik, Windenergie, Energie, ENERGY, Tragwerke, Wind Energy, Mechanical Engineering, Bauingenieur- u. Bauwesen, Civil Engineering & Construction, Maschinenbau - Entwurf, Mechanical Engineering - Design, Structures, Windturbine