background image

6 WIND POWER PLANTS 

background image

6.1 The wind 

– as energy source 

The basic principle of wind 

- the wind is caused by the difference in pressure from one place to another.  

- when warm air rises, it lowers the air pressure underneath it.  

- up high, it cools off and sinks, raising the air pressure underneath it.   

- in between the low pressure area and the high pressure area, air rushes from high to low, 

causing wind. 

http://www.hendersonisd.org/classes/science8/global_winds.htm 
http://zmeny-klimatu.blog.cz/0906/zakladni-informace-o-vzniku-vetru

  

Mastný, P. a kol.: Obnovitelné zdroje elektrické energie, ČVUT Praha 

http://windeis.anl.gov/guide/basics/index.cfm

 

About 1-2 % of the solar energy is converted to kinetic energy of air and can be used in 

wind turbines. 

background image

Land and sea breezes

  

-land and sea breezes are basically caused by differential heating of the land and sea during the day and 

night, creating differences in local air pressure, thus inducing winds to blow in different directions 

During the day 

when the sun heats up the earth's surface, the land heats up much faster than the sea. 

Warm air above the land expands and rises. This creates a region of local low pressure. A sea breeze on 

the other hand remains comparatively cool and is a region of high pressure. A sea breeze thus blows in 

from the sea to the land. This wind we feel like cooler breeze that blows from the sea, ocean or other 

larger water surface. 

At night 

the reverse takes place as the land cools down much faster than the sea the cooler and denser 

air on the land creates a region of local high pressure. The sea on the other hand, conserves its heat 

and is relatively warmer than the land. The air over the sea expands and rises creating a region of local 

low pressure. A land breeze thus blows out from the land to the sea.  

http://pl.wikipedia.org/wiki/Bryza 
http://www.youtube.com/watch?v=3gmbnbldl-w 
http://www.youtube.com/watch?v=XuI-M25Ss04

  

http://sk.wikipedia.org/wiki/Morsk%C3%BD_v%C3%A1nok

 

http://www.youtube.com/watch?v=ZQV72Yzmjyc

   

http://weather.blurtit.com/q186584.html

  

background image

6.2 Power and energy of wind 

Energy of moving air masses can be expressed by the equation: 

- mass of air 

– area which the volume of air flowing (area wind passing through perpendicular to the wind) 

– distance which surpasses moving air 

V

 – volume of air 

Power of the wind blowing through unit area: 

Power of the wind blowing through unit area 

is directly-proportional to air density, and the 

cube of the wind speed. 

A 20% increase in the wind velocity - 

increases the power generated with 73% 

v

 - air velocity 

ρ

 - density of air 

background image

Wind speed and wind power are time variables. 

Wind energy flowing per unit area for a given period is given by: 

ρ

 - density of air [kg/m

3

http://www.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/70-hustota-sucheho-vzduchu

  

background image

6.3  Wind power plants 

- systems, in which the kinetic energy of wind is converted into mechanical energy 

(turbine), that is subsequently transformed into electrical energy (generator). 

http://www.mechanicalengineeringblog.com/tag/introduction-to-wind-turbine/

 

http://turbinegenerator.org/wind/how-wind-turbine-works

   

Power of wind turbine 

- kinetic energy of the wind after passing through the propeller wind turbine decreases, 

because its part is changed to the mechanical energy 

- Albert Betz in 1920 proved that the ideal wind power plant can convert to mechanical 

energy up to 59,3% of the kinetic energy of wind, by slowing the speed to one-third 

c

p

 - 

power factor - indicates how much of the kinetic energy of wind is converted into 

mechanical energy 

v

2

/v

1

 - 

the ratio of the wind speed behind the turbine to wind speeds before turbine 

background image

provided that the swept area of blades in m

2

 is: 

http://www.mechanicalengineeringblog.com/tag/introduction-to-wind-turbine/

 

http://turbinegenerator.org/wind/how-wind-turbine-works

   

maximal power of wind power plant (WPP) is: 

[W; kg.m

-3

, m, m.s

-1

WPP of company  ENERCON – 

influence of the size on performance 

background image

6.4 Dividing of wind turbines 

According to the performance 

a) small 

(about 20 kW for houses, farms, lighting, ...) 

http://news.bbc.co.uk/2/hi/uk/6969865.stm

  

http://www.energor.com/Wind%20Power%20System.html

  

Off-grid wind turbine system 

On-grid wind turbine system 

b) medium 

(20 - 50 kW) 

c) large 

(above 50 kW). 

       - above 20 kW are almost exclusively used for the power supply to the electrical network. 

background image

According to rotor location 

a) wind turbines with horizontal axis 

- are currently the most widely used 

- maximum use of performance can be achieved by 2 and 3 blades, 

- in order to best using the wind energy, wind power head (called nacelle) is mounted 

on a hub with possibility of yawing (using electric motor) 

1. Wind causes blades to rotate 

2. Shaft turns generator to produce electrical energy 

3. A transformer turns this into high-voltage electricity 

4. Electricity is transmitted via the power grid 

background image

10 

http://www.mechanicalengineeringblog.com/tag/introduction-to-wind-turbine/

 

Janíček, F.: Obnoviteľné zdroje energie 1. Bratislava, 2007 

Composition of wind turbine 

background image

11 

background image

12 

http://www.ivt.ntnu.no/offshore2/?page_id=287

 

http://www.edinformatics.com/math_science/alternative_energy/wind/how_wind_turbines_work.htm

  

 

Nacelle: The nacelle is placed on the top of the tower and contains of the gear box, low- and high-speed shafts and the 

generator. 
Rotor: Attached to the nacelle and includes: 

Blades,  generally  made  of  glass-reinforced  fiber.  For  larger  blades,  lighter  and  stronger  carbon  fibers  are      commonly 

used. 
Extenders, which attach the blades to the central hub 
Pitch drive to control the angle of the blades 

Hub: A simple mechanism that connects the motor with the blades using a gear to move the motor. The hub of the rotor is 

attached to the low speed shaft of the wind turbine. 
Low-speed shaft: The rotor turns the low-speed shaft, which is a long pole, at about 20 to 60 rotations per minute. 
Gearbox serves to increase the relatively low rotor speed (20-30 rpm) to high nominal speed generator (for example, 1500 

rpm). It contains a system for dynamic change of gear ratio, which allows to keep a constant rotor speed of the generator at 

full operating speed wind turbine. This regulation allows to operate the plant at variable speed rotor, which are dependent on 

the wind speed and allows to keep constant output speed to drive the generator. 
In 1992 the company Enercon introduced technology without gearbox . By using multi-pole generator, it is not necessary to 

convert speed of the main shaft into high-speed. Generated current with variable parameters is transformed and frequency 

adapted (using power electronics) to network parameters to which the power plant is connected. 
Coupling:  Attaches  the  gearbox  to  the  generator.  Flexible  couplings  may  be  used  to  reduce  oscillating  loads  that  could 

otherwise cause component damage. 
High-speed shaft: Drives the generator. 
Generator: The generator transforms the rotational energy into electrical power. 
Transformer:  The  transformer  converts  the  electrical  power  from  low  voltage  to  a  higher  voltage  suitable  for  grid 

connection. 
Wind vane:  An instrument that indicates wind direction using a vane that rotates around a vertical axis. 
Anemometer: Instrument that measures wind speed using cups that rotate around a mobile shaft at varying speeds. 
Mechanical  brake: The  mechanical  brake  is  placed  on the  small  fast  shaft  between  the  gearbox  and the  generator.  It  is 

used as an emergency brake, in case the blade tip brake should fail.  
Yaw rotor: The yaw motor turns the nacelle so that the rotor faces the wind. 
The controller starts up the machine at wind speeds of about 4 m/s and shuts off the machine at about 25 m/s. Turbines do 

not operate at wind speeds above about 25 m/s because they might be damaged by the high winds. 

background image

13 

http://www.i15.p.lodz.pl/strony/EIC/res/Description_of_technology_wind_power.html

  

background image

14 

- the minimal limit of wind speed for energy using of wind turbine is about 4 m.s

-1

,  

- optimal wind speed is about 14 m.s

-1

- after exceeding this speed is the power provided by the wind limited and part of its energy is 

unused 

- maximal limit of wind speed is about 25 m.s

-1

.  

- higher speeds are dangerous because they can cause damage to the wind power plants. 

- therefore, wind power plants at such speeds stop and orient in a safe position. 

The power diagram of wind turbine 

background image

15 

The impact of height of towers to power wind turbines 

http://www.solarwindtek.com/site/windFAQs.shtml

  

1 foot = 0,3048 meters 

1 miles per hour = 0,44704 meters / second 

background image

16 

Development of the performance of wind turbines 

http://nextbigfuture.com/2012/06/800-
foot-tall-wind-turbines-are.html

  

Note: Currently, the world’s largest wind turbine is 

manufactured by Enercon and produces 7,5 MW

 

background image

17 

b) wind turbine with a vertical axis 

- principle of operation of the wind facility is the same as for wind turbines with a horizontal 

axis of rotation (that is, speed of rotation of the turbine into generator is transmitted 

through the gearbox) 

- machine box with generator is located on the land. It is considered as a major advantage in 

compare with the wind power plants with a horizontal axis of rotation (mounting and statics 

is easier). 

- great advantage of these rotors is - they do not need to moved in the direction of the wind 
- disadvantage: lower efficiency in compared with turbines with horizontal axis 
- utilization for smaller performance 

Rotors that are most commonly used in wind turbines with a vertical axis of rotation are: 
- Savonius rotor 
- Darrieus rotor  
- H rotor 

background image

18 

Tip speed ratio: ratio of the speed of the windmill rotor tip, 

at radius R when rotating at ω radians/second, to the speed 

of the wind, V, and is numerically: 

background image

19 

6.5 Wind farms 

- whereas the wind energy has relatively low concentrations, wind turbines are 

concentrated in the so-called wind farms in appropriate locations.  

- individual wind plants (turbines) are localized so that, as each other do not reduce 

performance 

- the minimal spacing in a direction perpendicular to the wind has be min. 4xD, in direction 

of wind min. 6xD. 

Example of turbine 

spacing in a wind farm 

Connecting the wind farms to the grid 

- installed capacity of wind farm is a decisive factor in 

determining the voltage level of the network to which 

the wind farm is connected. 

http://www.planningni.gov.uk/index/policy/policy_publications/planning_statements/pps18/pps18_annex1/pps18_
annex1_wind/pps18_annex1_technology/pps18_annex1_spacing.htm

  

background image

20 

Methods of interconnection of individual wind turbines: 

b) circle connection 

a) radial connection 

Circle connection is characterized by higher investment costs, but higher reliability and 

lower energy losses in the internal network. 

background image

21 

Location of wind farms 

a) on-shore 

b) off-shore 

Concrete foundation of wind trbine 

F

our main types of wind turbine foundations — 

monopile, jacket, tripile and gravity base 

background image

22 

background image

23 

background image

24 

background image

25 

http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/statistics/Wind_in_power_annual_statistics_2012.pdf

 

6.6 Installed capacity of wind power plants  

background image

26 

http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/statistics/Wind_in_power_annual_statistics_2012.pdf

 

background image

27 

background image

28 

http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_farm

  

background image

29 

background image

30 

http://www.tpa-horwath.pl/sites/default/files/publications/downloads/wind_energy_2012.pdf