Simulation of wind powered hydraulic heating system
Herpiö, Juha-Matti (2014)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2014120452131
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2014120452131
Tiivistelmä
The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic
heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity
is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the
conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible.
Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design.
Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high
wind gusts.
Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was
selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency.
Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the
orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy
in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment.
The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of
chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish
meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was
achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power
curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter
only one, the optimal value was defined.
Results from the simulation were compared with investment calculations. Different
parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order
to define the points of investment profitability.
Investment was found to be profitable only with high average wind speeds. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella ja simuloida tuulivoimaisen hydraulisen
lämmitysjärjestelmän toimintaa. Laitteen tulee toimia itsenäisesti alueilla joissa sähkön
käyttö ei ole mahdollista. Laitteen komponentit tuli valita siten, että edellytykset sen
valmistukselle, käytölle ja taloudelliselle kannattavuudelle ovat mahdollisimman hyvät.
Tuuliturbiiniksi valittiin Savonius-roottori matalan käyntiinlähtönopeuden ja kestävän
rakenteen takia. Savonius-roottori tuottaa liike-energiaa laajalla tuulennopeusalueella ja se
kestää kovia tuulenpuuskia.
Hydraulilämmittimen pumpuksi valittiin radiaalimäntäpumppu. Valintaan johtivat pumpun
ominaisuudet matalilla kierrosluvuilla ja korkea hyötysuhde. Pumpun tuottama virtaus
johdetaan kuristinaukon läpi. Kuristinaukon yli syntyvästä paine-erosta johtuen
hydraulineste kuumenee, jolloin järjestelmä tuottaa lämpöenergiaa. Hydraulinesteeseen
varastoitunut lämpöenergia johdetaan jäähdyttimeen josta se säteilee ympäristöön.
Tuulivoimaista hydraulista lämmitysjärjestelmää simuloitiin. Tätä varten muodostettiin
matemaattiset mallit valituista komponenteista. Simuloinnissa tuulennopeustietona
käytettiin Ilmatieteen laitoksen mittaamaa tuulidataa 167 tunnin ajalta. Järjestelmän korkein
tuotettu teho saadaan muuttamalla kuristimen aukon halkaisijaa siten, että roottorin
kärkinopeussuhde seuraa tehokäyrää. Tätä ei ole mahdollista toteuttaa käyttämättä sähköä,
joten kuristimen aukon halkaisijalle määritettiin vain yksi, optimaalinen arvo.
Simulaatioiden tuloksia verrattiin investointilaskelmiin. Erilaisia investoinnin
kannattavuuteen vaikuttavia parametreja muutettiin herkkyysanalyysissa kannattavuus
pisteen määrittämiseksi.
Järjestelmä osoittautui kannattavaksi vain hyvin korkeilla tuulen keskiarvonopeuksilla.
heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity
is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the
conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible.
Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design.
Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high
wind gusts.
Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was
selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency.
Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the
orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy
in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment.
The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of
chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish
meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was
achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power
curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter
only one, the optimal value was defined.
Results from the simulation were compared with investment calculations. Different
parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order
to define the points of investment profitability.
Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.
lämmitysjärjestelmän toimintaa. Laitteen tulee toimia itsenäisesti alueilla joissa sähkön
käyttö ei ole mahdollista. Laitteen komponentit tuli valita siten, että edellytykset sen
valmistukselle, käytölle ja taloudelliselle kannattavuudelle ovat mahdollisimman hyvät.
Tuuliturbiiniksi valittiin Savonius-roottori matalan käyntiinlähtönopeuden ja kestävän
rakenteen takia. Savonius-roottori tuottaa liike-energiaa laajalla tuulennopeusalueella ja se
kestää kovia tuulenpuuskia.
Hydraulilämmittimen pumpuksi valittiin radiaalimäntäpumppu. Valintaan johtivat pumpun
ominaisuudet matalilla kierrosluvuilla ja korkea hyötysuhde. Pumpun tuottama virtaus
johdetaan kuristinaukon läpi. Kuristinaukon yli syntyvästä paine-erosta johtuen
hydraulineste kuumenee, jolloin järjestelmä tuottaa lämpöenergiaa. Hydraulinesteeseen
varastoitunut lämpöenergia johdetaan jäähdyttimeen josta se säteilee ympäristöön.
Tuulivoimaista hydraulista lämmitysjärjestelmää simuloitiin. Tätä varten muodostettiin
matemaattiset mallit valituista komponenteista. Simuloinnissa tuulennopeustietona
käytettiin Ilmatieteen laitoksen mittaamaa tuulidataa 167 tunnin ajalta. Järjestelmän korkein
tuotettu teho saadaan muuttamalla kuristimen aukon halkaisijaa siten, että roottorin
kärkinopeussuhde seuraa tehokäyrää. Tätä ei ole mahdollista toteuttaa käyttämättä sähköä,
joten kuristimen aukon halkaisijalle määritettiin vain yksi, optimaalinen arvo.
Simulaatioiden tuloksia verrattiin investointilaskelmiin. Erilaisia investoinnin
kannattavuuteen vaikuttavia parametreja muutettiin herkkyysanalyysissa kannattavuus
pisteen määrittämiseksi.
Järjestelmä osoittautui kannattavaksi vain hyvin korkeilla tuulen keskiarvonopeuksilla.