Analysis of line wind power plant concept
Passila, Nico (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023030930766
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023030930766
Tiivistelmä
The accelerating adoption rate of renewable energy solutions, such as wind energy, provides opportunity for innovations to improve conventional designs or enable new use cases. A Finnish patent describing a line wind power plant (LWPP) concept is said to shore up the downsides of conventional designs and to allow harvesting of previously out of reach wind resources.
The objective of this work is to analyse the LWPP concept’s main merits and their feasibility. LWPP is claimed to have improved energy production, energy acreage, buildability, maintainability, and to be more economical compared to conventional wind power plant (WPP) designs. These are to be achieved by building multiple smaller wind turbines on a shared support structure that combines multiple hub heights and turbine sizes to optimize power generation and to reduce loads. Preliminary aerodynamic, structural, cost, and environmental analyses are done on this concept using an example design.
Results of the analyses show that this type of structure has around 5,7 percentage point increased wake loss and quintupled turbulence intensity (TI) compared to conventional WPP. Despite this, energy production, energy acreage and capacity factor increased by 17,1; 107,2; and 13,9 %, respectively. The structure was deemed plausible and estimated costs were close to equivalent conventional wind farm’s. LWPP would have greater visual impact, but avian and noise impacts would be on same level as in conventional wind farms. Uusiutuvan energian, kuten tuulivoiman, kiihtyvä yleistyminen tuo tilaisuuksia innovaatioille parantaa nykyisiä ratkaisuja ja luoda uusia käyttötapoja. Suomalaisessa patentissa kuvaillun Linjatuulivoimala (LWPP) konseptin on sanottu paikkaavan nykyisten voimaloiden haittapuolia ja mahdollistavan aiemmin saavuttamattomien tuuliresurssien hyödyntämisen.
Tämän työn tarkoitus on analysoida LWPP konseptin suurimpia etuja ja niiden toteutettavuutta. LWPP:lla on väitetty olevan parempi energian tuotanto, energian tuotanto käytettyä maa-alaa kohden, rakennettavuus, huollettavuus, ja olevan taloudellisempi kuin nykyiset tuulivoimalat (WPP). Nämä saavutetaan rakentamalla useampi pienempi turbiini yhteisen tukirakenteen varaan, joka käyttää useita napakorkeuksia ja turbiini kokoja energian tuotannon optimointiin ja rasitteiden vähentämiseen. Konseptille tehdään alustavat aerodynaamiset, rakenteelliset, kululliset, ja ympäristölliset analyysit käyttäen esimerkki voimalaa.
Analyyseista nähdään, että vanavesihäviöt kasvavat suunnilleen 5,7 prosentti yksikköä ja turbulenssin intensiteetti viisinkertaistuu nykyisiin voimaloihin verrattuna. Tästä huolimatta energian tuotanto, energian tuotanto käytettyä maa-alaa kohden, ja kapasiteetti kertoimet ovat kasvaneet kukin 17,1; 107,2; ja 13,9 %. Rakenne todettiin mahdolliseksi ja kulut olivat lähellä vastaavaa nykyistä tuulipuistoa. Linjatuulivoimalalla olisi suurempi näkymällinen vaikutus, mutta linnusto ja ääni vaikutukset olisivat samaa tasoa.
The objective of this work is to analyse the LWPP concept’s main merits and their feasibility. LWPP is claimed to have improved energy production, energy acreage, buildability, maintainability, and to be more economical compared to conventional wind power plant (WPP) designs. These are to be achieved by building multiple smaller wind turbines on a shared support structure that combines multiple hub heights and turbine sizes to optimize power generation and to reduce loads. Preliminary aerodynamic, structural, cost, and environmental analyses are done on this concept using an example design.
Results of the analyses show that this type of structure has around 5,7 percentage point increased wake loss and quintupled turbulence intensity (TI) compared to conventional WPP. Despite this, energy production, energy acreage and capacity factor increased by 17,1; 107,2; and 13,9 %, respectively. The structure was deemed plausible and estimated costs were close to equivalent conventional wind farm’s. LWPP would have greater visual impact, but avian and noise impacts would be on same level as in conventional wind farms.
Tämän työn tarkoitus on analysoida LWPP konseptin suurimpia etuja ja niiden toteutettavuutta. LWPP:lla on väitetty olevan parempi energian tuotanto, energian tuotanto käytettyä maa-alaa kohden, rakennettavuus, huollettavuus, ja olevan taloudellisempi kuin nykyiset tuulivoimalat (WPP). Nämä saavutetaan rakentamalla useampi pienempi turbiini yhteisen tukirakenteen varaan, joka käyttää useita napakorkeuksia ja turbiini kokoja energian tuotannon optimointiin ja rasitteiden vähentämiseen. Konseptille tehdään alustavat aerodynaamiset, rakenteelliset, kululliset, ja ympäristölliset analyysit käyttäen esimerkki voimalaa.
Analyyseista nähdään, että vanavesihäviöt kasvavat suunnilleen 5,7 prosentti yksikköä ja turbulenssin intensiteetti viisinkertaistuu nykyisiin voimaloihin verrattuna. Tästä huolimatta energian tuotanto, energian tuotanto käytettyä maa-alaa kohden, ja kapasiteetti kertoimet ovat kasvaneet kukin 17,1; 107,2; ja 13,9 %. Rakenne todettiin mahdolliseksi ja kulut olivat lähellä vastaavaa nykyistä tuulipuistoa. Linjatuulivoimalalla olisi suurempi näkymällinen vaikutus, mutta linnusto ja ääni vaikutukset olisivat samaa tasoa.