By Chawin Chantharasenawong 26/06/10 Determination of wind turbine blade flapwise bending dynamics การศึกษาการตอบสนองทางพลวัตของการดัดงอของใบพัดกังหันลมในทิศทางตามลม By Chawin Chantharasenawong 26/06/10

Chawin Chantharasenawong ชวิน จันทรเสนาวงศ์ 2 Chawin Chantharasenawong ชวิน จันทรเสนาวงศ์ Department of Mechanical Engineering King Mongkut’s University of Technology Thonburi (KMUTT) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

Outlook of Thailand’s renewable energy demand 3 Outlook of Thailand’s renewable energy demand PDP 2010 >> การพัฒนาพลังงานสะอาด และการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน โดยจะมีการ พิจารณาทั้งเรื่องโครงการการจัดการด้านการใช้ไฟฟ้า (Demand Side Management: DSM) การพัฒนา พลังงานหมุนเวียนให้สอดคล้องกับแผนพลังงานทดแทน 15 ปีของกระทรวงพลังงาน โดยในปี 2573 จะมี สัดส่วนกำลังผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนไม่ต่ำกว่าร้อยละ 5 ดังที่กล่าวข้างต้น การเพิ่มประสิทธิภาพ การใช้พลังงานโดยการส่งเสริมการผลิตไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพด้วยระบบผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วม (Cogeneration) ตามนโยบายของรัฐ และลดปริมาณการปล่อย CO2 จากภาคการผลิตไฟฟ้า โดยกำหนด เป้าหมายให้สามารถลดปริมาณการปล่อย CO2 ต่อหน่วยพลังงานไฟฟ้าในปี 2563 ให้อยู่ในระดับ 0.38- 0.42 kg/ kWh (ต่ำกว่าแผน PDP 2007 ฉบับปรับปรุงครั้งที่ 2 ในปัจจุบัน) การจัดหาไฟฟ้าในอนาคต 20 ปี (2553-2573) ประเทศไทยจะต้องมีกำลังการผลิต ไฟฟ้าใหม่ในช่วง ปี 2553-2573 ที่เพิ่มขึ้นจากกำลังการผลิตติดตั้ง ณ เดือนธันวาคม 2552 จำนวน 54,625 เมกะวัตต์ เพื่อรองรับความต้องการใช้ไฟฟ้าที่เพิ่มสูงขึ้น ประกอบด้วย โครงการรับซื้อไฟฟ้า จากพลังงานหมุนเวียน จำนวน 5,242 เมกะวัตต์ โครงการรับซื้อไฟฟ้าจาก SPP ระบบ Cogeneration 6,844 เมกะวัตต์ การรับซื้อไฟฟ้าจากต่างประเทศ 11,669 เมกะวัตต์ โครงการโรงไฟฟ้าพลังความร้อน ร่วม 15,870 เมกะวัตต์ โครงการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 5,000 เมกะวัตต์ และ โครงการโรงไฟฟ้าถ่านหิน 10,000 เมกะวัตต์

Outlook of Thailand’s renewable energy demand 4 Outlook of Thailand’s renewable energy demand 0.02 % 0.05 % 0.09 % 2011 2016 2022 15.6 % of energy demand in 2011 is “Alternative energy” Electricity -> 3273 MW Include wind energy 115 MW (0.02% of all energy demand) 19.1% of energy demand in 2016 is “Alternative energy” Electricity -> 4191 MW Include wind energy 375 MW (0.05% of all energy demand) 20.3% of energy demand in 2022 is “Alternative energy” Electricity -> 5,608 MW Include wind energy 800 MW (0.09% of all energy demand) 800 MW 375 MW 115 MW

Thailand’s wind turbine parts manufacturing capability 5 + รูปใบพัดกลุ่มอาจารย์ สนติพีร์ Maximum load of 8 kN.m Weight per blade 11.0 kg +- 0.05 percent Material of Fiber Glass Reinforced with Epoxy Bending test maximum full load 70 kg.m at Max. Deflection ~ 0.067 m. Double layer Poly-Urethane for UV protection and hard weather condition process

Future ? Adaptive blade Smart wing Self healing Shape memory Alloy

การศึกษาการตอบสนองทางพลวัตของการดัดงอของใบพัดกังหันลมในทิศทางตามลม 7 Research Topic: Determination of wind turbine blade flapwise bending dynamics การศึกษาการตอบสนองทางพลวัตของการดัดงอของใบพัดกังหันลมในทิศทางตามลม title

Flapwise ? 8

Failure : due to flapwise bending 9 Failure : due to flapwise bending Deformed support metal bracket for 2 meter span blade

Assumption Rigid body Steady aerodynamics Not true because Rigid body 10 Assumption Rigid body Simplification from bending theory Steady aerodynamics Not true because 1. wind speed difference due to height 2. blade flapping Rigid body Simplification from bending theory Steady aerodynamics Not true because 1. wind speed difference due to height 2. blade flapping

Rigid body wind turbine blade model 11 Rigid body wind turbine blade model Azimuth angle TOP VIEW Flapping angle [Image of model – showing azimuth angle and flapwise angle] Wind direction

Effects of unsteady aerodynamics 12 Effects of unsteady aerodynamics [Image of angle of attack of blade] [Image of effects of sinusoidal change in angle of attack frequency] Angle of attack Unsteady Sinusoidal change of AOA

Flapwise bending equation of motion 13 Flapwise bending equation of motion - นอกจาก Gravity / wind shear แล้ว ในสมการของเรามี feature อื่นๆอีกมั๊ย - ใส่สมการเข้าไปด้วย ถ้ายัดหน้าเดียวไม่ลงก็เพิ่มหน้าก็ได้ แล้ว ทำลูกศรชี้ไปแต่ละตัวในสมการว่า ตัวหนี้มาจาก gravity ตัวนี้มาจาก damping ฯลฯ

Flapwise bending equation of motion 14 Flapwise bending equation of motion Features 4. Flapping inertia natural frequency 3. Yaw 2. Cross wind 1. Lock number ใส่มาให้ครบ Offset Flapping spring constant Aerodynamic forces Mass moment of inertia Inertia forces Rotation

Flapwise bending equation of motion 15 Flapwise bending equation of motion 8. Wind shear 5. Gravity ครบ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 6. Azimuth angle 7. Axisymmetric flow term

Time Simulation solutions Flapping Angle 17 hinge spring constant = 50 x 106 N-m/rad wind velocity = 3 , 15 and 30 Flapping Angle Vary wind speed , fixed hinge spring = 50x10^6 N-m/rad Time

17 Simulation solutions Vary wind speed , fixed hinge spring = 50x10^6 N-m/rad

17 Simulation solutions Vary wind speed , fixed hinge spring = 50x10^6 N-m/rad

Maximum flapping angle Minimum flapping angle 18 Simulation solutions Flapping Angle Maximum flapping angle Minimum flapping angle ตรวจสอบแล้ว Wind speed Let hinge spring constant be 1 x106 N·m/rad

Let hinge spring constant be 50 x106 N·m/rad 19 Simulation solutions Let hinge spring constant be 50 x106 N·m/rad

Let hinge spring constant be 170 x106 N·m/rad 20 Simulation solutions Let hinge spring constant be 170 x106 N·m/rad

Bifurcation / flutter limit 21 Bifurcation / flutter limit Safe Rotation spring stiffness Unsafe ใช้ 2 tolerance อันแรก R/300 ตามของโบว์(คาน) >> ใบยาว 30 เมตร แอ่นตัวได้สูงสุด 0.1 เมตร >> 0.19 deg อันที่สอง R/180 ตามมาตฐานทั่วไปของตึก>> ใบยาว 30 เมตร แอ่นตัวได้สูงสุด 0.167 เมตร >> 0.32 deg Wind Speed

Definition & Assumptions Equation Of Motion Of Blade 16 Procedures Definition & Assumptions Equation Of Motion Of Blade Calculation Analysis Bifurcation Results Design & Operation Limit

Refining model Unsteady aerodynamic 22 Refining model Unsteady aerodynamic Non-rigid body blade with non – linear bending Lead – lag bending สมการเราตอนนี้มีอะไรขาดหายไป จะดัดแปลงยังไงเพื่อทำให้มันเหมือนจริงกว่านี้ ตัวอย่าง เช่น เปลี่ยน aerodynamics เป็นแบบ unsteady

Thank you for your attention 23 Thank you for your attention Chawin Chantharasenawong Mechanical Engineering Department KMUTT chawin.cha@kmutt.ac.th http://DrChawin.com