Diseño de una turbina experimental de vapor de baja potencia.

Este trabajo se enfoca en el diseño de una turbina de vapor de carácter experimental para simular, en un laboratorio de transferencia térmica, la dinámica propia de una turbina de mayor tamaño en el circuito secundario de un ciclo de potencia. La máquina diseñada produciría 185 kW de potencia en el eje a 9.000 RPM con un rendimiento interno del 88 %, tomando en la entrada 0,4 kg/s de vapor saturado a 40 bar y descargando a una presión de 1,5 bar. Se desarrolló la teoría de turbomáquinas necesaria para realizar los cálculos fuidodinámicos y se propuso un método de diseño apropiado para el alcance del trabajo. Se decidió que la turbina sería de tres etapas, dos Curtis y una de impulso, y se realizaron los cálculos correspondientes. Una vez que el diseño fluidodinámico estaba definido, se procedió a dimensionar los distintos elementos mecánicos, con el alcance correspondiente a ingeniería conceptual y básica. Se realizaron detalladamente los cálculos propios del dimensionado del rotor (eje y discos), rodamientos, carcasa, válvula de seguridad de presión y asociados. Además se presentó el diseño conceptual de los elementos restantes, sistema de control y otros auxiliares. Finalmente, se realizaron los modelos en software 3D de todas las piezas y se produjeron los planos correspondientes.

Integración de aerogeneradores de baja potencia en la red de baja tensión

[EN] The current energy model is unsustainable economically, environmentally and socially forcing develop renewable technologies that modify the concept to the responsible use. The use of low-power wind turbines has generally been limited to isolated which has slowed their development systems. The study addresses this technological niche to deepen their study of integration of electricity on a low voltage network. For this first wind potential with Homer software is evaluated. Various scenarios are simulated in "The IEEE European Test Low Voltage Feeder" network using the software OpenDSS widely used in studies of Generation Distributed by EPRI (Electric Power Research Institute).

Renar och vindkraft II : Vindkraft i drift och effekter på renar och renskötsel

Utbyggnaden av vindkraft inom renskötselområdet har ökat markant det senaste decenniet, trots att kunskapen om påverkan av vindkraftsetableringar ännu inte är fullt utredd och dokumenterad. I den här rapporten beskriver vi framförallt hur vindkraftparker i driftsfas påverkar renarna och renskötseln i tre olika områden. I Malå sameby har vi studerat kalvningsområdet kring Storliden och Jokkmokkslidens vindkraftparker. I Vilhelmina Norra sameby har vi studerat vinterbetesområdet kring Stor-Rotlidens vindkraftpark, samt Lögdeålandets betesområde med Gabrielsbergets vindkraftpark som används av Byrkije reinbetesdistrikt från Norge. För att få en helhetsbild av hur renarna använder sitt betesområde är det viktigt att studera renarnas betes- och förflyttningsmönster långsiktigt och över hela deras betesområde och inte bara inom det lokala området nära parken. Det är också viktigt att ta hänsyn till att renarnas betesutnyttjande skiftar från år till år och mellan olika årstider beroende på väderlek och andra yttre förutsättningar. Vi vill också understryka vikten av att kombinera den traditionella kunskapen från renskötarna med vedertagna vetenskapliga analysmetoder för att besvara de frågor som är viktiga för att kunna bedriva en hållbar renskötsel. Vi har undersökt renarnas användning av områdena genom att utföra spillningsinventeringar under åren 2009-2015 (endast i Malå sameby), och genom att följa renar utrustade med GPS-halsband under åren 2005-2015. Datat är insamlat före och under byggfas och under driftsfas (för Gabrielsberget finns GPS-data endast för driftsfasen). Vi har analyserat data genom att utveckla statistiska modeller för val av betesområde för varje område där vi har beräknat hur renarna förhåller sig till vindkraftparksområdet före, under och efter byggnation, och på Gabrielsberget när parken varit avstängd under 40 dagar och under drift vid olika renskötselsituationer. Genom intervjuer, möten och samtal, samt information från Gabrielsbergets vindkraftparks kontrollprogram, har vi tagit del av renskötarnas erfarenheter av hur renarnas beteende, och därmed även renskötseln, påverkats av vindkraftsutbyggnaden i respektive område. Våra resultat visar att renarna både på kalvnings- och på vinterbetesområden påverkas negativt av vindkraftsetableringarna (Tabell a). Renarna undviker att beta i områden där de kan se och/eller höra vindkraftsverken och föredrar att vistas i områden där vindkraftverken är skymda. I kalvningsområdet i Malå ökade användningen av skymda områden med 60 % under driftsfas. I vinterbetesområdet på Gabrielsberget, när renarna utfodrades i parken och kantbevakades intensivt för att stanna i parkområdet under driftsfas, ökade användningen av skymda områden med 13 % jämfört med när de inte var utfodrade och fick ströva mer fritt. Resultaten visar också att renarna minskar sin användning av området nära vindkraftparkerna. I kalvningslandet i Malå minskar renarna sin användning av områden inom 5 km från parkerna med 16-20 %. Vintertid vid Gabrielsbergets vindkraftpark undvek renarna parken med 3 km. Våra resultat visar även att renarnas betesro minskar inom en radie på 4 km från vindkraftparkerna under kalvningsperioden och tiden därefter i jämförelse med perioden före byggfas. Exakta avstånd som renarna påverkas beror på förutsättningarna i respektive område, exempelvis hur topografin ser ut eller om området är begränsat av stängsel eller annan infrastruktur. Förändringarna i habitatutnyttjande i våra studieområden blev tydligare när parkerna var centralt belägna i renarnas betesområde, som i kalvningsområdet i Malå eller i vinterbeteslandet på Gabrielsberget, medan det inte var lika tydliga effekter kring Stor-Rotlidens park, som ligger i utkanten av ett huvudbetesområde. Oftast är snöförhållandena bättre ur betessynpunkt högre upp i terrängen än nere i dalgångarna, på grund av stabilare temperatur, vind som blåser bort snötäcket och mer variation i topografin. Därför kan etablering av vindkraftparker i höglänta områden försämra möjligheten att använda sådana viktiga reservbetesområden under vintrar med i övrigt dåliga snöförhållanden, vilka blir allt vanligare i och med klimatförändringarna. Våra resultat tyder inte direkt på att renarna påverkats negativt under dåliga betesvintrar men fler år av studier behövs för att ytterligare klargöra hur vindkraft påverkar renarna under dessa vintrar. Våra studier har visat att etablering av vindkraft har konsekvenser för renskötseln under både barmarkssäsongen och under vintern, men effekterna förmodas få störst inverkan inom vinterbetesområdet där det är svårt att hitta alternativa betesområden för renarna. Under sommaren är betestillgången oftast mindre begränsad och renarna kan lättare hitta alternativa områden. En direkt konsekvens av Gabrielsbergets vindkraftpark som är placerad mitt i ett vinterbetesområde har blivit att renarna behöver tillskottsutfodras och bevakas intensivare för att de inte ska gå ut ur området. När den naturliga vandringen mellan olika betesområden störs för att renarna undviker att vistas i ett område kan det leda till att den totala tillgången till naturligt bete minskar och att man permanent måste tillskottsutfodra, alternativt minska antalet renar. Annan infrastruktur som vägar och kraftledningar påverkar också renarna. Vid Storliden och Jokkmokksliden och vid Stor-Rotliden där data samlats in innan vindkraftparken uppfördes visar våra resultat att renarna undviker de omkringliggande landsvägarna redan innan parkerna etablerades. Vid Stor-Rotliden ökar dock renarna användningen av områden nära vägarna efter att parken är byggd. På Gabrielsberget, där vi endast har data under drifttiden, är renarna närmare vägarna (även stora vägar som E4) när renskötarna minskar på kantbevakningen för att inte hålla renarna nära parken. Detta ökar naturligtvis risken för trafikolyckor och innebär att renskötarna måste bevaka dessa områden intensivare. Sist i rapporten presenterar vi förslag till åtgärder som kan användas för att underlätta arbetet för renskötseln om det är så att en vindkraftpark redan är byggd. Några exempel på åtgärder som är direkt kopplat till parken är att stänga av vägarna in i vindkraftparken för att förhindra nöjeskörning med skoter och bil under den tiden renarna vistas i området samt tät dialog mellan vindkraftsbolag och sameby angående vinterväghållningen av vägarna till och inom vindkraftparken. Andra mer regionala åtgärder för att förbättra förutsättningarna för renskötselarbetet på andra platser för samebyn, kan vara att sätta stängsel längst större vägar och järnvägar (t.ex. E4:an eller stambanan) i kombination med strategiskt utplacerade ekodukter. Detta för att underlätta och återställa möjligheterna till renarnas fria strövning och renskötarnas flytt av renar mellan olika betesområden.   

Microturbinas em redes de abastecimento de água

Nos dias de hoje a sociedade exige níveis qualitativos de vida cada vez mais elevados, o que torna prioritária a conceção de sistemas eficientes, não poluidores, económicos e diversificados que permitam uma gestão integrada e racionalizada de recursos tão escasso como é o da água e da energia. Em sistemas de abastecimento de água, o uso de válvulas redutoras de pressão (VRP) visa a uniformização e controlo de pressões, promovendo uma perda de carga localizada que dissipa a energia hidráulica presente através da redução dos valores de pressão a jusante. Estas são fundamentais no controlo e redução de pressão. A utilização de microturbinas é uma alternativa sustentável para o controle de pressão e, simultaneamente, para a produção de energia elétrica. Trata-se de um método de mitigação para controlar as perdas referidas convergindo no âmbito da eficiência energética. Na perspetiva de promover um aproveitamento de energia nas redes de abastecimento de água, o presente trabalho sugere a substituição de válvulas redutoras de pressão (VRP) por microturbinas. Desse modo, apresenta-se um método automático de seleção de (i) local para implementação e (ii) projeto de microturbinas para sistemas de abastecimento de água. Para a modelação do funcionamento dos sistemas hidráulicos recorre-se ao simulador hidráulico EPANET. Esta ferramenta possibilita avaliação de caudais e pressões em todos os pontos da rede durante um determinado intervalo de tempo. A metodologia desenvolvida permite selecionar o local ideal no sistema hidráulico através de uma análise de cada secção conduta-nó escolhendo-se a melhor opção baseada na produção de energia. Depois da localização procede-se à seleção do tipo de turbina (Kaplan, Francis, Pelton e Cross-flow) que vai depender das características do sistema hidráulico. Na etapa seguinte apresenta-se os resultados obtidos pela turbina nomeadamente a produção de energia elétrica anual, o investimento necessário, o tempo de retorno e a rentabilização ao final de um período de 25 anos. Na última etapa da metodologia, de forma avaliar o comportamento do sistema final, realiza-se uma nova simulação da rede mas tendo em conta a introdução da microturbina no local. Apresentam-se alguns casos de estudo que validam a ferramenta desenvolvida. A metodologia desenvolvida é comparada com um caso de estudo real. Em ambos os exemplos simulados a metodologia aplicada permite obter soluções com ganhos energéticos significativos associados ao sistema. Apenas num dos exemplos se observaram que a implementação da microturbina no sistema hidráulico não seria economicamente rentável.

Investigation expérimentale du décollement dans l’aspirateur d’une turbine bulbe

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence.

Diseño de una turbina experimental de vapor de baja potencia.

Este trabajo se enfoca en el diseño de una turbina de vapor de carácter experimental para simular, en un laboratorio de transferencia térmica, la dinámica propia de una turbina de mayor tamaño en el circuito secundario de un ciclo de potencia. La máquina diseñada produciría 185 kW de potencia en el eje a 9.000 RPM con un rendimiento interno del 88 %, tomando en la entrada 0,4 kg/s de vapor saturado a 40 bar y descargando a una presión de 1,5 bar. Se desarrolló la teoría de turbomáquinas necesaria para realizar los cálculos fuidodinámicos y se propuso un método de diseño apropiado para el alcance del trabajo. Se decidió que la turbina sería de tres etapas, dos Curtis y una de impulso, y se realizaron los cálculos correspondientes. Una vez que el diseño fluidodinámico estaba definido, se procedió a dimensionar los distintos elementos mecánicos, con el alcance correspondiente a ingeniería conceptual y básica. Se realizaron detalladamente los cálculos propios del dimensionado del rotor (eje y discos), rodamientos, carcasa, válvula de seguridad de presión y asociados. Además se presentó el diseño conceptual de los elementos restantes, sistema de control y otros auxiliares. Finalmente, se realizaron los modelos en software 3D de todas las piezas y se produjeron los planos correspondientes.

Tests of the fatigue strength of steam turbine blade shapes : a report

Cover title.

An Acoustic Analysis of Valveless Pulsejet Engines

Valveless pulsejets are extremely simple aircraft engines; essentially cleverly designed tubes with no moving parts. These engines utilize pressure waves, instead of machinery, for thrust generation, and have demonstrated thrust-to-weight ratios over 8 and thrust specific fuel consumption levels below 1 lbm/lbf-hr – performance levels that can rival many gas turbines. Despite their simplicity and competitive performance, they have not seen widespread application due to extremely high noise and vibration levels, which have persisted as an unresolved challenge primarily due to a lack of fundamental insight into the operation of these engines. This thesis develops two theories for pulsejet operation (both based on electro-acoustic analogies) that predict measurements better than any previous theory reported in the literature, and then uses them to devise and experimentally validate effective noise reduction strategies. The first theory analyzes valveless pulsejets as acoustic ducts with axially varying area and temperature. An electro-acoustic analogy is used to calculate longitudinal mode frequencies and shapes for prescribed area and temperature distributions inside an engine. Predicted operating frequencies match experimental values to within 6% with the use of appropriate end corrections. Mode shapes are predicted and used to develop strategies for suppressing higher modes that are responsible for much of the perceived noise. These strategies are verified experimentally and via comparison to existing models/data for valveless pulsejets in the literature. The second theory analyzes valveless pulsejets as acoustic systems/circuits in which each engine component is represented by an acoustic impedance. These are assembled to form an equivalent circuit for the engine that is solved to find the frequency response. The theory is used to predict the behavior of two interacting pulsejet engines. It is validated via comparison to experiment and data in the literature. The technique is then used to develop and experimentally verify a method for operating two engines in anti-phase without interfering with thrust production. Finally, Helmholtz resonators are used to suppress higher order modes that inhibit noise suppression via anti-phasing. Experiments show that the acoustic output of two resonator-equipped pulsejets operating in anti-phase is 9 dBA less than the acoustic output of a single pulsejet.

Wind Farm Facilities in Germany Kill Noctule Bats from Near and Far

Over recent years, it became widely accepted that alternative, renewable energy may come at some risk for wildlife, for example, when wind turbines cause large numbers of bat fatalities. To better assess likely populations effects of wind turbine related wildlife fatalities, we studied the geographical origin of the most common bat species found dead below German wind turbines, the noctule bat (Nyctalus noctula). We measured stable isotope ratios of non-exchangeable hydrogen in fur keratin to separate migrants from local individuals, used a linear mixed-effects model to identify temporal, spatial and biological factors explaining the variance in measured stable isotope ratios and determined the geographical breeding provenance of killed migrants using isoscape origin models. We found that 72% of noctule bat casualties (n = 136) were of local origin, while 28% were long-distance migrants. These findings highlight that bat fatalities at German wind turbines may affect both local and distant populations. Our results indicated a sex and age-specific vulnerability of bats towards lethal accidents at turbines, i.e. a relatively high proportion of killed females were recorded among migratory individuals, whereas more juveniles than adults were recorded among killed bats of local origin. Migratory noctule bats were found to originate from distant populations in the Northeastern parts of Europe. The large catchment areas of German wind turbines and high vulnerability of female and juvenile noctule bats call for immediate action to reduce the negative cross-boundary effects of bat fatalities at wind turbines on local and distant populations. Further, our study highlights the importance of implementing effective mitigation measures and developing species and scale-specific conservation approaches on both national and international levels to protect source populations of bats. The efficacy of local compensatory measures appears doubtful, at least for migrant noctule bats, considering the large geographical catchment areas of German wind turbines for this species.

Étude expérimentale de l'écoulement en entrée d'aspirateur d'une turbine bulbe

Ce mémoire présente l’étude expérimentale de l’écoulement d’entrée d’un aspirateur d’une turbine bulbe présentant une chute abrupte de performance. Des mesures par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) ont été réalisées sur deux axes soit en aval des pales de la roue et en aval du moyeu de la roue. Une particularité de cette étude est la conception d’un montage permettant de mesurer la vitesse axiale proche de la paroi du cône. De plus, une méthode d’estimation de la vitesse radiale moyenne a été développée. Ces mesures ont permis de caractériser l’écoulement primaire et les écoulements secondaires et d’analyser leur évolution entre les deux axes. De plus, l’évolution de ces écoulements est analysée en fonction de la chute de performance de la turbine. Les principales particularités de l’écoulement sont la présence d’une recirculation sous le moyeu, d’une zone contrarotative, des sillages des directrices et des tourbillons de bout de pale.

Identificação do potencial renovável para produção de electricidade na perspectiva da microgeração

Tese submetida à Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências e aprovada em provas públicas para a obtenção do Grau de Doutor em Energia e Ambiente (especialidade em Energia e Desenvolvimento Sustentável).

Wave and turbulence measurements at a tidal energy site

This work presents the analysis of wave and turbulence measurements collected at a tidal energy site. A new method is introduced to produce more consistent and rigorous estimations of the velocity fluctuations power spectral densities. An analytical function is further proposed to fit the observed spectra and could be input to the numerical models predicting power production and structural loading on tidal turbines. Another new approach is developed to correct for the effect of the Doppler noise on the high frequencies power spectral densities. The analysis of velocity time series combining wave and turbulent contributions demonstrates that the turbulent motions are coherent throughout the water column, rendering the wave coherence-based methods not applicable to our dataset. To avoid this problem, an alternative approach relying on the pressure data collected by the ADCP is introduced and shows appreciable improvement in the wave-turbulence separation.

Detached eddy simulation of unsteady turbulent flows in the draft tube of a bulb turbine

Les aspirateurs de turbines hydrauliques jouent un rôle crucial dans l’extraction de l’énergie disponible. Dans ce projet, les écoulements dans l’aspirateur d’une turbine de basse chute ont été simulés à l’aide de différents modèles de turbulence dont le modèle DDES, un hybride LES/RANS, qui permet de résoudre une partie du spectre turbulent. Déterminer des conditions aux limites pour ce modèle à l’entrée de l’aspirateur est un défi. Des profils d’entrée 1D axisymétriques et 2D instationnaires tenant compte des sillages et vortex induits par les aubes de la roue ont notamment été testés. Une fluctuation artificielle a également été imposée, afin d’imiter la turbulence qui existe juste après la roue. Les simulations ont été effectuées pour deux configurations d’aspirateur du projet BulbT. Pour la deuxième, plusieurs comparaisons avec des données expérimentales ont été faites pour deux conditions d’opération, à charge partielle et dans la zone de baisse rapide du rendement après le point de meilleur rendement. Cela a permis d’évaluer l’efficacité et les lacunes de la modélisation turbulente et des conditions limites à travers leurs effets sur les quantités globales et locales. Les résultats ont montrés que les structures tourbillonnaires et sillages sortant de la roue sont adéquatement résolus par les simulations DDES de l’aspirateur, en appliquant les profils instationnaires bidimensionnels et un schéma de faible dissipation pour le terme convectif. En outre, les effets de la turbulence artificielle à l’entrée de l’aspirateur ont été explorés à l’aide de l’estimation de l’intermittence du décollement, de corrélations en deux points, du spectre d’énergie et du concept de structures cohérentes lagrangiennes. Ces analyses ont montré que les détails de la dynamique de l’écoulement et de la séparation sont modifiés, ainsi que les patrons des lignes de transport à divers endroits de l’aspirateur. Cependant, les quantités globales comme le coefficient de récupération de l’aspirateur ne sont pas influencées par ces spécificités locales.

The impact of the MARINET initiative on the development of Marine Renewable Energy

Marine Renewable Energy Conversion systems comprise wave energy and tidal stream converters as well as offshore-wind turbines for electrical generation. These technologies are currently at different stages of development but are mostly at the pre-commercial stage and require research to be undertaken at a series of scales along the path to commercialization. However each of these technologies also needs specific research infrastructures in order to conduct this research. The aim of the MARINET initiative is to coordinate research and development at all scales (small models through to prototype scales, from laboratories through to open sea tests) and to allow access for researchers and developers to infrastructures which are not available universally in Europe, including test facilities for components such as power take-off systems, grid integration, moorings and environmental monitoring so as to ensure a focusing of activities in this area. The initiative offers researchers and developers access to 45 research facilities as well as to the associated network of expertise at all scales in Offshore Marine Renewable Energy technology research and development. The aim of this paper is to present this MARINET initiative that was started in 2011, bringing together a network of 29 partners spread across twelve countries. Details of the MARINET Transnational Access (TA) program are presented, for which over 260 applications were received throughout the 5 official calls for proposals. In particular, statistics on applications and completed projects are presented which provide an overview of the global development progress of the different offshore renewable energy conversion technologies at a European level. It also provides a good overview of the current research activity, as well as evidence of the requirement for specialised research facilities, in this burgeoning field.