Wind EngineeringModule 6.1: Cost and Weight Models
Lakshmi N. Sankar
lsankar@ae.gatech.edu
1
Overview
In this module, we will briefly examine modelsfor estimating the cost of energy (in cents perKWhr) that the operator needs to charge.
We will look at two approaches
Engineering models based on weight and cost(This module 6.1)
Models suitable for hybrid power systems(Module 6.2)
2
Some Definitions
Debt: Money the operator borrows to financea wind turbine project
Interest on debt: Interest charged per year byfinance institution (expressed in percentage)
Equity: Funds the operator raises by issuingstocks
Return on equity: Return the share-holdersexpect on their investments (expressed inpercentage per $1 invested).
3
Definitions, continued..
AWCC: Average weighted cost of capital
Example:
20% equity
13% return on equity
80% loan
6.94% interest on loan
AWCC for this example is (0.20*13+0.80*6.94) =8.15%=0.0815
Inflation-adjusted AWCC = (AWCC-Inflation)/(1+Inflation).
For example if inflation is 3%, the inflation adjusted AWCCis (0.0815-0.03)/(1.03) = 0.05=5%
This is sometimes called discount rate.
4
Cost of EnergySource: NREL /TP-500-40566
5
Definition
FCR: fixed charge rate. It includes
AWCC (payment to the bank loan and equity holders)
Depreciation
Income tax
Property tax
Insurance
Other finance fees
6
Initial Capital Cost
Sum of turbine system cost for elements listed below + balance of station costs
7
Initial capital Cost (Continued..)
8
Annual operating Expenses
Include land lease, operation andmaintenance, cost of replacing or overhaulingparts.
Expressed in dollars per KWh.
9
Net Average Energy Production (AEP)Overview
Units are in KWh
We may view this as power production integrated over time for a wholeyear.
Here is a very crude description of how this is computed.
Power production depends on how hard wind blows and how often
It is assumed that the wind speed at a particular site has a Weibulldistribution.
This distribution gives the probability that the wind is blowing at a given speed
With some knowledge of the wind turbine power characteristics (rated power,peak Cp, tip speed ratio at which peak Cp occurs,  etc), power production atdifferent wind speeds is estimated.
This is multiplied by the Weibull probability that wind is blowing at that speed.
Summation is done over all the wind speeds.
The result is multiplied by 365  days x 24 hours/day
Capacity Factor = AEP / (Rated Power x 365 x 24) may also be computed.
See weibull_betz5_lswt_baseline.xls for example calculations.
10
Example: Turbine Capital CostNREL Report
11
Blade Cost
12
Example continued..We compare baseline and projected
Rating (kWs)
1500
1500
 
Baseline
Projected
 
Component
Component
Component
Costs $1000
Costs $1000
 
 
 
   Foundations
49
49
Transportation
51
51
Roads, civil works
79
79
Assembly & installation
51
51
Elect interfc/connect
127
127
Permits, engineering
33
33
BALANCE OF STATION COST (BOS)
388
388
 
 
 
Project Uncertainty
162
162
Turbine cost from previous slide 
 921
921 
Initial capital cost (ICC)
1,472
1,472
13
Other costs
 
Baseline
In $1000 
Projectedin$1000 
LEVELIZED REPLACEMENT COSTS (LRC)($10.7 per kW)
16
16
O&M $20/kW/Yr (O&M)
30
30
Land ($/year/turbine)
5
5
14
Example, continued..
We next computeprobability of windblowing at a particularspeed.
Weibull probabilityfunction is used.
This depends on aparameter called Kfactor, and wind speedat the hub.
15
Weibull Distribution
K: Shape factor
Changing k shiftsprobability to theleft or right.
 : Scale parameter
In our example, k= 2
 = Wind Speed atthe hub
16
Efficiency of the Turbine
We next compute efficiencyof the turbine when itoperates at power other thanrated power.
If field data is available, it isused.
Otherwise a simple logic isused:
17
Hub Power
If wind velocity is less thancut-in speed, hub power iszero.
If wind velocity less thanrates speed it is found from
At higher than rated speeds,rated power is used.
At greater than cutoutspeeds, power is zero.
The hub power, whenmultiplied by Weibullprobability and efficiency ,gives turbine energy  outputat that speed.
18
Annual Energy Production
  Other losses may include electrical system losses
   We divide by 4 because the wind speeds are binned (or grouped by
     ¼ m/sec  increments.
    We will find power, for example at 2, 2.25, 2.50, and 2.75 m/sec and take
      the average.
      365 x 24 is 8760
19
Cost of Energy
Once all theinformation isavailable, we canfind the cost ofenergy per KWh.
20