A megújuló energetika villamos rendszerei (BMEVIVEM262) Veszprémi Károly, Hunyár Mátyás, Vajda István BME Villamos Energetika Tanszék TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048
A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg
2. rész Szélerőművek
2
2-1. Alapfogalmak szélerőművekről
a./
b./
3
2-1. ábra. a./ Egy vízszintes tengelyű szélerőmű főbb részei b./ A gondola belseje
2-2.ábra. Vízszintes tengelyű szélturbinák.
4
2-3. ábra. Függőleges szélturbinák néhány típusa. ELSŐDLEGESEN HÚZÓERŐ TÍPUSÚ
ELSŐDLEGESEN EMELŐERŐ TÍPUSÚ
5
2-2. A levegőben (szélben) meglévő teljesítmény 2-2-1. Függőleges szélprofil 2-4. ábra. Az atmoszférikus határréteg szélsebesség profilja (és megoszlása)
6
2-2-2. A teljesítmény számítása
7
2-5.ábra. A szélerőművek méreteinek növekedése az idő függvényében.
2-3. A szélturbinából kivehető teljesítmény 2-3-1. A levegő jellemzőinek változása a szélturbinán való áthaladás során (2-6. ábra.)
A1
v1
A2
A3
x
v v1 v2 v3 x p
p+ 2
p = p 0
p = p 0
1
p2
8
3
x
2-3-2. Az impulzus elmélet F
I t
1 2 1 2
v 1 v 3 A 2 v 2 A 2 p 2 p 2
p1
1
v 3 p1
1
2 v1 2
2 2
2
2
v 2 p2
turbina előtt
turbina után
v 2 p2
ha v2=(1-a)v1, akkor az eredmény v3=(1-2a)v1 PT Fv 2 2 A 2 v 1 a 1 a 3
Teljesítmény tényező: a opt
9
1 3
2
CP
PT P0
C P max PT C P
1 2
4 a 1 a
16
2
0 ,593 0 ,6
27
Av
3
(2-6)
2-3-3. Gyorsjárási tényező
Rw λ= v1
10
2-7. ábra. A teljesítménytényező függése a gyorsjárási tényezőtől, a turbina típusától és a lapátszámtól.
2-8. ábra. A légáramlatok pályái egy háromlapátos szélturbina esetén.
11
2-3-4. A lapátok módosító hatása a légáramlatra
12
2-8. ábra. A légáramlatok pályái egy háromlapátos szélturbina esetén.
2-3-5. A lapátok szárnyszelvény alakjának és a szélirányhoz viszonyított szögének szerepe
2-9. ábra. A lapát egy elemi szárnyszelvényének kijelölése.
13
2-10. ábra. A lapát körüli légáramlat sebességei, erőhatásai.
vr =
14
2 v2ax + wT r + v2t
2
(2-10)
2-11. ábra. Az emelőerő és a visszahúzó erő tényezőinek változása a támadási szög függvényében. 1 2 ρv r t B r dr 2 r 1 2 dFV = CV α ρv r t B r dr 2 r dFE = CE α
(2-12)
Az ábrán:
CL CE CD CV L/D CE/CV 15
2-12. ábra. Az elemi szárnyszelvényre ható erők. 1 2 (2-13)
dFt r = ρvr2 r CE α sinδ − CV α cosδ t B r dr
M=z
CP =
16
R r R0
MwT P0
⋅ dFt (r)
(2-14)
(2-15)
2-13 ábra. A Cp teljesítménytényező változása a gyorsjárási tényező és a lapátszög függvényében.
17
2-4. Alapvető szabályozási feladatok
II. I. III.
2-14. ábra. A szélturbinák tipikus teljesítmény–szélsebesség és nyomaték-szögsebesség diagramjai. 18
2-14. ábra. A szélturbinák tipikus nyomaték-szögsebesség diagramjai.
19
2-5. Teljesítményszabályozás a turbina segítségével Region II I. tartomány Region IIIII. tartomány
II. tartomány: PT = PTN = áll. 1 2
PT =CP ρAv 3
20
2-15. ábra. Teljesítmény viszonyok a szélsebesség függvényében.
2-5-1. A szélkerék/gondola elforgatása *
1 2
PT =CP ρAcos(𝛾)v 3
21
(2-18)
2-16. ábra. A teljesítmény tényező változása a gondola szélirányból való elforgatása/elbillentése esetén.
2-17. ábra. A gondola belsejének részletei a forgató mechanizmussal.
22
2-5-2. A lapátszög változtatása
2-18. ábra. A lapátszög szabályozás elve.
23
2-19. ábra. Szervo igényű lapátszög szabályozás blokkvázlata.
M fék
a
SZP
ia
wa
PD
uv
SZW w
PI
SZI
i
u1 FV
K1 K2 K3
24
SZER
f1 PI
w
_1 s
2-20. ábra. A szélturbina-generátor főhajtás blokkvázlata lapátszög szabályozás esetén.
25
2-5-3. Stall szabályozás (speciális szárnyszelvény alkalmazása) tgδ = tg ϑ + α =
v2 rwt +v2t
≈
2 v1 3 rwt
(2-20)
2-21. ábra. A szélsebességek háromszöge, és jellegzetes szögek. 26
2-22. ábra. Adott szélsebesség felett örvénylés alakul ki a lapát hátoldalán.
27
2-23. ábra. A lapátszög szabályozás és stallszabályozás jelleggörbéinek összehasonlítása.
28
2-6. A ma használatos szélerőmű típusok A típ u s
Á tté te l
L á g y in d ító
T ra n s z fo rm á to r H á ló z a t
K a lic k á s a s z in k ro n g e n e rá to r K o n d e n z á to r te le p
B típ u s L á g y in d ító
T ra n s z fo rm á to r
Á tté te l
H á ló z a t
T e k e rc s e lt fo rg ó ré s z ű
(2-24. ábra)
a s z in k ro n g e n e rá to r K o n d e n z á to r te le p
F re k v e n c ia v á ltó
~
C típ u s Á tté te l
~ H á ló z a t T ra n s z fo rm á to r
T e k e rc s e lt fo rg ó ré s z ű a s z in k ro n g e n e rá to r
D típ u s
F re k v e n c ia v á ltó
Á tté te l
29
~ A s z in k ro n v a g y s z in k ro n g e n e rá to r
H á ló z a t
~ T ra n s z fo rm á to r
2-25. ábra. A kétoldali kényszer szemléltetése, és megszüntetésének lehetséges módjai.
v
S zél
o p t. ?
wT
PT*
PT 1
30
G en erátor
Á ttétel
T u rb in a P0
wG
fH fG
F .V . PH
PG 2
3
H Á L Ó Z A T
2-26. ábra. Kalickás forgórészű aszinkron generátor pólusszám változtatása szélerőművekben. A típus R
T
S C
C C
F á z is ja v ító k o n d e n z á to ro k
K3
K1 K2
K is g e n e rá to r K3 N a g y g e n e rá to r
K1 K2
K2
K1
31
K3
2-6-2. „B” típusú szélerőművek
2-27. ábra. A forgórészköri ellenállás változtatás kefenélküli megoldása. 32
2-6-3. „D” típusú szélerőművek
2-28a. ábra. Áttétel nélküli szélerőművek szinkron generátorai gyűrű alakú kivitelben készülnek. 33
2-28b. ábra. PT-wT jelleggörbe az I-es tartományban, frekvenciaváltó alkalmazása esetén.
I. tartomány: λopt = 34
Rwopt v1
= áll. → wopt ~v1
(2-21)
2-29. ábra. D típusú szélerőmű elvi blokkvázlata.
2-30. ábra. A generátor fölérendelt szögsebesség szabályozásának részlete. 35
2-31. ábra. A PT=PTn szabályozás munkapontjai frekvenciaváltós és lapátszög-szabályozás esetén.
36
2-6-4. „C” típusú szélerőművek
2-32. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítmény áramlásának tényleges irányai. 37
2-32. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítmény áramlásának tényleges irányai.
38
2-33. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor forgórészén áthaladó teljesítmény a szögsebesség függvényében.
39
2-34. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítményviszonyai a szinkron fordulatszám alatt (s=0,3).
40
2-35. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítményviszonyai a szinkron fordulatszám felett (s=-0,3).
41
2-6-5. A frekvenciaváltó áramirányítóinak lehetséges feladatmegosztása HÁ
T = G C
H álózat
T u rb in a
GÁ Ue
Tr
SZG IS Z M + M ezőor.szab .
PH a
Q
Ga
/ Usa
IS Z M + M ezőor.szab .
Uea
Q
Ha
S zab ályozók
A lap jelek
2-36. ábra. A „D” típusú szélerőmű áramirányítói közötti feladatmegosztás. 42
2-37. ábra. Az Ue feszültség állandósága jelzi a teljesítmények egyensúlyát.
43
G
T
a'
HÁ
GÁ C
AG
Ue Tr
IS Z M + M ezőor.szab .
PH a
44
H álózat
T u rb in a
2-38. ábra A „C” típusú szélerőmű áramirányítói közötti feladatmegosztás.
Q
Ha
IS Z M + M ezőor.szab .
Uea
Q
Ra
S zab ályozók
A lap jelek
2-7. Szélerőmű-hidrogén hibrid rendszer
2-39. ábra. A szélerőmű-hidrogén hibrid rendszer egy lehetséges elrendezése. 45
b)
a)
46
2-40. ábra. a) A lúgos elektrolizáló cella működésének alapelve. b) Egy elektrolizáló cella tipikus feszültségáram jelleggörbéi egy magasabb és egy alacsonyabb hőmérsékleten.
2-41. ábra. Feszültségcsökkentő DC/DC átalakító.
47
2-42. ábra. Üzemanyagcellák jellemző teljesítményei és alkalmazási területei.
48
2-43. ábra. Protonáteresztő membrános üzemanyagcella (PEMFC) elvi felépítése. I P o ró z u s
+
k a tó d
V íz
R
2 e-
T
U
2H
P o ró z u s
-
anód
+
T ü z e lő a n y a g
Levegő O2 K a ta liz á to r
H2 P ro to n á te re s z tő m e m b rá n , P E M
49
2-44.ábra. A PEM üzemanyagcella áramsűrűség függvényében.
50
feszültségei
az
2-45. ábra. Feszültségnövelő DC/DC átalakító.
L C Ü zem anyag c e lla
51
Ue
c e lla
2-46. ábra. Kétnegyedes DC/DC átalakító.
L C
A k k u m u lá to r
52
Ue
2-47. ábra. Szélenergián és hidrogén technológián alapuló hibrid erőmű.
53
2-48. ábra. A szélerőmű-hidrogén rendszer egy lehetséges működési stratégiája.
T e lje s ítm é n y
S z é ltu rb in a te lje s ítm é n y
H 2 te rm e lé s Ig é n y e lt te lje s ítm é n y
H iá n y Id ő
54
2-49.ábra. Szélfarm hidrogén tároló rendszerrel.
55
Irodalomjegyzék Betz,A: Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen, Göttingen. Vandenhoeck und Rubprecht, 1926. [2.2] Heier,S.: Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. John Wiley and Sons Chichester. 1998. [2.3] Johnson, G.L.: Wind Energy Systems Prentice-Hall, INC. Englewood Cliffs. New Jersey. 1985. [2.4] Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest, 2001. [2.5] Simoes, M.G., Bose, B.K., Spiegel, R.J.: Design and Performance Evaluation of Fuzzy-Logic-Based Variable-Speed Wind Generation System. IEEE Trans. on Ind.Appl. Vol.33, No.4. July/Aug. 1997. pp.956-964.. [2.6] Boyle,G,: Renewable Energy Power for a Sustainable Future. Oxford University Press, Oxford 1996. [2.7] Cadirci,I.,Ermis,M.: Double-output induction generator operating at subsynchronous and supersynchronous speeds: steady-state performance optimisation and wind-energy recovery. IEE Proc. B,1992, Vol.139, No.5, pp.429-442. [2.8] Quany, N.P., Dittrich,A.,Thieme,A.: Double fed induction machine as generator: control algorithms with decoupling of torque and power factor. Electrical Engineering, 1997, Vol. 80, pp. 325-335. [2.9] J.Larminie, A.Dicks: Fuel Cell Systems Explained 2006 John Wiley and Sons. [2.10] Spooner, E., Williamson, A.C.: Direct-coupled, permanent-magnet generators for wind turbine applications. IEE B, Electric Power Appl. 1996.Vol.143, No.1, pp.1-8... [2.11] Grauers,A.: Directly driven wind turbine generators. ICEM’96, Vigo, 1996. Proc.pp. 417-422. [2.1]
56
3. rész Vízerőművek turbinái és generátorai
57
vízerőművekről
3-1. táblázat Vízerőművek csoportosítása .
Csőturbina
58
3-1. ábra. A vízerőművek típusai az esésmagasság szerint.
59
3-2. Turbina típusok
3-2. ábra. A turbina járókerekének típusai. a./ Francis, b./ propeller, c./ Pelton, d./ Kaplan.
60
3-3. ábra. A Francis turbina szerkezete.
61
3-4. ábra. Egy propeller turbina keresztmetszete.
62
3-5. ábra. Egy körüláramoltatott generátorral készült csőturbinás erőmű keresztmetszete.
63
teljesítmény, jellemző fordulatszám
64
3-6. ábra. A különböző típusú turbinák alkalmazási tartományai a H-Q síkon.
3-4. Nagyteljesítményű vízerőművek generátorai 3-7a. ábra. Egy Francis turbina-generátor rendszer tipikus felépítése.
65
3-7a. ábra. Egy Francis turbina-generátor rendszer tipikus felépítése.
66
3-7b. ábra. A kefenélküli gerjesztés két lehetséges megoldása.
67
3-5. Vízturbinák szabályozása
3-8. ábra. Egy szokásos turbina fordulatszám szabályozásának blokkvázlata. 68
3-9.ábra. Az nyitás változtatása Finkgyűrű segítségével.
a)
69
3-10a. ábra. Egy Francis turbina MT-n diagramjai különböző nagyságú nyitások () esetében, és a hatásfok szintgörbéi az MT-n síkon. M T
70
3-10b. ábra. Modern vízerőmű mikroproceszoros irányítása,
71
3-6. Szivattyús-tározós vízerőművek
72
3-11. ábra. A szivattyús tározó működési elve. (Az energia- és folyadékáramlás iránya a tározó leürítésekor („1”-es) és a tározó feltöltésekor („2”-es).
3-12. ábra. Áramirányítós szinkron motor elvi kapcsolási vázlata.
73
3-13. ábra. Szivattyús tározású vízerőmű egyvonalas kapcsolásának részlete. A szinkron motorok indítása egyenként történik a tirisztoros frekvenciaváltóról (ÁSZM kapcsolás).
74
Irodalomjegyzék [3.1] [3.2] [3.3]
[3.4]
[3.5] [3.6] [3.7] [3.8]
75
Füzy,O.: Vízgépek. Tankönyvkiadó, Budapest, 1966. Godfrey, B.: Renewable Energy. Oxford University Press, Oxford 1998. Fostiak,R.J., Davis,H.R.: Electrical Features of the Rocky Mountain Pumped-Storage Project. IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol.9, No.1, March 1994.pp.206213. Li Zhao hui etc: Fault Tolerance Aspects of a Highly Reliable Microprocessor Based Water Turbine Governor. IEEE Trans on Energy Conversion, Vol.7, No.1, March 1992 Mosonyí,E.: Water Power Development. Vol.1. Low-Head Power Plants. Akadémiai Kiadó, Budapest 1987. Lakatos,K., Ötvös,P.: Vízenergia hasznosítás helyzete Magyarországon a 2000. évben. MTA Energetikai Bizottság. Megújuló Energetikai Technológiák Albizottság. Kertai,E.: Új lehetőség kis esésű vízerőművek gazdaságosabb kialakítására. A STRAFLO-turbina. Hidrológiai Közlöny. 62.évf. 10.szám. Budapest. 433-441.o. Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest, 2001.
4. rész Hőszivattyúk
76
4.1. Zárt ciklusú kompresszoros hőszivattyúk
4-1. ábra. Kompresszoros hőszivattyú működési elvének vázlata. 77
4-2. ábra. Teljesítménytényező a hőmérséklet különbség (T) függvényében.
78
4-3. ábra. Kompresszoros hőszivattyú energiafolyama villamos motoros hajtás esetében.
79
hőszivattyú belsőégésű hajtómotorral
80
4-4. ábra. Kompresszoros hőszivattyú energiafolyama gázmotoros hajtás esetén.
4-3. Kompresszoros hőszivattyúk osztályozása
81
4-5. ábra. Hőszivattyúzás talajvízből.
4-6. ábra. Hőszivattyúzás közvetlenül már hasznosított termálvíz továbbhűtésével.
4-7.ábra. Fűtőerőmű-hőszivattyú kombinált üzeme.
82
4-8. ábra. Klímaberendezés hőszivattyúval.
a./ Fűtési üzem,
83
b./ Hűtési üzem.
Irodalomjegyzék [4.1] [4.2] [4.3] [4.4] [4.5]
84
Godrey,B.: Renewable Energy, Oxford University Press. Oxford 1996. Onodi,A.: Hőszivattyúk I-II. Energiagazdálkodás, 27.k.1.sz. 1986. p.22-29, 27.k.2.sz. 1986.p.62-72. Jászay,T., Homola,V.: Jó hatásfokú ipari hőszivattyúzás hybrid hőszivattyúval. Energiagazdálkodás. 31.k.7/8.sz. 1990.p.325-332. Hajdú,Gy.: A hőszivattyú a jövő energiaforrása a Nap és Föld hőjének hasznosítása. Magyar Energetika, 2000.6.sz. 33-37,o, Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest, 2001.
85
