ABSTRAKT: KLÍČOVÁ SLOVA: energie, alternativní, generátor, vítr, Savonius, rotor, převod, brzda ABSTRACT:

ABSTRAKT: Práce je zaměřena na návrh alternativního zdroje energie a jeho využívání v chatové oblasti do 1 kW. Popisuje výhody a nevýhody jednotlivých možných alternativ zdrojů elektrické energie. Závěrečná část práce pojednává o stavbě vytypovaného zařízení a kompozici jednotlivých prvku konstrukce. KLÍČOVÁ SLOVA: energie, alternativní, generátor, vítr, Savonius, rotor, převod, brzda

ABSTRACT: The labour is targeted the design of an alternative power source and it`s exploitation in a cottage area to the output of 1 kW. It describes the advantages and disadvantages of a particular possible alternatives of each electric power source. Final part of the labour deals with a construction of the selected system and the composition of the particular parts of construction. KEY WORDS: energy, alternative, generator, wind, Savonius, rotaty, gear, brake

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE: HORÁK, K. Návrh řešení malého alternativního zdroje elektrické energie. Brno, VUT-FSI., 2007, 48 s.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.

…………………… Datum

…………………………………. Podpis bakaláře

Poděkování Děkuji tímto panu Ing. Jiřímu Venclíkovi, Dr. za cenné připomínky a rady při vypracování bakalářské práce.

OBSAH

OBSAH

OBSAH 1 ZÁKLADNÍ ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE 1.1 Využití vodní energie 1.1.1 Elektrárny s vodními koly 1.1.2 Elektrárny s vodními turbínami 1.2 Využití sluneční energie 1.3 Využití větrné energie 1.4 Využití dalších alternativních zdrojů 1.6 Výběr vhodné varianty řešení 2 SAVONIŮV ROTOR A JEHO UMÍSTĚNÍ 3 ZÁKLADNÍ PRVKY ZAŘÍZENÍ 3.1 Rotor dle koncepce Savonius 3.2 Převodového ústrojí 3.3 Elektrický generátor 3.4 Přídavné prvky zařízení 4 NÁVRH USPOŘÁDÁNÍ JEDNOTLIVÝCH PRVKŮ 5 VOLBA KONKRÉTNÍCH PRVKŮ A VÝPOČET ROTORU 5.1 Návrh a výpočet rotoru 5.2 Návrh generátoru 5.3 Návrh převodového mechanismu 5.4 Návrh uložení hřídele rotoru 5.5 Návrh pružné spojky 5.6 Návrh brzdy 6 ZÁVĚR 7 LITERATURA 8 SEZNAMY 8.1 Seznam obrázků 8.2 Seznam tabulek 8.3 Seznam grafů 8.4 Seznam příloh

15 15 16 16 17 20 23 24 26 28 28 30 31 31 33 34 34 36 38 41 41 43 44 45 46 46 46 46 47

strana

13

ÚVOD

ÚVOD

ÚVOD Za elektrický zdroj se obvykle pokládá zařízení, které přeměňuje nějaký druh energie na energii elektrickou. Jako výchozí energii lze například považovat energii mechanickou, v podobě konání práce na hřídeli, nebo energii chemickou, uvolňující se při průběhu elektrochemických reakcí, tak i energii jadernou, elektromagnetickou, geotermální, větrnou a mnohé další. Z tohoto hlediska je proto možné elektrické zdroje rozdělit na tak zvané tradiční, které získávají energii ve většině případů spalováním fosilních a jaderných paliv, a na alternativní, které jí získávají ze zdrojů často nazývaných jako obnovitelné. Používání alternativních zdrojů energie je i jedním z klíčových bodů energetické politiky Evropské unie, neboť se jedná o poměrně levné a hlavně ekologicky čisté zdroje. Z tohoto důvodu se většina států snaží o co nejvyšší podíl takto ekologicky vyrobené energie. Současný plán České republiky slibuje do roku 2010 celých 8% z celkové výroby elektřiny. Pro mnohé se toto číslo může zdát poněkud nízké, avšak s uvážením veškerých faktů, mezi která patří v prvé řadě vliv okolních podmínek, protože ne každé zařízení je schopné pracovat na jakémkoli stanovišti, se jedná o číslo stanovené s trochou nadsázky, avšak nikoli nereálné. Příkladem reagujícím velmi ostře na změnu polohy stanoviště může být například větrná elektrárna, jejíž výkon závisí na síle větru dokonce s třetí mocninou, ale k tomu se vrátíme později. Podobně je tomu i u ostatních alternativních zdrojů, ať se jedná o fotovoltaický systém nebo vodní elektrárnu. Úkolem této práce je volba a návrh vhodného alternativního zdroje pro chatovou oblast, který se svým výkonem jednoho kilowattu řadí mezi tak zvaná malá zařízení. Svému provozovateli by měl zajistit nezávislost na elektrické síti a měl by být spolehlivým řešením v každém ročním období. První část práce se tedy věnuje přehledu a volbě vhodného zařízení jako celku, v druhé části se poté nachází detailnější rozbor a návrh jednotlivých komponent zařízení.

strana

14

ZÁKLADNÍ ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE

1 ZÁKLADNÍ ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE 1.1 Využití vodní energie

1 1.1

Zařízení přeměňující vodní energii na elektrickou se nazývá vodní elektrárna neboli hydrocentrála. Hlavní součástí vodní elektrárny je vodou roztáčená turbína, či vodní kolo, umístěné na téže hřídeli jako elektrický generátor. Mechanická energie proudící vody se tak mění na energii elektrickou. Aby měl vyráběný elektrický proud požadovaný kmitočet 50 Hz, musí se generátor otáčet konstantními otáčkami, což je zajištěno nastavitelným průtokem vody turbínou. Současně se v principu snadné propojení turbína - alternátor komplikuje poměrně náročným systémem regulačních prvků. V České republice nejsou přírodní poměry pro budování vodních děl příliš ideální, neboť většina toků nemá potřebný spád ani dostatečné množství vody. Proto je podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách poměrně nízký a činí přibližně 3%, což představuje asi 190MW. Z tohoto důvodu se vodní elektrárny používají spíše jako doplňkové zdroje primárních zdrojů (tzv. špičkový typ). Vodní elektrárny je možno rozdělit podle různých kriterií: 1. Dle instalovaného výkonu: - průmyslové – s výkonem nad 1 MW - minielektrárny – s výkonem do 1 MW - mikroelektrárny – s výkonem do 100 kW - domácí – s výkonem do 35 kW 2. Dle hospodaření s vodou: - průtočné – využívají přirozený průtok bez akumulace vody - akumulační – akumulují vodu a odebírají jí dle potřeby 3. Dle velikost spádu: - nízkotlaké – spád do 20 m - středotlaké – spád do 100 m - vysokotlaké – spád nad 100 m 4. Dle typu turbíny: - elektrárny s přímoproudou turbínou - elektrárny s kašnovou turbínou - elektrárny s turbínou Banki - apod. rozdělení přejato z [19] soubor „4.0_Vodní_energie.pdf“

Vodní elektrárny neznečišťují ovzduší, povrchové či podzemní vody, ani nedevastují krajinu. Jsou bezodpadové, nezávislé na dovozu surovin a vysoce bezpečné. Akumulační elektrárny navíc v mnohých případech stabilizují průtoky říčním korytem, chrání před povodněmi a podporují plavební možnosti toku. Nevýhodou výstavby velkých vodních elektráren jsou však relativně vysoké

strana

15


investiční náklady, poměrně dlouhá doba výstavby a často i výrazný zásah do ekologie krajiny. 1.1.1

1.1.1 Elektrárny s vodními koly Mají sice nižší účinnost v porovnání s turbinami, ale je možné je použít i pro velmi malé spády. V porovnání s turbínami mají některé výhody, ale i nedostatky. Vodní kola (viz obr.1) nejsou citlivá na přítomnost nečistot (listí, ledová tříšť), jsou však pomaloběžná a to komplikuje převod na generátor. Dle použitého kola se dělí na: 1) lopatkové – využívají pouze kinetickou energii vody 2) korečkové – využívají převážně potenciální energii vody

Obr. 1 Vodní kola na říčním toku

1.1.2

obrázek převzat z [16]

1.1.2 Elektrárny s vodními turbínami Vodní turbíny jsou ve své podstatě proudové motory, transformující kinetickou a tlakovou energii vody na mechanickou. Dnes jsou vodní turbíny technicky nejdokonalejší mechanické motory, přičemž dosahují účinnosti až 95% a jejich provoz je velice ekologický. Turbíny jsou rychloběžné a s dokonalou regulací jsou schopny udržet potřebné otáčky bez převodů. Funkce elektrárny využívající vodní turbínu je zřejmá z obr.2. Dle způsobu transformace se dělí na: 1) rovnotlaké – v rotoru zpracovávají pouze kinetickou energii při konstantním tlaku 2) přetlakové – v rotoru transformují jak kinetickou, tak i tlakovou energii Dle směru pracovního proudění je pak můžeme rozdělit na: 1) axiální (Kaplanova turbína) 2) radiální (pomaloběžná Francisova turbína) 3) radiaxiální (rychloběžná Francisova turbína) 4) diagonální (Deriazova turbína) 5) tangenciální (rovnotlaká Peltonova turbína) rozdělení přejato z [19] soubor „4.0_Vodní_energie.pdf“

strana

16


Obr. 2 Schéma vodní elektrárny


Výběr turbíny závisí na účelu a okolních podmínkách působících na vodní dílo. Nejčastěji se osazují turbíny reakčního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v nepřeberné paletě modifikací. Pro vysoké spády se používá akční Peltonova turbína. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá turbín s reverzním chodem. V malých vodních elektrárnách lze pak nalézt převážně malou Bankiho horizontální turbínu spolu s upravenou turbínou Francisovou. Mezi další typy vodních elektráren patří například vodní elektrárny přečerpávací, které využívají přebytku elektrické energie v době nízké spotřeby, dále pak elektrárny přílivové a elektrárny využívající energie mořských vln, jejichž správná funkce bezprostředně souvisí s umístěním v přímořských lokalitách. Ani jeden z těchto typů se tedy pro stavbu malé elektrárny v našich podmínkách nehodí a nemá cenu se jím dále zabývat. 1.2

1.2 Využití sluneční energie Získávání elektrické energie přímo ze slunečního záření je z hlediska životního prostředí nejčistším a nejšetrnějším způsobem její výroby. Ze sluneční energie lze rovněž získat i značné množství tepla, které se dále používá například pro ohřev vody ve venkovních bazénech, či samotné vytápění „ekologického domu“. Tento převod sluneční energie na tepelnou je v současné době výhodnější a rozšířenější, avšak nemá cenu se jím dále zabývat. Sluneční záření se na elektrickou energii převádí ve sluneční elektrárně (viz. obr.3) nebo v jiných systémech odpojených od napájecí sítě. Elektrická energie se ze sluneční získává dvěma hlavními způsoby – přímo nebo nepřímo. Přímá přeměna je založena na fotovoltaickém jevu, při kterém se v látkách působením fotonů (světelného záření) uvolňují elektrony z jedné strany destičky a plynule přecházejí na druhou (pochod elektrony – díry). Jsou-li na obě strany destičky připojeny elektrody a vzájemně propojeny vodičem, začne protékat elektrický proud.

strana

17


Fotovoltaický článek je tedy v podstatě polovodičová dioda, kdy na rozhraní materiálů P a N vzniká přechodová PN vrstva, v níž existuje elektrické pole vysoké intenzity.

Obr. 3 Sluneční elektrárna Solar One


Články se vyrábějí z monokrystalického a polykrystalického křemíku, ale nyní se nově objevuje i křemík amorfní, jenž je označován jako „materiál budoucnosti“. Jeho největší výhodou je schopnost nánosu vrstvy přibližně 0,5 nm, což zamezí zbytečným odrazům a ztrátám. Využívají se ale i mnohé další materiály, jako je germanium či selen. Sluneční články jsou poté zapojovány bud' sériově, nebo paralelně, čímž tvoří tzv. sluneční panely (viz obr.4). Ty jsou dále napojeny na soustavu dalších komponent, jako jsou akumulátorové baterie, regulátory, napěťové měniče, snímače Slunce a další. Tímto zapojením vzniká samotný fotovoltaický systém.

Obr. 4 Vrstvení solárního panelu

obrázek převzat z [11] strana

18


V současné době se těchto systémů využívá jednak ve slunečních elektrárnách, ale ve velké míře i k pohonu experimentálních vozidel a nově i letadel, nesoucích například antény, či satelity. Své opodstatnění mají i v kosmickém průmyslu, kde jsou takřka nezastupitelné. V převážné většině se tedy jedná o tzv. „grid off“ systémy, čili systémy nezávislé na elektrické síti. Při nepřímé přeměně je sluneční energie využívána k výrobě páry, která pohání parní turbínu a elektrický generátor vyrábějící elektrický proud. Sluneční záření je fokusováno pomocí odrazových zrcadel (heliostatů), či čoček do absorbéru, což je plochá deska s neodrazivým povrchem a trubicemi pro odvod teplonosného média. Za pomoci absorbéru dochází k výrobě páry o teplotě 500-600°C. Tyto elektrárny bývají často doplněny akumulátory tepla, aby byl umožněn provoz i v nepříznivém počasí. Při uvážení náročnosti a nákladnosti výroby fotovoltaických článků je vidět, že v současné době nemají tyto elektrárny velkou naději na život a čeká je ještě velmi dlouhý vývoj. Nepřímé přeměny je využíváno i u tzv. komínových elektráren (viz. obr.5), které jsou ve své podstatě kombinací větrné a sluneční elektrárny. Sluneční světlo zde ohřívá vzduch, který poté stoupá komínem vzhůru a roztáčí tak větrnou turbínu s generátorem elektrického proudu.

Obr. 5 Komínová elektrárna o výkonu 5 MW


Ať už se jedná o přeměnu přímou, či nepřímou, vždy vznikají problémy s malou plošnou koncentrací a proměnlivou intenzitou slunečního záření, což vyžaduje jeho akumulaci. Největší překážkou v České republice jsou však zatím vysoké pořizovací náklady a u systémů připojených na síť nízké výkupní ceny elektrické energie. V ČR je solární systém o výkonu 1 kW schopen vyrobit 9001000 kWh elektrické energie za rok, přičemž jeden metr čtvereční slunečních článků může v letní období vyprodukovat až 150 W stejnosměrného proudu. Nevýhodou je bohužel fakt, že množství dopadající sluneční energie, kromě zeměpisné polohy, polohy Slunce na obloze a ročním období, závisí i na sklonu strana

19


plochy, na které jsou solární panely umístěné. Technologie slunečních elektráren má teoreticky neomezený růstový potenciál a vyspělé státy s ní do budoucna počítají, i když jejich podíl na celkové produkci elektrické energie ve světě stále představuje pouze asi 0,01 %. V souladu s cíli EU by celkový instalovaný výkon solárních systémů v ČR měl do roku 2010 dosáhnout 84 MW. 1.3

1.3 Využití větrné energie Vítr je proudění vzduchu, které na Zemi vzniká z důvodu vyrovnávání tlakových rozdílů mezi tlakovou výší a níží. Pokud není uvedeno jinak, rozumí se pod pojmem vítr pouze horizontální složka proudění vzduchu. Česká republika je vnitrozemský stát s typicky kontinentálním klimatem, které se projevuje významným sezónním kolísáním rychlostí větru, přičemž právě ta je nejdůležitějším údajem při využívání větrné energie (tzv. eolické energie). Proto jsou při každé stavbě větrného zařízení vždy velmi důležité údaje o průměrné rychlosti větru během období (měřeno anemometrem), po kterou má zařízení spolehlivě pracovat. Tyto údaje poskytne Český meteorologický ústav, nebo je možné je vyčíst z již vydaných větrných map pro příslušnou oblast (viz obr.6). Důležitý je i rychlostní profil proudění, který udává rychlosti proudění v závislosti na vzdálenosti od povrchu Země.

Obr. 6 Větrný atlas České republiky


Větrná energie se využívá již od pradávna a byla převážně přeměňována ve větrných mlýnech na energii mechanickou. V dnešní době se využívá hlavně transformace na energii elektrickou, avšak v rozvojových zemích, ale i v USA, se vítr používá i k čerpání vody z hlubokých vrtů. Společně s vodní a sluneční energií patří mezi nejrozšířenější formy využívání alternativních zdrojů. Princip větrné elektrárny je založen na transformaci energie větrného proudu na mechanickou energii rotujícího hřídele generátoru. Se vzrůstající rychlostí aerodynamického proudu roste velikost vztlakových sil s druhou mocninou rychlosti větru a energie vyprodukovaná generátorem dokonce strana

20


s mocninou třetí. Spojením několika větrných zařízení vzniká větrná farma. Větrné elektrárny se dobře uplatňují především v oblastech se silným a hlavně pravidelným větrným prouděním (rychlost větru musí dosahovat minimálně 5 m/s). Mezi takovéto lokality patří především horské a přímořské oblasti. Největšími výrobci větrné energie v Evropě jsou Dánsko a Německo a současně vyrábí i velmi pokroková a hlavně spolehlivá zařízení, která lze nalézt po celém světě. V České republice dosahuje výkon větrných elektráren přibližně 2% z celkové výroby. Rozdělení větrných elektráren: Podle aerodynamického principu: a) vztlakové - vítr obtéká lopatku, mající tvar podobný letecké vrtuli, tím vzniká vztlaková síla, uvádějící rotor do pohybu. b) odporové - vítr se opírá do lopatky, ta mu klade odpor a tak se vytváří síla, která lopatkou otáčí. Podle typu rotoru na elektrárny: a) se svislou osou rotace - Darrielův rotor – využívá se pro výrobu stejnosměrného i střídavého proudu a jeho účinnost dosahuje až 38%. Skládá se zpravidla ze dvou, či více rotorových listů, umístěných na společné svislé ose, které mohou za rotace tvořit válcovou, kuželovou, kulovou nebo parabolickou plochu. - Savoniův rotor – využívá se pro výrobu stejnosměrného, ale i střídavého proudu při účinnosti až 30%. Rotor je tvořen dvěma navzájem přesazenými plochami tvaru půlválců, které využívají tzv. Robinsonova jevu. Jeho podstata spočívá v tom, že odpor vyduté části polokoule je skoro 4x větší než odpor části vypuklé, a proto dochází k rotaci. Hlavní výhodou tohoto rotoru je cena a snadná konstrukce.

Obr. 7 Darrielův rotor v kombinaci se Savoniovým rotorem


strana

21


V praxi se s výhodou používá i kombinace obou rotorů současně (viz obr.7), kdy Savoniův rotor zajistí hladký rozběh a Darrielův rotor vyšší účinnost. Zpravidla se dá říci, že tyto rotory dosahují vyšší rychlosti otáčení a tím i vyšší účinnosti. Rovněž není nutné jejich natáčení do převládajícího směru větru. Bohužel dochází k vysokému dynamickému namáhání, které snižuje jejich životnost, a proto se v praxi příliš nevyužívají. b) s horizontální osou rotace - větrné vrtule – jedná se o rychloběžný typ větrného zařízení, jehož účinnost se pohybuje okolo 45%. Hlavní využití spočívá ve výrobě elektřiny, kde se spolehlivě uplatňují třílopatkové rotory. Využití čtyč-, dvou- a jednolopatkových rotorů lze nalézt spíše u „domácích kutilů“ než v průmyslové výrobě. - lopatková kola – tento typ patří mezi pomaloběžná zařízení a používá se především k čerpání vody z hlubokých studní. Počet lopatek se ve většině případů pohybuje mezi deseti až třiceti, avšak nemusí to být nutným pravidlem. Tento rotor dosahuje účinnosti 20-40% a jeho stavba je zřejmá z obr.8. Podle použití v závislosti na připojení do elektrické sítě na: a) „grid on“ systémy – jedná se o zařízení připojená na elektrickou síť a dodávající do ní energii. Využívají se v místech se silným, ale hlavně stálým větrným prouděním, a to hlavně pro komerční účely. Jejich potenciální výkon se pohybuje v řádu kilowatt až megawatt. b) „grid off“ systémy – jedná se o tzv. autonomní zařízení, která jsou nezávislá na elektrické síti. Většinou jsou napojeny na akumulátory stejnosměrného proudu, a často bývají navíc doplněny fotovoltaickým systémem. Jejich výkon se pohybuje od 0,1 do 5kW.

Obr. 8 Větrné lopatkové kolo

obrázek převzat z [3] strana

22


Podle instalovaného výkonu na elktrárny: a) malé - s výkonem do 20 kW - „grid off“ systémy používané v uzavřených lokalitách bez rozvodné sítě b) střední - s výkonem od 20 do 50 kW c) velké - s výkonem od 50 kW - většinou „grid on“ systémy napojené na síť Budování větrných elektráren je velice ekologické, neboť neprodukují žádné odpadní látky (SO2, CO2, popel, …) a tím nenarušují životní prostředí. Doba výstavby těchto zařízení je velice krátká a plného výkonu mohou dosahovat ihned po uvedení do provozu. Energie větru je navíc obnovitelná a nevyčerpatelná. Právě toto představuje hlavní pozitiva výstavby větrných zařízení. Vedle nich lze nalézt ale i spoustu negativ. Jedním z nich je například velký záběr zemědělské půdy při výstavbě větrných farem. Ty v mnohých případech zabírají plochy o rozlohách několika tisíc km2 a výrazně tak narušují ráz okolní krajiny. Často bývá kritizován i hluk, vznikající při provozu ve strojovně, a hluk aerodynamický, vznikající interakcí proudícího vzduchu s povrchem listů rotoru. Další nevýhodou jsou poměrně vysoké náklady na stavbu, jejichž návratnost závisí na využití vyrobené elektrické energie. Problémem může být i tzv. stroboskopický efekt (vrhání pravidelných stínů), který však v praxi ztrácí na důležitosti vhodnou volbou stanoviště v dostatečné vzdálenosti od lidských obydlí. 1.4

1.4 Využití dalších alternativních zdrojů Mezi tzv. další alternativní zdroje je možné zařadit například zpracování geotermální energie nebo energie biomasy. Obě tyto energie pocházejí z přírody, avšak jejich využití se diametrálně liší.

Obr. 9 Demonstrace síly zemského jádra


strana

23


Geotermální energie je ta část energie, která pochází přímo od zemského jádra, které je neustále ohříváno probíhajícími jadernými reakcemi na 4000°C. Energii z něj lze získat za pomoci hlubinných vrtů v podobě páry nebo horké vody (viz. obr.9). Stavba těchto elektráren je velice nákladná a v prvé řadě závisí na tektonických podmínkách podloží v dané lokalitě. Proto se pro vypracovávaný projekt příliš nehodí. Energie biomasy je ve své podstatě sluneční energie uskladněná v rostlinách a jiných živých organismech, v tzv. biomase, za pomoci fotosyntézy. Spalováním živé hmoty se tato energie znovu uvolňuje a je možno ji dále zpracovávat. Současně lze do této kategorie zahrnout i spalování průmyslového odpadu živého původu (např. chlévský hnůj) a komunálního odpadu (např. kaly z čistíren apod.). Podle rozdělení biomasy na mokrou a suchou se rozlišují i dva hlavní způsoby jejího využití. Jedná se o technologii využívající termochemické pochody, kam se řadí spalování a zplynování, a technologii na základě biochemických přeměn, kam patří vyhnívání a kvašení. Bohužel složitost a náročnost takovéhoto zařízení je na vysoké úrovni, a proto se pro menší výrobu nehodí. 1.6

1.6 Výběr vhodné varianty řešení Nyní následuje vhodná volba takového typu zdroje, který bude dle uvedených kladů a záporů ideální pro řešení zadaného problému. Úkolem je vybrat a navrhnout zdroj elektrické energie pro chatovou oblast o výkonu do 1 kW. Jedná se tedy o zdroj, který se svým výkonem řadí mezi tzv. „malé elektrické zdroje“, vhodný pro nějakou chatu, či menší rodinný domek, jako doplňující zdroj. Předpokládá se tedy menší rozloha, na které bude umístěn, vzdálená od elektrické sítě. Z tohoto důvodu je nutné opomenout ty elektrárny, jejichž funkce přímo závisí na specifických podmínkách prostředí ve kterém se nachází, jako jsou např. hydroelektrárny přílivové, přečerpávací nebo elektrárny geotermální. Pokud by se mělo jednat o hydroelektrárnu jako takovou, připadla by v úvahu malá Peltonova turbína, která je tvořena sadou korečků na nosném kole. Hlavním problémem by ovšem mohl byl nedostatečný výškový spád přitékající vody a často se vyskytují i další problémy, které s provozem takovéhoto zařízení souvisejí. Mezi největší patří nebezpečí nadměrné abraze na jednotlivých korečcích způsobené křemičitými částicemi obsaženými v hnacím mediu. Z tohoto důvodu je nutno se přiklonit k jinému řešení, jehož konstrukce a hlavně provoz nebude tak náročný. Ze zbývajících dvou variant, kterých by mohlo být ke splnění úkolu využito, se tedy nabízí elektrárna větrná nebo sluneční. Oba tyto typy alternativních zdrojů se v dnešní době k tomuto účelu hojně využívají a jejich účinnost z hlediska získané elektrické energie během roku je téměř srovnatelná. Existují však drobné výhody i nevýhody obou variant, na které je nutné se při volbě zaměřit. Hlavní nevýhodou využití sluneční energie je, jak bylo již řečeno, fakt, že její množství závisí přímo na množství dopadajícího slunečního záření, které se během roku mění. Obdobný problém je však i u elektrárny větrné, kde je však možné této skutečnosti vhodnou volbou stanoviště částečně předejít. Další podstatnou nevýhodou solárního systému je výše vstupní investice na výstavbu. Jeden metr čtvereční solárního panelu je schopen v letním období vyprodukovat strana

24


přibližně výkon 150 W. V případě zdroje o výkonu 1 kW se tedy jedná o plochu přibližně 7 m2, což představuje investici v rámci desetitisíců. Nehledě na prostor, který tato plocha pro svojí existenci potřebuje. Z hlediska uvedených faktů bude tedy vhodnější přiklonit se raději ke zdroji elektrické energie, pracujícím s energií větrnou. Doba výstavby takovéhoto zařízení je velmi krátká, zařízení může plně pracovat ihned po uvedení do provozu a vstupní náklady jsou o něco nižší než u ostatních typů. Z daných typů větrných zařízení se poté nabízí volba mezi elektrárnou se svislou nebo horizontální osou rotace. Hojně využívané lopatkové kolo není příliš vhodné, neboť patří mezi pomaloběžné rotory s nízkou účinností a transformace na elektrickou energii pomocí generátoru by tak byla velmi obtížná vzhledem k vysokému převodovému poměru. S přihlédnutím ke složitosti konstrukce a hlavně k finančnímu hledisku, bude nejelegantnějším řešením Savoniův rotor. Jeho konstrukce je velmi snadná, je možné ho konstruovat ze snadno dostupných materiálů a dle potřeby je možné jeho doplnění o další rotory a následné zvýšení potenciálního výkon. V dalších kapitolách je proto rozpracována podrobnější kompozice jednotlivých prvků právě pro Savoniův rotor.

strana

25

SAVONIŮV ROTOR A JEHO UMÍSTĚNÍ

2

2 SAVONIŮV ROTOR A JEHO UMÍSTĚNÍ První Savoniův rotor se objevil v roce 1925, kdy ho poprvé sestrojil finský námořní důstojník Sigurd J. Savonius. Již tehdy se skládal ze dvou vodorovných kruhových kotoučů, mezi něž byly svisle postaveny dvě půlválcové obalové plochy, respektive lopatky. S postupem doby se kolem roku 1980 vývojem dospělo k tzv. průtažnému třílopatkovému rotoru, který svou konstrukcí dokáže dodávat výkon až dvou kilowatt. Výkon dodávaný zařízením ale v prvé řadě závisí, jak bylo již řečeno, na rychlosti větru, který rotor roztáčí. Proto je vždy velmi výhodné, před stavbou každého takovéhoto zařízení dobře zvolit lokalitu, na které má být v budoucnu provozováno. Každý objekt na zemském povrchu je z hlediska větrného proudění chápán jako překážka, kterou je nutno překonat (viz obr.10). Proudění vzduchu z tohoto hlediska může být tedy laminární (nad dokonale rovinatým povrchem bez překážek) nebo turbulentní. V přírodě bohužel dokonale laminární větrné proudění téměř nenalezneme, což je nutné zohlednit, a proto je dobré vyvarovat se při stavbě místům, kde může docházet k nadměrnému tvoření vírů.

Obr. 10 Ukázka vhodných a méně příznivých lokalit pro stavbu


Rychlost větru rovněž podstatně závisí na tzv. rychlostním profilu proudění, což je závislost rychlosti proudění na výšce nad zemským povrchem. Tuto závislost je možné popsat následující rovnicí:

Kde: h [m] h0 [m] vh [m.s-1] v0 [m.s-1] strana

26

 h v h = v o ⋅   h0

  

p

výška, ve které je rychlost proudění počítána výška, ve které je rychlost proudění známa rychlost proudění ve výšce „h“ rychlost proudění ve výšce „h0 “

SAVONIŮV ROTOR A JEHO UMÍSTĚNÍ

p [-]

exponent vyjadřující vliv atmosférické turbulence a závisející na drsnosti povrchu, vertikálním profilu, teplotě a výšce nad zemským povrchem

Tab. 1 Závislost koeficientu p na typu povrchu

Druh povrchu

p

hladký povrch, vodní hladina, písek, led, bláto

0,10 - 0,14

rovinatý terén s nízkým travnatým porostem,ornice,zasněžený terén

0,13 - 0,16

vysoký travnatý porost, nízké obilné porosty

0,18 - 0,19

porosty vysokých kulturních plodin, nízké lesní porosty

0,21 - 0,25

vysoké husté lesy

0,28 - 0,32

předměstí, vesnice, malá města

0,40 - 0,48

převzato z [14]

Okamžitou Rychlost větru lze pro orientaci určit i vizuálně a porovnat s výsledky v tzv. Beaufortově stupnicí síly větru: Tab. 2 Beaufortova stupnice síly větru

Beaufortovo Rychlost číslo větru [m/s] 0 1 2 3

0,0 - 0,4 0,5 - 1,5 2,0 - 3,0 3,5 - 5,0

4 5

5,5 - 8,0 8,1 - 10,9

6 7 8

11,4 - 13,9 14,1 - 16,9 17,4 - 20,4

9 10 11 12

20,5 - 23,9 24,4 - 28,0 28,4 - 32,5 32,6 - 35,9

Označení

Popis

klid lehký větřík lehký vítr mírný vítr

Kouř stoupá kolmo vzhůru. Směr větru vychyluje kouř. Je cítit ve tváři, listí na stromech šelestí. Vítr napíná praporky, čeří hladinu vody. Vít zvedá útržky papíru, pohybuje střední vítr slabšími větvemi stromů. čerstvý vítr Keře se hýbou. Pohybuje silnými větvemi stromů, silný vítr pohybuje dráty, sviští, obrací deštník. téměř bouře Pohybuje celými stromy, obtížná chůze. bouře Ulamuje větve, nemožná chůze. Menší škody na stavbách, strhává střešní silná bouře krytinu. vichřice Vyvrací stromy, škody na obydlích. prudká vichřice Rozsáhlé škody. hurikán Demontuje a odnáší těžké předměty.

převzato z [13]

Všeobecně se rovněž nedoporučuje umísťovat větrná zařízení na stavby, neboť často dochází k přenosu hluku generátoru na celou budovu a jeho značnému zesílení. U malých zařízení, kde hluk nedosahuje tak vysokých hodnot, je však možné toto hledisko zanedbat. Za vhodné stanoviště bude tedy označeno to, kolem kterého se vyskytuje co nejmenší počet překážek a které se nachází v dostatečné výšce nad nejvyšší z nich.

strana

27

ZÁKLADNÍ PRVKY ZAŘÍZENÍ

3 3.1

3 ZÁKLADNÍ PRVKY ZAŘÍZENÍ 3.1 Rotor dle koncepce Savonius Rotor je nejdůležitější částí celého zařízení. Od jeho konstrukce se odvíjí účinnost, s jakou lze větrnou energii transformovat na energii mechanickou a rovněž celkový vzhled a velikost celého zařízení. Jak je zřejmé z obr.11., nejvyšší účinnosti dosahuje Savoniův rotor při rychloběžnosti 0,9-1, což je poměr obvodové rychlosti rotoru a rychlosti větru.

Graf 1 Závislost účinnosti rotoru na rychloběžnosti


V praxi se velmi dobře osvědčila dvoustupňová varianta Savoniova rotoru, kdy jsou jednotlivé stupně vůči sobě natočeny o úhel 90˚. Takováto konstrukce zajišťuje plynulejší rozjezd rotoru a zároveň i klidnější celkový chod. Podobné vlastnosti má i varianta, u které jsou duté půl-válcové plochy nahrazeny dvěma plochami tvaru šroubovic (viz. obr.11). Jedná se o složitější konstrukci s téměř ideální plynulostí chodu a velmi originálním vzhledem. Obě tyto varianty dosahují přibližně stejných účinností a rovněž velikosti obou rotorů jsou přibližně stejné. Třetí možností, kterou je možné při konstrukci rotoru využít, je stavba tzv. průtažného rotoru (viz. obr 12). Jeho výhodou je samonosnost a vyšší účinnost než u klasického rotoru. Při vyšších otáčkách a vyšší konstrukční výšce navíc nehrozí jeho rozkmitání, což je způsobeno vyšší tuhostí rotoru než u klasického typu.

strana

28


Obr. 11 Savoniův rotor tvořen dvěma spirálami


Průtažný rotor je založen na principu, kdy svislé lopatky (vyrobené např. z umělé hmoty zpevněné skelnými vlákny) tvoří s vodorovnými segmenty nebo žebry základní stavební jednotky přibližného vzhledu jako lodní trup. V důsledku toho je rotor namáhán pouze tahem-tlakem, přičemž dochází pouze k minimálnímu ohybu. Lopatky z umělé hmoty navíc ve značné míře snižují celkovou hmotnost rotoru a visuelně ho zmenšují. Využití tohoto typu rotoru závisí především na výkonu, pro který má být zařízení dimenzováno, neboť se hodí spíše pro výkony nad 500 W. Jak průtažný rotor, tak i rotor ve tvaru dvou spirál, s sebou přinášejí spoustu pozitiv, a proto je dobré, mít je do budoucna na paměti.

Obr. 12 Průtažné rotory


strana

29


Poslední výhodou Savoniova rotoru je možnost spojování několika rotorů do jednoho celku. Takto lze využít větší množství větrného výkonu za použití většího množství menších rotorů, které jsou propojeny s hlavní hřídelí např. pomocí řetězového převodu. Výsledná volba rotoru tedy závisí na mnoha faktorech, které bude nutné uvážit. 3.2

3.2 Převodového ústrojí Převodové ústrojí slouží k přenosu točivého momentu mezi hnacím a hnaným členem, přičemž tento převod je možné realizovat přímo nebo nepřímo, za pomoci dalšího vloženého členu. Volbou Savoniova rotoru by v některých případech bylo možné se této kapitole zcela vyhnout. Rotor se totiž svojí rychloběžností λ, řadí mezi rotory rychloběžné a jeho otáčky mohou být shodné s těmi, při kterých optimálně pracuje generátor. Většinou se jedná o 500-1800 otáček za minutu. Bohužel s rostoucí velikostí rotoru klesá počet otáček, které je schopen vykonat, a proto většinou každé zařízení alespoň menší převodový mechanismus musí obsahovat. Může se jednat o převod zprostředkovaný čelním ozubením, planetovým nebo řetězovým převodem, ale i převodem s plochým nebo klínovým řemenem. Lze předpokládat, že nosná hřídel rotoru bude rovnoběžná s hnanou hřídelí generátoru a osová vzdálenost nebude příliš velká. Za uvážení stojí i varianta se souosými hřídeli. Pro tyto parametry by bylo vhodné čelní ozubení, které dokáže přenášet točivý moment až 108 N.m, což je pro nás více než dostačující, nebo planetový převod. Pro větší osové vzdálenosti by se poté spíše hodil převod řemenový nebo řetězový. Maximální přenášený moment u těchto převodů se pohybuje o dva řády níže u převodu řetězového a o čtyři u řemenového, avšak v této výkonové třídě větrných elektráren jsou i tyto parametry přijatelné. Hlavní výhodou čelního ozubení je vysoká účinnost, která často dosahuje až 98%, dále pak dlouhá životnost a spolehlivost. Nevýhodou může být dražší výroba než při použití klasické řemenice, ale tato investice se uživateli brzy vrátí zpět. U čelního ozubení je rovněž nutné přihlédnout i k hlučnosti, která je způsobována samotným záběrem boků zubů, nepřesností ozubení a jeho odchylkami od ideálního tvaru v důsledku deformací. Mezi hlavní výhody řetězového převodu patří dokonalý přenos točivých účinků bez prokluzu, necitlivost na okolní prostředí (vlhkost, prach …), snadná montáž a údržba, účinnost přibližně srovnatelná s čelním soukolím a možnost pohonu hnaného hřídele za pomoci více hnacích hřídelů současně. Hlavní nevýhodou je bohužel prodlužování řetězu z důvodu opotřebení, což vyžaduje nutnost zajištění upravitelné vzdálenosti os hřídelů. Hlavním pozitivem řemenového převodu je klidný a tichý chod zajištěný pružností řemene. Dále potom levná výroba a tím i nízká pořizovací cena a rovněž možnost propojení více hnacích hřídelů s jedním hnaným. Vlivem skluzu se ale objevují poměrně vysoké nepřesnosti v chodu, které mají za následek nestálost převodového poměru. Tomuto problému lze ovšem předejít vhodnou volbou ozubeného řemene, kde se toto riziko minimalizuje. Další nevýhodou je špatná odolnost vůči okolním vlivů, které mají za následek podstatně kratší životnost. Hlavními hledisky, ke kterým je tedy nutné při volbě přihlédnout, jsou požadovaný převodový poměr, přenášený kroutící moment, účinnost převodu, jeho hlučnost a samozřejmě životnost.

strana

30


3.3 Elektrický generátor

3.3

Generátor je elektrický točivý stroj, založený na rotujícím magnetickém poli a jevu, zvaném elektromagnetická indukce. Vlivem této skutečnosti se v generátoru indukuje napětí a obvodem prochází elektrický proud. Již z funkce generátoru vyplývá, že musí být umístěn co nejblíže převodovému mechanizmu, aby bylo možné, co nejlépe využít otáčky rotoru upravené definovaným převodovým poměrem. Podle vyráběného proudu je možné elektrické generátory rozdělit na generátory stejnosměrné, čili dynama, a na generátory střídavé, nazývané častěji alternátory. Dle způsobu buzení je možné dynama rozdělit na dynama s cizím buzením, které je zajištěno přítomností dalšího zdroje a na dynama s vlastním buzením, které zajišťují permanentní magnety. Rotor dynama se skládá ze sady plechů, které jsou od sebe elektricky izolovány a tzv. rotorového vinutí. Nedílnou součástí každého dynama bývá navíc komutátor, který transformuje střídavé napětí na napětí stejnosměrné. Plní tak funkci usměrňovače a kvalita usměrněného napětí závisí především na frekvenci otáčejícího se rotoru a na počtu pólů. Hlavní výhodou stejnosměrných zdrojů je možnost přímého propojení s akumulátorovými bateriemi. Ty mohou být nabíjeny na napětí 6 V, 12 V, 24 V, ale i 48 V. Nevýhodou je ale fakt, že většina těchto generátorů pracuje s příliš vysokými otáčkami, a proto je nutné použití vyššího převodového poměru. Tyto otáčky lze podstatně snížit za použití většího počtu pólů. Obecně platí fakt, že čím větší počet pólů, tím menší otáčky k dosažení optimálního výkonu. Ovšem takovéto dynamo nabírá rovněž na velikosti a výrazně zvyšuje svoji cenu. Druhou možností je výroba střídavého elektrického proudu, ať už se jedná o jednofázovou, či třífázovou variantu. Použití jedné z nich závisí v největší míře na výkonu, který lze od zařízení očekávat. Jedná-li se o výkon 50-500 W, je vhodnější použití jednofázové soustavy, avšak jde-li o výkon vyšší, v řádu 100W10kW, je vhodnější využít trojfázového napětí. Stator alternátoru se v obou případech skládá z tzv. statorového vinutí na krytu. Rotor poté z budícího vinutí v podobě permanentních magnetů umístěných na hřídeli. Podle rotace této hřídele je možné alternátory dále rozdělit na synchronní, kde se obě magnetická pole otáčejí se stejnou frekvencí, a na asynchronní, kde rotor „předbíhá“ točivé magnetické pole. S přihlédnutím k uvedeným faktům, bude pravděpodobně nejvhodnější výroba jednofázového střídavého proudu, neboť se jedná o modernější typ elektrické energie než stejnosměrný proud a zároveň trh nabízí širší paletu alternátorů, které budou pro navrhovaný Savoniův rotor vhodné. Zásadním hlediskem bude poté počet pólů, které generátor obsahuje, délka vynutí a intenzita vnitřního magnetického pole. Volbou vyššího počtu pólů lze předejít vysokým otáčkám na vstupu a tím i nepříznivému převodovému poměru.

3.4 Přídavné prvky zařízení

3.4

Z důvodu nestálosti větrného proudění, je nutné zařízení zabezpečit a mít pod kontrolou i při neobvykle vysoké rychlosti větrného proudění. K tomuto účelu je nutné ke konstrukci doplnit brzdící mechanismus. V případě zařízení, které by bylo připojeno k elektrické síti, nabízelo by se jako nejvhodnější generátorové brždění za pomoci elektromagnetické brzdy. U Savoniova rotoru, pracujícího

strana

31


v režimu „grid off“, by bohužel takováto brzda znamenala příliš vysoké energetické nároky a provoz zařízení by se tak stal velice neefektivní. V úvahu tedy přichází např. hydraulicky řízená kotoučová brzda, připevněná k jednomu z rotorových disků. Tato pozice brzdy zajišťuje vysoký brzdící moment, který je způsoben umístěním brzdy na největším poloměru rotoru. Hlavním důvodem požití kotoučové brzdy je jednoduchá konstrukce a dobré brzdící vlastnosti. Možné by bylo i použití radiální čelisťové brzdy. Z důvodu její konstrukce by se spíše nabízelo umístění na nosné hřídeli těsně pod rotorem. Současně se doporučuje i doplnění tohoto mechanického regulátoru otáček o regulátor elektrické energie, který by měl být situován za generátorem, připojený k rozvodnému vedení (viz. obr.13). Při zvýšené hodnotě napětí, než je v obvodu požadována, regulátor připojí do obvodu přídavný topný odpor, který v sobě tento přebytek akumuluje a transformuje na tepelnou energii. Tu je poté možné dále využívat. V případě zařízení odpojeného od rozvodné elektrické sítě je vhodné do elektrické instalace integrovat i zařízení, které v sobě dokáží elektrickou energii akumulovat. V tomto případě je nutná transformace indukovaného střídavého napětí na stejnosměrné, k čemuž slouží usměrňovače. Usměrněné napětí má většinou 12 V nebo 24 V, přičemž většina akumulátorů je dimenzována právě na tyto hodnoty. Investice, kterou je nutné do takovýchto akumulátorů vložit není nijak nízká, avšak při použití kvalitnějších pancéřových akumulátorů lze počítat s trvanlivostí dokonce několik desítek let a současně spolehlivějším chodem. Schéma celkové elektroinstalace je možné realizovat např. podle obr.13.

Obr. 13 Schéma elektroinstalace větrného zařízení


Velké větrné elektrárny bývají ještě navíc opatřeny spojkou, která umožňuje rozpojení rotorové a generátorové části v nebezpečí, nebo při případné údržbě. Ve výkonové třídě tzv. mikroelektráren se jí však příliš nevyužívá a proto zde bude zařazena pouze spojka pružná, vyrovnávají odchylky od přesné souososti hřídele.

strana

32

NÁVRH USPOŘÁDÁNÍ JEDNOTLIVÝCH PRVKŮ

4 NÁVRH USPOŘÁDÁNÍ JEDNOTLIVÝCH PRVKŮ

4

Nosnou konstrukci Savoniova rotoru je možné realizovat mnoha způsoby. Pro menší zařízení je vhodné umístění rotoru na jeden stožár, ukotvený např. do betonového základu. U větších zařízení je možné tuto konstrukci navrhovat jako rámovou, doplněnou jistícími lany v úchytných bodech. V tomto případě byla zvolena konstrukce dle obr.14, která zajišťuje dokonalou stabilitu za každých podmínek provozu. Celé zařízení je navíc upevněno v základu.

Obr. 14 Schéma celého modelu

strana

33

VOLBA KONKRÉTNÍCH PRVKŮ A VÝPOČET ROTORU

5 5.1

5 VOLBA KONKRÉTNÍCH PRVKŮ A VÝPOČET ROTORU 5.1 Návrh a výpočet rotoru Při návrhu rotoru (obr.15) je nejdůležitějším hlediskem rychlost větru, pro kterou bude dimenzován, a výkon, který je od celého zařízení požadován. Jako hranice minimální rychlosti proudění, při které má ještě smysl větrné zařízení provozovat, je stanovena hodnota 5 m.s-1. Aby byl možný provoz v co nejširším pásmu lokalit, je rotor navržen na rychlost blízkou této hodnotě, a to 8 m/s. Výkon rotoru se má zařadit pod hodnotu 1kW, a proto s přihlédnutím k vyráběným elektrickým generátorům, účinnostem jednotlivých prvků a teoretickému výkonu větru, byl stanoven požadovaný výkon odevzdaný generátorem na hodnotu 300W.

Obr. 15 Větrné proudění Savoniovým rotorem


Teoretický výkon větru lze stanovit z následujícího vzorce: Pt =

1 ⋅ ρv ⋅ A ⋅ v3 2

Pt ρv v A

[W] [kg.m-3] [m.s] [m2]

- teoretický výkon větru - hustota vzduchu - rychlost větru - uvažovaná plocha rotoru

Získaný výkon na hřídeli rotoru lze poté vypočítat po dosazení účinnosti rotoru, která se stanoví z obr.11., jako: Phr = η rot ⋅ Pt

Phr ηrot

[W] - výkon na hřídeli rotoru [-] - účinnost rotoru

Nyní je nutné do výpočtu zahrnout i účinnosti převodového ústrojí a generátoru, které jsou v dalších kapitolách stanoveny dle zvolených prvků na hodnoty 0,95 pro převod a 0,8 pro generátor. Vzorec pro efektivní hodnotu výkonu získaného od generátoru má tedy následující podobu: Pef = η rot ⋅ η p ⋅ η g ⋅ Pt

strana

34

Pef ηp ηg

[W] - efekt. výkon generátoru [-] - účinnost převodu [-] - účinnost generátoru


Zpětným výpočtem pro hodnotu efektivního výkonu 300 W, bude potřebný teoretický výkon větru vypočten následovně: Pt =

Pef η rot ⋅ η p ⋅ η g

=

300W = 1315 ,8W 0,3 ⋅ 0,95 ⋅ 0,8

Tomuto výkonu odpovídá uvažovaná plocha Savoniova rotoru „A“: A=

Pt ⋅ 2 1315 ,8W ⋅ 2 = 4,1m 2 = 3 v ⋅ ρ (8m / s )3 ⋅ 1,25 kg / m 3

Z této plochy, pro kterou u Savoniova rotor s půlválci přesazenými o 1/6.d platí vztah A=11dh/6 [6], lze určit celkovou výšku rotoru „h“. Tato výška je vypočtena pro poměr h=2,5.d, který se pro takovéto výpočty běžně zavádí, a kde „d“ je poloměr jednoho dutého půlválce. h=

D=

6 5 6 5 ⋅ ⋅A = ⋅ ⋅ 4,1m 2 = 2,4 m 11 2 11 2 11 11 ⋅ d = ⋅ 1m = 1,834 m 6 6

d =

2, 4 m h = ≅ 1m 2,5 2,5

d [m] - průměr půlválce rotoru D [m] - největší průměr rotoru

Obr. 16 Návrh rotoru

strana

35


Z výpočtu tedy vyplývá, že pokud má generátor dodávat 300 W elektrické energie, je k tomu zapotřebí rotor o celkové výšce 2,4 metru. Provedení rotoru je z hlediska plynulosti rozběhu a jednoduchosti konstrukce voleno dvoustupňové (obr.16). Jednotlivé listy rotoru jsou konstruovány z desek a jako materiál je volen plast vyztužený např. skelnými vlákny. Tato konstrukce zajistí odlehčení rotoru a zároveň jeho zpevnění. Rovněž disky, mezi kterými jsou tyto listy upevněny, jsou navrženy z lehkého, ale hlavně pevného kompozitního materiálu. Nejspodnější disk je, vzhledem k umístění kotoučové brzdy, vyroben z oceli. Uchycení horního a spodního disku k nosné hřídeli je realizováno dvěmi přírubami za pomoci nosného čepu, což dovoluje nízká váha rotoru. Celá konstrukce rotoru je patrná z předcházejícího obrázku. 5.2

5.2 Návrh generátoru Vzhledem k záměru vyrábět střídavý elektrický proud, je volen synchronní generátor typu PMG 90L-08-230/100 pro 500 W od brněnské firmy MODECO, s.r.o. (obr.17). Buzení tohoto generátoru tvoří permanentní magnety a generátor je vyráběn jako trojfázový. Jednofázový výstup, který bude z důvodu nízkého vyráběného výkonu, vhodnější, je možné realizovat využitím dvou svorek při zapojení Y (hvězda).

Obr. 17 Synchronní generátor PMG 90L-08

Generátor nemá regulaci napětí a svorkové napětí roste úměrně s otáčkami. Zařízení může pracovat v rozsahu proudů 0,42-0,72 A, při napětí 115230 V a frekvenci 33-60 Hz. Přičemž maximálních hodnot dosahuje generátor při 1500 ot./min. Další parametry je možné vyčíst z Tab.3, kterou udává výrobce. Tab. 3 Tabulkové parametry zvoleného generátoru Typ generátoru Jmenovitý výkon P Jmen. otáčky n Max. otáčky nmax Jmen. napětí U Spojení Účiník cosφ Pulzace momentu při nízkých otáčkách Stupeň krytí Chlazení Tvar Hmotnost

strana

36

PMG 90L-08-230/100 0,500 kW 1500 min-1 120 % n 133 / 230V D/Y 1,0 +-3 % Mn IP 55 intenzivní ofukování + vlastní ventilátor IM B5 (IM3001) 8 kg


Graf 2 Zatěžovací charakteristika generátoru PMG 90L-8

Rovněž, výrobcem zaslaná, výstupní charakteristika zdroje (Graf 2) je pro tento účel vhodná, s ohledem na rozsah používaných proudů a napětí. Chování generátoru při nižších otáčkách, konkrétně 750 ot./min. je možné vyčíst z grafů 3 a 4.

Graf 3 Závislost napětí na odebíraném výkonu při 750 ot.min.

strana

37


Graf 4 Závislost napětí na proudu při 750 ot./min.

K nosné konstrukci větrného zařízení je generátor připevněn pomocí příruby. 5.3

5.3 Návrh převodového mechanismu Správná volba převodového mechanismu, jak bylo již řečeno, závisí na mnoha faktorech. Jedním z nich je poloha vstupního a výstupního hřídele. Vzhledem k návrhu celkové kompozice větrného zařízení (viz bod 4), jsou osy těchto hřídelí rovnoběžné. Dalším faktorem je potřebný převodový poměr, který se určí z poměru výstupních a vstupních otáček. Výstupní otáčky převodového mechanismu jsou 1500 ot./min., což odpovídá otáčkám, při kterých optimálně pracuje generátor. Vstupní otáčky jsou takové, kterými rotuje rotor při uvažované rychlosti větru. Rotor byl navržen pro hodnotu rychloběžnosti jedna, což znamená, že obvodová rychlost rotoru na největším průměru lupenů „D“ je rovna rychlosti větru, čili 8 m/s. Potom lze otáčky rotoru vypočítat z následujícího vztahu: n1 =

v 8m / s = = 1,4ot. / s = 84ot. / min 2 ⋅ π ⋅ D π ⋅ 1,83m

Výsledný převodový poměr, který je k realizaci převodu zapotřebí, se určí takto: i=

strana

38

n 2 1500 min −1 = ≅ 17,5 n1 84 min −1

i n2 n1

[-] - převodový poměr [s-1] - výstupní otáčky [s-1] - vstupní otáčky


Poslední charakteristikou, kterou je nutné při výběru převodovky zohlednit, je kroutící moment, který je převodovka schopna přenést. Jelikož se jedná o převod do rychla, směrodatnou hodnotou bude kroutící moment na vstupu. Ten lze snadno vypočítat z otáček rotoru a výkonu přenášeného hřídelí rotoru dle následujícího vztahu:

M=

Phr P ⋅η 1315,8W ⋅ 0,3 = t r = = 45 N .m 2 ⋅ π ⋅ n1 2 ⋅ π ⋅ n1 2 ⋅ π ⋅1,4 s −1 M [N.m]

- kroutící moment na vstupu převodovky

Převodovkou, která všechny tyto parametry splňuje, je dvoustupňová planetová převodovka od firmy Berger Lahr typ PLS-90 (obr.18).

Obr. 18 Planetová převodovka PLS-90

Výrobce zařízení doporučuje pro otáčky do 4000 za minutu při maximálním kroutícím momentu 110 N.m. Tyto hodnoty tedy zaručují bezpečnou rezervu a větrné zařízení bude možné provozovat i za větší rychlosti větru než je 8m/s. Převodovka má převodový poměr 15, který je o něco nižší než vypočtený. To bude mít vliv na otáčky, při kterých pracuje generátor, neboť jejich hodnota se posune z uvažovaných 1500ot./min na 1260ot./min. Tento rozdíl však nebude mít zásadní vliv na správnou funkci generátoru, jak je patrné z jeho výstupních charakteristik. Cena této převodovky se pohybuje okolo 280 EUR, její účinnost je 95% a hmotnost 5,7 kg. Převodovka je bezúdržbová, což zaručuje tuková náplň, strana

39


která vydrží po celou dobu životnosti, a může pracovat v rozmezí teplot -25 až +100°C.

Přenos kroutícího momentu z hřídele rotoru na těleso spojky je realizován pomocí těsného pera dle obr.19. Rovněž spojení mezi vstupní hřídelí převodovky a nábojem spojky je zajištěno perem. Připojovací rozměry jsou patrné z obr.20. Výrobce navíc nabízí, že je schopen upravit přírubu ze strany generátoru dle specifických požadavků zákazníka.

Obr. 19 Přechodka hřídel-vstupní hřídel převodovky

Obr. 20 Náčrt převodovky s výstupními rozměry

strana

40


5.4 Návrh uložení hřídele rotoru

5.4

Hřídel rotoru je vyrobená z tlustostěnné trubky o průměru 60 mm. Vzhledem ke konstrukci celého zařízení je uložena ve dvou ložiskových tělesech, které obsahují dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem. Použití těchto ložisek dovoluje fakt, že v axiálním směru jsou namáhána pouze silou od vlastní tíhy rotoru a hřídele. Konstrukce rotoru z lehkých kompozitních materiálů tedy tuto sílu minimalizuje. Pro tento účel byla volena ložisková tělesa od firmy SKF typ 7225(00). Uchycení obou ložisek je znázorněno na následujícím obrázku.

Obr. 21 Uložení hřídele v ložiskových domečkách

5.5 Návrh pružné spojky

5.5

Pro spojení hřídele rotoru s planetovým převodem byla zvolena pružná spojka RATHI TYRE-FLEX T5 (obr.22), pracující při jmenovitém kroutícím momentu 66 N.m s výkonem 0,69 kW při 100 ot./min. Pružnost spojky je zajištěna pryžovou obručí, která je navržena tak, aby společně se dvěma náboji vykazovala co nejvyšší tuhost. Spojku je možné provozovat u zařízení s nepravidelným chodem, včetně rázových zatížení. Vzhledem ke své konstrukci dobře snáší vibrace a vyrovnává případné úhlové, či osové rozdíly spojovaných hřídelí.

strana

41


Obr. 22 Pružná spojka RATHI TYRE-FLEX typ T

Vzhledem k jednoduché konstrukci je rovněž zajištěna snadná údržba, přičemž jedinou součástí podléhající opotřebení je pružná obruč. Její výměna je možná i bez demontáže hnacího, či hnaného hřídele. Tab. 4 Parametry spojek RATHI TYRE-FLEX Maximální Jmenovitý Výkon kroutící kroutící [kW] Maximální Velikost moment moment pro 100 otáčky za spojky minutu [N.m] [N.m] ot.min -1

Vrtání od do

Hmotnost [kg]

Úchylka souososti [mm]

2 3,5

1,1 1,3

T4 T5

64 160

24 66

0,26 0,69

4500 4500

10 10

32 38

T6

318

127

1,33

4000

15

45

5

1,6

T7

487

250

2,62

3600

19

50

7,8

1,9

T8 T9

759 1096

375 500

3,94 5,24

3100 3000

25 30

63 75

10,9 15

2,1 2,4

T 10

1517

675

7,07

2600

32

80

21,5

2,6

Dle tabulky 4, zaručuje výrobce úpravu vrtání vstupního a výstupního otvoru v nábojích v rozsahu 10-36 mm, který odpovídá zvolenému typu T5. Proto je propojení s hřídelí rotoru realizováno pomocí přechodky a dvou těsných per. Na výstupu spojky je vrtání uzpůsobeno vstupnímu hřídeli planetové převodovky. Celkový náčrt pružné převodovky, včetně připojovacích a hlavních rozměrů, je zřejmý z obrázku 23.

strana

42


Obr. 23 Náčrt pružné spojky TYP T-5

Hmotnost spojky se pohybuje kolem 3,5 kg, což dovoluje její umístění společně s generátorem (8 kg) a převodovkou (5,7 kg) v bezpečné výšce 2,5 m hned pod tělesem rotoru. 5.6

5.6 Návrh brzdy Brzda rotoru je řešena jako kotoučová, a jak bylo řečeno, připevněná ke spodnímu disku rotoru za účelem největšího brzdného momentu. Nižší výkonová třída, do které se zdroj řadí, dovoluje použití ručního ovládání, namísto olejového čerpadla. Toto ovládání se nachází na nosném sloupu v dosažitelné výšce nad zemí. Vedení s brzdovou kapalinou je instalováno vnitřkem nosného sloupu. Umístění kotoučové brzdy a její provedení, jsou zřejmé z obrázku 24. Jejím hlavním úkolem je bezpečné zastavení rotoru při případných opravách a jeho odstavení v nebezpečí.

Obr. 24 Brzda rotoru

strana

43

ZÁVĚR

6

6 ZÁVĚR První část práce je zaměřena na alternativní zdroje energie jako takové. Jsou zde rozpracovány jednotlivé způsoby jejich využívání a následně klady a zápory, které s sebou tyto principy přinášejí. Důraz je zde kladen na využívání vodní, větrné a sluneční energie, neboť právě tyto patří k nejvíce využívaným alternativním zdrojům energie. Na základě toho je poté zvoleno provedení malé větrné elektrárny pracující na Savoniově principu. V další části práce jsou rozpracovány jednotlivé komponenty zařízení, jejich možné alternativy a výběr pravděpodobně nejoptimálnější varianty řešení. S ohledem na to, je navržen předpokládaný tvar nosné konstrukce, jejíž základem je čtyřstožárové těleso. Je proveden výpočet velikosti rotoru tak, aby bylo možné od zařízení odebírat elektrický výkon 300 W a tak zásobovat např. menší chatu v chatové oblasti. Pro tento výkon byl rovněž navržen generátor střídavého proudu od firmy MODECO, s.r.o. Pro navržený rotor byly vypočítány jeho otáčky a následně kroutící moment na hřídeli rotoru. Pro tyto otáčky a optimální otáčky generátoru byla, s ohledem na přenášený kroutící moment a výkon, zvolena planetová převodovka Berger Lahr typ PLS-90. V poslední řadě bylo řešeno uložení hřídele k nosné konstrukci, které je realizováno za pomoci dvou ložiskových těles s dvouřadými kuličkovými ložisky od firmy SKF. Celá konstrukce je navíc doplněna brzdícím mechanismem a pružnou spojkou, která vyrovnává drobné výchylky hřídele. Práce tedy podává rešeršní pohled na jednotlivé typy alternativních zdrojů energie, obsahuje ideovou studii konkrétního zdroje, a proto může sloužit jako návod při realizaci malého Savoniova rotoru, pracujícího jako „grid off“ systém.

strana

44

LITERATURA

7

7 LITERATURA [1]

CROME, H. Technika využití energie větru. 1. vydání. Nakladatelství HEL Ostrava, 2002. 144 stran. ISBN 80-86167-19-4.

[2]

HALLENGA, U. Malá větrná elektrárna. 2. vydání. Nakladatelství HEL Ostrava, leden 2006. 96 stran. ISBN 80-86167-27-5.

[3]

SCHUTZ, H. Savoniův rotor. 1. vydání. Nakladatelství HEL Ostrava, leden 2005. 78 stran. ISBN 80-86167-26-7.

[4]

HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. Příručka strojního inženýra 2. 1. vydání Computer Press Praha, 2000. 198 stran. ISBN 80-7226-202-5.

[5]

BOHÁČEK, F. a kol. Části a mechanismy strojů III. Převody. 1. vydání Vysoké učení technické v Brně, srpen 1982. 267 stran. ISBN 55-595-82.

[6]

RYCHETNÍK, V., PAVELKA, J., JANOUŠEK J. Větrné motory a elektrárny. 1. vydání. Vydavatelství ČVUT Praha, 1997. 199 stran. ISBN 80-01-01563-7

World Wide Web: [4]

www.klempera.tripod.com

[5] www.renewableenergy.com

[6]

www.sciencedirect.com

[7] www.solartrackers.com

[8]

www.winside.com

[9] www.alternativni-zdroje.cz

[10] www.cez.cz

[11] www.feld.cvut.cz

[12] www.ekowatt.cz

[13] www.energ.cz

[14] www.energetika.cz

[15] www.simopt.cz

[16] www.photo-gallery.cz

[17] www.solartec.cz

[18] www.solary.cz

[19] www.vltava2000.cz

[20] www.vscht.cz/ktt/zdrene/

[21] www.zeleneudoli.cz

[22] www.cs.wikipedia.org

[23] www.gbev.org

[24] www.diebrennstoffzelle.de

[25] www.chmi.cz

[26] www.consumersenergy.com

[27] www.oswego.edu

[28] www.paladix.cz

[29] www.volker-quaschning.de

[30] www.regulacni-pohony.cz/

[31] www.k-h.cz

strana

45

SEZNAMY

8 8.1

8 SEZNAMY 8.1 Seznam obrázků Obr. 1 Vodní kola na říčním toku Obr. 2 Schéma vodní elektrárny Obr. 3 Sluneční elektrárna Solar One Obr. 4 Vrstvení solárního panelu Obr. 5 Komínová elektrárna o výkonu 5 MW Obr. 6 Větrný atlas České republiky Obr. 7 Darrielův rotor v kombinaci se Savoniovým rotorem Obr. 8 Větrné lopatkové kolo Obr. 9 Demonstrace síly zemského jádra Obr. 10 Ukázka vhodných a méně příznivých lokalit pro stavbu Obr. 11 Savoniův rotor tvořen dvěma spirálami Obr. 12 Průtažné rotory Obr. 13 Schéma elektroinstalace větrného zařízení Obr. 14 Schéma celého modelu Obr. 15 Větrné proudění Savoniovým rotorem Obr. 16 Návrh rotoru Obr. 17 Synchronní generátor PMG 90L-08 Obr. 18 Planetová převodovka PLS-90 Obr. 19 Přechodka hřídel-vstupní hřídel převodovky Obr. 20 Náčrt převodovky s výstupními rozměry Obr. 21 Uložení hřídele v ložiskových domečkách Obr. 22 Pružná spojka RATHI TYRE-FLEX typ T Obr. 23 Náčrt pružné spojky TYP T-5 Obr. 24 Brzda rotoru

16 17 18 18 19 20 21 22 23 26 29 29 32 33 34 35 36 39 40 40 41 42 43 43

8.2

8.2 Seznam tabulek Tab. 1 Závislost koeficientu p na typu povrchu Tab. 2 Beaufortova stupnice síly větru Tab. 3 Tabulkové parametry zvoleného generátoru Tab. 4 Parametry spojek RATHI TYRE-FLEX

27 27 36 42

8.3

8.3 Seznam grafů Graf 1 Závislost účinnosti rotoru na rychloběžnosti Graf 2 Zatěžovací charakteristika generátoru PMG 90L-8 Graf 3 Závislost napětí na odebíraném výkonu při 750 ot.min. Graf 4 Závislost napětí na proudu při 750 ot./min.

strana

46

28 37 37 38

SEZNAMY 8.4

8.4 Seznam příloh

strana

47

ABSTRAKT: KLÍČOVÁ SLOVA: energie, alternativní, generátor, vítr, Savonius, rotor, převod, brzda ABSTRACT:

Recommend Documents