Szélenergetikai vizsgálatok az Óbudai Egyetemen

Szélenergetikai vizsgálatok az Óbudai Egyetemen dr. Kádár Péter Óbudai Egyetem KVK Villamosenergetikai Intézet [email protected]

Óbuda University Power System Department

• • • •

Billenő-lapátos VAWT Szél korreláció mérések Kis turbinák vizsgálata Épület szélklímájának feltérképezése

Nap- és szélenergia kutatás és oktatás 2014. máj. 29. OMSZ

Dudás Péter – Billenő-lapátos VAWT



Korrelációs vizsgálatok

Characteristics based on pure measurements


? Nap- és szélenergia kutatás és oktatás 2014. máj. 29. OMSZ

Correlation?


The causes of the lack of correlation are • The distance between the wind turbine and wind measurement • The local wind turbulences that create difference in the wind blow at the two measurement points.


Other causes: turbulence


• The local wind turbulences that create difference in the wind blow at the two measurement points. • fast (1-6 sec), the medium (1-6 min) and the slow (1-6 hour) changes. • The fast and medium wind speed and direction changes are not handled (followed) by the turbine, it causes deviances. • Turbine dynamics and measurement errors, etc. – Wind speed changes – Wind direction changes – Wind speed changes measurement on minute scale


Distributional reorganization: a functional transformation


An ideal wind speed and power output measurement at the same tower should give the factory characteristics of the wind turbine, the two measurements correlate on the factory curve. If we prepare the cumulative distribution function of both measurements, the previous correlation is still valid and we get the same curve.


Back to the measurements (Bükkaranyos – Folyás: 33km)



Characteristics matching Based on the above mentioned, the locally differently running curve is substituted by a globally similarly cumulated distribution function. We investigate not the specific synchronized moments but the same period, so we integrate the power into generated energy. This is an energy based characteristics retrieval. Figure shows characteristics similar to the factory characteristics (marked by dots). Nap- és szélenergia kutatás és oktatás 2014. máj. 29. OMSZ


Meaurement distances Name of wind measurement place

Distance of the wind turbine “Bükkaranyos”

Folyás

33 km

Agárd

187 km

Túrkeve

98 km

Mosonmagyaróvár

263 km

Győr

238 km


Upscaling


• The previously shown remote upscaling factor is defined by the energy production of a time period. Applying the Hellmann equation (1) for the same tower (height 33 m, measurements height 10 m), the exponent is 0,445, that is a good experimental result.


Remote scaling



Korreláció mérések



Wind run at both sites



Cumulative distribution function of A and B and the non real-time correlation


vB = 1,1729 vA + 1,5926


Kisléptékű szélturbinák mérése

Airport





Airport



Airport



Airport



Airport



Airport





400 W HAWT


Mérések darabszáma

Eloszlás sűrűségfüggvény

1 nap szélirány-időtartamai (perc)

16 14

ÉSZAK ÉÉNY 300

12 10 8 6

ÉNY NYÉNY

4 2 0 0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

szélsebesség m/s

KÉK

0

KELET

NYDNY

KDK

DNY

DK

DDNY

DDK DÉL


ÉK

100

NYUGAT

0

ÉÉK

200

1 kW VAWT



UNITEK anemometer



2011. 12. 13. 14:00 2011. 12. 13. 15:30 2011. 12. 13. 17:00 2011. 12. 13. 18:30 2011. 12. 13. 20:00 2011. 12. 13. 21:30 2011. 12. 13. 23:00 2011. 12. 14. 0:30 2011. 12. 14. 2:00 2011. 12. 14. 3:30 2011. 12. 14. 5:00 2011. 12. 14. 6:30 2011. 12. 14. 8:00 2011. 12. 14. 9:30 2011. 12. 14. 11:00 2011. 12. 14. 12:30 2011. 12. 14. 14:00 2011. 12. 14. 15:30 2011. 12. 14. 17:00 2011. 12. 14. 18:30 2011. 12. 14. 20:00 2011. 12. 14. 21:30 2011. 12. 14. 23:00 2011. 12. 15. 0:30 2011. 12. 15. 2:00 2011. 12. 15. 3:30 2011. 12. 15. 5:00 2011. 12. 15. 6:30 2011. 12. 15. 8:00 2011. 12. 15. 9:30 2011. 12. 15. 11:00

2011. 12. 13. 12:30

m/s

Sebességmérés

2,00


Szélsebességek a mérés ideje alatt

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00 T3

Reptér

1,00

0,00


Szélrózsa


Szélirány gyakoriság (T3) 349 341345 337 333 329 325 321 317 313 309 305 301 297 293 289

353 357 0,012

1

5

9

13 17 21

0,01

33

37

41 49 53 57 61 65 69 73

0,006

0,004

77 81

0,002

277

85

273

89

0

269

93

265

97

261

101

257 253 249 245 241 237 233 229 225 221 217 213 209 205 201197 193

29

45 0,008

285 281

25

105 109 113 117 121 125 129 133 137 141 145 149 153 157 165161

177 173 169 181 Gyakoriság (T3 telepítés)

189 185


Wind speed measurements and distribution



Weibull distribution





Direction and speed



Energy production Szélerőmű karakterisztikák


Számított villamosenergia termelés október 11-től november 8-ig

1400 160

1200 140 120

800

VAWT1000

600

98

100

ZW1000 kWh

Teljesítmény (W)

1000

136

77

80

P1000 MVT-1k

400

60

47

40 25

200 20

28 18

4

0

0

1 1,5 2,2 3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16

Szélsebesség (m/s)

0 Reptér

Telepített ZW1000

Reptér

Telepített

VAWT1000

Reptér

Telepített P1000


Reptér

Telepített MVT-1k

Mérőrendszer

PER 600

Winpower 600

Sollight

SAWT

battery protection switch fuse Hall current meter load

bat. contr. +

-

bat. contr. +

-

bat. contr. +

-

bat. contr. +

-

voltage metering 24 V DC 230 V AC

Inver ter

bat

bat

bat

bat

bat

bat

bat





Szél + áram



Karakterisztika mérés



Akkumulátor



Energiamérleg


Az energia fele az elektronika üzemeltetésére fordítódott! U [V] I[mA]

Winpower 600 22,8±2,002 44,8±4,802

PER600 11,99±0,2002 40,2±4,802

SOLLIGHT 22,8±2,002 55±4,802

SAWT 22,7±2,002 85±4,802


Furcsa dinamika



Eredmények


• Városi környezetben a “nagy szél” érzése még nem jelent energetikailag is jelentős szelet a kis szélturbinák számára. A kis szélturbinás termelés nem versenyképes a hálózatos energiával. • Nehéz meghatározni a működő rendszerre kapcsolható terhelés nagyságát: ha túl nagy a terhelés, akkor hosszabb szélcsend esetén lemerül az akkumulátor. Kis terhelés esetén pedig a rendszer relatívan nagy költségű. Érdemes akkumulátor védelmet telepíteni, amely vészjelzést ad, illetve a terhelést lekapcsolja alacsony töltöttségi szintnél. Egyes töltők (WinPower) ezt megoldják. Nem szabad megfeledkezni arról sem, hogy egy átlagos akkumulátor tárolási hatásfoka kb. 80%, vagyis a betáplálási és fogyasztási ciklusok alatt is fellép veszteség.


Eredmények


• Az akkumulátorok élettartama átlagosan 5 év, így a szigetüzemű megoldások több akkumulátor készletet is felhasználhatnak élettartamuk során. • A hibrid rendszer (napelemek + szélturbina) segítik a nagyobb fogyasztás illesztését és folyamatos kiszolgálását, védik az akkumulátort a mélykisüléstől. • Sajnos nem teljesen ismert és nem kontrollálható az elektronikus töltők működése. Szerepük, hogy a változó intenzitású szél esetén, a változó frekvenciájú és feszültségű áramból közel azonos feszültségű és limitált töltőáramot hozzon létre. Képesek a turbinák “elektromos” fékezésére, illetve teljesen feltöltött akkumulátor esetén a felesleges energia eldisszipálására.


Eredmények


• Többször tapasztaltunk nehezen megmagyarázható eseteket, amikor nem túltöltött akkumulátor és jelentős szél esetén sem volt töltés. • A töltők stand-by árama is hozzámérhető a fogyasztáshoz – kb. azonos nagyságrendű. • Az 50-100 mA készenléti elektronika terhelés – 1-2 Wattot jelent csak, de ez egy 100 Ah-s 24 V-os akkumulátort is lemerít kb. 1000 óra (40 nap) alatt. • A gyárilag megadott szélsebesség-teljesítmény karakterisztikák stacioner körülmények között valószínűleg igaznak bizonyulnak, de a volatilis, turbulens szél miatt állandóan szabályozgató rendszer messze nem hozza a becsült energiamennyiséget.


Megállapítások


• Számos kisléptékű szélturbina elérhető a kereskedelemben. • Különféle „látványos” típusok is kaphatók, azonban ezek energiatermelésének egy részét „elviszi” a látvány. • Csodák itt sincsenek, adott energiájú szélből egyik módszerrel sem lehet „többet kivenni”. • Ezeket a kis méretű szélturbinákat csak hálózattól távoli helyen (ahol nagyon költséges lenne a hálózat kiépítése) érdemes szigetüzemben üzemeltetni. • A turbinák, illetve a turbinákkal felépített rendszerek sajnos messze kevesebbet termelnek az elvárásokhoz képest.


Megállapítások


• A méréseink szerint a HAWT – WinPower turbina teljesített a legjobban. • Hosszú távú méréssorozat eredményeként esetleg a szélárnyék hatást (Wake effect) is ki lehet szűrni. • A rendszer szűk keresztmetszetét képezi az energiatárolás, az akkumulátor. • A napelemes hibrid kiegészítés sokat segít az akkumulátor védelemben és a folyamatos energiatermelésben.


Épület szélklímájának mérése és szimulációja

Two measurements


First we calibrated the two meters. Ratio related to the reference point: 4653 / 5095 =0,91

that is “the wind in point 3. is only 0,76 of the reference speed calculated on base of the average speed. windspeedpoint 4 = 0,6793 * windspeedrefpoint + 0,11 [m/s]


Wind climate mapping


Meas. no.

location

correlation

ratio of averages

1.

Reference point

y = 0,930x - 0,11

1,35

2.

Box-on-roof

y = 0,934x - 0,16

1,11

3.

Water tank

y = 0,796x + 0,53

0,76

4.

PV octogon holder

y = 0,679x +0,11

0,91

5.

SE corner

y = 1,180x - 0,39

1,39

6.

NE corner

y = 1,242x - 0,36

1,56

7.

Chimney

y = 1,749x - 0,89

2,44

8.

N corner

y = 0,832x + 0,048

0,97

9.

NW corner

y = 0,900x - 0,27

1,41

10.

W corner

y = 927x - 0,20

1,21


3 D model of the building

•

Ress Imre és Nagypál Szilárd TDK munkája Nap- és szélenergia kutatás és oktatás 2014. máj. 29. OMSZ


Threads of flow



Simulation results


Measurement – worst sites Simulation – best sites Water tank NW corner 1 M3 1 M9 2 M4 PV octagonal holder 2 M4 PV octagonal holder N corner N corner 3 M8 3 M8

Measurement – best sites Chimney 1 M7 NE corner 2 M6 SE corner 3 M5

1 2 3

Simulation – best sites Chimney M7 NE corner M6 Water tank M3


Összegzés


• A korrelációs módszer jól használható • Kis szélturbinák energiatermelésre városi környezetben nem ajánlhatók • Az épületek szélklímájának meghatározására kidolgoztunk egy mérési módszert



Köszönöm a figyelmet!


Szélenergetikai vizsgálatok az Óbudai Egyetemen

Recommend Documents