Szélturbinák villamosenergia termelése

Mérési útmutató Megújuló energiatermelést bemutató energiapark

Szélturbinák villamosenergia termelése

A mérést tervezte, összeállította: Dr. Kádár Péter A mérésért felel s: Dr. Kádár Péter A mérési útmutatót összeállította: Dr. Kádár Péter Aranyos Zsolt Fehér Szabolcs Illés Gergely Kazai Imre Piatkó Tamás

BMF KKV VEI Budapest, 2006. október

Mérési útmutató – Széler m vek

2006.

Tartalom

1 2 3 4 5

A mérés célja ..................................................................................................................2 A szélenergia átalakítása.................................................................................................2 A szélturbinák felépítése, üzeme.....................................................................................4 A mérési összeállítás, eszközök ......................................................................................5 A mérési feladatok..........................................................................................................8 5.1 Szélrózsa készítése a mért szélirányokból................................................................9 5.2 Szélrózsa készítése, az átlagos szélsebességgel súlyozva .......................................10 5.3 Szélsebesség diagram, átlagos szélsebesség...........................................................10 5.4 Szélsebesség eloszlás (tartam) diagram .................................................................11 5.5 Szélsebesség eloszlás s r ségfüggvénye ...............................................................11 5.6 Turbulencia diagram .............................................................................................12 5.7 Generátor teljesítmény diagram.............................................................................12 5.8 Generátor szél-teljesítmény karakterisztika ...........................................................13 6 Mérési jegyz könyv......................................................................................................13

1 A mérés célja A mérés során a hallgatók megismerkednek a széler m vek/szélturbinák villamosenergia termelési karakterisztikájával és a telepítést megel z - és üzemeltetés közbeni folyamatos szél- és villamos mérésekkel. A mérés bevezet je a „Széler m vek” cím .ppt el adás.

2 A szélenergia átalakítása A szél energiája az áramló tömeg mozgási energiája, ezt lehet részlegesen átalakítani egyéb mechanikai mozgásokká, els sorban forgássá. A szélenergia teljes kifogása nem lehetséges, ugyanis ez azt jelentené, hogy a sebesen érkez leveg teljesen lefékez dne, megállna. Az amúgy nyomáskülönbségek hatására létrejöv egyenletes légáram útjába helyezett széler kinyer berendezések valamelyest lassítják az áramlást, nyomáskülönbséget, turbulenciákat okoznak. A haladó szél energiáját általában vízszintes vagy függ leges tengely kerekekre szerelt, a kerék síkjával szöget bezáró lapátokkal alakítják forgássá. Régebben tapasztalatok alapján készítették a szélkerekeket, vitorlákat, de ma a szélkerekek aerodinamikai formázása és gépészeti konstrukciója a „high tech”-hez, azaz a nagyon felett technológiákhoz tartozik. • • •

A kis sebességgel egyenletesen (laminárisan, rétegzetten) áramló leveg útjába helyezett akadályra a leveg a közegellenállás mértéke szerint (torló-) er vel hat. Amennyiben az egyenletesen áramló leveg be áramvonalas, de aszimmetrikus akadályt állítunk (szárnyprofil, vitorla), akkor a leveg útját jobban besz kít oldalon az áramlási irányra mer leges Bernoulli féle szívóhatás lép fel. Ha az áramvonalas test nem megfelel irányból találkozik a nagy sebességgel áramló leveg vel, akkor Bernoulli féle hatás lecsökken, esetleg megsz nik, és turbulens áramlás alakul ki.

A fentiek miatt a vízemel kerekekre és az egyszer sík deszkavitorlákra f ként a tolóer hat, míg a hajlított lapátokra, a felvásznazott malomvitorlákra és a szárnyprofilú széler m lapátokra a Bernoulli er is.

2


2006.

Akadály az áramló leveg útjában A szél által hajtott vízszintes tengely (egyszer sített) egyenlet írja le: ahol • • • • •

szélkerekek által leadott teljesítményt az alábbi

A v3

P = 0,5

P - a szélkerék leadott teljesítménye, = 1,29 kg/m3 - az áramló leveg s r sége, de ez h mérsékletfügg , ezért télen, amikor a leveg hidegebb, jobb hatásfokúak lehetnek a szélturbinák A = r2 = d2 /4 - a lapátok által súrolt terület mérete (ahol r - a lapátok hossza; d = 2 r - a szélkerék átmér je), v a szél sebessége, amely mellett a teljesítményt meghatározzuk, a szélkerék hatásfoka, amely nem lehet több 60 %-nál, a gyakorlatban 10-30 % közötti érték szokott lenni.

A megadott képlet alapján látható, hogy a szél energiája a szélsebesség harmadik hatványával arányos. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy igen kis szélsebesség változás is igen nagy teljesítmény-változást okoz. Egy 1,5 MW-os széler m nek már 37,5 m hosszú lapátjai vannak. 25%-os hatásfokkal számolva azt kapjuk, hogy a néveleges teljesítményét 12,9 m/s-nél (47 km/h) éri el. 3 m/s szél esetén a leadott teljesítmény még a 20 kW-ot sem éri el, ami saját veszteségek fedezésére is alig elegend . Ezért sem indulnak 3 – 3,5 m/s alatt az er m vek. A valóságban egy szélkerékre a -val jelölt hatásfok a leveg sebességének függvényében er sen változik (részben a lamináris és turbulens áramlás miatt) és ez egy „púpos” karakterisztika görbét eredményez. Azért, hogy a kerekek forgását áramlástani szempontból jól össze lehessen hasonlítani, bevezették a gyorsjárási tényez t, ami a lapátvég sebesség (kerületi sebesség) és a szélsebesség arányát fejezi ki. A következ két ábra egy konkrét szélkerék hatásfokának ( ) változását mutatja a gyorsjárási tényez függvényében, illetve egy állandó fordulatszámon tartott rotor által leadott mechanikai teljesítményét mutatja különböz forgási sebességeknél:

3


2006.

Egy rotor hatásfokának változása

A leadott teljesítmény és a szélsebesség összefüggése

Széler m vek esetén a púp tetejét levágják, azaz a kiadott teljesítményt elektronikai és mechanikai úton maximálják, és ez eredményezi a széler m vek általános telít d , lapos karakterisztikáját.

3 A szélturbinák felépítése, üzeme A széler m vek viselkedését els sorban a szélsebesség és a kiadott villamos teljesítmény közötti összefüggés írja le. A széler m vek karakterisztikájára f ként a mechanikai kialakítás van hatással, amibe beletartozik a rotorlapátok profilja, a változtatható lapátszög és a rotor síkjának állíthatósága a szél irányához képest. Ezt a „mechanikai” karakterisztikát a teljesítményelektronika formálja tovább, f ként a kiadott teljesítmény limitálásával az „üzemi szél” tartományában (kb. 10-25 m/s). A következ ábrán egy er m felépítése és egy er m gyári adatlapján megadott karakterisztikát látjuk.

A széler m f bb elemei

Az E-48-a turbina teljesítmény és hatásfok karakterisztikája

4


2006.

A következ mérési diagram egy 1 MW-os névleges teljesítmény széler m karakterisztikájának közel lineáris, induló szakaszát ábrázolja. Széler m karakterisztika - induló szakasz 250

kW

200 150 100 50 0 0

1

2

3

4

5

6

7

szélsebesség m/s

A széler m vek az id nagy részében nem termelnek energiát. Ekkor inkább villamosenergia fogyasztóként lépnek fel, ugyanis a szél irányát követ vízszintes forgató egység folyamatosan készenlétben/m ködésben van, és télen egyes szerkezeti elemeket f teni is kell. Az üzemkész, szélre váró er m a küszöb szélsebességet meghaladó (3-4 m/s) tartós szél fennállása esetén indul. Míg a széler m veknek a névleges teljesítményre vetített teljes kihasználtsága évente 2000 óra körül van, addig a kisebb-nagyobb szélben való m ködési óraszám elérheti a 4000 órát is. Ez azt jelenti, hogy igen ritkán termel az er m a teljes kapacitásával, ugyanis ehhez legtöbb esetben 8-12 m/s szélsebesség szükséges. Az következ ábra egy er m ingadozó termelését mutatja, a változó szélben. A névlegesen 1 MW-os er m teljesítménye mintegy 6 perc alatt 1-18 % között változott. Amennyiben több er m termel egyszerre, akkor ezek a gyors termelésváltozások statisztikailag kiegyenlítik egymást. A szabályozott rotor fordulatszám

Széler m kiadott teljesítménye 14

200

12 10 n / perc

kW

150 100

8 6 4

50

2 0

0 14:03:50 14:06:43 14:09:36 14:12:29 14:15:22 14:18:14 14:21:07

0

50

100

150

200

kiadott teljesítmény kW

id

Mindeközben az er m rotorjának (ill. generátorának) sebességét igyekeznek állandó fordulatszámon tartani. Ezt mutatja a következ ábra.

4 A mérési összeállítás, eszközök A címlapon látható AIR-X 401-es kísérleti szélturbina, a m terhelés és az elektromos kapcsolószekrény a Bécsi úti épület tetején helyezkedik el. A turbina f bb jellemz i: • rotor átmér : 1,15 m • névleges feszültség: 12 V • indulási szélsebesség: 3 m/s • névleges teljesítmény: 400 W/11,5 m/s • maximális leadott teljesítmény: 520 W/18 m/s 5


2006.

6


2006.

A szélsebességet, irányt és h mérsékletet a Weather Wizard állomás méri és a Weather Link nev szoftver gy jti folyamatosan az alábbi listába:

A turbina termelését a National Instruments USB 600-as adatgy jt je LabView szoftveren keresztül loggolja.

7


2006.

5 A mérési feladatok A széler m vek telepítési helyének kiválasztásánál el ször általános meteorológiai szélmérési adatsorokat vesznek figyelembe. Ezt követi a helyszíni méréssorozat, amelyben a tervezett létesítési helyszínen, több évszakon keresztül a rotormagasságot megközelít szinten gy jtenek adatokat. Egy telepített er m nél folyamatosan regisztrálják a szél- és villamos termelési adatokat. Az uralkodó szélirányt, illetve az ennek nagyságára is utaló súlyozott átlagot szélrózsán lehet megjeleníteni. Fontos adat a szélsebesség, a szélsebesség átlaga, illetve mindennek eloszlása, azaz, hogy az adott átlag hosszú idej , kis sebesség szelekb l tev dik-e össze, vagy ritkább, de er sebb szelekb l. Ez utóbbi alkalmasabb az energiatermelésre, mert a kis szelek hiába kitartóak, az er m vet esetleg el sem indítják. Ugyan ezt lehet a szélsebesség s r ség diagramon is ábrázolni. Az egyenletes termelést befolyásoló kavargó, turbulens szél jellemzésére az id egység alatti szélsebesség- és szélirányváltozás mértékét érdemes regisztrálni. A kis változásokat a széler m le tudja követni, míg a hirtelen változások hatásfok csökkenést okoznak. A villamosenergia termelés szempontjából szinte a legfontosabb a teljesítmény-szél karakterisztika, illetve a tényeleges termelési görbe. Szélsebességgel súlyozott szélirányok (perc x m/s)

1 nap szélirány-id tartamai (perc) ÉSZAK ÉÉNY 300 ÉNY

NYÉNY

KÉK

100

NYUGAT

ÉNY

ÉK

200

NYÉNY

ÉSZAK ÉÉNY600,00

ÉÉK

0

KELET

NYDNY DNY

0,00

KELET KDK

DNY

DDK

DK

DDNY

DÉL

DDK DÉL

Szélrózsa

Súlyozott szélrózsa A szélirány és -nagyság percenkénti változása (turbulencia)

Egy óra szélsebesség adatai 4,00

6,00

3,00

4,00

m/s és rad

5,00 m/s

KÉK

NYDNY

DK

DDNY

ÉK

200,00

NYUGAT

KDK

ÉÉK

400,00

átlag szélsebesség

3,00

szélsebeség

2,00

2,00 1,00

Szélsebesség változás (m/s) Szélirány változás (rad)

0,00 -1,00

1

4

7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58

-2,00

1,00

-3,00

0,00 1

5

perc

9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 perc

Szélsebesség és átlag diagram

Turbulencia

8


2006.

Eloszlás s r ségfüggvény

6,00 5,00 m/s

4,00 3,00

szélsebesség

2,00 1,00

Mérések darabszáma

Szélsebesség eloszlás (tartam diagram) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

0,00

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

szélsebesség m/s

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 perc

Szélsebesség eloszlás (tartam-) diagram

Az eloszlás s r ségfüggvénye Széler m karakterisztika - induló szakasz

Generátor áram 250

5

200

4

150

Generátor áram (A)

3 2

kW

A ill. m/s

6

Polinom. (Interpolált szélsebesség (m/s) )

1

100 50 0

0 1

0

21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241

1

2

3

4

5

6

7

szélsebesség m/s

negyed sec

Tartam diagram

Generátor karakterisztika

5.1 Szélrózsa készítése a mért szélirányokból A mérés célja, hogy megállapítsuk, hogy az adott mérési id szakban milyen irányból fújt leggyakrabban a szél. A mérés során a szélirány mérése korrekciót igényel melynek mértéke 315 . (Azaz a m szer által mutatott 360 315 A szélrózsa a mérési id szakra (pl. 1 nap) vonatkoztatóan mutatja meg, hogy milyen gyakorisággal fúj a szél egy adott irányból, azaz mi volt az uralkodó szélirány. A mérési feladat: Egy adott id szak adataiból a szélirányok darabszámának meghatározása és ezt követ en a szélrózsa kirajzolása. 2006.09.08 Szélrózsa ÉSZAK ÉÉNY200 ÉÉK 150 ÉNY ÉK 100 NYÉNY KÉK 50 NYUGAT 0 KELET NYDNY

KDK

DNY DDNY

DK DDK DÉL

9


2006.

5.2 Szélrózsa készítése, az átlagos szélsebességgel súlyozva Az adott irányból érkez szél „mennyiségét” csak az irányok ábrázolása nem tükrözi helyesen. Ezért a szélrózsába a szélirányokat átlagos szélsebességgel súlyozva is ábrázolhatjuk. A mér hely által rögzített mérési adatokat tartalmazó pl.: download20060909_13h.txt file-t nyissa meg Excelben. (Megjegyzés: A szövegbeolvasó varázsló harmadik lépésénél kattintson az Irányított… ikonra és ott a tizedes jelet állítsa pontra.) A diagram elkészítéséhez a szélirány (Wind dir) és a szélsebesség (Wind speed) mérési adatait tartalmazó oszlopokat használja Átlagos szélsebesség súlyozva 2006.09.07. fel. Rendezze szélirányok szerint sorba az adatokat és az adott szélirányokhoz tartozó szélsebességeket adja össze, majd ábrázolja ÉSZAK ÉÉNY 200 ÉÉK sugárdiagramban. Így egy átlagos 150 ÉNY ÉK szélsebességgel súlyozott szélrózsát kap 100 eredményül. A valódi földrajzi tájolás miatt a NYÉNY KÉK 50 kapott diagramot 315°-kal el kell forgatni így NYUGAT 0 KELET kapja meg a valós szélrózsa diagramot. Ez a mérés megmutatja az adott id intervallumban NYDNY KDK mely irányból érkezett a legtöbb szél (széláram, DNY DK ugyanis egy adott keresztmetszeten áthaladó, DDNY DDK DÉL adott sebesség szél valóságban légáramot jelent, ez id ben pedig légmennyiséget tesz ki) A mérési feladat: Egy adott id szak adataiból a szélsebességgel súlyozott szélrózsa kirajzolása.

5.3 Szélsebesség diagram, átlagos szélsebesség

m/s

A szélsebesség id beli alakulását mutatja a szélsebesség diagram. A mérés pl. a download20060909_13h.txt file megnyitása után kezd dhet. A mérés célja hogy lássuk az iskola környékén fellép szélsebességek nagyságát és átlagosan mekkora széllökések érnek minket. Jelen esetben 24 órán át vizsgáljuk, hogy mekkora volt a szélsebesség. A mérést a szél sebesség (wind speed F-oszlop) valamint a percenkénti mintavételb l (time B- oszlop) készítjük el. 1 nap esetén pl. a 0:0023:59-ig terjed tartományt kell Egy óra szélsebesség adatai vizsgálni. A függvény elemeit 6,00 egyszer összerendezéssel lehet 5,00 összeválogatni. Átlag sebesség 4,00 átlag szélsebesség számításánál vagy összeadást és 3,00 szélsebeség osztást, vagy az ÁTLAG- függvényt 2,00 1,00 használjuk. Az egy nap lefutásaként 0,00 „tüskés” diagrammot kapunk, míg 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 kisebb id intervallumot kinagyítva a perc változások jobban láthatóak. A mérési feladat: Egy adott id szak adataiból a szélsebesség görbe rajzolása, illetve az átlagos szélsebesség meghatározása.

10


2006.

3,5 3 2,5 2

Adatsor1 Adatsor2

1,5 1 0,5 0

17:318:31 13:13 14:06 14:58 15:52 16:44 19:23 20:16 11:28 12:21 21:08 22:01 22:55 23:49 0:010:531:462:403:344:265:196:127:067:598:519:4410:36 8

5.4 Szélsebesség eloszlás (tartam) diagram Az el z ábrából nehéz megállapítani, mennyi ideig fújt pl. a széler m indulási sebességénél nagyobb szél, mennyi ideig lehetett volna villamos energiát termelni. Ez leolvasható az eloszlás diagrammból. A mérés a pl. download20060909_13h.txt file megnyitása után kezd dhet. A mérést a szél sebesség ( wind speed F-oszlop) valamint a percenkénti mintavételb l ( time B-oszlop) készítjük el. 0:00-23:59-ig terjed tartományt kell vizsgálni. Mérés célja: szélsebesség tartammérés. Adatok értelmezése : a lépcs zetes görbe azt mutatja, hogy nem volt tartósan 3 m/s feletti szél, azaz jelent s áramtermelés nem volt lehetséges. A mérési feladat: Egy adott id szak adataiból a szélsebesség eloszlás diagram elkészítése. Tartam 2006.09.07. 3,5 3 sebesség

2,5 2 1,5 1 0,5 0 1

63

125 187 249 311 373 435 497 559 621 683 745 807 869 931 993 1055 1117 1179 1241 1303 1365 id

5.5 Szélsebesség eloszlás s r ségfüggvénye Az eloszlás s r ségfüggvénye mutatja, hogy az adott szélsebesség tartományban mennyi ideig fújt a szél. A mérési feladat: Az adatokból az adott szélsebességek darabszámának meghatározása és ezt követ en a diagramm felvétele és kirajzolása.

11


2006.

8, 5

7, 5

6, 5

5, 5

4, 5

3, 5

2, 5

1, 5

600 500 400 300 200 100 0 0, 5

darab

2006.09.08.

sebesség

5.6 Turbulencia diagram A szélsebesség átlaga, illetve eloszlása nem ad információt arról, milyen gyorsak a változások, az adott sebességek hogyan követik egymást. A gyors változások a termelés hatásfokát csökkentik. A turbulencia a szélirány és a szélsebesség változását fejezi ki valamilyen egységes id távra vonatkoztatva, pl. az 1 perc alatt. A mérési feladat: Két egy órás id szak széljárását összehasonlítani a turbulencia szempontjából. A szélirány és -nagyság percenkénti változása (turbulencia) 4,00

m/s és rad

3,00 2,00 1,00

Szélsebesség változás (m/s) Szélirány változás (rad)

0,00 -1,00

1

4

7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58

-2,00 -3,00 perc

5.7 Generátor teljesítmény diagram A National Instruments által fejlesztett készülék segítségével mérjük az Air-X 403-as típusú szélgenerátor által termelt áramot, amit a készülék els dlegesen saját Archív memóriájába tárol. A hozzá kapott szoftver segítségével hozzáférhetünk ezekhez a mérési adatokhoz, és *.xls formátumban elmenthetjük. A kiértékeléshez fontos információ, hogy a mentések 4 Hzes frissítéssel jönnek létre, tehát másodpercenként 4 adat jelenik meg! A mért érték pedig azaz árammal arányos feszültség, ami tartalmaz 2.5V offset feszültséget is, melyet kivonva a nulla szintet kapjuk! 0.05V feszültség szint 1A áramer sségnek felel meg! Adott esetben additív tölt áram offset-tet is tartalmaz a mérés. A diagram elkészítéséhez átlagoltuk a mérési pontokat másodpercenként, percenként, majd óránkén! Az így kapott jelent sen kevesebb adatból kisz rtük azokat az id pontokat, ahol termelés volt és az áramokból számolt teljesítményt ábrázoltuk az id függvényében. A mérési feladat: Egy adott id szak adataiból a generátor áramát megjeleníteni, illetve egy termelési id szakot kinagyítani (pl. 3 percet). 12


2006.

Generátor áram 6

A ill. m/s

5 4

Generátor áram (A)

3 2

Polinom. (Interpolált szélsebesség (m/s) )

1 0 1

21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 negyed sec

5.8 Generátor szél-teljesítmény karakterisztika A fentiekben említett készülék segítségével pontos adatokhoz juthatunk a szél kiszámíthatatlan jellegér l! A mérési adatokban megtaláljuk a szél sebességét, leolvasható az iránya és az id tartama is! Szintén egy táblázatban tölthet ek le ezek a mérési pontok, amiket másodpercre pontosan össze tudunk vetni az árammérés adataival. Ez azért fontos, mert így pontosan vizsgálhatjuk a szélturbina viselkedését, hogy mekkora szélsebesség szükséges a termelés beindításához. Valamint pontos információkat kapunk a leveg mozgásáról, amiben megfigyelhet ek bizonyos azonosságok. A mérési feladat: Adott id szak szél és áram adataiból a generátor karakterisztika felrajzolása. Széler m karakterisztika - induló szakasz 250

kW

200 150 100 50 0 0

1

2

3

4

5

6

7

szélsebesség m/s

6 Mérési jegyz könyv A mérési jegyz könyvet mér páronként nyomtatott formában kell leadni a mérésvezet nek 1 héten belül (ezzel gyakorolják az elvégzett munka bemutatását, dokumentálását). A jegyz könyv formája nem kötött, éppen a kimért, ízléses dokumentum szerkesztés elsajátítása is a cél, hossza 2-3 oldal. Ez tartalmazza: • Dátum • Mérést végz k nevét • Az elvégzett mérés leírását • A mérésnél felhasznált adatok leírását • Grafikus megoldást • Írott értékelést Szükséges hallgatói eszközök: pen-drive adathordozó. 13

Szélturbinák villamosenergia termelése

Recommend Documents