TDK-dolgozat
Eckl Bence BSc 2014
Kisteljesítményű szigetüzemű szélgenerátor háztartási energiafelhasználásra
Low performance off-grid wind generator for domestic energy consumption
Kézirat lezárása………………………… 2
Eckl Bence
Kisteljesítményű szigetüzemű szélgenerátor háztartási energiafelhasználásra
Napjaink háztartásainak energiaigénye jócskán meghaladja azt a szintet, ami valójában szükséges lenne. Gondoljunk itt a különféle világító berendezésekre, egy háztartásban több televízióra, DVD-lejátszóra, vagy szimplán elektromos kiegészítő eszközeinkre. Ez manapság már megszokottá vált, hogy minden rendelkezésünkre áll korlátlan mennyiségben. A helyzet azonban az, hogy ez nem tarthat örökké. Itt az ideje ráébrednünk arra, hogy valamilyen alternatív megoldás szükséges energiaigényeink fedezésére. Számomra a fő feladat, egy hatékony, olcsó, de megbízható villamosenergiaelőállító rendszer megalkotása. A szél energiáját hasznosítva, különböző szabályozó áramkörök segítségével állandó energiát biztosítva az adott háztartásnak. Az egység 3 kW villamos energiát képes majd előállítani, mely közvetlenül csatlakozik egy feszültség átalakító eszközre. Fontos egységet képez még a 120 V-os akkumulátor teleprendszer, melyet nagy kapacitású ólomsav akkumulátorok képeznek. Az akkumulátor telep párhuzamosan csatlakozik a rendszerhez, melynek a végén egy egyfázisú inverter állítja elő a váltakozó feszültséget. Az inverter kimenetén egy transzformátor állítja be nekünk a 230 V-os feszültséget, melynek teljesítménye 3 kVA. Az áramköri elemek gondos megtervezése és illesztése, kulcsfontosságú. Ezt elősegítendő szimulációs programokat alkalmazok az áramkörök viselkedésének pontosabb megismeréséhez, majd ezek megtervezéséhez. Természetesen ezt a feladatot megelőzte, egy három hónapon át tartó szélerősség mérés, melyet elvégeztem, és ez alapján megbecsültem a rendszer hatékonyságát a szél szempontjából. Fölmerül a kérdés, hogy „Mi van, ha nem fúj a szél?”. Természetesen ez az eshetőség is fennáll, azonban kiküszöbölhető hatékony energiatárolók felhasználásával. Az energia felhasználása a szélgenerátorból igen sokrétű. Használhatjuk fűtésre (villanybojler), hűtésre (klíma), világításra, vagy egyéb elektromos készülékek energiaigényének fedezésére. Az egyetlen, ami határt szab a felhasználásban, az kizárólag a pénztárcánk mélysége. 3
Eckl Bence
Low performance off-grid wind generator for domestic energy consumption
Nowadays, our claim of energy is more than necessary. For example there are many DVD-players, televisions, and computers at an average home. Now it has become to orDinary, that we get any energy what we need. But this situation doesn’t last forever. We have to wake up, and think about an alternative solution for our energy problems. According to my aims, I would like to creat an effective, inexpenesive, but reliable electricity production system, utilizing the wind energy, with many different control circuits, proving permanent energy for an average household. The unit will provide three kilowatts of electricity energy, which connects a battery pack and an inverter. There is also a tansformer at the output of the inverter, which creates the optimal 230 volts. The voltage level of the battery pack is 120 volts. The whole power of this energy system is three kilowatts. The precise designing is very important, because every system has own speciality. There are many simulation programs to help my project. These simulations can help me getting to learn about the behaviour of these circuits. Of course there was a wind speed measurement, lasts three months, before doing anything about this project. Although, we should think about what if, there is no wind. Of course we can solve this problem, with effectual energy storage. The energy consuption from wind generator is very different. We can use it for heating (elecric kettle), or cooling (AC systems), or suppling any other electric device. The only limit of these systems is our bank account.
4
Tartalom I.
SZAKIRODALOM TANULMÁNYOZÁSA, ADATGYŰJTÉS.............................................................. 6 1.
Szélkerék működési elve: ................................................................................................... 6
2.
Szélkerekek általános paraméterei: .................................................................................. 9
3.
Egyenáramú generátorok tulajdonságai: ......................................................................... 9
4.
Váltakozó áramú generátorok tulajdonságai: ................................................................. 9
5.
A szélenergia Magyarországon: ...................................................................................... 10
6.
A szélerőművek nemzetgazdasági hatása: ...................................................................... 11
II.
SZÉLGENERÁTOROK MŰKÖDÉSI ELVE, MÉRETEZÉSE ............................................................. 11 1.
Állandó mágneses szélgenerátor működési elve: ........................................................... 11
2.
Háztartási szélgenerátor méretezése: ............................................................................. 13
3.
Lapát átmérő meghatározása: ......................................................................................... 14
4.
A generátorunk méretezése: ............................................................................................ 15
5.
Szélkerekek által okozott zajszennyezés: ....................................................................... 16
III.
ENERGIÁT FELHASZNÁLÓ FOGYASZTÓK KIVÁLASZTÁSA .................................................... 18
1.
A villanybojler kiválasztása:............................................................................................ 18
2.
Előnyök és hátrányok megfogalmazása: ........................................................................ 20
IV.
KÖZTES ENERGIATÁROLÓK KIVÁLASZTÁSA ........................................................................ 21
1.
Akkumulátorok kiválasztása:.......................................................................................... 21
2.
Energiatárolók egymáshoz kapcsolása: .......................................................................... 22
3.
Mélykisütési védelem: ...................................................................................................... 22
V.
ILLESZTŐ, ÉS SZABÁLYOZÓ ÁRAMKÖRÖK TERVEZÉSE ............................................................ 24 1.
Generátor illesztése az akkumulátoros rendszerhez: .................................................... 24
2.
Feszültség átalakító híd vezérlése impulzusszélesség modulációval: ........................... 26
3.
A teljesítmény-tranzisztorok kapcsolása: ....................................................................... 27
4.
Transzformátor méretezése, és illesztése:....................................................................... 30
5.
Konklúzió: ......................................................................................................................... 33
5
I.
SZAKIRODALOM TANULMÁNYOZÁSA, ADATGYŰJTÉS
A szél, mint energiaforrás az idők kezdete óta megtalálható a Földön. Már az ókori kultúrák is hasznosították a szélenergiát a termény feldolgozására, vagy a kutakból való víz felhozatalára. Igazi áttörés azonban a 19. század elején történt. A villamos energia felhasználása egyre nagyobb teret hódított és elkezdődtek a törekvések egy hatékonyabb energia előállítási rendszer létrehozására.
1. Szélkerék működési elve: Az áramlási térbe helyezett rotor tengelye azonos az áramlás irányával, a keresztmetszete A. A rotor előtt az áramlás sebessége v1. Ha a rotor tengelyéről energiát veszünk le, a levegő sebessége lecsökken, hiszen mozgási energiájából veszít, s a levegő sebessége v2 lesz.
1. ábra A rotoron átáramló szél áramlási viszonyai [1] A rotoron átáramló levegőre érvényes a Bernoulli törvénye:
(1) Az A keresztmetszetű rotor tengelyén levehető maximális teljesítmény a következő összefüggés szerint számítható:
6
(2)
A lapátra ható erők:
2. ábra A lapátra ható erők ábrázolása [1] A rotor lapátjai általában szárny keresztmetszetűek. A szárnyprofilú lapátra ható erők és a szélirányok x-y koordináta rendszerben A V szélbe helyezett szárnyelemre dF nagyságú erő hat, amelyet praktikusan szélirányú (dFV) és szélre merőleges (dFE) komponensekre bonthatunk. A dF a felhajtóerő, amely a szárnyat „emeli”, s annak y irányú komponense (dFEy) a forgási síkban igyekszik a lapátot elmozgatni és hasznos forgató nyomatékot képez, míg (dFVy) a szárny ellenállása, amelyet a légárammal szemben kifejt. A szélirányú komponensek (dFVx és dFEx) a lapátra hajlító nyomatékot fejtenek ki. Energetikai szempontból nyílván az előnyös, ha a forgási irányba mutató komponense minél nagyobb. A profilirány szaggatott vonala és az elmozdulás iránya közötti szög (β) a lapátszög, s következésképpen a minél kisebb értékei
7
kívánatosak. A szárnyprofilokat általában kísérleti úton állítják elő és szélcsatornában vizsgálják tulajdonságaikat. Jellemzésükre a felhajtóerő-tényező, az ellenállás-tényező és a siklószám használatos. A megfújás szöge (α), a lapátkeresztmetszet profilirányának szaggatott vonala és a tényleges szélirány (V), valamint a kerületi sebesség (VU) vektorai által meghatározott látszólagos szélirány (Vr) által bezárt szög. A szél lapáton történő átáramlásának eredményeként a kilépő szélnek tangenciális komponense is van, ami azt bizonyítja, hogy a rotor „megcsavarja” a szelet. A szél energiáját akkor tudjuk kihasználni maximálisan, ha sebessége a lapátokon egyharmadára csökken. A különféle szélerőgépeket az un. gyorsjárási tényezővel különböztetjük meg egymástól. A gyorsjárási tényező (a teljes rotorra vonatkoztatva):
(3) Azaz a rotor legkülső pontján a kerületi sebesség és a szélsebesség viszonyszáma. A teljesítménytényezőből következtethetünk a nyomatéktényező (cM) karakterisztikára is, mivel:
(4) cM ismeretében a névleges nyomaték:
3. ábra A teljesítménytényező és a nyomatéktényező változása a gyorsjárási tényező függvényében. [1] 8
Érdemes megfigyelni, hogy a gyorsjárású rotorokkal lényegesen jobb teljesítménytényező érhető el, míg a lassújárású rotorok nyomatéktényezője igen kedvező.
2. Szélkerekek általános paraméterei: A szélkerekeknél szokásos megadni bizonyos paramétereket, melyek utalnak formai tényezőikre, és jövőbeli működésükre. Ilyen paraméterek: a.) Rotor átmérő b.) Súly c.) indulási sebesség d.) maximális sebesség e.) hatásfok (maximum: 59.6%) f.) névleges teljesítmény Természetesen minden tulajdonságot figyelembe kell venni egy adott rendszer elkészítésekor, ugyanis nagyban függ a rendszer optimális működése a szélkerék helyes megválasztásától. A szélkereket általában egy generátor tengelyéhez rögzítjük. Ennek a generátornak a kiválasztása is kulcsfontosságú. Generátorunk előállíthat egyen, vagy váltakozó feszültséget.
3. Egyenáramú generátorok tulajdonságai: a.) Névleges feszültség (névleges szélsebességen előállított kapocsfeszültség) b.) Névleges áram (a tekercseken átfolyó maximális áram melegedés nélkül végtelen ideig c.) Névleges teljesítmény (a névleges áram és feszültség szorzata) d.) Forgórész és állórész szerkezete (tekercsrendszerek kapcsolása) e.) Névleges fordulatszám (általában 500….900 RPM)
4. Váltakozó áramú generátorok tulajdonságai: Megegyezik az egyenáramú generátor tulajdonságaival, de a forgórész állandó mágneseket tartalmaz. Így a forgórészt nem kell gerjesztenünk, ugyanis a gerjesztést a 9
mágnesek képviselik. Mikor a mágnesek elhaladnak a tekercsek mellett, a tekercsekben feszültség indukálódik. A tekercsek kapcsolástechnikája pedig hasonló a szinkron generátorokéhoz.
120°-ban
geometriailag
eltolt
tekercsrendszerben
háromfázisú
feszültség indukálódik. Az indukált feszültség nem teljesen szinuszos, mivel a szél sebessége sosem teljesen állandó. Bizonyos erősebb széllökések hatására kialakulhatnak kisebb feszültségcsúcsok, melyek próbára tehetik a tekercsek zománc szigetelését.
4. ábra Az indukált feszültségek alakulása tekercsek kapcsain [1] Belátható, hogy az állandó mágneses szélgenerátorok alkalmazása sokkal hatékonyabb működést tesz lehetővé. Ez hosszútávon jövedelmező, viszont az ilyen generátoros rendszerek
költségei
jelentősen
különböznek
az
egyenáramú
rendszerekétől.
Üzemeltetésük egészen hasonló, azonban a szükséges mágnesek piaci értéke viszonylag magas. El kell döntenünk, hogy mi fontos számunkra, nagy teljesítménysűrűség kis térfogatban, vagy olcsóbb, rosszabb hatékonyságú eszközök üzemeltetése.
5. A szélenergia Magyarországon: A hazai villamosenergia-szektor maximális szélerőmű-kapacitásának egyik gyakran hivatkozott korlátja a rendszer rugalmatlansága, a le- és felszabályozási tartalékok hiánya. Több piaci tanulmány szerint azonban ezek a problémák a szélerőművek megjelenése előtt is léteztek. 2010 első féléves adatok alapján, a mai beépített 295 MW szélerőműkapacitás a kb. 9300 MW-nyi teljes beépített kapacitás 3,17%-a. 10
6. A szélerőművek nemzetgazdasági hatása: A megújuló energiahordozók, köztük a szélenergia elterjedése számos pozitív hatással bírhat a nemzetgazdaság egészére. A főbb területek, ahol lényeges változások érhetők el: • Fenntartható fejlődés és környezetvédelem, tiszta energia, légszennyezés csökkenése (CO2, kén, por, stb.) • Energia importfüggőség csökkenése, energiapiaci diverzifikáció, fosszilis energiahordozóktól való függőség csökkenése, • Hosszú távú ellátásbiztonság javulása, a termelés földrajzi diverzifikációja, szállítási veszteségek csökkenése. Számítások szerint minden 100 MW plusz beépített szélerőmű-kapacitás, mai árakon számolva, 61 millió m3 földgázt (piaci értéke kb.4,3 milliárd Ft), illetve 126 ezer tonna CO2-t (piaci értéke 540 millió Ft) válthat ki. A szélerőművek hátrányaként jellemzően az okozott környezeti hatások (zaj, madarak veszélyeztetése, tájkép), a viszonylag alacsony átlagos kihasználtság, a magas termelési költségek, illetve az előrejelzési és rendszerszabályozási kérdések merülhetnek fel a penetrációtól függő mértékben. A nemzetgazdasági előnyök minél szélesebb körű érvényesüléséhez átlátható, stabil szabályozási keretre van szükség, amely további beruházások megvalósítását ösztönzi, szem előtt tartva az esetleges akadályok lebontását, a hátrányok minimalizálását.
II.
SZÉLGENERÁTOROK MŰKÖDÉSI ELVE, MÉRETEZÉSE
A szélgenerátorok tárgyalásánál figyelembe kell venni, hogy milyen felépítésű az adott szélgenerátor (állandó mágneses, tekercsgerjesztésű). Mivel dolgozatom fő témája az állandó mágneses szélgenerátor alkalmazására épül, ezért ennek működési elvét és méretezését a továbbiakban ismertetem.
1. Állandó mágneses szélgenerátor működési elve: Felépítése hasonló a szinkron gépéhez, azonban itt nem szükséges a gerjesztés külön feszültségforrásról. A gerjesztést ebben az esetben a mágnesek adják.
11
Forgó mágnes
Állórész tekercs Lágyvas
5. ábra Váltakozó feszültséget előállító generátor elvi felépítése [2] Az ábrán látható mágnest megforgatjuk egy tengely körül, és ez az állórészen lévő tekercsekben feszültséget indukál. A feszültség szinuszosan, változik a kapcsokon. Az indukált feszültséget felírhatjuk az alábbi összefüggés szerint:
𝑈𝑖 = 𝑁
𝑑Φ 𝑑𝑡
(5)
Az egyenletben Ui az indukált feszültség, N a tekercsek menetszáma, Φ a fluxus t az idő. Ha elhelyezünk három tekercset, és a tekercseket 120°-ban eltoljuk egymáshoz képest, majd több mágnest helyezünk el a forgórészen, akkor megkaphatjuk a háromfázisú váltakozó áramú generátor felépítését.
6. ábra Állandó mágneses generátor forgórészének elvi felépítése [2]
12
(az állórész és az egyenirányító rész kapcsolása) [2] Az állórész tekercsein háromfázisú szinuszosan váltakozó feszültséget kapunk. Ahhoz, hogy az indukált feszültséget pontosan meghatározzuk, ismernünk kell generátorunk paramétereit.(gépállandó, fluxus maximális nagysága stb.) A következő összefüggés szerint meghatározható az indukált feszültség:
𝑈𝑖 = 𝐶 ∙ 𝜙 ∙ 𝑛
(6)
Ahol Ui az indukált feszültség, C a gépre jellemző gép állandó, mely függ a tekercselési tényezőtől, a pólusok számától, és a forgórész kiképzésétől, Φ a fluxus, és n a gép pillanatnyi fordulatszáma. Ez a fordulatszám szélgenerátorok esetében 500-900 fordulatot jelent percenként. Mivel a generátorunkat elsősorban akkumulátorok töltésére szeretnénk használni, ezért valamilyen módon, a kapcsokon lévő feszültséget egyen jellé kell alakítani. Ezt végezhetjük egyszerű diódákkal, tirisztorokkal, speciális esetben TRIAC félvezető eszközökkel. A továbbiakban háztartási felhasználásra alkalmas felépítményeket és rendszereket tárgyalok. A generátorunkat minden esetben szélenergia átalakítására szeretnénk alkalmazni ezért célszerű a lehető legmagasabb helyen elhelyezni. Erre a célra könnyű alumínium oszlopokat használunk. A hatóság nem köti engedélyhez a 6 méter alatti felépítmények építését, ezért a maximális magasság ahol elhelyezhetünk egy házi célra szánt szélerőgépet, az 4-4,5 méter lapátátmérőtől függően. Rögzítése nagy szakítószilárdságú alumínium sodronnyal történik négy irányból. Ez elengedhetetlen a biztonságos üzemhez. Szintén nagyon fontos az ilyen speciális rendszerekhez a gépünk méretezése, ugyanis különböző méretezési eljárások alkalmazásával energiát és pénzt takaríthatunk meg.
2. Háztartási szélgenerátor méretezése: Elsőként figyelembe kell vennünk, hogy milyen célra szeretnénk generátorunkat felhasználni, majd azt nézzük meg, hogy megéri-e nekünk az egész kivitelezése. Általában az ilyen rendszerek megépítését megelőzi, egy több hónapon át tartó szélviszony felmérés, majd ezt követően a mért adatok alapján meghatározzuk a szélkerekünk körülbelüli paramétereit.
13
3. Lapát átmérő meghatározása: A szélsebesség függvényében adják meg általában a szélgenerátor teljesítményeit. Erre példa:
Teljesítmény jelleggörbe
Teljesítmény
7. ábra Várható teljesítmény [W], szélsebesség [m/s] karakterisztika [3] Az ábra egy 1 méter átmérőjű szélkerék karakterisztikáját mutatja. A generátorunk egy 300 W teljesítményű DC generátor. A szélkerék teljesítményét meghatározó egyenlet:
P = 0,5∙ρ∙A∙v3∙η
(7)
Ahol P a szélkerék teljesítménye, ρ = 1,29 kg/m3 a levegő sűrűsége, A = r2 π a lapátok által súrolt terület mérete (r a lapátok hossza,), v a szél sebessége, amely mellett a pillanatnyi teljesítményt meghatározzuk, η a szélkerék hatásfoka (maximálisan: 59,26%). Ha nálunk a szél átlagos sebessége mondjuk 8 m/s, és már ezen a sebességen szeretnék, hogy névleges teljesítményt szolgáltasson, növeljük a lapát átmérőt. Természetesen a gyakorlati határokon belül kell maradnunk. Ha a lapát átmérőt megnöveljük 2 méterre a névleges teljesítményünk elérhető már 8 m/s szélsebességen. Azonban figyelembe kell vennünk, hogy a szélkerék nagyobb felületen érintkezik a levegővel. Ez azt eredményezi, hogy sérülékenyebb lesz a rendszerünk, nagy szélerősség hatására tönkre is mehet a rendszerünk. Sőt a nagyobb átmérő miatt azonos fordulaton a lapátvégek sebessége meghaladja a biztonságos értéket, mi több a rendszer kiegyensúlyozatlanság miatt elkezd rezegni, majd annyira felgyorsul, hogy szétesik.
14
A lapátok kiválasztásakor figyelembe kell vennünk az átlagos szélsebesség nagyságát a telepítési helyen, a maximális szélsebességet, a mechanikai terhelés szempontjából a lapát anyagát és nem utolsó sorban a generátorunk névleges teljesítményét. A lényeg, hogy találjunk egy optimális megoldást ahol a rendszer biztonságosan és gazdaságosan működik. A hatékony működéshez szükségünk van még egy szélirányba állító farokra, amely változó szélirányok esetén is irányba állítja szélgenerátorunkat.
4. A generátorunk méretezése: A jellemző generátor felépítés ebben a kategóriában az áttétel nélküli, sokpólusú állandó mágneses forgórészű háromfázisú generátor. A sokpólusú tekercselés teszi lehetővé, hogy alacsony fordulatszámon tudja leadni a szükséges feszültséget és teljesítményt. A generátor két fő részből áll. Állórész és forgórész. Az állórész tartalmazza a háromfázisú tekercselést, a forgórész pedig lényegében két részből áll, melyeken a mágnesek helyezkednek el. A forgórész kétszerezése azért fontos, hogy a mágnesek által előállított indukált feszültség értéke a lehető legnagyobb legyen a tekercsekben. A tekercseket a névleges teljesítményhez szükséges áramra méretezzük. A tekercsek zománcozottak elrendezésük az alábbi ábrán látható:
8. ábra Állandó mágneses generátor állórész tekercselése [4] A tekercsek általában csillagkapcsolásban vannak összekötve, a csillagpont pedig ki van vezetve. Méretezéskor figyelembe kell venni a keletkező hőt, melyet valamilyen módon 15
el kell vezetni. Az állórész általában ki van öntve valamilyen műgyantával, hogy védve legyen a különböző mechanikai és termikus behatásoktól. A forgórész állandó mágneseit úgy választjuk ki, hogy minél kisebb keresztmetszetű nagy erősségű mágnesek legyenek. Erre a célra megfelelnek a neodímium, vagy szamárium alapú mágnesek. Elhelyezésük a forgórészen:
9. ábra Állandó mágneses generátor forgórésze [4]
A három rész tehát együtt alkotja a generátort. A tengely, melyhez majd a lapátok csatlakoznak, a mágneses forgórészhez van rögzítve. A tengely kiképzése általában hengeres, rozsdamentes acél vagy alumínium alapanyagú. Átmérőjét az határozza meg, hogy milyen lapátokat kívánunk rögzíteni hozzá, és milyen névleges szélsebességhez készítjük. A lapátokat általában alumínium tárcsához rögzítik 6-12 csavarral (fix lapátszögű szélerőgépeknél). A rögzítés után pedig felfogatunk egy kúp alakú légterelő egységet, mely műanyagból, műgyantából, esetenként szénszálas ötvözetekből készül.
5. Szélkerekek által okozott zajszennyezés:
Fontos megvizsgálnunk a szélkereket, mint zajforrást. A szél hatására megforgatott tollakról turbulens légáramok alakulnak ki melynek következménye igen intenzív
16
hanghatás. Egy bizonyos fordulatszám felett a lapátok alapvető hangján felül hallhatók más rendkívül zavaró hangok. Ezek hangnyomása meghaladhatja a zavaró szintet.
10. ábra A hanghatás erőssége a távolság függvényében [5]
Az ábrán jól látható hogy igen nagy távolságok kellenek ahhoz, hogy a hangnyomást elfogadható szintre csökkenthessük, ezért célszerű olyan megoldásokat alkalmazni melyek ezt a problémát orvosolják. Megoldásként szolgálhat például a generátorunk pozíciójának jó megválasztása. Lehetőleg olyan helyre rögzítsük, ahol a hanghatás nem jelent zavaró tényezőt semmilyen tevékenység számára. Csökkenthető még a hanghatás a lapátok kiképzésével. Ha a lapátokat, a keskenyebb profilú oldalán hullámos jellegűre készítjük (például konyhai kések), a turbulencia mértéke csökkenthető. Ugyan ezt a hatást érhetjük el, ha minden toll végén elhelyezünk egy kampós véget. Ez is gátolja a turbulens légáramok elszaporodását. Meg kell találnunk tehát egy optimális megoldás arra, hogy az ilyen jellegű apró, de fontos problémák hogyan csökkenthetők. Ezt a kérdést természetesen tapasztalat útján tudjuk megválaszolni.
17
III.
ENERGIÁT
FELHASZNÁLÓ
FOGYASZTÓK
KIVÁLASZTÁSA Hatékony energia-felhasználó berendezés megválasztása rendkívül fontos feladat. Szem előtt kell tartanunk azt a tényt, hogy sokféle eszköz használata problémát jelenthet anyagi szempontból a rendszer tervezésénél. Gondolok itt arra, hogy különböző fogyasztóknak, különböző teljesítmény igénye van, melyek befolyásolják egy ilyen rendszer harmonikus tartalmát, üzembiztosságát, és terhelhetőségét. Fontos tehát egyetlen olyan fogyasztóra méretezni a rendszerünket, mely hatékony részt tud vállalni a háztartás üzemeltetésében, jól terhelhető, hatékonyan használja fel a vételezett energiát és megfizethető árban van. Természetesen ez abban az esetben igaz, ha minimális anyagi befektetéssel szeretnénk elérni a lehető legnagyobb hasznot. A fűtés minden háztartás legnagyobb problémája anyagi szempontból. Nyilván az energia előállítás pénzbe kerül és ezért fizetnünk kell, de mi van akkor, ha mi saját magunk szeretnénk előállítani azt az energiát, amit felhasználunk. Korlátlan előállítás persze nem lehetséges, ez azonban arra ösztönöz minket, hogy hatékonyabban, takarékosabban használjuk fel a rendelkezésre álló energiánkat. Az
én
rendszeremben
egy
villamos
vízmelegítőt
kívánok
működtetni.
A
kapcsolástechnikája még nem végleges, és újfajta vezérlést kívánok kidolgozni e vízmelegítő működtetésére, azonban a jelenlegi megoldás sem elvetni való ötlet.
1. A villanybojler kiválasztása: A villanybojler fontos részét képezi a fűtő rendszernek, mondhatnám azt is, hogy ez az egész rendszer lelke. Paramétereit úgy választottam meg, hogy az megfeleljen az általam támasztott igényeknek és illeszthető legyen az otthoni villamos-energia előállító rendszerhez.
18
11. ábra A villanybojler [6] Adatait a következőkben olvashatjuk:
Űrtartalom: 200 liter
Vízcsatlakozás: G1/2
Villamos teljesítmény: 2,4 kW
Felfűtési idő 65°C-ra: 5,3 óra
Természetesen a forgalmazó több adatot is megad azonban, a tervezés szempontjából ezek a fontosabbak. Itt is két fő adatot kell figyelembe vennünk. A villamos teljesítményt és a felfűtési időt. Az áramfelvétel meghatározható ugyanis 230V-os hálózati feszültségre kapcsolva a következő összefüggésből adódik (bojler esetén cosφ = 1):
𝐼=
𝑃 𝑈
(8)
A maximálisan felvett áram 10,43 A. Ezt a rendszerünknek 5,3 órán át kell szolgáltatni ideális esetben. Ami annyit jelent, hogy akkumulátor telepünket és a szükséges illesztő rendszereket ehhez tartva kell méreteznünk. Figyelembe kell venni, hogy ezeket az eredményeket ideális paramétereket feltételezve kapjuk. A gyakorlatban az inverter miatt 19
nem biztos, hogy teljesen szinuszos lesz a feszültségünk, sőt a vízmelegítő folyamatosan pótolja az elhasznált meleg vizet. Így a felfűtési időt korrigálnunk kell a telepek helyes kiválasztásához (ennek részletezése a továbbiakban). A vízmelegítőt csatlakoztathatjuk radiátorokhoz, padlófűtéshez, azonban a fűtőfelület meghatározása is mérvadó. Nem használhatunk hatalmas felület fűtésére egyetlen 200 literes bojlert, ugyanis a nagy fűtési felület gyorsabb víz lehűlést eredményez. Egy bizonyos szintig még a bojler fel tudja fűteni kellően a vizet, azonban egy határ után, a bojler már nem képes elegendően felmelegíteni a fűtéshez szükséges vizet. Ezért célszerű úgy beállítani a rendszerünket, hogy a víz melegítése ne legyen maximális, csak abban az esetben, ha maximális a kihasználtság. Az én rendszeremben a vízmelegítő a padlófűtéshez, és a vizes blokkhoz csatlakozik. A padlófűtés rendszerén van egy keringető szivattyú, és ez szolgáltatja a rendszer folyamatos frissítését. Valószínűleg tartom, hogy szükség lesz egy kiegészítő puffer tartályra is, amely meleg vizet tárol a fürdés, mosás egyéb igények kielégítésére.
2. Előnyök és hátrányok megfogalmazása: Rendkívüli előnye a rendszernek, hogy teljes mértékben kiváltja a gáz fogyasztását. Az elmúlt években hatalmas gázszámlákat kellett befizetnünk, ezért ez hatalmas könnyebbség a családi költségvetés számára. Másik szembetűnő dolog az energia tisztasága, és függetlensége. Napjainkban talán a függetlenségért kell a legnagyobb árat fizetnünk. A gázzal szemben e rendszer káros anyag kibocsájtása eltörpül a versenytárséhoz. Nem szennyezzük a környezetet és hatékonyan használjuk ki a természet nyújtotta erőforrásokat. Előny még, a jó kombinálhatóság. Ha hibrid rendszerekben gondolkodunk, a napelemeinket jól kombinálhatjuk a fűtéssel. Nyáron is nagyszerűen használható, ugyanis hasonló teljesítményű klíma egységgel akár egy társalgó, vagy egy nappali lehűthető kellemes hőmérsékletűre. A hűtés és fűtés (meleg víz előállítása fürdéshez mosáshoz) egyidejű megoldása már tesz fel kérdéseket, azonban a napjainkban kapható félvezetők segítségével készíthetők olyan áramkörök, melyek leegyszerűsítik a váltást hűtés és fűtés között. Viszonylag hátránynak tekinthető, hogy egyidejűleg több nagyteljesítményű eszköz nem tud megfelelően üzemelni erről a hálózatról, de fejlesztési terveim később erre a problémára is kiéleződnek.
20
A legfontosabb probléma a fűtés kiváltása tehát elérhető közelségbe került. Azonban ahhoz hogy szünetmentesen tudjuk az energiát szolgáltatni, megfelelő energiatároló berendezéseket kell alkalmaznunk.
IV.
KÖZTES ENERGIATÁROLÓK KIVÁLASZTÁSA
Az energiatárolók kiválasztásánál figyelembe kell venni azt a tényt, hogy nagy áramok leadása szükséges. Fontos az is, hogy az akkumulátorok jól kisüthetők legyenek és ez minimális amortizációval történjen. Egyszóval erős, jól terhelhető akkumulátorok kellenek.
1. Akkumulátorok kiválasztása: Olyan akkumulátorokat választottam melyek megfelelnek az általam támasztott szakmai feltételeknek.
12. ábra Ólomsavas teherautó akkumulátor [7] Az előző ábrán látható ólomsavas akkumulátor felel meg legjobban céljaimnak. A tulajdonságaiból adódóan jól terhelhető, és nagy áramok hatására sem romlanak jelentősen adottságai. Paraméterei:
Kapacitása: 225Ah
Maximális indító áram: 1250A
Névleges feszültség: 12V 21
Cella feszültség: 2,13V
A fent említett paraméterekből számítható a maximális töltőáram nagysága, mely 22,5A. Az üzemi áram névleges értéke megegyezik a maximális töltőárammal. Ez azt jelenti, hogy a terhelő áram nem emelkedhet ezen érték felé.
2. Energiatárolók egymáshoz kapcsolása: Mivel a 12V-os akkumulátor feszültségszintje számunkra nem megfelelő ezért több akkumulátort sorba kapcsolva növelhetjük ezt a szintet. A kívánt teljesítményszint eléréséhez tíz nagyteljesítményű akkumulátort kapcsolunk sorba. Az így kapott feszültségszint tehát 120V. Egy egyszerű számítás után megadható az akkukból kivehető névleges teljesítmény értéke. Szorozzuk össze a névleges feszültséget és a névleges áramot, így tehát 2,7 kW-ot kapunk. Innen látható, hogy a villanybojlerünket el tudja látni a rendszerünk. A sorba kapcsoláshoz azonban szükségünk van különböző összekötő elemekre, melyek nagy keresztmetszetűek, és jó a vezető képességük. Általában erre a célra akkumulátor összekötő elemek kaphatók.
3. Mélykisütési védelem: Nagyon fontos áramköri védelmek beépítése, ugyanis hatalmas áramok indulhatnak meg egy nagyteljesítményű akkumulátortelepben. Ilyen védelmek közé tartozik a mélykisütési védelem. Lényege az, hogy ne essen az akkumulátor feszültségszintje egy bizonyos szint alá. Ez azért fontos, mert ha sok alkalommal egymás után nagyon kisütjük a telepünket, előbb-utóbb a belső cellák közt zárlat keletkezik és az akku tönkre megy. Az akkumulátorok fontos tulajdonsága még a ciklusszám, mely nem paraméter, de a kisütési mélységek függvényében megadható.
22
13. ábra Akkumulátorok kisütés-élettartam karakterisztikája [8] Az ábráról jól leolvasható, hogy minél nagyobb a kisütési mélység annál jobban lerövidül az akkumulátorok élettartama. Ezért általában meghatározunk egy szintet, amíg kisüthető az akku. Ha ezt a szintet elértük a védelem megszólal, és lekapcsolja a telepeket a hálózatról. Így megnövelhetjük a várható élettartamot. Fontos védelem még a nagy áram elleni védelem. Ezt egy egyszerű olvadó biztosítóval oldjuk meg, melyet természetesen méretezünk a telepünk áramviszonyaihoz. Gondot jelenthet még a telepek elhelyezése is. Mivel ezek egyenként 60 kilogramm súlyúak, célszerű egy fém szekrényben elhelyezni őket, így a védőföldelés is megoldott, és a tűzveszély kockázata is csökkent. Megjegyzendő, hogy fontos kellő figyelmet fordítani az akkumulátorok elhelyezésére illetve védelmére, ugyanis ezek képezik a legdrágább részét a teljes rendszernek.
23
V.
ILLESZTŐ,
ÉS
SZABÁLYOZÓ
ÁRAMKÖRÖK
TERVEZÉSE A legfontosabb egy jól működő rendszerben az energia szabályozása, és hatékony felhasználása. Így tehát a szabályozó áramkörök testreszabott megtervezése rendkívül fontos. Figyelembe kell vennünk, hogy mik a céljaink és ebből mi valósítható meg korszerű áramkörökkel.
1. Generátor illesztése az akkumulátoros rendszerhez: Közvetlenül a szélgenerátorról levehető maximális feszültség 230 V fázisonként. Mivel ez jóval magasabb érték, mint ami megengedhető az akkumulátor töltéséhez, ezért valamilyen módon illeszteni kell a feszültséget. Ezt tirisztoros egyenirányító híddal jól megoldhatjuk. A lényeg az, hogy a gyújtásszög szabályozó áramkör kommunikáljon a generátorunkkal ugyanis a generátorunk paramétereihez mérten kell megvalósítani a szabályozást. A tirisztorok egy háromfázisú, három utas, együtemű egyenirányító kapcsolást képeznek a következő szerint.
14. ábra Tirisztoros egyenirányító kapcsolás A 14. ábrán látható impulzusgenerátorok
három feszültséggenerátor képezi
pedig
a
vezérlőimpulzust
adják.
A
a három fázist, az tirisztorok
gyújtását
természetesen hangolni kell a feszültségviszonyokhoz. Névleges érték esetén a gyújtásszög 60°-os, viszont 140 V generátor feszültség esetén már 0°-os gyújtásszöget kell beállítani. Ilyenkor az egyenfeszültség effektív értéke megfelelő, ezáltal a tirisztorokat dióda üzemmódban használjuk. 24
15. ábra Tirisztoros egyenirányító feszültség-idő függvénye A 15. ábrán látható jel, ami az akkumulátor telep töltését szabályozza. Ezen tirisztoros kapcsolás segítségével szabályozhatjuk a töltőfeszültség nagyságát. A pontos időzítéshez szükségünk van egy nullpont átmenetfigyelő áramkörre is, amely figyeli a fázisok nullponti átmenetét, pontosabban a kommutációs pontokat, és ehhez mérten adja ki a gyújtóimpulzust a vezérlés. A gyújtási szög így biztosan megfelelő lesz a tirisztorok számára. Fontos még, hogy a külső zavaroktól mentes legyen a vezérlésünk, ezért megfelelően le kell árnyékolni a vezérlő berendezést. Lehetőség szerint célszerű felépíteni egy digitális vezérlővel kivitelezni a vezérlést, ugyanis bizonyos analóg áramköröket egyszerűbb kivitelezni szoftveresen.
16. ábra A teljes rendszer elvi blokkvázlata 25
A 16. ábrán látható, hogy milyen részekből épül fel a szabályozási körünk. Így tehát a tirisztoros kapcsolásunk csatlakozik egy akkumulátor telepre, és egy inverterre. Fontos megemlíteni azt a logikai megoldást, mikor az akku telep maximális töltöttségen van, és a szélgenerátor is névleges értéken, vagy ahhoz közel üzemel, egy kapcsoló automatika leválasztja az akkumulátort és az invertert a rendszerről, és a fűtésünk, vagy egyéb fogyasztónk a szélgenerátorról közvetlenül üzemel. A következő fontos szabályozástechnikai megoldás a feszültség átalakító vezérlése.
2. Feszültség átalakító híd vezérlése impulzusszélesség modulációval: Az impulzusszélesség modulációt leggyakrabban motorvezérléseknél használjuk, azonban egyenfeszültség váltakozóvá alakításához is remekül megfelel. Négy fő áramköri részből áll. Az alapjel képző berendezés, a hibajel képző berendezés, komparátor és a hídvezérléshez szükséges invertáló erősítő.
17. ábra PWM vezérlőáramkör kapcsolási rajza Az ábrán látható szinusz jelgenerátor a hibajel képző melyet összehasonlít a komparátor egy fűrészjellel. A szinusz frekvenciája 50 Hz amplitúdója 1 V, a fűrészjel frekvenciája 5 kHz, amplitúdója 1,2 V. A komparátor kimenete csatlakozik egy invertáló erősítőhöz, ami az ellentétes jelet állítja elő. A tápfeszültség szimmetrikus 15 V. A műveleti erősítők egy
26
tokban megtalálhatók. Ezért alkalmazzuk ezt a megoldást helytakarékosság és jó kompatibilitás szempontjából.
18. ábra Impulzus sorozat az idő függvényében. (felül a komparátor kimenete, alul az invertáló kimenete) Az impulzus sorozatok vezérlik meg a tranzisztoros hidat, mely előállítja a váltakozó feszültséget. A tranzisztoros híd többféle elektronikus kapcsolóelemet tartalmazhat. A legcélszerűbb alkalmazni az egyszerű bipoláris teljesítménytranzisztort, vagy pedig az IGBT-t. Az IGBT olyan speciális félvezető eszköz, mely egy MOSFET és egy bipoláris tranzisztor kombinációja. Előnye, hogy nagy a bemeneti impedancia, kicsi a vezetési veszteség, és nincs másodfajú letörés. Azonban az ilyen elemekkel felépített hidat bonyolult vezérléssel kell ellátni, a teljesítmény-tranzisztoros híd vezérlése egyszerűbb.
3. A teljesítmény-tranzisztorok kapcsolása: Kétfajta tranzisztort használunk a híd felépítéséhez, PNP és NPN kialakítású tranzisztorokat.
27
19.ábra A feszültség átalakító elvi kapcsolása (1kΩ ellenállások szabad kivezetésére a vezérlő elektróda) Az 1 kΩ-os ellenállások bemenetére csatlakoznak vezérlő elektródák. A csatlakoztatást úgy kell végrehajtanunk, hogy mindig az átellenben lévő tranzisztorok vezessenek egyszerre. Tehát azonos vezérlő elektródára csatlakoznak az átellenben lévő tranzisztorpárok. A gyakorlatban több félvezetőt párhuzamosan kapcsolva érhetünk el nekünk megfelelő teljesítmény értékeket. Figyelembe kell vennünk azt is, hogy fennáll a veszélye a tranzisztorok összenyitásának, ami annyit jelent, hogy az egy ágban lévő tranzisztorok egyszerre vezetnek. Ez különösen erősen induktív terhelés esetén fordul ellő. A tranzisztorokat természetesen védenünk is kell, ezt Zener-diódák alkalmazásával oldhatjuk meg, melyet majd ismertetek a teljes rendszer kapcsolásánál. Figyelembe kell vennünk a 120 V feszültséget is melyet rendszerünk kapcsolgat. Ez már életveszélyes értékű áramot is megindíthat. Ezért beépítünk erre a célra használatos érintésvédelmi reléket, biztosítókat, megelőzve a rendszer meghibásodását és az esetleges baleseteket. Szintén fontos még, hogy nagyfrekvenciás kapcsolgatás hatására a félvezetőink túlmelegedhetnek. Célszerű azonos hűtőfelületen elhelyezni őket, mivel a különböző hűlési folyamatok más munkapontokat eredményeznek, és ez akár a félvezető tönkremeneteléhez is vezethet. A fent említett intézkedések a korrekt működéshez rendkívül fontosak. Ezért a méretezés és az üzembe helyezést megelőző mérések szükségessége sem elhanyagolható. Mivel a rendszer még nem tökéletesített szimulációval határozom meg a lehetséges működési paramétereket. 28
20. ábra A híd kapcsain lévő impulzusszélesség modulált jel A fenti ábrán látható, az inverter végfokozatán lévő jel. Jól kiolvasható, hogy 120 V csúcsértékű, a moduláló frekvencia 1 kHz, RMS értéke pedig 115 V. Ha ezt a jelet rávezetjük egy transzformátorra, akkor a kívánt értékű szinuszos áramot kapunk a transzformátor szekunder kapcsain egy terhelésen keresztül. Fontos, hogy megfelelően terhelve legyen az áramkör ugyanis ezen adatok változhatnak a terhelés függvényében.
21. ábra A transzformátor szekunder kapcsain kapott feszültség 500 Ω-os terhelés esetén Az oszcilloszkóp kijelzőjén látható jel frekvenciája 49.9 Hz, csúcsértéke 130 V. A kapott eredményből az derül ki, hogy a szekunder oldal határozza meg, mekkora áramot 29
szolgáltasson a primer oldal. Ezt a tranzisztorok csak korlátozott mértékben képesek szolgáltatni, mivel a szimuláció során kisteljesítményű inverter hidat szimulálok. Ezt természetesen lehet bővíteni, de nem kívántam bonyolítani, az amúgy sem tökéletesen áttekinthető áramköri kapcsolást.
22. ábra A szekunder kapcsokon lévő feszültség 1500 Ω-os terhelésnél Látható a szimulációból, hogy a feszültség értéke lényegesen megnőtt 210 V értékűre, a frekvencia még mindig 50 Hz közeli azonban a szinusz jel hullámossága is jelentősen megváltozott. Következtethetünk tehát, hogy növelve a terhelést nő a feszültség a kapcsok között, de a hullámosság is jelentősen megnő, ami a felharmonikus tartalom növekedését jelenti. A felharmonikus hullámok olyan hullámok, melyeket a hálózatra csatlakozás esetén szűrnünk kell, ha szeretnénk visszatáplálni, azonban a mi esetünkben hatásuk nem számottevő, szűrésre nincs szükség.
4. Transzformátor méretezése, és illesztése: A transzformátor illesztését egy sorosan kapcsolt kondenzátoron keresztül végezzük. A trafó primer tekercse és a kapacitás egy soros rezgőkört alkotva, stabil szinuszos feszültséget eredményez a szekunder oldalon.
30
23. ábra Transzformátor illesztése a feszültség átalakítóhoz
frezonancia =
1 2π√LC
(9)
A Thompson-képletből számolva a rezgőkörünk rezonancia frekvenciája pontosan 50 Hz, ha transzformátorunk primer tekercsének induktivitása 100 mH. Fontos hogy, a méretezésből adódik egy bizonyos induktivitás érték, ezért a kondenzátorunkkal hangolhatunk a rezgőkörön. Érdemese állítható kapacitású kondenzátort alkalmazni, ha különböző terhelésekhez szeretnénk használni. A méretezése során figyelembe vettem több fő szempontot. A látszólagos teljesítmény legyen 3000 VA, a primer névleges feszültség 120 V, a szekunder névleges feszültség 230 V, a maximálisan megengedett áramsűrűség a transzformátor tekercseiben 1,5 A/mm2. Adott még a vasmag keresztmetszete mely legyen 60 cm2, és az indukció maximális nagysága 1,1 Vs/m2. Ezekből az adatokból a szükséges értékek meghatározhatók. A transzformátor adatai:
Primer menetszám: 91 menet
Szekunder menetszám: 175 menet
Névleges primer áram: 25 A
Névleges szekunder áram: 13,04 A
A primer huzal keresztmetszete: 16,6 mm2
A szekunder huzal keresztmetszete: 8,69 mm2
31
A szimuláció során szükséges volt még megadni a primer, illetve a szekunder tekercs ellenállását. Ezt egy virtuális transzformátorméréssel határoztam meg. A primer érték 20 mΩ, a szekunder érték 72 mΩ. Továbbá meg kell még adnunk a tekercs szórási induktivitását is, amire 152 mH értékű induktivitás jött ki. Ehhez mérten hangoljuk a kondenzátorunkat rezonancia frekvenciára. A kapacitás értéke Thomson-képletből 66 µF.
24. ábra 22 Ohmos terhelés feszültség-idő függvénye (Transzformátor áttétele 1) Láthatjuk az ábrából, hogy a rezgőkör frekvenciája pontosan 50 Hz, a négyzetes középérték 114 V, és a periódus idő 20 ms. Ez megfelel az elvárásainknak. A transzformátor áttételének változtatásával elérhető a szükséges 325 V csúcsértékű feszültség, amire szükségünk van. Az áttétel változtatását a program nem kínálta fel lehetőségnek, ezért ezt gyakorlatban kell majd megtennünk. A feszültségáttétel számítható a primer és a szekunder menetszám hányadosaként. Így tehát az áttétel értéke 0,52. Mivel ilyen paraméterű transzformátor nem áll a rendelkezésünkre, ezért célszerű felvenni egy transzformátorgyártó céggel a kapcsolatot és árajánlatot kérni, hogy mégis milyen összegért készítik el nekünk az eszközt. Ha nagyon borsos az ára, házilag is meg lehet tekerni, azonban ez körülményes és garancia sincs rá, hogy megfelelő lesz a végeredmény. Ha kész a transzformátorunk, az üzembe helyezés előtt célszerű 32
végrehajtani egy üresjárati illetve rövidzárási mérést, hogy meghatározhassuk az illesztő eszközök paramétereit.
25. ábra Teljes kapcsolás elvi felépítése Itt látható hogyan csatlakoznak egymáshoz az egyes részek. A tirisztoros egyenirányító jelenleg le van választva a rendszerről, csak az akkumulátorról üzemel az inverter. A kapcsolási rajzon fel vannak tüntetve a védelmi célt szolgáló Zener-diódák. A transzformátor a 66 µF-os kondenzátoron keresztül kapcsolódik a hídhoz, majd a szekunder oldalon a 22 ohmos terhelő ellenállás jelképezi a villanybojlert. Mivel a trafó galvanikus leválasztást jelent, ezért a szekunder oldalt is le kell földelni.
5. Konklúzió: Természetesen számos probléma van még, ami fejlesztésre szorul a rendszerben. Gondolok itt a védelmek hatékony tervezésére, és az egész rendszer automatizálására. Céljaim közt van, hogy egy számítógép program által vezérelt rendszert alkotok meg, a lehető legelfogadhatóbb áron. Ezzel azt szeretném elérni, hogy egyszerűen kezelhető és 33
vezérelhető legyen az egész energiarendszer, akár egy átlagember számára is. Ha kell szabályozható legyen a teljesítménye, a kompatibilitása, és fontosnak tartom a továbbiakban, hogy több eszköz párhuzamosan működhessen egy időben a rendszerről. Napjainkban már vannak rendkívül fejlett hardverek, melyek megfelelő használata esetén, rendkívül hatékony rendszereket alkothatunk meg. Ezen hardverek megfelelő programozása is rendkívül fontos, ugyanis a vezérlő és a vezérelt hardver együttműködésén múlik rendszerünk hatékonysága.
34
FELHASZNÁLT IRODALOM [1] - http://www.szel-mszte.hu/readarticle.php?article_id=3 [2] - http://ilias.gdf.hu/_html/Elektrotech/61_szinuszos_vltakoz_feszltsg_ellltsa.html [3] - http://www.wind-power-program.com/turbine_characteristics.htm [4] - http://users.atw.hu/mulder82/szelgenerator/szel_alternator.php [5] - http://www.tankonyvtar.hu/en/tartalom/tamop425/0021_Energetika/adatok.html [6] - http://www.arukereso.hu/bojler-c3622/hajdu/aquastic-aq-200-p183041129/ [7] - http://www.teherautoakkumulator.hu/200ah-230ah/10-abs-12v-225ahteheraut%C3%B3-akkumul%C3%A1tor.html [8] - http://img.index.hu/imgfrm/2/8/0/5/BIG_0011852805.jpg
35
