Západočeská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická
KEE/VEN
Semestrální práce z blokové výuky VEN
Exkurze - skupina:
2 / 25.4.2008
Datum vypracování:
11.5.2008
Vypracoval:
Václav Laxa
A. ENERGIE VODY: Uveďte popis, umístění, technické údaje a další poznatky z navštívené MVE B. ENERGIE VĚTRU: Uveďte popis, umístění, technické údaje resp. další poznatky z navštívené větrné farmy (schéma, údaje o nainstalovaných VE a jejich výrobě, celková výroba atp.) C. TEPELNÁ ČERPADLA: Uveďte princip tepelného čerpadla, jeho funkci a možné způsoby získávání tepla. D. VÝPOČTOVÁ ČÁST Energie větru: - 1a) Proveďte přepočet průměrné rychlosti naměřené anemometrem ve výšce 2m nad terénem na výšku osy VE (VE-75 Boží Dar). VE je umístěna na louce s nízkým travnatým povrchem. Rychlosti větru ve výšce 2m jsou v rozmezí 1-8m/s. - 1b) Vypočtěte teoretický výkon vzdušného proudu ve výšce osy VE 75 a pro průměr rotoru VE75, uvažujte hustotu vzduchu 1,15 kg/m3. Energie slunce: - 2a) Stanovte množství tepla vyrobeného solárním systémem pro ohřev vody ze zadaných hodnot globálního záření. - 2b) Nakreslete obecnou VA charakteristiku fotovoltaického článku.
A.
ENERGIE VODY:
Malá vodní elektrárna je umístěna na vodním toku Bystřice v zámeckém parku před mostem přes silnici I/13 na p.p. Číslo 185. Elektrárna je řešená jako jezová s násoskovou turbínou Metaz MT-51 umístěnou na na boku jezu. Elektrárna je osazena asynchronním strojem o výkonu 11kW. Elektrárna má česle se samočištěním a elektrický plašič ryb. Projektovaná výroba elektrické energie je 50MWh/rok. Spád jezu je 2m a průtok není měřen Českým hydrometrologickým institutem. O elektrárnu se stará a provozuje ji pan Václav Šrámek. Technické parametry: turbína
MT5 - Metaz - Týnec nad Sázavou
spád
1,9 m
generátor
asynchronní stroj 11 kW
prům. Výkon
9 kW při nezanesené vodě
česla cena zařízení
rozteč 3,5 cm, instalován plašič ryb v roce 1988 ... 88000 Kč
Obr A1. – schéma MVE Turbína Metaz MT5 Jedná se o jednoduchou vrtulovou turbínu pro energetické mikrozdroje s průměrem oběžného kola 55cm (MT3-30cm). Turbína je násosková s litinovou komorou a svařovanou plechovou sací rourou, která je upravena dle místních podmínek. Rozváděcí i oběžné lopatky jsou pevné a neregulovatelné. Turbína pracuje s asynchronním strojem, který při rozběhu plní funkci motoru pro naplnění násosky a poté samovolně přechází do generátorického chodu. Podmínkou omezující nasazení těchto jednoduchých turbin je pokud možno konstantní průtok a málo se měnící úroveň horní hladiny. Účinnost těchto strojů se pohybuje od 74 % do 82 %, což jsou, pro tuto velikost a použitou technologii výroby, solidní hodnoty.
Obr A2. – návštěva malé vodní elektrárny
B.
ENERGIE VĚTRU – Kryštofovy Hamry:
poloha: střední část Krušných hor, v blízkosti vodní nádrže Přísečnice nadmořská výška: 800 - 880 m souřadnice: 13°9'14''E 50°26'42''N počet elektráren: 21 typ elektráren: Enercon E-82 průměr rotoru: 82 m výška osy rotoru: 85 m instalovaný výkon jedné elektrárny: 2000 kW celkový instalovaný výkon větrné farmy: 42 MW uvedení do provozu: konec 2007 provozovatel: Ecoenerg Windkraft GmbH & Co. KG
poznámka: Největší větrná farma v České republice. V jejím prostoru se nachází též menší větrná farma Podmileská výšina. Realizace projektu byla umožněna díky poskytnutí dotace Spolkového ministerstva pro prostředí, ochranu přírody a reaktorovou Bezpečnost Spolkové republiky Německa (BMU), ve výši 2 mil. EUR. Projekt byl proveden firmou Green Lines Rusová s.r.o. v rámci programu o společné ochraně životního prostředí mezi MŽP ČR a BMU. Výrobcem VE je firma Nordex AG, se sídlem v Norderstedt, Spolková republika Německa. V roce 2007 vyrobily VE asi 11,2 mil. kWh a tím pokryla spotřebu proudu zhruba 11.200 lidí v domácnostech. Roční redukční potenciál 3 VE je zhruba 12,5 tis.tun CO2, 2 tis. tun prachu, 30,5 tun NOx a 80 tun SO3.
Obr. B1 – lokalizace VE
Obr. B2 – panorama VE
C.
TEPELNÁ ČERPADLA
Okolní prostředí (vzduch, voda, půda) má obvykle příliš nízkou teplotu a jeho teplo nelze pro vytápění využít přímo (výjimkou jsou geotermální prameny, hojně využívané například na Islandu). Nízkoteplotní teplo okolního prostředí můžeme využívat pomocí tepelného čerpadla (TČ), které toto teplo (např. kolem 2 °C) převede na vyšší teplotní hladinu (kolem 50 °C). Princip je stejný jako u chladničky, která odebírá teplo potravinám a předává jej zadní stranou chladničky do místnosti. Podobně i TČ využívá tepla získaného od okolního prostředí k odpaření chladicí kapaliny. Tato pára je poté kompresorem stlačena a díky dodané práci dochází k uvolnění tepla o vyšší teplotě, které je předáno topnému médiu. Celý cyklus se poté opakuje. Účinnost tepelného čerpadla je definována pomocí topného faktoru. Topný faktor je poměr topného výkonu (množství získaného tepla) a příkonu (spotřebované elektrické energie pro pohon tepelného čerpadla). Topný faktor závisí na poměru teploty nízkopotenciálního tepla, které vstupuje do tepelného čerpadla a na výstupní teplotě z čerpadla. Výstupní teplota se nastavuje v závislosti na typu topného systému. Například provozní teplota pro radiátory je přibližně 50oC, provozní teplota pro podlahové vytápění je 38oC. Topný faktor je výhodnější při nižší odběrové teplotě, to je při podlahovém vytápění. Topný faktor různých TČ je v rozmezí od 2 do 6. Závisí na vstupní a výstupní teplotě, typu kompresoru a dalších faktorech. Dodavatelé obvykle udávají topný faktor při různých teplotách vstupního a výstupního média.
Obr C1 – schéma principu TČ
Obr C2 – schéma realizace TČ
Systémy tepelných čerpadel: SYSTÉM VODA-VODA: Teplo z podzemní vody se získává tak, že voda je čerpána z čerpací studny do výparníku tepelného čerpadla. V něm se ochladí a ochlazená je vracena do druhé, vsakovací studny. Mezi požadavky patří dvě studny (sací a vsakovací) s dostatečnou vzdáleností (též možno nahradit jiným vhodným zdrojem), vhodné chemické složení čerpané vody, minimální celoroční teplota vody +8 °C, dostatečný průtok vody ověřený minimálně čtrnáctidenní čerpací zkouškou a povolení vycházející z platné legislativy. Jako klady lze uvést stálý výkon tepelného čerpadla, příznivý topný faktor a nízká pořizovací cena. Mezi zápory patří: složité technické řešení, závislost na množství podzemní vody, nebezpečí
vyčerpání studny, přísné nároky na složení, tepl. a množství vody, vyšší nároky na údržbu a v případě neodborného provedení hrozí narušení ekologické rovnováhy podzemních vod
SYSTÉM ZEMĚ-VODA: Teplo obsažené v zemi - tzv. geotermální teplo - se využívá nepřímo. Získává se ve výměníku tepla - zemním kolektoru, a převádí se cirkulačním okruhem do výparníku tepelného čerpadla pomocí teplonosné kapaliny. Používaná teplonosná kapalina je nemrznoucí a ekologicky nezávadná. Cirkulaci teplonosné kapaliny zajišťuje oběhové čerpadlo. Cirkulující kapalina se ve výparníku tepelného čerpadla ochlazuje a v zemním kolektoru se znovu ohřívá geotermálním teplem. Požadavkem je vybudování plošného (horizontálního) nebo hloubkového (vertikálního) zemního kolektoru a samozřejmě opět povolení vycházející z platné legislativy. Výhodou je stálý výkon tepelného čerpadla, vyšší životnost a menší hlučnost, na druhé straně pak nevýhody jsou: vysoké pořizovací náklady (cena se navyšuje o zemní práce), vysoké nároky na technické řešení kolektoru, teplota primárního okruhu - vertikální kolektor cca 0 °C, horizontální kolek, cca -3 °C, nutnost regenerace kolektoru, tj. odstávka tepelného čerpadla (v letním období nelze ohřívat teplou užitkovou a bazénovou vodu) a požadavek velkého prostoru pro kolektor.
SYSTÉM VZDUCH-VODA: Teplo obsažené ve vzduchu se využívá přímo. Výparníkem tepelného čerpadla přímo proudí venkovní vzduch. Požadavky jsou minimální: (základ pod výparník při venkovním provedení nebo prostupy zdí a zajištění odvodu kondenzátu při vnitřním provedení). Ty jsou však vykoupeny i mnohými negativy: závislost topného výkonu na teplotě venkovního vzduchu (prakticky nelze dosáhnout samostatné činnosti během celé topné sezóny), relativně vyšší hlučnost a nižší životnost. Mezi pozitiva můžeme zařadit: snadná instalace, nízká pořizovací cena, možný celoroční provoz s efektivním využitím pro přípravu teplé užitk. vody a vody v bazénu, nižší topný faktor v zimních měsících je kompenzován velmi vysokým topným faktorem v přechodném období, prům. teplota vzduchu v topném období +3 °C, nenarušují teplotní rovnováhu okolí.
D.
VÝPOČTY
¾ Energie větru D1a: Přepočet rychlosti větru: referenční výška h0= 2m Æ přepočet na výšku h=30m
⎛ v ⎜⎜ ⎝ v0
⎞ ⎛ h ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎠ ⎝ h0
⎞ ⎟⎟ ⎠
n
v0 [m/s] v [m/s]
kde koeficient n (nízká tráva) = 0,6 1 1,54
2 3,08
3 4,63
4 6,17
5 7,71
6 9,25
7 10,80
D1b: Stanovení teoretického výkonu vzdušného proudu ve výšce 30m: Plocha rotoru
Průměrná rychlost vzduchu Hustota vzduchu P=
1 ⋅ π ⋅ d 2 = 260,16m2 4 v = 10,8 m/s ρ = 1,15 kg/m3 S=
1 1 ⋅ S ⋅ ρ ⋅ v03 = ⋅ 260,16 ⋅ 1,15 ⋅ 1260 = 188,44kW 2 2
8 12,34
¾ Energie slunce: D2a: Spočítejte, na jakou teplotu se během dne ohřeje voda v systému se 2 vakuovými kolektory Heliostar H400V a 300l zásobníkem. Absorpční plocha 1 kolektoru je 1,76 m2 a jeho účinnost udává výrobce 81%. Celková izolační schopnost zásobníku je 92%. Teplota vody v zásobníku na počátku ohřevu je 14°C. Kolektory jsou skloněné pod úhlem x° a orientovány y°. Hodnoty globálního záření In dopadajícího na vodorovnou plochu jsou udány tabulkou. Sluneční deklinace 20°. Zeměpisná šířka lokality je 50° sš. T [hod] 06:45 07:00 07:15 07:30 07:45 08:00 08:15 08:30 08:45 09:00 09:15 09:30 09:45 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 16:15
In [W/m2] 189 251 320 297 317 323 356 378 351 419 487 322 335 451 517 218 713 808 812 823 819 871 863 810 884 916 859 871 863 876 884 845 863 795 810 406 389 397 512
τ [stupeň] -78,75 -75 -71,25 -67,5 -63,75 -60 -56,25 -52,5 -48,75 -45 -41,25 -37,5 -33,75 -30 -26,25 -22,5 -18,75 -15 -11,25 -7,5 -3,75 0 3,75 7,5 11,25 15 18,75 22,5 26,25 30 33,75 37,5 41,25 45 48,75 52,5 56,25 60 63,75
h 22,32387 24,72953 27,13956 29,54797 31,94838 34,33385 36,69675 39,02861 41,3199 43,5598 45,73597 47,83426 49,83847 51,73008 53,48819 55,08949 56,50874 57,71952 58,69564 59,41305 59,85213 60 59,85213 59,41305 58,69564 57,71952 56,50874 55,08949 53,48819 51,73008 49,83847 47,83426 45,73597 43,5598 41,3199 39,02861 36,69675 34,33385 31,94838
a -85,0754 -87,884 -78,3781 -77,8435 -76,644 -74,8805 -72,6605 -70,0654 -67,1451 -63,9242 -60,4088 -56,5928 -52,4615 -47,9963 -43,1777 -37,99 -32,4261 -26,4935 -20,22 -13,6578 -6,88474 0 6,884737 13,65782 20,21999 26,49351 32,42609 37,98998 43,17771 47,99629 52,4615 56,59275 60,40884 63,92419 67,1451 70,06537 72,66052 74,88054 76,64405
I 51,1548429 67,698558 127,144067 127,386536 147,700699 163,670191 195,650076 224,207078 223,370001 284,31416 350,200786 243,941705 265,877992 373,006832 443,353996 192,913606 648,132239 751,199475 768,844806 790,394565 794,609477 850,370206 844,567051 791,523548 859,225218 882,134966 816,403804 813,689463 789,216123 780,909495 764,840566 706,395301 693,851579 611,836343 593,886531 282,290758 255,434502 245,438728 297,686839
P 162058,5425 214469,0319 402792,4055 403560,5446 467915,813 518507,1658 619819,4416 710288,0228 707636,1626 900707,2594 1109436,09 772807,3229 842301,4793 1181685,643 1404545,46 611150,3034 2053282,932 2379799,937 2435700,344 2503969,981 2517322,822 2693972,811 2675588,417 2507546,601 2722025,491 2794603,574 2586367,25 2577768,219 2500236,677 2473921,28 2423014,913 2237860,314 2198121,801 1938297,536 1881432,529 894297,1201 809216,5028 777549,8897 943071,9058
16:30 16:45 17:00 17:15 17:30 17:45 18:00 18:15 18:30 18:45 19:00 19:15 19:30 19:45 20:00
698 583 591 654 612 591 583 542 486 431 384 312 301 281 236
67,5 71,25 75 78,75 82,5 86,25 90 93,75 97,5 101,25 105 108,75 112,5 116,25 120
29,54797 27,13956 24,72953 22,32387 19,92827 17,54818 15,18892 12,85577 10,55398 8,28885 6,065771 3,890271 1,768034 -0,29506 -2,29294
77,84352 78,37813 78,21275 77,41259 76,11009 74,44327 72,52053 70,41593 68,17669 65,83189 63,39888 60,88759 58,30322 55,64801 52,92237
382,41693 302,727245 293,458839 313,643991 285,995 270,959453 263,509144 242,305916 215,369273 189,59083 167,819018 135,534255 130,000467 120,666144 100,750853
1211496,833 959039,9109 929677,6004 993624,1649 906032,1611 858399,548 834796,9681 767625,1408 682289,8564 600623,7493 531650,6475 429372,5204 411841,4781 382270,3452 319178,7009
Ukázka výpočtu: (můj datum narození: 22.02.1979) úhel x° = (2+2+2+1+9+7+9)* 1,5 = 32 * 1,5 = 48° ….. α = (90° - x°) = 42° úhel y° = (2+2+2) = 6° =» as φ – zeměpisná šířka = 50° δ – deklinace Slunce = 20° τ – časový úhel (12hod=0°, 1hod=15°, orientace dle hodinových ručiček) sin h = sin δ . sin φ + cos δ . cos φ . cos τ (ve 12:00) h = arcsin [sin 20°. sin 50° + cos 20°.cos 50°.cos 0] h = 60 ---------cos δ sin a = sin τ cosh a = arcsin [
cos 20 ° sin 0 ] = 0 cos 60
--------α – úhel sklonu osluněné plochy od vodorovné roviny as – azimutový úhel normály osluněné plochy a – azimut Slunce h – výška Slunce nad obzorem cos γ = sin h . cos α + cos h . sin α . cos (a-as) cos γ = sin 60 . cos 42 + cos 60 . sin 42 cos (0-6) = 0,976 I = In . cos γ
= 871 . 0,976 = 850,370 W/m2
P = I . S . T = 850,376 . (2 . 1,76) . (15 . 60) = 2693972,811 W Celkový výkon P = 71,37256916 MW ρ.V.c.Δt = P.ηk. ηz
1000 . 0,3 . 4187 . Δt = 71372569,16 . 0,81 . 0,92 Δt = 42,34 °C
Teplota, na kterou se voda během dne ohřála: t = 14°C + 42,34°C = 56,34 °C Množství tepla vyrobené solárním kolektorem: Q = m . cp . Δt = 300 . 4,17 . 56,34 = 70,48 MJ D2b: Nakreslete obecnou VA char. fotovoltaického článku:
proud I (mA)
0
U oc 0,4 L 0,7 L 1,0 L
-2
Um
Im
-4
Isc 0,0
0,2
0,4
0,6
napětí U(V) Obr. D2b1 - Příklad voltampérové I-U charakteristiky reálného fotovoltaického článku při osvětlení zářením intenzity 0,4 L, 0,7 L a 1,0 L. Isc je proud článkem nakrátko, Uoc je napětí naprázdno, Um a Im je proud a napětí odpovídající maximálnímu elektrickému výkonu fotovoltaického článku Pm.
