Szélenergetikai generátorok és hajtások vizsgálata mérő-kutatóhely

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Szélenergetikai generátorok és hajtások vizsgálata mérő-kutatóhely"

Nóra Nemesné
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Dr. Nagy Lóránt - Pálfi Zoltán Szélenergetikai generátorok és hajtások vizsgálata mérő-kutatóhely Magyar Elektrotechnikai Egyesület Villamos hajtások szakmai nap Óbudai Egyetem Budapest,

2 Miért kell foglalkoznunk a villamos energetikával? Az EU legfontosabb célkitűzési 2020-ra: (Günter H. Ottinger az EU energiabiztosa) az üvegházhatású gázok kibocsátásának 20 %-os csökkentése, 20 %-os megújuló energia biztosítása az energiamix-ben, Az energiahatékonyság 20 %-os javítása. 2/31

3 Miért a megújuló energiaforrásokkal kell foglalkoznunk? A fosszilis energiahordozók ára rohamosan nő (romló minőség, növekvő ráfordítások), importfüggőség Üvegházhatás, CO 2 -, átlaghőmérséklet- és tengerszint növekedés, szélsőséges meteorológiai események Fukusima-i erőműben történt baleset hatása a világra Magyarország Megújuló cselekvési Terve szerint 2020-ra 14,65 %-nak kell lennie a megújuló energiák részarányának A megújulók közül miért a szélenergia felhasználásával kell foglalkoznunk? 3/31

4 Erőművi kapacitások növelése, ill. csökkentése Európában 4/31

5 A beépített teljesítmény a világban 2009-ben MW 5/31

6 A fogyasztás és termelés megoszlása Magyarországon 2009-ben 6/31

7 Vestas szélerőművek fejlődése 7/31

8 A szélről általában A földfelszínt érő napsugárzás erőssége nem mindenütt egyforma, ezért eltérő hőmérsékletű, nagy légtömegek keletkeznek A hőmérsékletkülönbség hatására a levegő sűrűségében és nyomásában is különbségek jönnek létre A nyomáskülönbség kiegyenlítődése áramlást okoz a különböző hőmérsékletű légtömegek között, ez a szél A hőmérséklet-különbségeket a Nap hozta létre, ezért a szélenergia is megújuló energiaforrás 8/31

9 A Magyarország-i lehetőségek m/s m/s (Forrás: OMSZ) a) b) Magyarország széltérképe a) 20 méter magasságban; b) 100 méter magasságban; 9/31

10 A Magyarország-i lehetőségek W/m 2 (Forrás: OMSZ) A Szápár-i szélerőmű Szélenergia potenciál 75 méteres magasságban 10/31

11 A szélről általában A szélben rejlő mozgási energia ideális értéke: E = m v = ( ρ A v t) v = ρ A t v id A szélturbina ebből számítható ideális teljesítménye: ρ, kg/m 2 A, m v, m/s 3 P = ρ A v = 0, 63 id A v, ahol ρ =1,26 kg/m a levegő sűrűsége, talajközelben a szélkerék szélre merőleges kresztmetszete a szél sebessége Az egyenletből látható, hogy a munkavégző képesség nem a sebesség négyzetével, hanem harmadik hatványával arányos! A szélnek nem csak a sebessége ( v = km/h), hanem az iránya is változik! 11/31 3 3

12 A szélről általában A szélben rejlő P id elméleti teljesítményt nem tudjuk teljes egészében kihasználni, figyelembe kell vennünk a szélturbina, a hajtómű (ha van) és a generátor hatásfokát is: 3 PT = 0, 63 A v CP = Pid CP, ahol C P a turbina teljesítmény tényezője. C P értéke a gyakorlatban: 0,15 0,5 közötti érték. A hajtóművet, továbbá a generátor hatásfokát is figyelembe véve: 3 PG = Pid CP ηhajtómű ηgenerátor = 0, 63 A v CP ηhajtómű ηgenerátor 12/31

Szélturbinák tájékoztató hatásfoka Teljesítmény tényező, C P ( λ,90 o -ß ) % 60 50 40 30 20 10 0 Elméleti határ, Betz limit = 16/27 0,6 3 lapátú, propelleres Savonius rotor Amerikai soklapátos

13 Szélturbinák tájékoztató hatásfoka Teljesítmény tényező, C P ( λ,90 o -ß ) % Elméleti határ, Betz limit = 16/27 0,6 3 lapátú, propelleres Savonius rotor Amerikai soklapátos Holland 4 karos szélmalom Gyorsjárási tényező (λ, illetve tsr) 2 lapátú, gyorsjárású Darrieus-H rotor v 3 16/27 v 2 A λ, illetve a tsr, az ún. gyorsjárási tényező: A turbinalapát végének kerületi sebessége A szél sebessége a rotoragy síkjában v 1 Betz limit Ha a λ<6, a rotor lassújárású; λ >6, a rotor gyorsjárású. 13/31

14 Szélturbina típusok Holland 4 karos szélmalom Savonius rotor Amerikai soklapátos Darrieus H-rotor Savonius rotor Két lapátos MOD2 (USA) Három lapátos propeller 14/31

15 A várható éves energiatermelés PG = P 63 v 3 ( v) = 0, A CP ηhajtómű ηgenerátor E( v) = P( v) t( v) E = E( v) Σ v Gyakoriság, % E(v) MWh E Σ MWh E Σ E(v) v, m/s v, m/s Szélsebesség-gyakorisági függvény Éves energiaeloszlási hisztogram és kumulált energia (Kulcs, 1999 [1]) 15/31

16 Szélturbinák működési elve és jelleggörbéi 0,5 C P o = ( 90 β, λ) 0,4 0,3 A forgás síkja 0,2 A forgás iránya A szél iránya Forgástengely 0,1 0 M P Tmax P Tmin ω 0 ω 1 ω max ω 16/31

17 Alapvető szélturbina szabályozási feladatok Ha maximális mértékben ki akarjuk használni a rendelkezésre álló szélenergiát, akkor a β szög változtatásával a szélturbina C pmax maximális teljesítménytényezőre szabályozunk; Szintén a β szög változtatásával a fogyasztó teljesítményigényével azonos, egyensúlyt tartó teljesítményre szabályozunk; Túlzottan megnövekedett szélsebességek esetén turbina szögsebesség korlátozással megakadályozzuk a forgó alkatrészek károsodását (ezt leggyakrabban a szélirányból történő kifordítással érjük el). 17/31

18 Üzembe helyezett szélerőművek ,325 MW Forrás: a Magyar Szélenergia Társaság 18/31

19 Szélerőmű gyártók piaci részesedése 2010 Gyártó Teljesítmény Típus GAMESA 148 MW SRAG VESTAS 102,9 MW SRAG REPOWER 24 MW SRAG ENERCON 18, 2 MW PMSG FUHRLÄNDER 3 MW SRAG NORDEX 250 kw SCAG Az első szélerőmű Magyarországon! Szélerőmű gyártók piaci részesedése Magyarországon ig Forrás: Magyar Szélenergia Társaság és a Magyar Energia Hivatal 19/31

SÜDWIND S-46 (600/750 kw) Lapátonként, egymástól függetlenül állítható lapátszög rendszer

csapággyal 3-lépcsős, kombinált fogaskerék/ bolygóhajtómű) Hidraulikus működtetésű

generátor Orrkúp Lapátkerék agy A szélirányba forgató rendszer csapágyazás (motortartó belső

20 SÜDWIND S-46 (600/750 kw) Lapátonként, egymástól függetlenül állítható lapátszög rendszer Szélturbina lapát (beépített villámvédelem) Kovácsolt forgórész tengely hengergörgős csapággyal 3-lépcsős, kombinált fogaskerék/ bolygóhajtómű) Hidraulikus működtetésű hiba/biztonsági tárcsafék Zajcsökkentő gondola burkolat Kétoldalról táplált aszinkron generátor Orrkúp Lapátkerék agy A szélirányba forgató rendszer csapágyazás (motortartó belső fogazású fogasgyűrűvel és fékező tárcsával) Szélirányba forgató rendszer egyik motortengelye Vezérlő egység Inverter 20/31

SÜDWIND S-46 (600/750 kw) Névleges teljesítmény: 600/750 kw Szélturbina átmérő: 46 m Súrolt felület: 1662 m 2 Lapátagy magasság: 60/74 m Névleges adatok: 690 V; 50 Hz; 13,3 1/min.

21 SÜDWIND S-46 (600/750 kw) Névleges teljesítmény: 600/750 kw Szélturbina átmérő: 46 m Súrolt felület: 1662 m 2 Lapátagy magasság: 60/74 m Névleges adatok: 690 V; 50 Hz; 13,3 1/min. Fordulatszám: /min. Bekapcsolási sebesség: 3 m/s (10,8 km/h) Lekapcsolási sebesség: 25 m/s (90 km/h) Meghibásodási sebesség: 53 m/s (191 km/h) Hajtómű: bolygóműves, ferdefogazású Hajtómű áttétel: 50 Generátor: Kétoldalról táplált aszinkron Generátor fordulatszám: /min. Hálózat oldali inverter: ISZM (IGBT-s) Szabályozás:lapátszög szabályozott, változó fordulatszám ( /min.) Teljesítmény, kw Biztonsági rendszer: Szélsebesség, m/s Aerodinamikus fék: egymástól független lapátszög szabályozás Mechanikus fék: rugóval működtetett tárcsafék hidraulikus féklazítóval. 21/31

22 Szinkron alatti/feletti kaszkád [1] f H Hálózat Szélturbina v P T ω T Hajtómű ω f 1 AG f r Gép oldali egyenirányító U e L e Hálózat oldali áramirányító i e TR u i P H Teljesítmény mérő v β P H, β szab. ω max ω a ω e ω szab. i ea i e i e szab. α H Gyújtásvezérlő P H P H ω 0 M C Pmax M * ω Tmax C P Tmax 0,05 P max 0,1 P max P rmax ω 0 ω 1 ω * ω max ω 22/31

ENERCON E-126 (7,5 MW) 5 6 4 3 1 1. Főtartó 2.

Névleges teljesítmény: 7,5 MW 2. Turbina átmérő: 127 m 3.

23 ENERCON E-126 (7,5 MW) Főtartó 2. Szélirányba forgató hajtás 3. Gyűrűs generátor 4. Lapát adapter 5. Rotor kerékagy 6. Turbina lapát 2 Teljesítmény, kw Teljesítmény tényező, C p 1. Névleges teljesítmény: 7,5 MW 2. Turbina átmérő: 127 m 3. Súrolt felület: m 2 4. Tengelymagasság: 135 m 5. Fordulatszám: 5 11,7 1/min. Teljesítmény Szélsebesség v, m/s Teljesítmény tényező 23/31

24 ENERCON gyűrűs generátor 2p = ! 24/31

25 Állandómágneses gerjesztésű generátorok szabályozása v v β P H, β szab. PM szinkron generátor ω ω T f G ω ω max Gépoldali egyenirányító a ω a ω a Egyenáramú szaggató L i e U u C b e c T ω e i e i e szab. i ea ω szab. Hálózat oldali ISZMU V i Ha W i H szabályozó, szinkronizáló U szabályozó f H i U i V szinkr. Teljesítmény mérő P H P H ω 0 U ea 25/31

26 Állandómágneses gerjesztésű generátorok szabályozása PM szinkron generátor Gépoldali áramirányító (ISZMU) i e L Hálózat oldali áramirányító (ISZMU) a b c u e C U V W f H Teljesítmény mérő v v β ω ω T f G ω ω max ω e i e szab. i ea i e i H szabályozó, szinkronizáló i Ha i UiV szinkr. P H P H, β szab. ω a ω szab. U szabályozó P H ω 0 U ea 26/31

27 Sziget üzem (<10 kw) Áttétel Körmöspólusú generátor Szinkron generátor SG Gerjesztés Egyenirányító Akkumulátor Egyenáramú fogyasztók ISZMU Inverter Váltakozó áramú fogyasztók 400 W 2 kw 10 kw 27/31

28 A KMOP /B projekt blokkvázlata 28/31

A Magyarország-i erőműpark várható összetétele

Szabályozható: 2981 MW (36 %) Szélerőmű: 296 MW

29 A Magyarország-i erőműpark várható összetétele 2025-ig MW Szabályozható 2981 MW, 36 % Nem szabályozható 5317 MW 64 % Erőművi Kapacitások: Beépített: 9172 MW Rendelkezésre áll: 8298 MW Szabályozható: 2981 MW (36 %) Szélerőmű: 296 MW (3,2 %) Forrás: a Magyar VER adatai (MAVIR 2009) 29/31

30 Irodalomjegyzék [1] Hunyár Mátyás Schmidt István Veszprémi Károly Vincze Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk Műegyetemi Kiadó, Budapest 2001 [2] Tóth László Scrempf Norbert Tóth Gábor: A szélenergiát hasznosító berendezések fejlődése [3] Tóth Gábor: Energetikai célú szélmérés, Doktori értekezés Szent István Egyetem, Gödöllő 2005 [4] Tóth Imre: Gondolatok a szélenergia otthoni hasznosításáról [5] A Magyar Villamosenergetikai rendszer (VER) évi statisztikai adatai [6] Csoknyai Istvánné: Környezeti és természeti szempontokkal összehangolt, 2020., ill időtávig becsülhető hazai szélenergia potenciál. Budapest, OMSZ Székház, október 19. [7] Dán András Orlay Imre: Háztartási méretű kiserőművek szerepe a jövő energiaellátásában Elektrotechnika 2008/10-es szám. 30/31

Automatika Intézet Dr. Nagy Lóránt Tel: +36 30 315-0387 nagy.

31 Köszönjük figyelmüket! Elérhetőségeink: Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Automatika Intézet Dr. Nagy Lóránt Tel: Pálfi Zoltán Tel: /31

Hasonló dokumentumok

Dr.Tóth László

Szélenergia Dr.Tóth László Dr.Tóth László Dr.Tóth László Dr.Tóth László Dr.Tóth László Amerikai vízhúzó 1900 Dr.Tóth László Darrieus 1975 Dr.Tóth László Smith Putnam szélgenerátor 1941 Gedser Dán 200 kw