A megújuló energetika villamos rendszerei (BMEVIVEM262)

Átírás

1 A megújuló energetika villamos rendszerei (BMEVIVEM262) Veszprémi Károly, Hunyár Mátyás, Vajda István BME Villamos Energetika Tanszék TAMOP /2/A/KMR A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg

2 2. rész Szélerőművek 2

3 2-1. Alapfogalmak szélerőművekről a./ b./ ábra. a./ Egy vízszintes tengelyű szélerőmű főbb részei b./ A gondola belseje

4 4 2-2.ábra. Vízszintes tengelyű szélturbinák.

5 2-3. ábra. Függőleges szélturbinák néhány típusa. ELSŐDLEGESEN HÚZÓERŐ TÍPUSÚ ELSŐDLEGESEN EMELŐERŐ TÍPUSÚ 5

6 2-2. A levegőben (szélben) meglévő teljesítmény Függőleges szélprofil 2-4. ábra. Az atmoszférikus határréteg szélsebesség profilja (és megoszlása) 6

7 A teljesítmény számítása ábra. A szélerőművek méreteinek növekedése az idő függvényében.

8 2-3. A szélturbinából kivehető teljesítmény A levegő jellemzőinek változása a szélturbinán való áthaladás során (2-6. ábra.) A 1 A 2 A 3 v x 1 v v 1 v 2 v 3 p + p 2 x p = p p = p x 8 p - 2

9 Az impulzus elmélet p p A v A v v t I F p v 2 1 p v 2 1 p v 2 1 p v T a 1 a v A 2 Fv P turbina előtt turbina után ha v 2 =(1-a)v 1, akkor az eredmény v 3 =(1-2a)v 1 Teljesítmény tényező: (2-6) 2 P P P a 1 4a C 0 T 3 P T max P opt Av 2 1 C P 0,6 0, C 3 1 a

10 Gyorsjárási tényező λ = Rw v ábra. A teljesítménytényező függése a gyorsjárási tényezőtől, a turbina típusától és a lapátszámtól.

11 ábra. A légáramlatok pályái egy háromlapátos szélturbina esetén.

12 A lapátok módosító hatása a légáramlatra ábra. A légáramlatok pályái egy háromlapátos szélturbina esetén.

13 A lapátok szárnyszelvény alakjának és a szélirányhoz viszonyított szögének szerepe 2-9. ábra. A lapát egy elemi szárnyszelvényének kijelölése. 13

14 2-10. ábra. A lapát körüli légáramlat sebességei, erőhatásai. v r = 2 v 2ax + w T r + v 2 2t (2-10) 14

15 2-11. ábra. Az emelőerő és a visszahúzó erő tényezőinek változása a támadási szög függvényében. df E = C E α 1 2 ρv r 2 r t B r dr df V = C V α 1 2 ρv r 2 r t B r dr (2-12) Az ábrán: C L C E C D C V L/D C E /C V 15

16 2-12. ábra. Az elemi szárnyszelvényre ható erők. df t r = 1 2 ρv r 2 r C E α sinδ C V α cosδ t B r dr (2-13) M = z R R0 r df t (r) (2-14) C P = Mw T P 0 (2-15) 16

17 ábra. A C p teljesítménytényező változása a gyorsjárási tényező és a lapátszög függvényében.

18 2-4. Alapvető szabályozási feladatok II. I. III ábra. A szélturbinák tipikus teljesítmény szélsebesség és nyomaték-szögsebesség diagramjai. 18

19 ábra. A szélturbinák tipikus nyomaték-szögsebesség diagramjai.

20 2-5. Teljesítményszabályozás a turbina segítségével Region II I. tartomány Region III II. tartomány II. tartomány: P T = P TN = áll. P T =C P 1 2 ρav ábra. Teljesítmény viszonyok a szélsebesség függvényében.

21 A szélkerék/gondola elforgatása * P T =C P 1 2 ρacos (γ)v3 (2-18) ábra. A teljesítmény tényező változása a gondola szélirányból való elforgatása/elbillentése esetén.

22 ábra. A gondola belsejének részletei a forgató mechanizmussal.

23 A lapátszög változtatása ábra. A lapátszög szabályozás elve. 23

24 2-19. ábra. Szervo igényű lapátszög szabályozás blokkvázlata. M fék a i a wa u v u 1 SZ P SZ W SZ I FV SZ E R f1 PD w PI i PI K 1 w 1_ s K 2 K 3 24

25 ábra. A szélturbina-generátor főhajtás blokkvázlata lapátszög szabályozás esetén.

26 Stall szabályozás (speciális szárnyszelvény alkalmazása) tgδ = tg ϑ + α = v 2 rw t +v 2t 2 3 v 1 rw t (2-20) ábra. A szélsebességek háromszöge, és jellegzetes szögek.

27 ábra. Adott szélsebesség felett örvénylés alakul ki a lapát hátoldalán.

28 ábra. A lapátszög szabályozás és stallszabályozás jelleggörbéinek összehasonlítása.

29 2-6. A ma használatos szélerőmű típusok A Á ttétel Lágyindító Transzform átor H álózat K alickás aszinkron generátor K ondenzátor telep B típus Á ttétel Lágyindító Transzform átor H álózat (2-24. ábra) Tekercselt forgórészű aszinkron generátor K ondenzátor telep C típus Á ttétel Frekvenciaváltó ~ ~ H álózat 29 D típus Á ttétel Tekercselt forgórészű aszin kron generátor A szin kron vagy szin kron generátor Frekvenciaváltó ~ ~ Transzform átor Transzform átor H álózat

30 2-25. ábra. A kétoldali kényszer szemléltetése, és megszüntetésének lehetséges módjai. Szél v opt.? w w T G f H T urbina Á ttétel G enerátor F.V. * P P P P P 0 T T G H f G H Á L Ó Z A T 30

31 2-26. ábra. Kalickás forgórészű aszinkron generátor pólusszám változtatása szélerőművekben. A típus R S T C C C Fázisjavító kondenzátorok K1 K3 K2 K3 K is generátor N agy generátor K2 K1 K2 31 K1 K3

32 B típusú szélerőművek ábra. A forgórészköri ellenállás változtatás kefenélküli megoldása.

33 D típusú szélerőművek a. ábra. Áttétel nélküli szélerőművek szinkron generátorai gyűrű alakú kivitelben készülnek.

34 2-28b. ábra. P T -w T jelleggörbe az I-es tartományban, frekvenciaváltó alkalmazása esetén. 34 I. tartomány: λ opt = Rw opt v 1 = áll. w opt ~v 1 (2-21)

35 2-29. ábra. D típusú szélerőmű elvi blokkvázlata ábra. A generátor fölérendelt szögsebesség szabályozásának részlete. 35

36 ábra. A P T =P Tn szabályozás munkapontjai frekvenciaváltós és lapátszög-szabályozás esetén.

37 C típusú szélerőművek ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítmény áramlásának tényleges irányai.

38 ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítmény áramlásának tényleges irányai.

39 ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor forgórészén áthaladó teljesítmény a szögsebesség függvényében.

40 ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítményviszonyai a szinkron fordulatszám alatt (s=0,3).

41 ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítményviszonyai a szinkron fordulatszám felett (s=-0,3).

42 T urbina A frekvenciaváltó áramirányítóinak lehetséges feladatmegosztása T = G SZ G GÁ C U e HÁ Tr H álózat ISZ M ISZ M + + M ezőor.szab. M ezőor.szab. S zab ályozók P Ha Q / U U Q Ga sa ea Ha A lapjelek ábra. A D típusú szélerőmű áramirányítói közötti feladatmegosztás. 42

43 ábra. Az U e feszültség állandósága jelzi a teljesítmények egyensúlyát.

44 T urbina ábra A C típusú szélerőmű áramirányítói közötti feladatmegosztás. T a' G AG GÁ C U e HÁ Tr H álózat ISZ M ISZ M + + M ezőor.szab. M ezőor.szab. S zab ályozók P Ha Q U Q Ha ea Ra A lapjelek 44

45 2-7. Szélerőmű-hidrogén hibrid rendszer ábra. A szélerőmű-hidrogén hibrid rendszer egy lehetséges elrendezése. 45

46 b) a) ábra. a) A lúgos elektrolizáló cella működésének alapelve. b) Egy elektrolizáló cella tipikus feszültségáram jelleggörbéi egy magasabb és egy alacsonyabb hőmérsékleten.

47 ábra. Feszültségcsökkentő DC/DC átalakító.

48 ábra. Üzemanyagcellák jellemző teljesítményei és alkalmazási területei.

49 2-43. ábra. Protonáteresztő membrános üzemanyagcella (PEMFC) elvi felépítése. I R T 2e - Porózus katód + U - Porózus anód V íz 2H + Levegő Tüzelőanyag O H 2 2 K atalizátor Protonáteresztő m em brán, PEM 49

50 ábra. A PEM üzemanyagcella feszültségei az áramsűrűség függvényében.

51 2-45. ábra. Feszültségnövelő DC/DC átalakító. L C U e Ü zem anyag cella 51

52 cella ábra. Kétnegyedes DC/DC átalakító. L C U e A kkum ulátor 52

53 ábra. Szélenergián és hidrogén technológián alapuló hibrid erőmű.

54 2-48. ábra. A szélerőmű-hidrogén rendszer egy lehetséges működési stratégiája. Teljesítm ény H 2 term elés S zélturbina teljesítm ény Igényelt teljesítm ény H iány Idő 54

55 ábra. Szélfarm hidrogén tároló rendszerrel.

56 56 Irodalomjegyzék [2.1] Betz,A: Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen, Göttingen. Vandenhoeck und Rubprecht, [2.2] Heier,S.: Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. John Wiley and Sons Chichester [2.3] Johnson, G.L.: Wind Energy Systems Prentice-Hall, INC. Englewood Cliffs. New Jersey [2.4] Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest, [2.5] Simoes, M.G., Bose, B.K., Spiegel, R.J.: Design and Performance Evaluation of Fuzzy-Logic-Based Variable-Speed Wind Generation System. IEEE Trans. on Ind.Appl. Vol.33, No.4. July/Aug pp [2.6] Boyle,G,: Renewable Energy Power for a Sustainable Future. Oxford University Press, Oxford [2.7] Cadirci,I.,Ermis,M.: Double-output induction generator operating at subsynchronous and supersynchronous speeds: steady-state performance optimisation and wind-energy recovery. IEE Proc. B,1992, Vol.139, No.5, pp [2.8] Quany, N.P., Dittrich,A.,Thieme,A.: Double fed induction machine as generator: control algorithms with decoupling of torque and power factor. Electrical Engineering, 1997, Vol. 80, pp [2.9] J.Larminie, A.Dicks: Fuel Cell Systems Explained 2006 John Wiley and Sons. [2.10] Spooner, E., Williamson, A.C.: Direct-coupled, permanent-magnet generators for wind turbine applications. IEE B, Electric Power Appl Vol.143, No.1, pp [2.11] Grauers,A.: Directly driven wind turbine generators. ICEM 96, Vigo, Proc.pp

57 3. rész Vízerőművek turbinái és generátorai 57

58 vízerőművekről 3-1. táblázat Vízerőművek csoportosítása. Csőturbina 58

59 ábra. A vízerőművek típusai az esésmagasság szerint.

60 3-2. Turbina típusok 3-2. ábra. A turbina járókerekének típusai. a./ Francis, b./ propeller, c./ Pelton, d./ Kaplan. 60

61 ábra. A Francis turbina szerkezete.

62 ábra. Egy propeller turbina keresztmetszete.

63 ábra. Egy körüláramoltatott generátorral készült csőturbinás erőmű keresztmetszete.

64 teljesítmény, jellemző fordulatszám ábra. A különböző típusú turbinák alkalmazási tartományai a H-Q síkon.

65 3-4. Nagyteljesítményű vízerőművek generátorai 3-7a. ábra. Egy Francis turbina-generátor rendszer tipikus felépítése. 65

66 3-7a. ábra. Egy Francis turbina-generátor rendszer tipikus felépítése. 66

67 3-7b. ábra. A kefenélküli gerjesztés két lehetséges megoldása. 67

68 3-5. Vízturbinák szabályozása 3-8. ábra. Egy szokásos turbina fordulatszám szabályozásának blokkvázlata. 68

69 3-9.ábra. Az nyitás változtatása Finkgyűrű segítségével. a) 69

70 3-10a. ábra. Egy Francis turbina M T -n diagramjai különböző nagyságú nyitások ( ) esetében, és a hatásfok szintgörbéi az M T -n síkon. M T 70

71 b. ábra. Modern vízerőmű mikroproceszoros irányítása,

72 3-6. Szivattyús-tározós vízerőművek ábra. A szivattyús tározó működési elve. (Az energia- és folyadékáramlás iránya a tározó leürítésekor ( 1 -es) és a tározó feltöltésekor ( 2 -es).

73 ábra. Áramirányítós szinkron motor elvi kapcsolási vázlata.

74 ábra. Szivattyús tározású vízerőmű egyvonalas kapcsolásának részlete. A szinkron motorok indítása egyenként történik a tirisztoros frekvenciaváltóról (ÁSZM kapcsolás).

75 Irodalomjegyzék [3.1] Füzy,O.: Vízgépek. Tankönyvkiadó, Budapest, [3.2] Godfrey, B.: Renewable Energy. Oxford University Press, Oxford [3.3] Fostiak,R.J., Davis,H.R.: Electrical Features of the Rocky Mountain Pumped-Storage Project. IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol.9, No.1, March 1994.pp [3.4] Li Zhao hui etc: Fault Tolerance Aspects of a Highly Reliable Microprocessor Based Water Turbine Governor. IEEE Trans on Energy Conversion, Vol.7, No.1, March 1992 [3.5] Mosonyí,E.: Water Power Development. Vol.1. Low-Head Power Plants. Akadémiai Kiadó, Budapest [3.6] Lakatos,K., Ötvös,P.: Vízenergia hasznosítás helyzete Magyarországon a évben. MTA Energetikai Bizottság. Megújuló Energetikai Technológiák Albizottság. [3.7] Kertai,E.: Új lehetőség kis esésű vízerőművek gazdaságosabb kialakítására. A STRAFLO-turbina. Hidrológiai Közlöny. 62.évf. 10.szám. Budapest o. [3.8] Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest,

76 4. rész Hőszivattyúk 76

77 4.1. Zárt ciklusú kompresszoros hőszivattyúk ábra. Kompresszoros hőszivattyú működési elvének vázlata.

78 ábra. Teljesítménytényező a hőmérséklet különbség ( T) függvényében.

79 ábra. Kompresszoros hőszivattyú energiafolyama villamos motoros hajtás esetében.

80 hőszivattyú belsőégésű hajtómotorral ábra. Kompresszoros hőszivattyú energiafolyama gázmotoros hajtás esetén.

81 4-3. Kompresszoros hőszivattyúk osztályozása ábra. Hőszivattyúzás talajvízből ábra. Hőszivattyúzás közvetlenül már hasznosított termálvíz továbbhűtésével.

82 ábra. Fűtőerőmű-hőszivattyú kombinált üzeme.

83 4-8. ábra. Klímaberendezés hőszivattyúval. a./ Fűtési üzem, b./ Hűtési üzem. 83

84 Irodalomjegyzék [4.1] Godrey,B.: Renewable Energy, Oxford University Press. Oxford [4.2] Onodi,A.: Hőszivattyúk I-II. Energiagazdálkodás, 27.k.1.sz p.22-29, 27.k.2.sz p [4.3] Jászay,T., Homola,V.: Jó hatásfokú ipari hőszivattyúzás hybrid hőszivattyúval. Energiagazdálkodás. 31.k.7/8.sz p [4.4] Hajdú,Gy.: A hőszivattyú a jövő energiaforrása a Nap és Föld hőjének hasznosítása. Magyar Energetika, sz ,o, [4.5] Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest,

85 85