A megújuló energetika villamos rendszerei (BMEVIVEM262)

A megújuló energetika villamos rendszerei (BMEVIVEM262) Veszprémi Károly, Hunyár Mátyás, Vajda István BME Villamos Energetika Tanszék TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048 A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg

2. rész Szélerőművek 2

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

4 2-2.ábra. Vízszintes tengelyű szélturbinák.

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

2-2. A levegőben (szélben) meglévő teljesítmény 2-2-1. Függőleges szélprofil 2-4. ábra. Az atmoszférikus határréteg szélsebesség profilja (és megoszlása) 6

2-2-2. A teljesítmény számítása 7 2-5.ábra. A szélerőművek méreteinek növekedése az idő függvényében.

2-3. A szélturbinából kivehető teljesítmény 2-3-1. 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 0 1 0 3 x 8 p - 2

2-3-2. Az impulzus elmélet 9 2 2 2 2 2 3 1 p p A v A v v t I F 2 2 2 1 2 3 2 2 2 1 2 1 p v 2 1 p v 2 1 p v 2 1 p v 2 1 2 3 1 2 2 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 0,593 27 16 C 3 1 a

2-3-3. Gyorsjárási tényező λ = Rw v 1 10 2-7. ábra. A teljesítménytényező függése a gyorsjárási tényezőtől, a turbina típusától és a lapátszámtól.

11 2-8. ábra. A légáramlatok pályái egy háromlapátos szélturbina esetén.

2-3-4. A lapátok módosító hatása a légáramlatra 12 2-8. ábra. A légáramlatok pályái egy háromlapátos szélturbina esetén.

2-3-5. A lapátok szárnyszelvény alakjának és a szélirányhoz viszonyított szögének szerepe 2-9. ábra. A lapát egy elemi szárnyszelvényének kijelölése. 13

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

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

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 2-13 ábra. A C p teljesítménytényező változása a gyorsjárási tényező és a lapátszög függvényében.

2-4. Alapvető szabályozási feladatok II. I. III. 2-14. ábra. A szélturbinák tipikus teljesítmény szélsebesség és nyomaték-szögsebesség diagramjai. 18

19 2-14. ábra. A szélturbinák tipikus nyomaték-szögsebesség diagramjai.

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 ρav3 20 2-15. ábra. Teljesítmény viszonyok a szélsebesség függvényében.

2-5-1. A szélkerék/gondola elforgatása * P T =C P 1 2 ρacos (γ)v3 (2-18) 21 2-16. ábra. A teljesítmény tényező változása a gondola szélirányból való elforgatása/elbillentése esetén.

22 2-17. ábra. A gondola belsejének részletei a forgató mechanizmussal.

2-5-2. A lapátszög változtatása 2-18. ábra. A lapátszög szabályozás elve. 23

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 2-20. ábra. A szélturbina-generátor főhajtás blokkvázlata lapátszög szabályozás esetén.

2-5-3. Stall szabályozás (speciális szárnyszelvény alkalmazása) tgδ = tg ϑ + α = v 2 rw t +v 2t 2 3 v 1 rw t (2-20) 26 2-21. ábra. A szélsebességek háromszöge, és jellegzetes szögek.

27 2-22. ábra. Adott szélsebesség felett örvénylés alakul ki a lapát hátoldalán.

28 2-23. ábra. A lapátszög szabályozás és stallszabályozás jelleggörbéinek összehasonlítása.

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

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 1 2 3 H Á L Ó Z A T 30

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

2-6-2. B típusú szélerőművek 32 2-27. ábra. A forgórészköri ellenállás változtatás kefenélküli megoldása.

2-6-3. D típusú szélerőművek 33 2-28a. ábra. Áttétel nélküli szélerőművek szinkron generátorai gyűrű alakú kivitelben készülnek.

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)

2-29. ábra. D típusú szélerőmű elvi blokkvázlata. 2-30. ábra. A generátor fölérendelt szögsebesség szabályozásának részlete. 35

36 2-31. ábra. A P T =P Tn szabályozás munkapontjai frekvenciaváltós és lapátszög-szabályozás esetén.

2-6-4. C típusú szélerőművek 37 2-32. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítmény áramlásának tényleges irányai.

38 2-32. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítmény áramlásának tényleges irányai.

39 2-33. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor forgórészén áthaladó teljesítmény a szögsebesség függvényében.

40 2-34. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítményviszonyai a szinkron fordulatszám alatt (s=0,3).

41 2-35. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor teljesítményviszonyai a szinkron fordulatszám felett (s=-0,3).

T urbina 2-6-5. 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 2-36. ábra. A D típusú szélerőmű áramirányítói közötti feladatmegosztás. 42

43 2-37. ábra. Az U e feszültség állandósága jelzi a teljesítmények egyensúlyát.

T urbina 2-38. 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

2-7. Szélerőmű-hidrogén hibrid rendszer 2-39. ábra. A szélerőmű-hidrogén hibrid rendszer egy lehetséges elrendezése. 45

b) a) 46 2-40. ábra. a) A lúgos elektrolizáló cella működésének alapelve. b) Egy elektrolizáló cella tipikus feszültségáram jelleggörbéi egy magasabb és egy alacsonyabb hőmérsékleten.

47 2-41. ábra. Feszültségcsökkentő DC/DC átalakító.

48 2-42. ábra. Üzemanyagcellák jellemző teljesítményei és alkalmazási területei.

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 2-44.ábra. A PEM üzemanyagcella feszültségei az áramsűrűség függvényében.

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

cella 2-46. ábra. Kétnegyedes DC/DC átalakító. L C U e A kkum ulátor 52

53 2-47. ábra. Szélenergián és hidrogén technológián alapuló hibrid erőmű.

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 2-49.ábra. Szélfarm hidrogén tároló rendszerrel.

56 Irodalomjegyzék [2.1] Betz,A: Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen, Göttingen. Vandenhoeck und Rubprecht, 1926. [2.2] Heier,S.: Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. John Wiley and Sons Chichester. 1998. [2.3] Johnson, G.L.: Wind Energy Systems Prentice-Hall, INC. Englewood Cliffs. New Jersey. 1985. [2.4] Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest, 2001. [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. 1997. pp.956-964.. [2.6] Boyle,G,: Renewable Energy Power for a Sustainable Future. Oxford University Press, Oxford 1996. [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.429-442. [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. 325-335. [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. 1996.Vol.143, No.1, pp.1-8... [2.11] Grauers,A.: Directly driven wind turbine generators. ICEM 96, Vigo, 1996. Proc.pp. 417-422.

3. rész Vízerőművek turbinái és generátorai 57

vízerőművekről 3-1. táblázat Vízerőművek csoportosítása. Csőturbina 58

59 3-1. ábra. A vízerőművek típusai az esésmagasság szerint.

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

61 3-3. ábra. A Francis turbina szerkezete.

62 3-4. ábra. Egy propeller turbina keresztmetszete.

63 3-5. ábra. Egy körüláramoltatott generátorral készült csőturbinás erőmű keresztmetszete.

teljesítmény, jellemző fordulatszám 64 3-6. ábra. A különböző típusú turbinák alkalmazási tartományai a H-Q síkon.

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

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

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

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

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

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 3-10b. ábra. Modern vízerőmű mikroproceszoros irányítása,

3-6. Szivattyús-tározós vízerőművek 72 3-11. ábra. A szivattyús tározó működési elve. (Az energia- és folyadékáramlás iránya a tározó leürítésekor ( 1 -es) és a tározó feltöltésekor ( 2 -es).

73 3-12. ábra. Áramirányítós szinkron motor elvi kapcsolási vázlata.

74 3-13. ábra. Szivattyús tározású vízerőmű egyvonalas kapcsolásának részlete. A szinkron motorok indítása egyenként történik a tirisztoros frekvenciaváltóról (ÁSZM kapcsolás).

Irodalomjegyzék [3.1] Füzy,O.: Vízgépek. Tankönyvkiadó, Budapest, 1966. [3.2] Godfrey, B.: Renewable Energy. Oxford University Press, Oxford 1998. [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.206-213. [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 1987. [3.6] Lakatos,K., Ötvös,P.: Vízenergia hasznosítás helyzete Magyarországon a 2000. 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. 433-441.o. [3.8] Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest, 2001. 75

4. rész Hőszivattyúk 76

4.1. Zárt ciklusú kompresszoros hőszivattyúk 77 4-1. ábra. Kompresszoros hőszivattyú működési elvének vázlata.

78 4-2. ábra. Teljesítménytényező a hőmérséklet különbség ( T) függvényében.

79 4-3. ábra. Kompresszoros hőszivattyú energiafolyama villamos motoros hajtás esetében.

hőszivattyú belsőégésű hajtómotorral 80 4-4. ábra. Kompresszoros hőszivattyú energiafolyama gázmotoros hajtás esetén.

4-3. Kompresszoros hőszivattyúk osztályozása 81 4-5. ábra. Hőszivattyúzás talajvízből. 4-6. ábra. Hőszivattyúzás közvetlenül már hasznosított termálvíz továbbhűtésével.

82 4-7.ábra. Fűtőerőmű-hőszivattyú kombinált üzeme.

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

Irodalomjegyzék [4.1] Godrey,B.: Renewable Energy, Oxford University Press. Oxford 1996. [4.2] Onodi,A.: Hőszivattyúk I-II. Energiagazdálkodás, 27.k.1.sz. 1986. p.22-29, 27.k.2.sz. 1986.p.62-72. [4.3] Jászay,T., Homola,V.: Jó hatásfokú ipari hőszivattyúzás hybrid hőszivattyúval. Energiagazdálkodás. 31.k.7/8.sz. 1990.p.325-332. [4.4] Hajdú,Gy.: A hőszivattyú a jövő energiaforrása a Nap és Föld hőjének hasznosítása. Magyar Energetika, 2000.6.sz. 33-37,o, [4.5] Hunyár,M.,Schmidt,I.,Veszprémi K.,Vincze, Gyuláné: A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. Műegyetemi Kiadó Budapest, 2001. 84

85