Dr. Nagy Lóránt - Pálfi Zoltán Szélenergetikai generátorok és hajtások vizsgálata mérő-kutatóhely Magyar Elektrotechnikai Egyesület Villamos hajtások szakmai nap Óbudai Egyetem Budapest, 2014.05.07.
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
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
Erőművi kapacitások növelése, ill. csökkentése Európában 4/31
A beépített teljesítmény a világban 2009-ben MW 5/31
A fogyasztás és termelés megoszlása Magyarországon 2009-ben 6/31
Vestas szélerőművek fejlődése 7/31
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
A Magyarország-i lehetőségek m/s m/s (Forrás: OMSZ) a) b) Magyarország széltérképe a) 20 méter magasságban; b) 100 méter magasságban; 9/31
A Magyarország-i lehetőségek W/m 2 (Forrás: OMSZ) A Szápár-i szélerőmű Szélenergia potenciál 75 méteres magasságban 10/31
A szélről általában A szélben rejlő mozgási energia ideális értéke: 1 2 1 2 1 3 E = m v = ( ρ A v t) v = ρ A t v id 2 2 2 A szélturbina ebből számítható ideális teljesítménye: ρ, kg/m 2 A, m v, m/s 3 P 1 2 3 = 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 = 0...150 km/h), hanem az iránya is változik! 11/31 3 3
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 Holland 4 karos szélmalom 0 1 2 3 4 5 6 7 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
Szélturbina típusok Holland 4 karos szélmalom Savonius rotor Amerikai soklapátos Darrieus H-rotor Savonius rotor Két lapátos MOD2 (USA) Három lapátos propeller 14/31
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 200 1000 E(v) 100 500 v, m/s v, m/s Szélsebesség-gyakorisági függvény Éves energiaeloszlási hisztogram és kumulált energia (Kulcs, 1999 [1]) 15/31
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
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
Üzembe helyezett szélerőművek 2010.09. 296,325 MW Forrás: a Magyar Szélenergia Társaság 18/31
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 2010. 09. 01.-ig Forrás: Magyar Szélenergia Társaság és a Magyar Energia Hivatal 19/31
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. Fordulatszám: 20 32 1/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: 1050 1750 1/min. Hálózat oldali inverter: ISZM (IGBT-s) Szabályozás:lapátszög szabályozott, változó fordulatszám (20 32 1/min.) Teljesítmény, kw Biztonsági rendszer: Szélsebesség, m/s Aerodinamikus fék: egymástól független lapátszög szabályozás Mechanikus fék: rugóval működtetett tárcsafék hidraulikus féklazítóval. 21/31
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. 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: 12668 m 2 4. Tengelymagasság: 135 m 5. Fordulatszám: 5 11,7 1/min. Teljesítmény Szélsebesség v, m/s Teljesítmény tényező 23/31
ENERCON gyűrűs generátor 2p =400 480! 24/31
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
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
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
A KMOP-2010-4.2.1/B-10-2011-0005 projekt blokkvázlata 28/31
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
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 www.szelesember.fw.hu [5] A Magyar Villamosenergetikai rendszer (VER) 2009. évi statisztikai adatai [6] Csoknyai Istvánné: Környezeti és természeti szempontokkal összehangolt, 2020., ill. 2030. időtávig becsülhető hazai szélenergia potenciál. Budapest, OMSZ Székház, 2006. október 19. [7] Dán András Orlay Imre: Háztartási méretű kiserőművek szerepe a jövő energiaellátásában Elektrotechnika 2008/10-es szám. 30/31
Köszönjük figyelmüket! Elérhetőségeink: Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Automatika Intézet Dr. Nagy Lóránt Tel: +36 30 315-0387 nagy.lorant@kvk.uni-obuda.hu www.uni-obuda.hu Pálfi Zoltán Tel: +36 20 374-0442 palfi.zoltanne7@gmail.com www.uni-obuda.hu 31/31