076_Obnovitelne zdroje energie

OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE –
ENERGIE VĚTRNÁ
1
Osnova přednášky:
- Využití energie větru – historický vývoj
- Základy teorie transformace energie větru
- Větrné elektrárny - současný stav - typy, konstrukce
- Rotory založené na odporovém a vztlakovém principu –
teoretické základy
- Potenciál rozvoje, vliv větrných elektráren na
elektroenergetickou soustavu
2
3
Willem van de Veldego, 1666 r.
4
5
6
7
8
9
10
Union Pacific Railroad, Laramie,1868
11
12
Poul La Cour’s - první větrná turbína produkující el.proud
1891 Askov, Dánsko
13
Jacobs“wind charger”
(rotor 4 m, 3 kW), 1932
Smith-Putnam, Vermont, USA
(53.3 m, 1 250 kW), 1941
14
Smidth “Aeromotor”
(rotor 17.5 m, 50 kW), 1941/2
Smidth “Aeromotor” (rotor 24 m, 70 kW), 1942/3
15
Dánsko Gedser 24 m, 200 kW), 1957
Andreau-Enfield, St. Albans (Hertfordshire)
(rotor 24.4 m, 100 kW), 1956
16
MOD-0 (rotor 38 m,
200 kW), NASA (USA), 1975
MOD-5 (rotor 97 m,
3200 kW), Boeing (USA), 1987
17
Nibe A a Nibe B (rotor 40 m, 630 kW),
Elsam (Dánsko), 1979
Tvind Ulfborg (rotor 52 m, 2000 kW),
(Dánsko), 1978
18
Monopteros (rotor 48 m,
600 kW), MBB (Německo), 1985
Growian, Kaiser-Wilhelm-Koog (rotor 100 m, 3000 kW), MAN
(Německo),
1982
19
Darrieus turbine ´Eole (4 MW), Hydro-Qu´ebec (Canada), 1987
20
HWP-55 (rotor 55 m,
1000 kW), Howden (United Kingdom), 1989
21
Bonus/Siemens Wind Power,
(rotor 107 m, 3.6 MW) 2005
22
23
24
25
26
27
Výkon větru:
Ek =
1
⋅ m ⋅ v2
2
E
1
E& k = k = ⋅ m& ⋅ v 2
t
2
m& = ρ ⋅ S ⋅ v = ρ ⋅ S ⋅
Pvětru ,teoret
Pvětru ,teoret
dx
dt
1
1
2
&
= Ek = ⋅ m& ⋅ v = ⋅ ρ ⋅ S ⋅ v3 [W ]
2
2
1
= ⋅ ρ ⋅ v 3 ⎡⎣W ⋅ m −2 ⎤⎦
2
28
Pvětru ,teoret
1
= ⋅ ρ ⋅ v 3 ⎡⎣W ⋅ m −2 ⎤⎦
2
ρvzd
pb
=
r ⋅T
pb ( h) = pb (0) ⋅ (1 − 0 ,118358 ⋅10 −3 ⋅ h + 0 ,5291 ⋅10−8 ⋅ h 2 )
v 1600 m 82% tlaku nhm
Pmax rotoru , Betz =
1
⋅ ρ ⋅ S ⋅ v 3 ⋅ c p , Betz
2
Energie větru
t
Ev = ∫ Pvětru ⋅ dt
t0
Ev =
ρ
2
i
3
v
∑ i ⋅ Δt
0
29
v2
v1
v
R
h
v1
v
v2
30
Ideální, Betzová účinnost, výkon rotoru
výkon rotoru
ηi =
výkon větru
v, S
v1 ⋅ S1
proudnice
P ≈ ΔEk
v1 ⋅ S1 = v ⋅ S = v2 ⋅ S 2
1
⋅ m ⋅ (v12 − v 22 )
ΔEk 2
1
P=
=
= ⋅ ρ ⋅ S ⋅ v ⋅ (v12 − v 22 )
t
t
2
v2 , S 2
m& = ρ ⋅ Q& = ρ ⋅ S ⋅ v
v=
v1 + v 2
2
v1 + v 2
1
⋅ (v12 − v 22 )
P = ⋅ρ ⋅S ⋅
2
2
31
Protoru
1
= ⋅ ρ ⋅ S ⋅ (v1 + v 2 ) ⋅ (v12 − v 22 )
4
Pvětru ,teoret
1
1
2
&
= Ek = ⋅ m& ⋅ v1 = ⋅ ρ ⋅ S ⋅ v13
2
2
1
⋅ ρ ⋅ S ⋅ (v1 + v 2 ) ⋅ (v12 − v 22 ) (v + v ) ⋅ (v 2 − v 2 )
výkon rotoru 4
1
1
2
2
ηi =
=
=
3
1
výkon větru
2
⋅
v
3
1
⋅ ρ ⋅ S ⋅ v1
2
ηi ,max ⇒
v2 1
=
v1 3
32
ηi ,max
16
=
= 0,5926
27
33
34
Rozdělení větrných motorů, rychlostní součinitel
uR
λ=
c
VM volnoběžné (pomaluběžné)
λ < 1,5
z = 6-40
VM středně rychloběžné
λ = 1,5 až 3,5
z = 4-6
VM rychloběžné
λ > 3,5
z = 1-3
(z.. počet listů, lopatek)
−
−
−
−
−
−
Rychlostní součinitel ovlivňuje:
počet lopatek rotoru z
profil, šířku a úhel náběhu křídel,
počet otáček,
dosažitelnou celkovou účinnost,
osový tlak,
průběh charakteristik.
35
36
Odporový princip
FD
FD
37
38
http://www.ppart.de//programming/java/profiles/NACA4.html
Vztlakový princip –
rychloběžné větrné
turbíny
http://www.aerospaceweb.org/question/airfoils/q0041.shtml
Základní veličiny
profilu křídla
α …úhel náběhu
Silové účinky na
element listu
α0 …úhel nulového vztlaku
b …délka tětivy profilu, hloubka profilu
1
Fx = ⋅ ρ ⋅ cx (α ) ⋅ S ⋅ v 2
2
a0
b
1
Fy = ⋅ ρ ⋅ c y (α ) ⋅ S ⋅ v 2
2
39
Fy
Fx
40
Fy
Δ
V
Δ
V
Fz
41
α = - 3°
α = + 3°
α > αkrit !
α = + 14°
42
Natáčení listu = změna tlakových poměrů na listu a tím i silových účinků :
Cx, Cy =f(α)… experimentální stanovení
Pro NACA 4412 pak:
součinitel vztlaku = f(α)
National Advisory
Committee for
Aeronautics (NACA)
odporový součinitel = f(α)
43
Vrtulový list DEBRA 25
s proměnlivým profilem
44
45
46
Základní části velké VěE
konstrukce VESTAS
47
3000 kW
Rotor
CPR=0,44
ložiska
převodovka
generator
η=0,996
η=0,97
η=0,97
Vlastní spotřeba cca 35 kW
transformátor
1160 kW
η=0,98
Kompenzátor
a filtr
harmonických
η=0,98
Měnič
frekvence
η=0,975
Síť 20 kV
48
konstrukce ENERCON
49
Dle ENERCON
50
Výkonové charakteristiky rychloběžných větrných motorů - regulace
51
Výkonová charakteristika P = f(v)
a) bez natočení profilu
Rychlost větru v1< v2
b) natočení profilu
v1
Odtržení
proudu
v2
Natočení
listu
52
α
53
Osa
rotace
Osa
rotace
α>> αopt !
54
55
56
odstaveno
start
provoz
rotace
57
58
59
Optimální otáčky rotoru rychloběžných větrných motorů při různých
rychlostech větru
60
Přenos energie větru do elektroenergetické sítě
61
a) „Přímá vazba“
=Konstantní
rychlost otáčení
b) „Přímá vazba“ + změna počtu pólů generátoru
62
c)
c) Usměrňovač+střídač
=Variabilní rychlost
otáčení
63
64
Instalovaný výkon v EU 2010
30000
25000
MW
20000
15000
10000
5000
0
DEU
SP
IT
FR
UK
DK
PGL
NDL
S
IR
www.wind-energie.de
65
www.wind-energie.de
66
67
Větrné motory s vodorovnou osou rotace
68
Zdroj: ÚFA AV ČR
69
70
71
Větrný potenciál krajiny
72
73
74
75
76
77
78
79
Výkonová křivka
1600
1400
výkon [kW]
1200
1000
VE1
800
VE2
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
rychlost větru [m/s]
80
Ekonomika větrné farmy 2 x Enercon E – 40
Instalovaný výkon
Investiční náklady
Provozní náklady
Životnost
Projektované roční využití
Kr
Projektovaný roční výnos
Projektovaná doba úvěru (60%) (?)
Atd..
Pi = 2x600 kW
56 mil. Kč
0,5 mil. Kč
25 – 30 let
1000 – 1200 hod
11,4 – 13,7 %
6,12 mil. Kč
12 let
81
Ekonomický potenciál VTE v ČR
•
Podle studie Štekl a kol. z roku 1995 - Wr = 140 až 180 MWr
•
Podle MPO
•
Předpokládaný vývoj využívání větrů v ČR podle databáze
-W
VTE
= 148 MWr
Energetického ústavu EGÚ-Brno
- podle EGÚ Brno
- podle investorů
- podle zelených
120 MWr
143 MWr
300 MWr
82
Zálohování
• Rychle startující záloha
• Dispečerské zálohy
50 % zálohovaného výkonu
25 % zálohovaného výkonu
Podpora a podpůrné služby
=
Větrné elektrárny produkují emise
(???)
83
84