Západočeská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická

Západočeská univerzita v Plzni
Fakulta elektrotechnická
KEE/VEN
Semestrální práce z blokové výuky VEN
Exkurze - skupina:
2 / 25.4.2008
Datum vypracování:
11.5.2008
Vypracoval:
Václav Laxa
A. ENERGIE VODY: Uveďte popis, umístění, technické údaje a další poznatky z navštívené
MVE
B. ENERGIE VĚTRU: Uveďte popis, umístění, technické údaje resp. další poznatky
z navštívené větrné farmy (schéma, údaje o nainstalovaných VE a jejich výrobě, celková
výroba atp.)
C. TEPELNÁ ČERPADLA: Uveďte princip tepelného čerpadla, jeho funkci a možné
způsoby získávání tepla.
D. VÝPOČTOVÁ ČÁST
Energie větru:
- 1a) Proveďte přepočet průměrné rychlosti naměřené anemometrem ve výšce 2m nad
terénem na výšku osy VE (VE-75 Boží Dar). VE je umístěna na louce s nízkým travnatým
povrchem. Rychlosti větru ve výšce 2m jsou v rozmezí 1-8m/s.
- 1b) Vypočtěte teoretický výkon vzdušného proudu ve výšce osy VE 75 a pro průměr
rotoru VE75, uvažujte hustotu vzduchu 1,15 kg/m3.
Energie slunce:
- 2a) Stanovte množství tepla vyrobeného solárním systémem pro ohřev vody ze zadaných
hodnot globálního záření.
- 2b) Nakreslete obecnou VA charakteristiku fotovoltaického článku.
A.
ENERGIE VODY:
Malá vodní elektrárna je umístěna na vodním toku Bystřice v zámeckém parku před mostem
přes silnici I/13 na p.p. Číslo 185. Elektrárna je řešená jako jezová s násoskovou turbínou
Metaz MT-51 umístěnou na na boku jezu. Elektrárna je osazena asynchronním strojem o
výkonu 11kW. Elektrárna má česle se samočištěním a elektrický plašič ryb. Projektovaná
výroba elektrické energie je 50MWh/rok. Spád jezu je 2m a průtok není měřen Českým
hydrometrologickým institutem. O elektrárnu se stará a provozuje ji pan Václav Šrámek.
Technické parametry:
turbína
MT5 - Metaz - Týnec nad Sázavou
spád
1,9 m
generátor
asynchronní stroj 11 kW
prům. Výkon
9 kW při nezanesené vodě
česla
cena zařízení
rozteč 3,5 cm, instalován plašič ryb
v roce 1988 ... 88000 Kč
Obr A1. – schéma MVE
Turbína Metaz MT5
Jedná se o jednoduchou vrtulovou turbínu pro energetické mikrozdroje s průměrem oběžného
kola 55cm (MT3-30cm). Turbína je násosková s litinovou komorou a svařovanou plechovou
sací rourou, která je upravena dle místních podmínek. Rozváděcí i oběžné lopatky jsou pevné
a neregulovatelné. Turbína pracuje s asynchronním strojem, který při rozběhu plní funkci
motoru pro naplnění násosky a poté samovolně přechází do generátorického chodu.
Podmínkou omezující nasazení těchto jednoduchých turbin je pokud možno konstantní průtok
a málo se měnící úroveň horní hladiny. Účinnost těchto strojů se pohybuje od 74 % do 82 %,
což jsou, pro tuto velikost a použitou technologii výroby, solidní hodnoty.
Obr A2. – návštěva malé vodní elektrárny
B.
ENERGIE VĚTRU – Kryštofovy Hamry:
poloha: střední část Krušných hor, v blízkosti vodní nádrže Přísečnice
nadmořská výška: 800 - 880 m
souřadnice: 13°9'14''E 50°26'42''N
počet elektráren: 21
typ elektráren: Enercon E-82
průměr rotoru: 82 m
výška osy rotoru: 85 m
instalovaný výkon jedné elektrárny: 2000 kW
celkový instalovaný výkon větrné farmy: 42 MW
uvedení do provozu: konec 2007
provozovatel: Ecoenerg Windkraft GmbH & Co. KG
poznámka: Největší větrná farma v České republice. V jejím prostoru se nachází též menší
větrná farma Podmileská výšina.
Realizace projektu byla umožněna díky poskytnutí dotace Spolkového ministerstva
pro prostředí, ochranu přírody a reaktorovou Bezpečnost Spolkové republiky Německa
(BMU), ve výši 2 mil. EUR. Projekt byl proveden firmou Green Lines Rusová s.r.o. v rámci
programu o společné ochraně životního prostředí mezi MŽP ČR a BMU.
Výrobcem VE je firma Nordex AG, se sídlem v Norderstedt, Spolková republika
Německa. V roce 2007 vyrobily VE asi 11,2 mil. kWh a tím pokryla spotřebu proudu zhruba
11.200 lidí v domácnostech. Roční redukční potenciál 3 VE je zhruba 12,5 tis.tun CO2, 2 tis.
tun prachu, 30,5 tun NOx a 80 tun SO3.
Obr. B1 – lokalizace VE
Obr. B2 – panorama VE
C.
TEPELNÁ ČERPADLA
Okolní prostředí (vzduch, voda, půda) má obvykle příliš nízkou teplotu a jeho teplo
nelze pro vytápění využít přímo (výjimkou jsou geotermální prameny, hojně využívané
například na Islandu). Nízkoteplotní teplo okolního prostředí můžeme využívat pomocí
tepelného čerpadla (TČ), které toto teplo (např. kolem 2 °C) převede na vyšší teplotní
hladinu (kolem 50 °C). Princip je stejný jako u chladničky, která odebírá teplo potravinám
a předává jej zadní stranou chladničky do místnosti. Podobně i TČ využívá tepla
získaného od okolního prostředí k odpaření chladicí kapaliny. Tato pára je poté
kompresorem stlačena a díky dodané práci dochází k uvolnění tepla o vyšší teplotě, které
je předáno topnému médiu. Celý cyklus se poté opakuje.
Účinnost tepelného čerpadla je definována pomocí topného faktoru. Topný faktor je
poměr topného výkonu (množství získaného tepla) a příkonu (spotřebované elektrické
energie pro pohon tepelného čerpadla). Topný faktor závisí na poměru teploty
nízkopotenciálního tepla, které vstupuje do tepelného čerpadla a na výstupní teplotě z
čerpadla. Výstupní teplota se nastavuje v závislosti na typu topného systému. Například
provozní teplota pro radiátory je přibližně 50oC, provozní teplota pro podlahové vytápění
je 38oC. Topný faktor je výhodnější při nižší odběrové teplotě, to je při podlahovém
vytápění.
Topný faktor různých TČ je v rozmezí od 2 do 6. Závisí na vstupní a výstupní teplotě,
typu kompresoru a dalších faktorech. Dodavatelé obvykle udávají topný faktor při
různých teplotách vstupního a výstupního média.
Obr C1 – schéma principu TČ
Obr C2 – schéma realizace TČ
Systémy tepelných čerpadel:
SYSTÉM VODA-VODA: Teplo z podzemní vody se získává tak, že voda je čerpána z
čerpací studny do výparníku tepelného čerpadla. V něm se ochladí a ochlazená je vracena do
druhé, vsakovací studny. Mezi požadavky patří dvě studny (sací a vsakovací) s dostatečnou
vzdáleností (též možno nahradit jiným vhodným zdrojem), vhodné chemické složení čerpané
vody, minimální celoroční teplota vody +8 °C, dostatečný průtok vody ověřený minimálně
čtrnáctidenní čerpací zkouškou a povolení vycházející z platné legislativy. Jako klady lze
uvést stálý výkon tepelného čerpadla, příznivý topný faktor a nízká pořizovací cena. Mezi
zápory patří: složité technické řešení, závislost na množství podzemní vody, nebezpečí
vyčerpání studny, přísné nároky na složení, tepl. a množství vody, vyšší nároky na údržbu a v
případě neodborného provedení hrozí narušení ekologické rovnováhy podzemních vod
SYSTÉM ZEMĚ-VODA: Teplo obsažené v zemi - tzv. geotermální teplo - se využívá
nepřímo. Získává se ve výměníku tepla - zemním kolektoru, a převádí se cirkulačním
okruhem do výparníku tepelného čerpadla pomocí teplonosné kapaliny. Používaná teplonosná
kapalina je nemrznoucí a ekologicky nezávadná. Cirkulaci teplonosné kapaliny zajišťuje
oběhové čerpadlo. Cirkulující kapalina se ve výparníku tepelného čerpadla ochlazuje a v
zemním kolektoru se znovu ohřívá geotermálním teplem. Požadavkem je vybudování
plošného (horizontálního) nebo hloubkového (vertikálního) zemního kolektoru a samozřejmě
opět povolení vycházející z platné legislativy. Výhodou je stálý výkon tepelného čerpadla,
vyšší životnost a menší hlučnost, na druhé straně pak nevýhody jsou: vysoké pořizovací
náklady (cena se navyšuje o zemní práce), vysoké nároky na technické řešení kolektoru,
teplota primárního okruhu - vertikální kolektor cca 0 °C, horizontální kolek, cca -3 °C,
nutnost regenerace kolektoru, tj. odstávka tepelného čerpadla (v letním období nelze ohřívat
teplou užitkovou a bazénovou vodu) a požadavek velkého prostoru pro kolektor.
SYSTÉM VZDUCH-VODA: Teplo obsažené ve vzduchu se využívá přímo. Výparníkem
tepelného čerpadla přímo proudí venkovní vzduch. Požadavky jsou minimální: (základ pod
výparník při venkovním provedení nebo prostupy zdí a zajištění odvodu kondenzátu při
vnitřním provedení). Ty jsou však vykoupeny i mnohými negativy: závislost topného výkonu
na teplotě venkovního vzduchu (prakticky nelze dosáhnout samostatné činnosti během celé
topné sezóny), relativně vyšší hlučnost a nižší životnost. Mezi pozitiva můžeme zařadit:
snadná instalace, nízká pořizovací cena, možný celoroční provoz s efektivním využitím pro
přípravu teplé užitk. vody a vody v bazénu, nižší topný faktor v zimních měsících je
kompenzován velmi vysokým topným faktorem v přechodném období, prům. teplota vzduchu
v topném období +3 °C, nenarušují teplotní rovnováhu okolí.
D.
VÝPOČTY
¾ Energie větru
D1a: Přepočet rychlosti větru: referenční výška h0= 2m Æ přepočet na výšku h=30m
⎛ v
⎜⎜
⎝ v0
⎞ ⎛ h
⎟⎟ = ⎜⎜
⎠ ⎝ h0
⎞
⎟⎟
⎠
n
v0 [m/s]
v [m/s]
kde koeficient n (nízká tráva) = 0,6
1
1,54
2
3,08
3
4,63
4
6,17
5
7,71
6
9,25
7
10,80
D1b: Stanovení teoretického výkonu vzdušného proudu ve výšce 30m:
Plocha rotoru
Průměrná rychlost vzduchu
Hustota vzduchu
P=
1
⋅ π ⋅ d 2 = 260,16m2
4
v = 10,8 m/s
ρ = 1,15 kg/m3
S=
1
1
⋅ S ⋅ ρ ⋅ v03 = ⋅ 260,16 ⋅ 1,15 ⋅ 1260 = 188,44kW
2
2
8
12,34
¾ Energie slunce:
D2a: Spočítejte, na jakou teplotu se během dne ohřeje voda v systému se 2 vakuovými
kolektory Heliostar H400V a 300l zásobníkem. Absorpční plocha 1 kolektoru je 1,76 m2 a
jeho účinnost udává výrobce 81%. Celková izolační schopnost zásobníku je 92%. Teplota
vody v zásobníku na počátku ohřevu je 14°C. Kolektory jsou skloněné pod úhlem x° a
orientovány y°. Hodnoty globálního záření In dopadajícího na vodorovnou plochu jsou udány
tabulkou. Sluneční deklinace 20°. Zeměpisná šířka lokality je 50° sš.
T [hod]
06:45
07:00
07:15
07:30
07:45
08:00
08:15
08:30
08:45
09:00
09:15
09:30
09:45
10:00
10:15
10:30
10:45
11:00
11:15
11:30
11:45
12:00
12:15
12:30
12:45
13:00
13:15
13:30
13:45
14:00
14:15
14:30
14:45
15:00
15:15
15:30
15:45
16:00
16:15
In
[W/m2]
189
251
320
297
317
323
356
378
351
419
487
322
335
451
517
218
713
808
812
823
819
871
863
810
884
916
859
871
863
876
884
845
863
795
810
406
389
397
512
τ [stupeň]
-78,75
-75
-71,25
-67,5
-63,75
-60
-56,25
-52,5
-48,75
-45
-41,25
-37,5
-33,75
-30
-26,25
-22,5
-18,75
-15
-11,25
-7,5
-3,75
0
3,75
7,5
11,25
15
18,75
22,5
26,25
30
33,75
37,5
41,25
45
48,75
52,5
56,25
60
63,75
h
22,32387
24,72953
27,13956
29,54797
31,94838
34,33385
36,69675
39,02861
41,3199
43,5598
45,73597
47,83426
49,83847
51,73008
53,48819
55,08949
56,50874
57,71952
58,69564
59,41305
59,85213
60
59,85213
59,41305
58,69564
57,71952
56,50874
55,08949
53,48819
51,73008
49,83847
47,83426
45,73597
43,5598
41,3199
39,02861
36,69675
34,33385
31,94838
a
-85,0754
-87,884
-78,3781
-77,8435
-76,644
-74,8805
-72,6605
-70,0654
-67,1451
-63,9242
-60,4088
-56,5928
-52,4615
-47,9963
-43,1777
-37,99
-32,4261
-26,4935
-20,22
-13,6578
-6,88474
0
6,884737
13,65782
20,21999
26,49351
32,42609
37,98998
43,17771
47,99629
52,4615
56,59275
60,40884
63,92419
67,1451
70,06537
72,66052
74,88054
76,64405
I
51,1548429
67,698558
127,144067
127,386536
147,700699
163,670191
195,650076
224,207078
223,370001
284,31416
350,200786
243,941705
265,877992
373,006832
443,353996
192,913606
648,132239
751,199475
768,844806
790,394565
794,609477
850,370206
844,567051
791,523548
859,225218
882,134966
816,403804
813,689463
789,216123
780,909495
764,840566
706,395301
693,851579
611,836343
593,886531
282,290758
255,434502
245,438728
297,686839
P
162058,5425
214469,0319
402792,4055
403560,5446
467915,813
518507,1658
619819,4416
710288,0228
707636,1626
900707,2594
1109436,09
772807,3229
842301,4793
1181685,643
1404545,46
611150,3034
2053282,932
2379799,937
2435700,344
2503969,981
2517322,822
2693972,811
2675588,417
2507546,601
2722025,491
2794603,574
2586367,25
2577768,219
2500236,677
2473921,28
2423014,913
2237860,314
2198121,801
1938297,536
1881432,529
894297,1201
809216,5028
777549,8897
943071,9058
16:30
16:45
17:00
17:15
17:30
17:45
18:00
18:15
18:30
18:45
19:00
19:15
19:30
19:45
20:00
698
583
591
654
612
591
583
542
486
431
384
312
301
281
236
67,5
71,25
75
78,75
82,5
86,25
90
93,75
97,5
101,25
105
108,75
112,5
116,25
120
29,54797
27,13956
24,72953
22,32387
19,92827
17,54818
15,18892
12,85577
10,55398
8,28885
6,065771
3,890271
1,768034
-0,29506
-2,29294
77,84352
78,37813
78,21275
77,41259
76,11009
74,44327
72,52053
70,41593
68,17669
65,83189
63,39888
60,88759
58,30322
55,64801
52,92237
382,41693
302,727245
293,458839
313,643991
285,995
270,959453
263,509144
242,305916
215,369273
189,59083
167,819018
135,534255
130,000467
120,666144
100,750853
1211496,833
959039,9109
929677,6004
993624,1649
906032,1611
858399,548
834796,9681
767625,1408
682289,8564
600623,7493
531650,6475
429372,5204
411841,4781
382270,3452
319178,7009
Ukázka výpočtu:
(můj datum narození: 22.02.1979)
úhel x° = (2+2+2+1+9+7+9)* 1,5 = 32 * 1,5 = 48° ….. α = (90° - x°) = 42°
úhel y° = (2+2+2) = 6° =» as
φ – zeměpisná šířka = 50°
δ – deklinace Slunce = 20°
τ – časový úhel (12hod=0°, 1hod=15°, orientace dle hodinových ručiček)
sin h = sin δ . sin φ + cos δ . cos φ . cos τ
(ve 12:00)
h = arcsin [sin 20°. sin 50° + cos 20°.cos 50°.cos 0]
h = 60
---------cos δ
sin a =
sin τ
cosh
a = arcsin [
cos 20 °
sin 0 ] = 0
cos 60
--------α – úhel sklonu osluněné plochy od vodorovné roviny
as – azimutový úhel normály osluněné plochy
a – azimut Slunce
h – výška Slunce nad obzorem
cos γ = sin h . cos α + cos h . sin α . cos (a-as)
cos γ = sin 60 . cos 42 + cos 60 . sin 42 cos (0-6) = 0,976
I = In . cos γ
= 871 . 0,976 = 850,370 W/m2
P = I . S . T = 850,376 . (2 . 1,76) . (15 . 60) = 2693972,811 W
Celkový výkon P = 71,37256916 MW
ρ.V.c.Δt = P.ηk. ηz
1000 . 0,3 . 4187 . Δt = 71372569,16 . 0,81 . 0,92
Δt = 42,34 °C
Teplota, na kterou se voda během dne ohřála: t = 14°C + 42,34°C = 56,34 °C
Množství tepla vyrobené solárním kolektorem: Q = m . cp . Δt = 300 . 4,17 . 56,34 = 70,48 MJ
D2b: Nakreslete obecnou VA char. fotovoltaického článku:
proud I (mA)
0
U oc
0,4 L
0,7 L
1,0 L
-2
Um
Im
-4
Isc
0,0
0,2
0,4
0,6
napětí U(V)
Obr. D2b1 - Příklad voltampérové I-U charakteristiky reálného fotovoltaického článku při osvětlení
zářením intenzity 0,4 L, 0,7 L a 1,0 L. Isc je proud článkem nakrátko, Uoc je napětí naprázdno, Um a Im je
proud a napětí odpovídající maximálnímu elektrickému výkonu fotovoltaického článku Pm.