VETERN TURBNY Luk KALAMEN Rozdelenie veternch turbn existuj
VETERNÉ TURBÍNY Lukáš KALAMEN
Rozdelenie veterných turbín �existujú 2 základné typy moderných veterných turbín: �turbíny s konštantnými otáčkami �asynchrónne stroje s klietkou nakrátko �turbíny s premenlivými otáčkami �asynchrónne stroje s klietkou nakrátko �asynchrónne stroje s vinutým rotorom �synchrónne stroje s permanentnými magnetmi 2
Turbíny s konštantnými otáčkami �indukčný generátor s klietkou nakrátko �konštantné otáčky (odchýlka max. ± 2 %) �softštartér na obmedzenie nárazových prúdov �kompenzátor jalového výkonu na obmedzenie spotreby jalového výkonu zo siete 3
Turbíny s premenlivými otáčkami �indukčný generátor s vinutým rotorom �premenlivé otáčky (± 10 %) �zmena charakteristiky motora zmenou rotorového odporu – nehospodárna regulácia �neschopnosť nezávislého riadenia činného a jalového výkonu – potreba kompenzátora jalového výkonu 4
Turbíny s premenlivými otáčkami �indukčný generátor s vinutým rotorom �premenlivé otáčky (± 30 %) �menič v rotorovom obvode na sklzový výkon �nezávislé radenie činného a jalového výkonu �v súčasnosti najpoužívanejší systém 5
Turbíny s premenlivými otáčkami �indukčný generátor s klietkou nakrátko �menič na plný výkon generátora �nezávislé radenie činného a jalového výkonu 6
Turbíny s premenlivými otáčkami �synchrónny generátor s klasickým budením �menič na plný výkon generátora �menič pre budiace vinutie �nezávislé radenie činného a jalového výkonu 7
Turbíny s premenlivými otáčkami � mnohopólový synchrónny generátor s klasickým budením � malé synchrónne otáčky rovné otáčkam vrtule � bez prevodovky � nezávislé radenie činného a jalového výkonu 8
Turbíny s premenlivými otáčkami �synchrónny generátor s permanentnými magnetmi �bez elektromagnetického budenia �bez budiaceho meniča �nezávislé radenie činného a jalového výkonu 9
Turbíny s premenlivými otáčkami �mnohopólový synchrónny generátor s permanentnými magnetmi �malé synchrónne otáčky rovné otáčkam vrtule �bez prevodovky �nezávislé radenie činného a jalového výkonu 10
Výkon veternej turbíny kde P mechanický výkon turbíny ρ hustota vzduchu v rýchlosť vetra R polomer vrtule Cp koeficient účinnosti λ pomer rýchlosti konca vrtule k rýchlosti vetra θ uhol natočenia lopatiek 11
Koeficient účinnosti �teoretické maximum tohto koeficientu je 0, 593; t. j. žiadna turbína nemôže zachytiť viac než 59, 3 % kinetickej energie vetra (Betzov zákon) �v praxi sa na moderných turbínach dosahujú hodnoty okolo 0, 4 �hustota vzduchu, rýchlosť vetra a polomer vrtule sú neriaditeľné parametre �preto jediný parameter, ktorým možno riadiť na dosiahnutie maximálneho generovaného výkonu je koeficient účinnosti Cp 12
Koeficient účinnosti Ω. . . uhlová rýchlosť vrtule 13
Riadenie výkonu veternej turbíny � maximálne množstvo dodávanej mechanickej energie pre rôzne rýchlosti vetra možno docieliť udržovaním maximálneho výkonu turbíny počas celého pracovného intervalu � toto možno dosiahnuť riadením otáčok generátora v závislosti od mechanického príkonu dodávaného turbínou 14
Riadenie výkonu veternej turbíny �obmedzenie mechanického výkonu na jeho nominálnej hodnote je zabezpečené zmenou sklonu lopatky vrtule k smeru vetra, ide o tzv. natáčanie lopatiek �najúčinnejšia a v súčasnosti najpoužívanejšia metóda obmedzenia výkonu pri veľkých rýchlostiach vetra �zmenou uhla natočenia θ sa zmení maximálna absorbovateľná energia z kinetickej energie prúdiaceho vzduchu 15
Inštalovaný výkon veterných elektrární Inštalovaný výkon [GW] 250 200 150 100 50 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Rok �obnoviteľný zdroj elektrickej energie �minimálny dopad na životné prostredie �primeraná návratnosť nákladov �podpora Európskej Únie 16
Cena veternej elektrárne 17 ČASŤ CENA (v % CELKU) Listy vrtule 18, 3 Riadenie & Menič 4, 2 Náboj 2, 5 Veža 17, 5 Hriadeľ 4, 2 Brzdiaci systém 1, 7 Prevodovka 12, 5 Základy 4, 2 Generátor 7, 5 Zloženie 2, 1 Gondola 10, 8 Prevoz 2, 0 Systém natáčania 4, 2 Pripojenie do siete 8, 3
Zaujímavosti � rozmery 1, 5 MW veternej turbíny zvyčajného typu: �výška �priemer vrtule �priemer veže pri úpätí �priemer veže pri gondole �váha vrtule �váha gondoly 80 m 70 m 15 m 2 m 22 t 52 t � najvýkonnejšie turbíny súčasnosti: �ENERCON E-126, 7. 5 MW, 127 m priemer vrtule, 135 m výška veže �VESTAS V-164, 7 MW, 164 m priemer vrtule, 110 m výška veže 18 � EUROHOME Bôrik – 76. 8 m – najvyššia budova v Žiline
Dvojito napájaný indukčný generátor �v súčasnosti najrozšírenejší na trhu �menič na sklzový výkon = nižšia cena �nezávislé riadenie činného a jalového výkonu �až 61% nárast produkcie elektrickej energie v porovnaní so systémami s konštantnými otáčkami 19
Simulácie veternej turbíny �možnosť overiť správanie sa veternej turbíny pri rôznych podmienkach �menej meraní na turbínach �možnosť výskumu nových metód riadenia �je potrebný detailný model celého sústrojenstva (mechanickej časti, elektrickej časti a siete) �presnosť závislá na parametroch náhradnej schémy asynchrónneho stroja – čo najpresnejšie určenie parametrov náhradnej schémy indukčného stroja! 20
Vyšetrovanie parametrov NS AS 21 1. Identifikácia parametrov náhradnej schémy asynchrónneho stroja meraním 2. Identifikácia parametrov náhradnej schémy asynchrónneho stroja výpočtom z konštrukčných údajov 3. Výpočet magnetizačnej indukčnosti asynchrónneho stroja metódou konečných prvkov
Vyšetrovaný asynchrónny stroj MEZ MOHELNICE MTS-HS 1 MOTOR 3~ Č. 3029952 Typ 3 M 5 BS 14 Tvar HO 4, 4 k. W DB Stat. Y/Δ 380/220 V 9, 6/16, 6 A Rot. Y 64 V 47 A 1370 ot. /min. 50 c/s M > 1, 75 55 – 9ČSN 014990 75 Kg 22
Identifikácia parametrov NS meraním �STN 35 0301: Točivé elektrické stroje. Skúšanie asynchrónnych motorov: �meranie odporov vinutí �meranie naprázdno �meranie nakrátko �meranie prevodu 23
Identifikácia parametrov NS meraním � modifikované meranie naprázdno: � stroj poháňaný jeho synchrónnymi otáčkami � výpočet prvkov priečnej vetvy podľa presnej náhradnej schémy 24
Identifikácia parametrov NS meraním �nelineárna závislosť magnetizačnej indukčnosti od magnetizačného prúdu Rs 20 [Ω] R´r 20 [Ω] Rr 20 [Ω] Lσ [m. H] LµN [H] 25 1, 125 1, 8843 0, 05294 21, 77 0, 1315
Identifikácia parametrov NS výpočtom z konštrukčných údajov �výpočet elektrických parametrov náhradnej schémy AS na základe konštrukčných rozmerov stroja a znalosti použitých materiálov: �výpočet odporov rotora a statora �výpočet rozptylových indukčností rotora a statora �výpočet magnetizačnej indukčnosti a jej závislosti od sýtenia magnetického obvodu stroja Rs 20 [Ω] R´r 20 [Ω] Rr 20 [Ω] Lσ [m. H] LµN [H] 26 1, 092 1, 291 0, 05374 19, 077 0, 1350
Identifikácia parametrov NS metódou konečných prvkov �metóda konečných prvkov (MKP) slúži na výpočet vektorového magnetického potenciálu v stroji – teda na výpočet rozloženia magnetickej indukcie a magnetického toku v stroji �výpočty vykonané v programe FEMM 4. 2 27
Identifikácia parametrov NS metódou konečných prvkov 28
Porovnanie výsledkov Rs 20 [Ω] Rr 20 [Ω] Lσ [m. H] LµN [H] 29 Meranie 1, 125 0, 05294 21, 77 0, 1315 Analytický výpočet 1, 092 (3 %) 0, 05374 (1, 5 %) 19, 077 (14, 1 %) 0, 1350 (2, 66 %) MKP 0, 1306 (0, 7 %)
Ďakujem za pozornosť! 30
- Slides: 30