A megújuló energetika villamos

(1)

Veszprémi Károly, Hunyár Mátyás, Vajda István

BME Villamos Energetika Tanszék

A megújuló energetika villamos rendszerei

(BMEVIVEM262)

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)

2. rész

Szélerőművek

2

(3)

2-1. Alapfogalmak szélerőművekről

3

2-1. ábra. a./ Egy vízszintes tengelyű szélerőmű főbb részei

b./ A gondola belseje a./

b./

(4)

2-2.ábra. Vízszintes tengelyű szélturbinák.

4

(5)

2-3. ábra. Függőleges szélturbinák néhány típusa.

5

ELSŐDLEGESEN HÚZÓERŐ TÍPUSÚ

ELSŐDLEGESEN EMELŐERŐ TÍPUSÚ

(6)

2-2. A levegőben (szélben) meglévő teljesítmény

2-2-1. Függőleges szélprofil

6

2-4. ábra.

Az atmoszférikus határréteg

szélsebesség profilja (és megoszlása)

(7)

2-2-2. A teljesítmény számítása

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

7

(8)

2-3. A szélturbinából kivehető teljesítmény

8

v₁ A₁ A₂ A₃

x

v1

v2

v3

v

x

p

p = p p = p

0 1 0 3

p p

2

-

+

2-3-1. A levegő jellemzőinek

változása a

szélturbinán való

áthaladás során

(2-6. ábra.)

(9)

2-3-2. Az impulzus elmélet

9

 ^ ^ ^



^ ^ ^



 

 v₁ v₃ A ₂v₂ A ₂ p₂ p₂ t

F I























2 2

2 1

2 3

2 2

2 1

p v

2 p 1

v 2 1

p v

2 p 1

v 2 1

 ²

3 1 2 2

T Fv 2 A v a 1 a

P    

turbina előtt turbina után ha v₂=(1-a)v₁, akkor az eredmény v₃=(1-2a)v₁

Teljesítmény tényező:

(2-6)

 ²

P P

P 4a 1 a

C

0

T  



3 P

T

max P opt

Av 2

C 1 P

6 , 0 593 , 0 27

C 16 3

a 1













(10)

10

2-3-3. Gyorsjárási tényező

2-7. ábra. A teljesítménytényező függése a gyorsjárási tényezőtől, a turbina típusától és a lapátszámtól.

λ = Rw

v

₁

(11)

11

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

(12)

12

2-3-4. A lapátok módosító hatása a légáramlatra

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

(13)

13

2-3-5. A lapátok szárnyszelvény alakjának és a szélirányhoz viszonyított szögének

szerepe

2-9. ábra. A lapát egy elemi

szárnyszelvényének kijelölése.

(14)

14

2-10. ábra. A lapát körüli légáramlat sebességei, erőhatásai.

v_r = v_2ax² + w_Tr + v_2t ² (2-10)

(15)

15

2-11. ábra. Az emelőerő és a visszahúzó erő tényezőinek változása a támadási szög függvényében.

dF_E = C_E α 1

2ρv_r² r t_B r dr dF_V = C_V α 1

2ρv_r² r t_B r dr (2-12)

Az ábrán:

C_L  C_E C_D  C_V

L/D  C_E/C_V

(16)

16

2-12. ábra. Az elemi szárnyszelvényre ható erők.

dF_t r = ¹₂ ρv_r² r C_E α sinδ − C_V α cosδ t_B r dr

(2-13)

M = z r ⋅ dF_R0^R _t(r) (2-14)

C_P = ^Mw^T

P₀ (2-15)

(17)

17

2-13 ábra. A C_p teljesítménytényező változása a  gyorsjárási tényező és a  lapátszög függvényében.

(18)

18

2- 4. Alapvető szabályozási feladatok

2-14. ábra. A szélturbinák tipikus teljesítmény–szélsebesség és nyomaték-szögsebesség diagramjai.

I.

II.

III.

(19)

19

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

(20)

20

2-5. Teljesítményszabályozás a turbina segítségével

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

Region II I. tartomány Region IIIII. tartomány

II. tartomány:

P_T = P_TN = áll.

P_T=C_P ¹

2 ρAv³

(21)

21

2-5-1. A szélkerék/gondola elforgatása

P_T=C_P ¹

2ρAcos (𝛾)v³ (2-18)

2-16. ábra. A teljesítmény tényező változása a gondola szélirányból való elforgatása/elbillentése esetén.

*

(22)

22

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

(23)

23

2-5-2. A lapátszög változtatása

2-18. ábra. A lapátszög szabályozás elve.

(24)

24

2-19. ábra. Szervo igényű lapátszög szabályozás blokkvázlata.

S Z P S Z W S Z I F V S Z E R _1

s

K K

K

1

2

3



_a  w_a ia u_v u

f

1

w 

w i

P D P I P I

M _fék

(25)

25

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

(26)

26

2-5-3. Stall szabályozás (speciális szárnyszelvény alkalmazása)

2-21. ábra. A szélsebességek háromszöge, és jellegzetes szögek.

tgδ = tg ϑ + α = ^v²

rw_t+v_2t ≈ ²

3 v₁

rw_t (2-20)

(27)

27

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

(28)

28

2-23. ábra. A lapátszög szabályozás és stall- szabályozás jelleggörbéinek összehasonlítása.

(29)

29

2-6. A ma használatos szélerőmű típusok

(2-24. ábra)

Á ttétel

Lág yin dító Tran szform átor

Tran szform átor K alickás aszin kron

g en erátor

K on den zátor telep

H áló zat

K on den zátor telep Tekercselt forgórészű

aszin kro n gen erátor

Lág yin dító

B típ u s A típu s

D típ u s C típ u s

~ ~

A szin kron vag y szin kro n g en erátor

Frekven ciaváltó Frekven ciaváltó

T ekercselt fo rg órészű aszin kro n g en erátor

H áló zat H áló zat

T ran szform átor T ran szform átor

Á ttétel Á ttétel

(30)

30

2-25. ábra. A kétoldali kényszer szemléltetése, és megszüntetésének lehetséges módjai.

T u rb in a G enerátor

Szél Á ttétel

H Á L Ó Z A T F .V .

P P P P P

0 T T G H

f_G

_{o p t.}

w_T w_G f_H

?

1 2 3

v

*

(31)

31

2-26. ábra. Kalickás forgórészű aszinkron generátor pólusszám változtatása szélerőművekben.

C C

C Fázisjavító kon den zátorok

K is g en erátor N ag y gen erátor K 1

K 1

K 1 K 2

K 2

K 2 K 3

K 3

R S T

A típus

(32)

32

2-6-2. „B” típusú szélerőművek

2-27. ábra. A forgórészköri ellenállás változtatás kefenélküli megoldása.

(33)

33

2-6-3. „D” típusú szélerőművek

2-28a. ábra. Áttétel nélküli szélerőművek szinkron generátorai gyűrű alakú kivitelben készülnek.

(34)

34

2-28b. ábra. P_T-w_T jelleggörbe az I-es tartományban, frekvenciaváltó alkalmazása esetén.

I. tartomány:

λ

_opt

=

^Rw^opt

v₁

= áll. → w

_opt

~v

₁

(2-21)

(35)

35

2-29. ábra. D típusú szélerőmű elvi blokkvázlata.

2-30. ábra. A generátor

fölérendelt szögsebesség szabályozásának részlete.

(36)

36

2-31. ábra. A P_T=P_Tn szabályozás munkapontjai

frekvenciaváltós és lapátszög-szabályozás esetén.

(37)

37

2-6-4. „C” típusú szélerőművek

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

(38)

38

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

(39)

39

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

(40)

40

2-34. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor

teljesítményviszonyai a szinkron fordulatszám alatt (s=0,3).

(41)

41

2-35. ábra. A kétoldalról táplált aszinkron generátor

teljesítményviszonyai a szinkron fordulatszám felett (s=-0,3).

(42)

42

2-6-5. A frekvenciaváltó áramirányítóinak lehetséges feladatmegosztása

G Á H Á



Turbina Hálózat

T 

G

PH a Q

G a U Q

ea IS Z M IS Z M M ezőor.szab.+ M ezőor.szab.+

T r

Szabályozók

A la p jelek

=

C U_e

S Z G

/ Usa H a

2-36. ábra. A „D” típusú szélerőmű áramirányítói közötti feladatmegosztás.

(43)

43

2-37. ábra. Az U_e feszültség állandósága jelzi a teljesítmények egyensúlyát.

(44)

44

2-38. ábra A „C” típusú szélerőmű áramirányítói közötti feladatmegosztás.

G Á H Á

a ' A G



Turbina Hálózat

T 

G

PH a Q

H a U Q

ea

IS Z M IS Z M M ezőor.szab.+ M ezőor.szab.+

T r

Szabályozók

A la p jelek C U_e

R a

(45)

45

2-7. Szélerőmű-hidrogén hibrid rendszer

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

(46)

46

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

a)

b)

(47)

47

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

(48)

48

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

(49)

49

I R 2 e

+

-

U -

T

Porózu s katód

Porózu s an ód

V íz

Levegő Tü zelőan yag

K atalizátor Proton áteresztő

m em b rán , PE M 2 H⁺

O₂ H₂

2-43. ábra. Protonáteresztő membrános üzemanyagcella (PEMFC) elvi felépítése.

(50)

50

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

(51)

51

Ü zem an yag

cella

A kku m u látor L

L

C

U

U e

e

2-45. ábra. Feszültségnövelő DC/DC átalakító.

(52)

52

Ü zem an yag

cella

A kku m u látor L

L

C

U

U e

e

2-46. ábra. Kétnegyedes DC/DC átalakító.

(53)

53

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

(54)

54

Teljesítm én y

H ₂ term elés

S zéltu rb in a teljesítm én y

Ig én yelt teljesítm én y

H ián y

Id ő

2-48. ábra. A szélerőmű-hidrogén rendszer egy lehetséges működési stratégiája.

(55)

55

2-49.ábra. Szélfarm hidrogén tároló rendszerrel.

(56)

Irodalomjegyzék

56

[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.

(57)

3. rész

Vízerőművek turbinái és generátorai

57

(58)

58

3-1. Alapfogalmak vízerőművekről

Csőturbina

3-1. táblázat Vízerőművek csoportosítása .

(59)

59

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

(60)

60

3-2. Turbina típusok

3-2. ábra. A turbina járókerekének típusai.

a./ Francis, b./ propeller, c./ Pelton, d./ Kaplan.

(61)

61

3-3. ábra. A Francis turbina szerkezete.

(62)

62

3-4. ábra. Egy propeller turbina keresztmetszete.

(63)

63

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

(64)

64

3-3. A vízerőműből kinyerhető teljesítmény, jellemző

fordulatszám

3-6. ábra. A különböző típusú turbinák alkalmazási tartományai a H-Q síkon.

(65)

65

3-7a. ábra. Egy Francis turbina-generátor

rendszer tipikus felépítése.

3-4. Nagyteljesítményű

vízerőművek generátorai

(66)

66

3-7a. ábra. Egy Francis turbina-generátor

rendszer tipikus felépítése.

(67)

67

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

(68)

68

3-5. Vízturbinák szabályozása

3-8. ábra. Egy szokásos turbina fordulatszám szabályozásának blokkvázlata.

(69)

69

3-9.ábra. Az  nyitás változtatása Fink- gyűrű segítségével.

a)

(70)

70

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

(71)

71

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

(72)

72

3-6. Szivattyús-tározós vízerőművek

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)

73

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

(74)

74

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

(ÁSZM kapcsolás).

(75)

Irodalomjegyzék

75

[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.

(76)