Větrná energetika I Historie Vítr Větrné motory Využívání větrných motorů Historie větrné energetiky • první zmínka o větrném motoru s vodorovnou osou je ze 3.
Download ReportTranscript Větrná energetika I Historie Vítr Větrné motory Využívání větrných motorů Historie větrné energetiky • první zmínka o větrném motoru s vodorovnou osou je ze 3.
Větrná energetika I Historie Vítr Větrné motory Využívání větrných motorů Historie větrné energetiky • první zmínka o větrném motoru s vodorovnou osou je ze 3. století před Kristem z Egypta • od 13. století se větrné mlýny začaly používat v Evropě • ve 14. století se zaujalo vedoucí pozici ve využívání větrné energie Holandsko • v 19. století dochází k rozvoji i v USA – bylo postaveno více než 6 miliónů malých mnoholopatkových větrných motorů • úpadek větrných motorů souvisí s rozšířením parního stroje • v 60. letech minulého století došlo k výraznému útlumu ve vývoji větrných motorů Historie větrné energetiky • současný boom v oblasti větrné energetiky se odvíjí hlavně z ekologického hlediska • omezení následků spalování uhlí » odsiřování » likvidace následků kyselých dešťů » ukládání popílku • snížení produkce oxidu uhličitého má globální důsledky Vítr – vznik větru • vítr je pohyb vzduchu způsobený rozdíly atmosférického tlaku • rychlost vzduchu závisí na velikosti rozdílu atmosférického tlaku • v blízkosti zemského povrchu (výška 30 – 60 m) je vítr ovlivňován především: • topografií oblasti • kvalitou zemského povrchu • nejdůležitějším údajem při využívání energie větru je jeho rychlost Vítr – měření rychlosti větru • měření směru a rychlosti větru se běžně provádí na meteorologických stanicích • standardní výška pro měření směru a rychlosti větru je 10 m • měření směru větru se provádí směrovkou, která je součástí rychloměru • pro měření rychlosti se nejčastěji používá anemometr (měří od rychlosti 1 až 2 m.s-1) Vítr – měření rychlosti větru Charakteristiky větru • • rychlost větru je ovlivňována zemským povrchem a směrem k němu klesá v rovinném terénu pro rychlost větru platí: h v * v0 h 0 * n kde v* – průměrná rychlost větru ve výšce h nad zemským povrchem v*0 – průměrná rychlost větru ve výšce h0 exponent n závisí na drsnosti povrchu Charakteristiky větru • pro snadnější výpočet jsou výše uvedené exponenty poměrné hodnoty rychlosti vyjádřeny korekčním součinitelem kh při odchylce údaje v referenční výšce 10 m v kh v * h * 10 Energie a výkon větru • energie pohybující se hmoty vzduchu se vyjadřuje vztahem 1 E m v2 2 kde v je rychlost vzduchu a m hmota. • pro m platí vztah m V A s kde A – plocha, kterou daný objem protéká s – dráha, kterou urazí pohybující se vzduch Energie a výkon větru • výkon protékající jednotkovou plochou lze vyjádřit jako E 1 A s 2 Pv v At 2 At kde s v t 1 Pv v3 2 W m 2 • výkon protékající jednotkovou plochou 1 m2 je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině rychlosti větru Energie a výkon větru • hustota vzduchu lze určit z barometrického tlaku a termodynamické teploty vzduchu pb r T kde r je plynová konstanta, pro vzduch asi 287 J.kg-1.K-1 • barometrický tlak závisí na nadmořské výšce • se stoupající výškou barometrický tlak klesá přibližně dle závislosti pb ( h ) pb ( 0) (1 0,118358 10 3 h 0,5291 10 8 h 2 ) Energie a výkon větru • rychlost i výkon větru se na čase mění, proto pro energii větru protékající za dané období jednotkovou plochou t platí vztah Ev pv dt t0 • pokud se v daném časovém intervalu teplota a hustota vzduchu nemění, platí t 3 Ev v dt 2 t0 Energie a výkon větru závislost výkonu větru Pv protékajícího plochou 1 m2 na jeho rychlosti v přibližná závislost roční energie větru E1 protékajícího plochou 1 m2 na jeho průměrné rychlosti v* E2 – pro průměrnou rychlost větru po celý rok Větrné motory Základní typy a jejich rozdělení • větrné motory se dělí z mnoha hledisek • základní dělení je podle aerodynamického principu • motory odporové » patří mezi nejstarší » mohou mít vodorovnou i svislou osu otáčení • motory vztlakové » vrtule a větrná kola s vodorovnou osou » rovinou otáčení jsou orientovány kolmo ke směru větru Větrné motory odporové • plocha nastavená proti větru mu klade aerodynamický odpor, proud vzduchu zpomaluje a na plochu je vyvozována síla, která je mechanicky přeměňována na rotační pohyb rotor Savonius rotor s krycím štítem Větrné motory vztlakové • vrtule se nejčastěji vyskytují ve dvou nebo třílistém provedení • čtyřlisté vrtule se využívají spíše z technologických důvodů v souvislosti s výrobou hlavy rotoru Větrné motory vztlakové Princip funkce větrných motorů • větrné motory se využívají k přeměně kinetické energie větru na mechanickou práci • zpomalují proud vzduchu, který protéká jejich pracovní plochou a tím odnímají část jeho energie Princip funkce větrných motorů • v prostoru omezeném proudovými plochami (viz. předešlý obrázek) se nepřenáší hmota ani energie a platí rovnice kontinuity v1 A1 v A v2 A2 • ze zákona o zachování hybnosti lze odvodit axiální sílu působící na rotor Fa A v v1 v2 • pro výkon větru pak platí P Fa v A v v1 v2 2 a Princip funkce větrných motorů • výkon určený ze změny kinetické energie proudu proteklého za sekundu kontrolní plochou je Ek 1 P A v v12 v22 t 2 b • srovnáním rovnic pro výkon (a, b) vyplývá pro rychlost vztah v1 v2 v 2 Princip funkce větrných motorů • pro axiální sílu působící na rotor pak můžeme psát 1 Fa A v12 v22 2 • pro výkon rotoru pak platí 1 2 2 P A v1 v2 v1 v2 4 Princip funkce větrných motorů • ideální účinnost dostaneme z poměru výkonu rotoru k výkonu větru (platí pro ideální rotor s nekonečným počtem lopatek pracujících bez aerodynamického odporu) i v 2 1 v22 v1 v2 2 v13 Princip funkce větrných motorů výkonová charakteristika větrné elektrárny příklad výpočtu množství vyrobené energie Využití větrných motorů • Výroba elektrické energie • větrné motory pohánějí elektrické generátory • malé větrné elektrárny se využívají na nabíjení baterií, čerpání nebo ohřev vody – pracují samostatně, jako jediný zdroj • větrné elektrárny od výkonu nad 50 kW jsou převážně začleněny do elektrické rozvodné sítě • Čerpání vody • běžné využití pro potřeby zavlažování • mimo vody se čerpají i jiné látky (chladiva v soustavách pro chlazení...) • Mechanické pohony • dřívější použití • mletí obilí, pohon pil a dalších pracovních strojů Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren • pro výrobu elektrické energie se ve větrných elektrárnách využívají asynchronní a synchronní třífázové generátory • rotory větrných elektráren jsou ve většině případů navrhovány s vodorovnou osou jako rychloběžné třílisté vrtule umístěné před stožárem • natáčení rotoru proti větru se provádí pomocí elektrických nebo hydraulických motorů Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren • omezení výkonu větrného motoru při vysoké rychlosti větru se dosahuje • natáčením listů rotoru okolo jejich podélné osy • pevnými listy s regulací na odtržení proudu vzduchu • rychlost větru 3 až 5,5 m.s-1 je minimální pro dodávání elektrické energie do sítě • jmenovitý výkon se obvykle dosahuje při rychlostech větru 13 až 15 m.s-1 • při rychlosti větru nad 25 m.s-1 se větrné motory odstavují Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren • větrné elektrárny jsou vybaveny mechanickou brzdou umístěnou za převodovkou na straně generátoru • brzda je disková a spouští se pružinou při poklesu hydraulického tlaku • při nárůstu otáček vlivem velké rychlosti větru se používají aerodynamické brzdy • neubrzdí větrný motor do úplného zastavení • zabraňují mechanickému přetížení rotoru • stojící větrná elektrárna musí odolat větru o rychlosti 60 m.s-1 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren • malé větrné elektrárny o výkonech do 10 kW jsou dostatečně rychloběžné – používají se vícepólové synchronní generátory s permanentními magnety • součástí je usměrňovač pro napájení akumulátorové baterie nebo autonomní stejnosměrné sítě o jmenovitém napětí 12, 24 nebo 120 V • mohou být doplněny polovodičovým střídačem, umožňujícím napájení malých jednofázových spotřebičů Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren • ve větrných elektrárnách středních a velkých výkonů se k výrobě elektrické energie nejčastěji používají asynchronní motory s kotvou nakrátko, pracující v generátorickém chodu • výhodou je • vysoká provozní spolehlivost • nenáročná údržba • nízké pořizovací náklady dané jejich jednoduchostí • pro elektrárny velkých výkonů nebo speciálního provedení se používají synchronní generátory s budícím vinutím na rotoru Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren • větrné elektrárny pracující při konstantních nebo skoro konstantních otáčkách využívají maximálního výkonu větru pouze při jeho jedné rychlosti Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren • změnu otáček potřebnou pro využití maximálního výkonu větru při všech jeho rychlostech umožňuje vložení měniče kmitočtu mezi svorky generátoru a síť Připojení elektrického generátoru k síti a) přímé b) přes měnič kmitočtu