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 Report

Transcript 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
At 2
At
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