Embed Size (px)
Citation preview
Mérési útmutató
Megújuló energiatermelést bemutató energiapark
Szélturbinák villamosenergia termelése
A mérést tervezte, összeállította: Dr. Kádár Péter
A mérésért felel�s:
Dr. Kádár Péter
A mérési útmutatót összeállította: Dr. Kádár Péter Aranyos Zsolt Fehér Szabolcs Illés Gergely Kazai Imre
Piatkó Tamás
BMF KKV VEI
Budapest, 2006. október
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
2
Tartalom 1 A mérés célja ..................................................................................................................2 2 A szélenergia átalakítása.................................................................................................2 3 A szélturbinák felépítése, üzeme.....................................................................................4 4 A mérési összeállítás, eszközök ......................................................................................5 5 A mérési feladatok..........................................................................................................8
5.1 Szélrózsa készítése a mért szélirányokból................................................................9 5.2 Szélrózsa készítése, az átlagos szélsebességgel súlyozva .......................................10 5.3 Szélsebesség diagram, átlagos szélsebesség...........................................................10 5.4 Szélsebesség eloszlás (tartam) diagram .................................................................11 5.5 Szélsebesség eloszlás s�r�ségfüggvénye ...............................................................11 5.6 Turbulencia diagram .............................................................................................12 5.7 Generátor teljesítmény diagram.............................................................................12 5.8 Generátor szél-teljesítmény karakterisztika ...........................................................13
6 Mérési jegyz�könyv......................................................................................................13
1 A mérés célja A mérés során a hallgatók megismerkednek a széler�m�vek/szélturbinák villamosenergia termelési karakterisztikájával és a telepítést megel�z�- és üzemeltetés közbeni folyamatos szél- és villamos mérésekkel. A mérés bevezet�je a „Széler�m�vek” cím� .ppt el�adás.
2 A szélenergia átalakítása A szél energiája az áramló tömeg mozgási energiája, ezt lehet részlegesen átalakítani egyéb mechanikai mozgásokká, els�sorban forgássá. A szélenergia teljes kifogása nem lehetséges, ugyanis ez azt jelentené, hogy a sebesen érkez� leveg� teljesen lefékez�dne, megállna. Az amúgy nyomáskülönbségek hatására létrejöv� egyenletes légáram útjába helyezett széler� kinyer� berendezések valamelyest lassítják az áramlást, nyomáskülönbséget, turbulenciákat okoznak. A haladó szél energiáját általában vízszintes vagy függ�leges tengely� kerekekre szerelt, a kerék síkjával szöget bezáró lapátokkal alakítják forgássá. Régebben tapasztalatok alapján készítették a szélkerekeket, vitorlákat, de ma a szélkerekek aerodinamikai formázása és gépészeti konstrukciója a „high tech”-hez, azaz a nagyon felett technológiákhoz tartozik.
• A kis sebességgel egyenletesen (laminárisan, rétegzetten) áramló leveg� útjába helyezett akadályra a leveg� a közegellenállás mértéke szerint (torló-) er�vel hat.
• Amennyiben az egyenletesen áramló leveg�be áramvonalas, de aszimmetrikus akadályt állítunk (szárnyprofil, vitorla), akkor a leveg� útját jobban besz�kít� oldalon az áramlási irányra mer�leges Bernoulli féle szívóhatás lép fel.
• Ha az áramvonalas test nem megfelel� irányból találkozik a nagy sebességgel áramló leveg�vel, akkor Bernoulli féle hatás lecsökken, esetleg megsz�nik, és turbulens áramlás alakul ki.
A fentiek miatt a vízemel� kerekekre és az egyszer� sík deszkavitorlákra f�ként a tolóer� hat, míg a hajlított lapátokra, a felvásznazott malomvitorlákra és a szárnyprofilú széler�m� lapátokra a Bernoulli er� is.
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
3
Akadály az áramló leveg� útjában A szél által hajtott vízszintes tengely� szélkerekek által leadott teljesítményt az alábbi (egyszer�sített) egyenlet írja le:
P = 0,5 � A v3 � ahol
• P - a szélkerék leadott teljesítménye, • � = 1,29 kg/m3 - az áramló leveg� s�r�sége, de ez h�mérsékletfügg�, ezért télen,
amikor a leveg� hidegebb, jobb hatásfokúak lehetnek a szélturbinák • A = r2
� = d2�/4 - a lapátok által súrolt terület mérete (ahol r - a lapátok hossza; d = 2 r
- a szélkerék átmér�je), • v a szél sebessége, amely mellett a teljesítményt meghatározzuk, • � a szélkerék hatásfoka, amely nem lehet több 60 %-nál, a gyakorlatban 10-30 %
közötti érték szokott lenni. A megadott képlet alapján látható, hogy a szél energiája a szélsebesség harmadik hatványával arányos. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy igen kis szélsebesség változás is igen nagy teljesítmény-változást okoz. Egy 1,5 MW-os széler�m�nek már 37,5 m hosszú lapátjai vannak. 25%-os hatásfokkal számolva azt kapjuk, hogy a néveleges teljesítményét 12,9 m/s-nél (47 km/h) éri el. 3 m/s szél esetén a leadott teljesítmény még a 20 kW-ot sem éri el, ami saját veszteségek fedezésére is alig elegend�. Ezért sem indulnak 3 – 3,5 m/s alatt az er�m�vek. A valóságban egy szélkerékre a �-val jelölt hatásfok a leveg� sebességének függvényében er�sen változik (részben a lamináris és turbulens áramlás miatt) és ez egy „púpos” karakterisztika görbét eredményez. Azért, hogy a kerekek forgását áramlástani szempontból jól össze lehessen hasonlítani, bevezették a gyorsjárási tényez�t, ami a lapátvég sebesség (kerületi sebesség) és a szélsebesség arányát fejezi ki. A következ� két ábra egy konkrét szélkerék hatásfokának (�) változását mutatja a gyorsjárási tényez� függvényében, illetve egy állandó fordulatszámon tartott rotor által leadott mechanikai teljesítményét mutatja különböz� forgási sebességeknél:
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
4
Egy rotor hatásfokának változása A leadott teljesítmény és a szélsebesség
összefüggése
Széler�m�vek esetén a púp tetejét levágják, azaz a kiadott teljesítményt elektronikai és mechanikai úton maximálják, és ez eredményezi a széler�m�vek általános telít�d�, lapos karakterisztikáját.
3 A szélturbinák felépítése, üzeme A széler�m�vek viselkedését els�sorban a szélsebesség és a kiadott villamos teljesítmény közötti összefüggés írja le. A széler�m�vek karakterisztikájára f�ként a mechanikai kialakítás van hatással, amibe beletartozik a rotorlapátok profilja, a változtatható lapátszög és a rotor síkjának állíthatósága a szél irányához képest. Ezt a „mechanikai” karakterisztikát a teljesítményelektronika formálja tovább, f�ként a kiadott teljesítmény limitálásával az „üzemi szél” tartományában (kb. 10-25 m/s). A következ� ábrán egy er�m� felépítése és egy er�m� gyári adatlapján megadott karakterisztikát látjuk.
A széler�m� f�bb elemei Az E-48-a turbina teljesítmény és hatásfok karakterisztikája
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
5
A következ� mérési diagram egy 1 MW-os névleges teljesítmény� széler�m� karakterisztikájának közel lineáris, induló szakaszát ábrázolja.
Széler�m� karakterisztika - induló szakasz
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7
szélsebesség m/s
kW
A széler�m�vek az id� nagy részében nem termelnek energiát. Ekkor inkább villamosenergia fogyasztóként lépnek fel, ugyanis a szél irányát követ� vízszintes forgató egység folyamatosan készenlétben/m�ködésben van, és télen egyes szerkezeti elemeket f�teni is kell. Az üzemkész, szélre váró er�m� a küszöb szélsebességet meghaladó (3-4 m/s) tartós szél fennállása esetén indul. Míg a széler�m�veknek a névleges teljesítményre vetített teljes kihasználtsága évente 2000 óra körül van, addig a kisebb-nagyobb szélben való m�ködési óraszám elérheti a 4000 órát is. Ez azt jelenti, hogy igen ritkán termel az er�m� a teljes kapacitásával, ugyanis ehhez legtöbb esetben 8-12 m/s szélsebesség szükséges. Az következ� ábra egy er�m� ingadozó termelését mutatja, a változó szélben. A névlegesen 1 MW-os er�m� teljesítménye mintegy 6 perc alatt 1-18 % között változott. Amennyiben több er�m� termel egyszerre, akkor ezek a gyors termelésváltozások statisztikailag kiegyenlítik egymást.
Széler�m� kiadott teljesítménye
0
50
100
150
200
14:03:50 14:06:43 14:09:36 14:12:29 14:15:22 14:18:14 14:21:07
id�
kW
A szabályozott rotor fordulatszám
0
2
4
6
8
10
12
14
0 50 100 150 200
kiadott teljesítmény kW
n / p
erc
Mindeközben az er�m� rotorjának (ill. generátorának) sebességét igyekeznek állandó fordulatszámon tartani. Ezt mutatja a következ� ábra.
4 A mérési összeállítás, eszközök A címlapon látható AIR-X 401-es kísérleti szélturbina, a m�terhelés és az elektromos kapcsolószekrény a Bécsi úti épület tetején helyezkedik el. A turbina f�bb jellemz�i:
• rotor átmér�: 1,15 m • névleges feszültség: 12 V • indulási szélsebesség: 3 m/s • névleges teljesítmény: 400 W/11,5 m/s • maximális leadott teljesítmény: 520 W/18 m/s
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
6
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
7
A szélsebességet, irányt és h�mérsékletet a Weather Wizard állomás méri és a Weather Link nev� szoftver gy�jti folyamatosan az alábbi listába:
A turbina termelését a National Instruments USB 600-as adatgy�jt�je LabView szoftveren keresztül loggolja.
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
8
5 A mérési feladatok A széler�m�vek telepítési helyének kiválasztásánál el�ször általános meteorológiai szélmérési adatsorokat vesznek figyelembe. Ezt követi a helyszíni méréssorozat, amelyben a tervezett létesítési helyszínen, több évszakon keresztül a rotormagasságot megközelít� szinten gy�jtenek adatokat. Egy telepített er�m�nél folyamatosan regisztrálják a szél- és villamos termelési adatokat. Az uralkodó szélirányt, illetve az ennek nagyságára is utaló súlyozott átlagot szélrózsán lehet megjeleníteni. Fontos adat a szélsebesség, a szélsebesség átlaga, illetve mindennek eloszlása, azaz, hogy az adott átlag hosszú idej�, kis sebesség� szelekb�l tev�dik-e össze, vagy ritkább, de er�sebb szelekb�l. Ez utóbbi alkalmasabb az energiatermelésre, mert a kis szelek hiába kitartóak, az er�m�vet esetleg el sem indítják. Ugyan ezt lehet a szélsebesség s�r�ség diagramon is ábrázolni. Az egyenletes termelést befolyásoló kavargó, turbulens szél jellemzésére az id�egység alatti szélsebesség- és szélirányváltozás mértékét érdemes regisztrálni. A kis változásokat a széler�m� le tudja követni, míg a hirtelen változások hatásfok csökkenést okoznak. A villamosenergia termelés szempontjából szinte a legfontosabb a teljesítmény-szél karakterisztika, illetve a tényeleges termelési görbe.
1 nap szélirány-id�tartamai (perc)
0
100
200
300ÉSZAK
ÉÉKÉK
KÉK
KELET
KDK
DK
DDKDÉL
DDNYDNY
NYDNY
NYUGAT
NYÉNY
ÉNY
ÉÉNY
Szélsebességgel súlyozott szélirányok (perc x m/s)
0,00
200,00
400,00
600,00ÉSZAK
ÉÉK
ÉK
KÉK
KELET
KDK
DK
DDKDÉL
DDNY
DNY
NYDNY
NYUGAT
NYÉNY
ÉNY
ÉÉNY
Szélrózsa Súlyozott szélrózsa
Egy óra szélsebesség adatai
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57
perc
m/s átlag szélsebesség
szélsebeség
A szélirány és -nagyság percenkénti változása (turbulencia)
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58
perc
m/s
és
rad
Szélsebesség változás (m/s)
Szélirány változás (rad)
Szélsebesség és átlag diagram Turbulencia
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
9
Szélsebesség eloszlás (tartam diagram)
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58
perc
m/s szélsebesség
Eloszlás s�r�ségfüggvény
024
68
1012
1416
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
szélsebesség m/s
Mér
ések
dar
absz
áma
Szélsebesség eloszlás (tartam-) diagram Az eloszlás s�r�ségfüggvénye Generátor áram
0
1
2
3
4
5
6
1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241
negyed sec
A i
ll. m
/s
Generátor áram (A)
Polinom. (Interpoláltszélsebesség (m/s) )
Széler�m� karakterisztika - induló szakasz
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7
szélsebesség m/s
kW
Tartam diagram Generátor karakterisztika
5.1 Szélrózsa készítése a mért szélirányokból A mérés célja, hogy megállapítsuk, hogy az adott mérési id�szakban milyen irányból fújt leggyakrabban a szél. A mérés során a szélirány mérése korrekciót igényel melynek mértéke 315�. (Azaz a m�szer által mutatott 360�������������315�� A szélrózsa a mérési id�szakra (pl. 1 nap) vonatkoztatóan mutatja meg, hogy milyen gyakorisággal fúj a szél egy adott irányból, azaz mi volt az uralkodó szélirány. A mérési feladat:
Egy adott id�szak adataiból a szélirányok darabszámának meghatározása és ezt követ�en a szélrózsa kirajzolása.
2006.09.08 Szélrózsa
050
100150200ÉSZAK
ÉÉKÉK
KÉK
KELET
KDK
DKDDK
DÉLDDNY
DNY
NYDNY
NYUGAT
NYÉNY
ÉNYÉÉNY
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
10
5.2 Szélrózsa készítése, az átlagos szélsebességgel súlyozva Az adott irányból érkez� szél „mennyiségét” csak az irányok ábrázolása nem tükrözi helyesen. Ezért a szélrózsába a szélirányokat átlagos szélsebességgel súlyozva is ábrázolhatjuk. A mér� hely által rögzített mérési adatokat tartalmazó pl.: download20060909_13h.txt file-t nyissa meg Excelben. (Megjegyzés: A szövegbeolvasó varázsló harmadik lépésénél kattintson az Irányított… ikonra és ott a tizedes jelet állítsa pontra.) A diagram elkészítéséhez a szélirány (Wind dir) és a szélsebesség (Wind speed) mérési adatait tartalmazó oszlopokat használja fel. Rendezze szélirányok szerint sorba az adatokat és az adott szélirányokhoz tartozó szélsebességeket adja össze, majd ábrázolja sugárdiagramban. Így egy átlagos szélsebességgel súlyozott szélrózsát kap eredményül. A valódi földrajzi tájolás miatt a kapott diagramot 315°-kal el kell forgatni így kapja meg a valós szélrózsa diagramot. Ez a mérés megmutatja az adott id�intervallumban mely irányból érkezett a legtöbb szél (széláram, ugyanis egy adott keresztmetszeten áthaladó, adott sebesség� szél valóságban légáramot jelent, ez id�ben pedig légmennyiséget tesz ki) A mérési feladat:
Egy adott id�szak adataiból a szélsebességgel súlyozott szélrózsa kirajzolása.
5.3 Szélsebesség diagram, átlagos szélsebesség A szélsebesség id�beli alakulását mutatja a szélsebesség diagram. A mérés pl. a download20060909_13h.txt file megnyitása után kezd�dhet. A mérés célja hogy lássuk az iskola környékén fellép� szélsebességek nagyságát és átlagosan mekkora széllökések érnek minket. Jelen esetben 24 órán át vizsgáljuk, hogy mekkora volt a szélsebesség. A mérést a szél sebesség (wind speed F-oszlop) valamint a percenkénti mintavételb�l (time B- oszlop) készítjük el. 1 nap esetén pl. a 0:00-23:59-ig terjed� tartományt kell vizsgálni. A függvény elemeit egyszer� összerendezéssel lehet összeválogatni. Átlag sebesség számításánál vagy összeadást és osztást, vagy az ÁTLAG- függvényt használjuk. Az egy nap lefutásaként „tüskés” diagrammot kapunk, míg kisebb id�intervallumot kinagyítva a változások jobban láthatóak. A mérési feladat:
Egy adott id�szak adataiból a szélsebesség görbe rajzolása, illetve az átlagos szélsebesség meghatározása.
Átlagos szélsebesség súlyozva 2006.09.07.
0
50
100
150
200ÉSZAK
ÉÉK
ÉK
KÉK
KELET
KDK
DK
DDKDÉL
DDNY
DNY
NYDNY
NYUGAT
NYÉNY
ÉNY
ÉÉNY
Egy óra szélsebesség adatai
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57
perc
m/s átlag szélsebesség
szélsebeség
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
11
5.4 Szélsebesség eloszlás (tartam) diagram Az el�z� ábrából nehéz megállapítani, mennyi ideig fújt pl. a széler�m� indulási sebességénél nagyobb szél, mennyi ideig lehetett volna villamos energiát termelni. Ez leolvasható az eloszlás diagrammból. A mérés a pl. download20060909_13h.txt file megnyitása után kezd�dhet. A mérést a szél sebesség ( wind speed F-oszlop) valamint a percenkénti mintavételb�l ( time B-oszlop) készítjük el. 0:00-23:59-ig terjed� tartományt kell vizsgálni. Mérés célja: szélsebesség tartammérés. Adatok értelmezése : a lépcs�zetes görbe azt mutatja, hogy nem volt tartósan 3 m/s feletti szél, azaz jelent�s áramtermelés nem volt lehetséges. A mérési feladat:
Egy adott id�szak adataiból a szélsebesség eloszlás diagram elkészítése.
Tartam 2006.09.07.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
1 63 125 187 249 311 373 435 497 559 621 683 745 807 869 931 993 1055 1117 1179 1241 1303 1365
id�
sebe
sség
5.5 Szélsebesség eloszlás s�r�ségfüggvénye Az eloszlás s�r�ségfüggvénye mutatja, hogy az adott szélsebesség tartományban mennyi ideig fújt a szél. A mérési feladat:
Az adatokból az adott szélsebességek darabszámának meghatározása és ezt követ�en a diagramm felvétele és kirajzolása.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0:010:531:46 2:403:34 4:265:196:12 7:067:598:51 9:44 10:36 11:28 12:21 13:13 14:06 14:58 15:5216:44 17:38
18:3119:2320:16 21:0822:01 22:55 23:49
Adatsor1Adatsor2
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
12
2006.09.08.
0100200300400500600
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5
sebesség
dar
ab
5.6 Turbulencia diagram A szélsebesség átlaga, illetve eloszlása nem ad információt arról, milyen gyorsak a változások, az adott sebességek hogyan követik egymást. A gyors változások a termelés hatásfokát csökkentik. A turbulencia a szélirány és a szélsebesség változását fejezi ki valamilyen egységes id�távra vonatkoztatva, pl. az 1 perc alatt. A mérési feladat:
Két egy órás id�szak széljárását összehasonlítani a turbulencia szempontjából.
A szélirány és -nagyság percenkénti változása (turbulencia)
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58
perc
m/s
és
rad
Szélsebesség változás (m/s)
Szélirány változás (rad)
5.7 Generátor teljesítmény diagram A National Instruments által fejlesztett készülék segítségével mérjük az Air-X 403-as típusú szélgenerátor által termelt áramot, amit a készülék els�dlegesen saját Archív memóriájába tárol. A hozzá kapott szoftver segítségével hozzáférhetünk ezekhez a mérési adatokhoz, és *.xls formátumban elmenthetjük. A kiértékeléshez fontos információ, hogy a mentések 4 Hz-es frissítéssel jönnek létre, tehát másodpercenként 4 adat jelenik meg! A mért érték pedig az-az árammal arányos feszültség, ami tartalmaz 2.5V offset feszültséget is, melyet kivonva a nulla szintet kapjuk! 0.05V feszültség szint 1A áramer�sségnek felel meg! Adott esetben additív tölt�áram offset-tet is tartalmaz a mérés. A diagram elkészítéséhez átlagoltuk a mérési pontokat másodpercenként, percenként, majd óránkén! Az így kapott jelent�sen kevesebb adatból kisz�rtük azokat az id�pontokat, ahol termelés volt és az áramokból számolt teljesítményt ábrázoltuk az id� függvényében. A mérési feladat:
Egy adott id�szak adataiból a generátor áramát megjeleníteni, illetve egy termelési id�szakot kinagyítani (pl. 3 percet).
Mérési útmutató – Széler�m�vek 2006.
13
Generátor áram
0
1
2
3
4
5
6
1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241
negyed sec
A i
ll. m
/s
Generátor áram (A)
Polinom. (Interpoláltszélsebesség (m/s) )
5.8 Generátor szél-teljesítmény karakterisztika A fentiekben említett készülék segítségével pontos adatokhoz juthatunk a szél kiszámíthatatlan jellegér�l! A mérési adatokban megtaláljuk a szél sebességét, leolvasható az iránya és az id�tartama is! Szintén egy táblázatban tölthet�ek le ezek a mérési pontok, amiket másodpercre pontosan össze tudunk vetni az árammérés adataival. Ez azért fontos, mert így pontosan vizsgálhatjuk a szélturbina viselkedését, hogy mekkora szélsebesség szükséges a termelés beindításához. Valamint pontos információkat kapunk a leveg� mozgásáról, amiben megfigyelhet�ek bizonyos azonosságok. A mérési feladat:
Adott id�szak szél és áram adataiból a generátor karakterisztika felrajzolása.
Széler�m� karakterisztika - induló szakasz
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7
szélsebesség m/s
kW
6 Mérési jegyz�könyv A mérési jegyz�könyvet mér�páronként nyomtatott formában kell leadni a mérésvezet�nek 1 héten belül (ezzel gyakorolják az elvégzett munka bemutatását, dokumentálását). A jegyz�könyv formája nem kötött, éppen a kimért, ízléses dokumentum szerkesztés elsajátítása is a cél, hossza 2-3 oldal. Ez tartalmazza:
• Dátum • Mérést végz�k nevét • Az elvégzett mérés leírását • A mérésnél felhasznált adatok leírását • Grafikus megoldást • Írott értékelést
Szükséges hallgatói eszközök: pen-drive adathordozó.
