Laboratorijska vaja

Laboratorij za termoenergetiko

Vetrna energija: karakteristike delovanja vetrne turbine

Namen vaje

Vetrna energija 2

spoznati delovanje ter določiti

karakteristike vetrne elektrarne, izmeriti napetost in tok pri različnih

obremenitvah vetrne turbine, določiti največjo moč, mejno

hitrost in izkoristek

Vetrna turbina

Vetrna energija 3

Pretvorba energije vetra v elektriko

Vetrna energija 4

01 – obročasti generator

02 – strojnica

03 – čeljustni pogon

04 – e-modul

05 – pesto

06 – lopatica

07 – stolp

08 – temelj

Vetrna energija 5

Vetrna elektrarna v Dolenji vasi pri Divači

Vetrna elektrarna v Dolenji vasi pri Divači

Vetrna energija 6

Vetrna elektrarna v Dolenji vasi pri Divači

7

mo

č ve

trn

e e

lekt

rarn

e

hitrost vetra

V1 ... vključitev turbine V2 ... doseg nominalne moči V3 ... začetek redukcije V4 ... zaustavitvena hitrost in pričetek načina obratovanja ob viharju

Vetrna energija 7

Vetrna elektrarna v Dolenji vasi pri Divači

Vetrna energija 8

Vetrna elektrarna v Dolenji vasi pri Divači

Vetrna energija 9

Hitrostne in tlačne razmere okrog vetrnice

hitrost vetra:

Tlak:

Kontinuitetna enačba:

m konst

1 1 2 2S v S v

Vetrna energija 10

Izpeljava

Razpoložljiva moč vetra:

1 2

d

d

( )

vF m a m m v

t

S v v v

Sila na rotor po Eulerju:

t

2

1 2( )

dE dxP F F v

dt dt

S v v v

Moč turbine:

2

t 1 2

2

1 2 1 2

2 2

1 2 1 2

( )

1( ) ( )

4

1( )( )

4

P S v v v

S v v v v

S v v v v

• Hitrost vetra pri rotorju v je enaka povprečju med hitrostma pred in za rotorjem:

predpostavka:

razmerje hitrosti

b = v2/v1

3 2

t 1

1(1 )(1 )

4P S v b b

Vetrna energija 11

Izpeljava

Celotna moč vetra:

31

2wP S v

Izkoristek: s predpostavko, da je v1 enak v,

3 2

12

3

1(1 )(1 )

14 (1 )(1 )1 2

2

S v b b

b b

S v

Betzova limita

2

lim

1 1(1 )(1 ), pri

2 3

59,26 %

b b b

Vetrna energija 12

Izpeljava

Betzova limita:

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Bet

zov

fakt

or

mo

či

razmerje hitrosti za in pred rotorjem

2

lim

1(1 )(1 )

2b b

max 59,26 % pri b = 1/3:

Vetrna energija 13

Teoretične osnove

Vetrna energija 14

Največja kinetična energija vetra:

Največja moč vetra:

Dejanska moč vetra:

2

20vmWmax

2

20

0v

vAρPmax

maxGRmiadej PηηηηηP

ηa aerodinamični izkoristek vetrnice

ηi notranji izkoristek vetrnice

ηm mehanski izkoristek

ηR izkoristek multiplikatorja

ηG izkoristek generatorja

Merilna shema

Vetrna energija 15

električni tok

električna napetost

hitrost vetra

vrtilna frekvenca

turbine

Laboratorijsko preizkuševališče

Vetrna energija 16

Meritev

Vetrna energija 17

Merimo:

► električni tok skozi breme

► električno napetost na bremenu

► hitrost zraka

► vrtilno frekvenco vetrnice

Računamo:

► moč generatorja

► izkoristek vetrne turbine

Določanje optimalnega bremena

• Merjenje U in I za različne nastavitve bremena (R) pri nastavljeni največji hitrosti

vetra v vetrovniku – nestabilni rezultati

• Določitev upora za največjo električno moč generatorja

Vetrna energija 18

Upornost Napetost Tok Moč

R [Ω] U [V] U̅ [V] I [A] I̅ [A] P [W]

1 U1 I1

U̅·I̅ 2 U2 I2

3 U3 I3

4 U4 I4

... ... ... ... ... ... ...

4

14

1

i

iU

4

14

1

i

iI

Karakteristika vetrne turbine

• Nastavitev optimalnega bremena za pridobivanje maksimalne moči

• Merjenje tokov, napetosti, vrtilne frekvence in hitrosti

• Izračun moči vetra in izkoristka turbine

Vetrna energija 19

Hitrost Napetost Tok Moč Vrtilna

frekvenca

v [m/s] v̅ [m/s] U [V] U̅ [V] I [A] I ̅[A] P [W] f [s-1] f ̅[s-1]

1 v1 U1 I1

U̅·I̅

f1

2 v2 U2 I2 f2

3 v3 U3 I3 f3

4 v4 U4 I4 f4

... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

4

14

1

i

iU

4

14

1

i

iv

4

14

1

i

iI

4

14

1

i

if

3

2

1vAρPkin

kinP

Pη

NALOGE

• Izmerite električni tok in napetost pri različnih obremenitvah vetrne

turbine

• Izrišite karakteristiko P(R) ter označite maksimalno moč in upornost pri

katerem se nahaja

• Izrišite karakteristiko P(v) in ν(v)

• Izračunajte izkoristek vetrne turbine

20 Vetrna energija