Download pdf - Energetyka wiatrowa - Strona główna AGHhome.agh.edu.pl/~ejwe/download/energetyka_wiatrowa.pdf · Turbina wiatrowa z trzeba łopatami o poziomej osi obrotów osiąga najwyższą

Energetyka wiatrowa

ENERGETYKA JĄDROWA WE WSPÓŁCZESNEJ ELEKTROENERGETYCE

Jaworzno 04.12.2009

dr hab. inż. Jerzy Skwarczyński prof. nz. AGHmgr inż. Tomasz Lerch

Plan wykładu

Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów

Obecny stan energetyki wiatrowej w Polsce i na świecie

Warunki wietrzne w Polsce

Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energie mechaniczną

- Moc strumienia wiatru

- Współczynnik mocy turbiny wiatrowej

- Typy turbin wiatrowych

- Współczynnik mocy Cp dla różnych typów turbin

- Charakterystyki mocy dla turbiny trójłopatowej

- Optymalne sterowanie mocą elektrowni

Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny wiatrowej na energię elektryczną

- Podział elektrowni ze względu na rodzaj generatora

- Elektrownie wiatrowe z maszyną indukcyjną

- Elektrownie wiatrowe z maszyną dwustronnie zasilaną

- Elektrownie wiatrowe z maszyną synchroniczną wolnoobrotową


Napęd żaglowców

Już 3000 lat p.n.e w Egipcie

wykorzystywano siłę wiatru

do napędu żaglowców.


Napęd wiatraków

Według źródeł historycznych

pierwsze zastosowania

wiatraków miały miejsce

około 640 roku p.n.e. na

granicy persko-afgańskiej.

Były to wiatraki o pionowej

osi obrotu.


Napęd wiatraków

Źródła historyczne kilka

wieków później podają

informacje o stosowaniu

wiatraków o pionowej osi

obrotu również w Chinach.

Wykorzystywane były do

osuszania pół ryżowych.


Napęd wiatraków

Pierwsza wzmianka o

wykorzystaniu wiatraków

w Europie pochodzi z 1180

roku. W połowie XIX wieku

w Europie pracowało około

200tys. wiatraków.

Charakterystyczną cechą

wiatraków europejskich była

pozioma oś obrotu wirnika.


Napęd wiatraków

Pierwszy wiatrak typu

amerykańskiego został

skonstruowany w 1854 roku

przez Daniela Halladaya.

W odróżnieniu od rozwiązań

europejskich wiatrak

amerykański był konstrukcją

wielołopatkową. Była to

także konstrukcja znacznie

lżejsza od europejskich,

dzięki czemu można było

je łatwiej przenosić z

miejsca na miejsce.


Napęd wiatraków

Pierwsze wzmianki na temat

wykorzystania wiatraków na

terenie Polski pochodzą z

XIII w. Największy rozkwit

tej technologii podobnie jak

w całej Europie przypada na

wiek XIX. Stosowane były

konstrukcje zarówno

wielołopatkowe jak i

klasyczne europejskie


Napęd wiatraków

Pierwsze wzmianki na temat

wykorzystania wiatraków na

terenie Polski pochodzą z

XIII w. Największy rozkwit

tej technologii podobnie jak

w całej Europie przypada na

wiek XIX. Stosowane były

konstrukcje zarówno

wielołopatkowe jak i

klasyczne europejskie


Elektrownie wiatrowe

Pierwszą elektrownię

wiatrową zbudował w 1891

roku Poul La Cour w Dani.

Elektrownia napędzała

generator prądu stałego.



Rozwój elektrowni

wiatrowych trwa do dnia

dzisiejszego. Największe

budowane obecnie wiatraki

mają moce do 5MW.

Konstrukcje współczesnych

elektrowni wiatrowych są

bardzo zróżnicowane

zarówno pod względem

rozwiązań mechanicznych

jak i stosowanych w nich

generatorów elektrycznych.

Stan obecny energetyki wiatrowej na świecie i w Polsce

W energetyce wiatrowej na świecie zainstalowanych jest obecnie około 94 000 MW.

Krajem o największym udziale energetyki wiatrowej w produkcji energii elektrycznej

są Niemcy z mocą zainstalowaną 22 247 MW

Największy udział procentowy wiatrowej generacji energii w krajowym

zapotrzebowaniu na energię ma Dania i wynosi on 20%

Łącznie w Unii Europejskiej z energii wiatru generowane jest obecnie 3,3%

zapotrzebowania na energię.

Stan obecny energetyki wiatrowej na świecie i w Polsce

Moc zainstalowana obecnie w energetyce wiatrowej w Polsce to około

666 MW (stan 30.09.2009, źródło URE).

Udział generacji wiatrowej w krajowym zużyciu energii elektrycznej: 0,51%

W realizacji są projekty farm wiatrowych o łącznej mocy około 600MW

Plany rządowe związane w dyrektywami Unii Europejskiej zakładają, że w roku

2010 udział generacji wiatrowej w krajowym zużyciu energii będzie wynosił 2,3%,

zaś moc zainstalowana w elektrowniach wiatrowych będzie wynosić 2000MW


W Polsce na około ¾

powierzchni kraju panują

korzystne lub bardzo

korzystne warunki wietrzne

pozwalające na rozwój

energetyki wiatrowej.


Energia wiatru jest w Polsce

nadal w znacznej mierze nie

wykorzystana. W związku z

polityką Unii Europejskiej

promującą odnawiane źródła

energii można oczekiwać

dalszego dynamicznego

rozwoju tego sektora

energetyki.

Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną

Moc strumienia wiatru:

3

ww AV2

1P

gdzie:

[kg/m3] – gęstość powietrza

A [m2] – pole powierzchni

Vw [m/s] – prędkość wiatru


Moc kinetyczną wiatru można

przetworzyć na moc mechaniczną,

która będzie równa:

)VV(A2

1PPP 3

2w

3

1w2w1wm

Zatem moc uzyskana przez turbinę

będzie zawsze mniejsza od mocy

rzeczywistej strumienia wiatru

ponieważ prędkość wiatru za

przeszkodą maleje.


Moc uzyskiwaną przez turbinę

wiatrową określa się wzorem:

Cp to współczynnik mocy

turbiny wiatrowej określający

sprawność przetwarzania mocy

strumienia wiatru na moc

mechaniczną. Wartość

współczynnika mocy dla danej

turbiny jest funkcją wyróżnika

szybkobieżności .

3

wpT AV2

1CP

0 1 2 3 4 5 6 7 80

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Współczynnik szybkobieżności

Współc

zynnik

mocy t

urb

iny C

p


Wyróżnik szybkobieżności określa

stosunek prędkości liniowej końca

łopaty turbiny do prędkości wiatru:

w

TT

w

T

V

R

V

V


Stosowane typy turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu


Turbina Savoniusa


Turbina Darrieusa


Turbina typu H


Stosowane typy turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu


Stosowane typy turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu


Współczynnik mocy Cp dla różnych typów turbin

Turbina wiatrowa z

trzeba łopatami o

poziomej osi obrotów

osiąga najwyższą

wartość współczynnika

mocy Cp.


Zależność mocy

trójłopatowej turbiny

wiatrowej od prędkości

obrotowej dla różnych

prędkości wiatru.

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Predkosc obrotowa turbiny [obr/min]

Moc t

urb

iny P

/Pn

14[m/s]

13[m/s]

12[m/s]

11[m/s]

10[m/s]

9[m/s]

8[m/s]

5[m/s]

7[m/s]

6[m/s]

15[m/s]

4[m/s]


Maksymalny uzysk

energii wiatru można

osiągnąć sterując

pracą elektrowni

według krzywej mocy

maksymalnej.

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Prędkość obrotowa turbiny [obr/min]

Moc t

urb

iny P

/Pn


Zależność mocy

produkowanej przez

elektrownię wiatrową

od prędkości wiatru

przy strategii

sterowania na

maksimum mocy

turbiny

0 5 10 15 20 250

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Prędkość wiatru [m/s]

Moc e

lektr

ow

ni w

iatr

ow

ej P

/Pn


Schemat ogólny budowy elektrowni wiatrowej

Linia SN

Turbina

wiatrowa

Przekładnia

mechaniczna

Generator

elektryczny

Vw

Transformator

blokowy


Podział elektrowni wiatrowych ze względu na rodzaj generatora elektrycznego


Stała prędkość obtorowa turbiny

Generator

indukcyjny

Generator

synchroniczny

Zmienna prędkość obtorowa turbiny

Generator

indukcyjny

dwubiegowy

Generator

indukcyjny

dwustronnie

zasilany

Generator

synchroniczny

wolnoobrotowy


Efektywność

przetwarzania energii

mechanicznej turbiny

na energię elektryczną

zależy od dopasowania

generatora

elektrycznego do

charakterystyk

mechanicznych turbiny

wiatrowej

Charakterystyki mechaniczne turbiny wiatrowej

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2


Mom

ent

mechanic

zny t

urb

iny T

/Tn

Krzywa

obciążenia

dla Pmax


Widok ogólny elektrowni wiatrowej z generatorem indukcyjnym


Rozmieszenie poszczególnych elementów w gondoli


Maszyna indukcyjna

pracująca jako

generator jest

najprostszym

możliwym sposobem

przetwarzania mocy

mechanicznej na moc

elektryczną.

Elektrownia wiatrowa z generatorem indukcyjnym

Turbina

wiatrowa

Przekładnia

mechaniczna

Generator

indukcyjny

Vw


W elektrowniach

wiatrowych stosuje się

zazwyczaj generatory

indukcyjne o prędkości

synchronicznej 1500,

stąd konieczność

stosowania przekładni.

Zakres zmian prędkości

generatora indukcyjnego

dużej mocy jest rzędu

1%

Charakterystyka mechaniczna generatora indukcyjnego

1500 1505 1510 1515 1520 1525 1530 1535 1540 1545 15500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2Charakteyrstyka mechaniczna generatora indukcyjnego

Predkość obrotowa n[obr/min]

Mom

ent

ele

ktr

om

agnety

czny T

e/T

eN


W zestawieniu z

charakterystykami turbiny

wiatrowej generator

indukcyjny pracuje

praktycznie ze stałą

prędkością. Zatem tego

typu elektrownia wiatrowa

pracuje optymalnie

(Cp = max. )tylko przy

jednej prędkości wiatru.

Charakterystyka mechaniczna generatora indukcyjnego na tle charakterystyki

turbiny wiatrowej

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2


Mom

ent

mechanic

zny t

urb

iny T

/Tn


Modyfikacja charakterystyki mechanicznej generatora indukcyjnego

Poprzez dołączenie

rezystancji dodatkowej do

wirnika maszyny indukcyjnej

można zmodyfikować jej

charakterystykę mechaniczną

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2


Mom

ent

mechanic

zny t

urb

iny T

/Tn

Rd1

Rd2 Rd3

Generator

indukcyjny

Rezystancja

dodatkowa


Zalety:

• prosta i bezawaryjna konstrukcja generatora

• generator nie wymaga częstego serwisowania

• niski koszt inwestycyjny


Wady:

• niska efektywność przetwarzania energii wiatru

• duże zapotrzebowanie na moc bierną

• brak możliwości sterowania mocą wydawaną do sieci


Generator synchroniczny

stosowany jest

elektrowniach wiatrowych

rzadko ze względu na brak

możliwości regulacji

prędkości. Jego główną

zaletą jest możliwość

sterowania mocą bierną

generatora.

Elektrownia wiatrowa z generatorem synchronicznym

Turbina

wiatrowa

Przekładnia

mechaniczna

Generator

synchroniczny

Vw


Ze względu na sztywną

charakterystykę

mechaniczną generator

synchroniczny może

współpracować tylko z

turbiną o regulowanym

kącie natarcia łopat.

Charakterystyka mechaniczna generatora synchronicznego na tle charakterystyki

turbiny wiatrowej

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2


Mom

ent

mechanic

zny t

urb

iny T

/Tn


Zalety:

• możliwość sterowania mocą bierną


Elektrownia wiatrowa z generatorem synchronicznym

Wady:

• niska efektywność przetwarzania energii wiatru

• brak możliwości sterowania mocą czynną wydawaną do sieci

• konieczność stosowania turbin o regulowanym kącie natarcia łopat

• ryzyko utraty stabilności w stanach dynamicznych elektrowni


Najprostszym układem

przetwarzania energii o

zmiennej prędkości

obrotowej jest generator

indukcyjny dwubiegowy.

Regulację prędkości

obrotowej realizuje się

zmieniając liczbę par

biegunów stojana, co

skutkuje zmianą prędkości

synchronicznej

generatora.

Elektrownia wiatrowa z generatorem indukcyjnym dwubiegowym

Turbina

wiatrowa

Przekładnia

mechaniczna

Generator

indukcyjny

dwubiegowy

Vw


Układ ten posiada

wszystkie zalety

generatora indukcyjnego

a przez zmianę prędkości

obrotowej pozwala lepiej

dopasować punkt pracy do

charakterystyki turbiny

wiatrowej.

Charakterystyka mechaniczna generatora indukcyjnego dwubiegowego na tle

charakterystyki turbiny wiatrowej

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2


Mom

ent

mechanic

zny t

urb

iny T

/Tn


Zalety:

• prosta i bezawaryjna konstrukcja generatora


• lepsza efektywność przetwarzania energii wiatru w stosunku do elektrowni

pracujących ze stałą prędkością


Wady:

• skokowa zmiana prędkości obrotowej generatora

• duże zapotrzebowanie na moc bierną

• brak możliwości sterowania mocą wydawaną do sieci


Widok ogólny elektrowni wiatrowej z maszyną dwustronnie zasilaną


Widok gondoli elektrowni wiatrowej VESTAS z MDZ


Rozmieszczenie poszczególnych elementów w gondoli

1. kontroler piasty

2. siłownik mechanizmu ustawienia łopat

3. piasta łopaty

4. wał główny

5. chłodnica oleju

6. skrzynia przekładniowa

7. hamulec tarczowy

8. dźwig serwisowy

9. układ sterowania

10. czujniki ultradźwiękowe

11. transformator

12. łopata wirnika

13. łożysko łopaty

14. układ hamowania wirnika

15. silnik hydrauliczny

16. fundament

17. układy kierunkowania gondoli

18. sprzęgło

19. generator OptiSpeed

20. chłodnica generatora


Maszyna indukcyjna

dwustronnie zasilana

pozwala na pracę z

prędkością zmienną w

szerokim zakresie.

Wielkościami sterowanymi

w MDZ jest moc czynna i

bierna wydawana przez

stojan do sieci.

Elektrownia wiatrowa z maszyną indukcyjną dwustronnie zasilaną

Turbina

wiatrowa

Przekładnia

mechaniczna

Maszyna

indukcyjna

dwustronie

zasilana

Vw

≈= ≈

=

Przekształtnik wirnikowy

Tra

nsf.

do

pa

so

wu

jący


Bilans mocy MDZ – praca generatorowa przy prędkości nadsynchronicznej

PdCur + PdFer

Pru

Pr=Pψs

Pmu

Pm=Pψ(1-s) Pψ=Teωs

Psu

Pdm

PdCus + PdFesMoc przetwarzana przez wirnik

MDZ:

sPP sr

Jeżeli zakres zmian prędkości

jest ograniczony to

ograniczona jest także moc

przetwarzana przez wirnik.


Bilans mocy MDZ – praca generatorowa przy prędkości podsynchronicznej

Moc przetwarzana przez wirnik

MDZ:

sPP sr

Jeżeli zakres zmian prędkości

jest ograniczony to

ograniczona jest także moc

przetwarzana przez wirnik.

Pdm

PdCus + PdFes

PdCur + PdFer

Pmu

Pm=Pψ(1-s)

Pψ=Teωs

Psu

Pru

Pr=Pψs


Maszyna dwustronnie

zasilana sterowana jest na

maksimum mocy turbiny

wiatrowej, dzięki czemu

charakterystyka obciążenia

dobrze dopasowana jest do

charakterystyki turbiny

wiatrowej w całym zakresie

zamian prędkości

obrotowej.

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2


Mom

ent

mechanic

zny t

urb

iny T

/Tn

Charakterystyka mechaniczna maszyny indukcyjnej dwustronnie zasilanej na tle

charakterystyki turbiny wiatrowej


Przebieg prędkości obrotowej

turbiny przy skokowych

zmianach prędkości wiatru

Praca elektrowni wiatrowej z MDZ przy zmianach prędkości wiatru 12 – 8 - 12m/s

0 10 20 30 40 50 60 70 800.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25Prędkość obrotowa walu

czas [s]

n/n

s


Przebieg współczynnika mocy

turbiny wiatrowej Cp

Układ sterowania zadaje moc

maksymalną osiągalną przy

danej prędkości wiatru, stąd

turbina pracuje zawsze przy

maksymalnym współczynniku

mocy.


0 10 20 30 40 50 60 70 800

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45Wpółczynik mocy turbiny wiatrowej

czas [s]

CP


Przebieg mocy czynnej i

biernej oddawanej przez

stojan MDZ do sieci.

Układ sterowania umożliwia

niezależne sterowanie mocą

czynną i bierną. Moc czynna

zmienia się zgodnie z

punktem pracy elektrowni,

zaś moc bierna może być

zadana zgodnie z

zapotrzebowaniem.


0 10 20 30 40 50 60 70 80-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1Chwilowa moc czynna i bierna stojana

czas [s]

ps/P

n,

qs,Q

n


Przebieg mocy czynnej i

biernej oddawanej przez

wirnik MDZ do sieci.

Moc czynna oddawana przez

wirnik zmienia się wraz ze

zmianą mocy stojana oraz

poślizgiem maszyny.


0 10 20 30 40 50 60 70 80-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15Chwilowa moc czynna i bierna wirnika

czas [s]

pr/

Pn,

qr/

Qn


Zalety:

• praca przy Cp = max., maksymalny uzysk energii wiatru

• niezależne sterowanie mocą czynną i bierną

• stosunkowo mała moc przekształtnika wirnikowego

• moc oddawana do sieci głownie bezpośrednio przez stojan

Elektrownia wiatrowa z maszyną dwustronnie zasilaną

Wady:

• skomplikowany układ sterowania

• wysokie koszty inwestycyjne


Widok ogólny elektrowni wiatrowej z generatorem synchronicznym wolnoobrotowym


Widok gondoli elektrowni wiatrowej Enercon z generatorem synchronicznym


Rozmieszczenie poszczególnych elementów w gondoli

Generator synchroniczny wolnoobrotowy


Budowa generatora wolnoobrotowego firmy Enercon

Stojan generatora Fragment wirnika wielobiegunowego


Elektrownia wiatrowa z generatorem synchronicznym wolnoobrotowym

Generator synchroniczny

pracujący ze zmienną

prędkością obrotową

wytwarza napięcie o

zmiennej częstotliwości.

Przyłączenie do sieci tego

typu generatora odbywa

się za pośrednictwem

przekształtnika

energoelektronicznego

Turbina

wiatrowa

Generator

synchroniczny

wolnoobrotowy

Vw

≈= ≈

=

Przekształtnik

AC/DC/AC


Schemat budowy przekształtnika AC/DC/AC

+

-

-

U

V

W

U

V

W


Zalety:

• brak przekładni mechanicznej !

• praca przy Cp = max., maksymalny uzysk energii wiatru

• niezależne sterowanie mocą czynną i bierną

Wady:

• duża moc przekształtnika energoelektronicznego

• wysokie koszty inwestycyjne

• cała moc oddawana jest do sieci poprzez przkształtnik

Elektrownia wiatrowa z generatorem synchronicznym wolnoobrotowym

Podsumowanie:

Największą sprawność przetwarzania energii wiatru na energię mechaniczną osiągają

turbiny z trzema łopatami o pionowej osi obrotu.

Efektywne wykorzystanie energii wiatru wymaga stosowania generatorów pracujących

ze zmienną prędkością obrotową.

Nowoczesne rozwiązania układów przetwarzania energii w elektrowniach wiatrowych

pozwalają na niezależne sterowanie mocą czynną i bierną oddawaną do sieci.

Polska jest krajem o dużym potencjale rozwojowym energetyki wiatrowej zarówno na

lądzie jak i na morzu.

Bibliografia:

Eric Hau. Windturbines. Fundamentals, Technologies, Application and Economics. Springer, 2000.

Zbigniew Lubośny. Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. Wydawnictwa

naukowo techniczne, 2006.

Strona internetowa Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej: www.psew.pl

Strona internetowa firmy ENERCON: www.enercon.de

Strona internetowa firmy VESTAS: www.vestas.com

http://www.psew.pl/

http://www.enercon.de/

http://www.vestas.com/