Badania stanów pracy elektrowni wiatrowej

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Badania stanów pracy elektrowni wiatrowej Numer ćwiczenia: 7 Laboratorium z przedmiotu: Podstawy Elektroenergetyki Kod: Opracował: mgr inż. Marcin Sulkowski 2006

2 1. Wiadomości podstawowe budowa i zasada działania elektrowni wiatrowych 1.1 Wiatr Zależność mocy oddawanej przez elektrownię wiatrową ( w trzeciej potędze) od prędkości wiatru powoduje, że decyzja o budowie elektrowni lub farmy wiatrowej musi być poprzedzona długotrwałymi pomiarami prędkości wiatru. Wymagane, minimalne średnie roczne prędkości wiatru to wartości około (4 6) m/s. Rys 1. Prędkości wiatru i jego energii dla przykładowej elektrowni wiatrowej Prędkość wiatru zmienia się w zależności od wysokości nad ziemią. Wysoko nad ziemią prędkości wiatru są podobne na dużych obszarach. Blisko nad ziemią prędkość wiatru spada w skutek tarcia powietrza o powierzchnię ziemi. Rys 2. Prędkość wiatru na różnych wysokościach w zależności od rodzaju terenu Ukształtowanie terenu wpływa na zachowanie się strug powietrza omiatających dany obszar. Wszelkie przeszkody terenowe powodują zawirowania (zmiany prędkości i kierunku wiatru). 3

3 Rys 3. Wpływ przeszkód terenowych na przepływ wiatru Różnice prędkości wiatru na małych odcinkach przestrzeni powodują powstawanie naprężeń mechanicznych w turbinie, co może być przyczyną znacznego skrócenia czasu pracy elektrowni wiatrowej. 1.2 Konstrukcje siłowni wiatrowej Najważniejszym elementem siłowni wiatrowej jest wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną przekazywaną do generatora. Oprócz generatora w gondoli (rys. 4) znajdują się także przekładnia, urządzenia sterujące, układy smarowania, chłodzenia, hamulec tarczowy itp. Gondola i wirnik obracane są w kierunku wiatru przez silniki i przekładnię zębatą znajdującą się na szczycie wieży, na której umieszczona jest gondola. Wieża jest stalowa, w kształcie rury, rzadziej o konstrukcji kratownicowej. Rys 4. Budowa gondoli elektrowni wiatrowej 4

4 Elementem elektrowni wiatrowej przenoszącym energię wiatru na wirnik są łopaty wirnika. Większość łopat wirnika wykonana jest z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. Każda łopata składa się z dwóch powłok przymocowanych do belki nośnej. Zmiana kąta ustawienia łopat wirnika realizowana jest przez układ hydrauliczny. Ze względów aerodynamicznych istotna jest geometria płata łopaty wirnika, zwłaszcza: - liczba płatów (zazwyczaj wykonuje się wirniki trójpłatowe), - promień (wraz z liczbą płatów określa optymalną prędkość obrotową), - sposób skręcenia płata ( zapewnia właściwy rozkład sił i momentów oraz powoduje lepsze wykorzystanie płata i zmniejsza obciążenia mechaniczne). Rys 5. Geometria ustawienia płata łopaty elektrowni wiatrowej Urządzenia niewielkich mocy, przeznaczone dla małych, indywidualnych użytkowników charakteryzują się znacznie prostszą budową. Nie mają mechanizmów zmiany kąta ustawienia łopat, gondola jest zintegrowana z chorągiewką kierunkową. Często konstrukcja ich wieży umożliwia ustawienie wirnika w osi pionowej, co jest równoznaczne z wyłączeniem elektrowni. 1.3 Aerodynamika turbiny oraz moment napędowy turbiny Tak jak już wspomniano elementem, dzięki któremu energia wiatru jest przenoszona na wirnik generatora elektrowni wiatrowej są łopaty wirnika. Siła aerodynamiczna, wprowadzająca łopaty w ruch, powstaje pod wpływem różnicy ciśnień, jaka wytwarza się po dwóch stronach profilu łopaty. Różnicę ciśnień uzyskuje się przez ustawienie profilu pod pewnym kątem w stosunku do kierunku przepływających strug powietrza. Wypadkowa siła aerodynamiczna ma dwie składowe. Składowa nośna P z jest prostopadła do wypadkowego kierunku wiatru, natomiast składowa oporowa P x tworzy opór równoległy do wypadkowego kierunku wiatru (rys 6). 5

5 Rys 6. Rozkład sił aerodynamicznych na łopacie wirnika Wielkości siły nośnej oraz siły oporu wynoszą: ρ υ Pz ( α) = C z ( α ) S 2 2 ρ υ Px ( α) = C x ( α ) S 2 gdzie: S- powierzchnia łopat, ρ - gęstość powietrza, υ - prędkość wiatru, α - kąt natarcia, C z (α),c x (α) współczynniki siły nośnej i oporowej. Współczynniki siły nośnej i oporowej oraz zależą od kształtu profilu i są funkcją kąta natarcia wiatru na łopaty. 2 Rys 7. Charakterystyki współczynników siły nośnej i oporowej w zależności od kąta natarcia 6

6 Charakterystyczną cechą aerodynamiki turbin jest to, że wywołuje ona turbulencje. Płaty obracając się z dostatecznie dużą prędkością dostają się w obszary zawirowań, co znacząco wpływa na powstające siły aerodynamiczne. Modelowanie tych zjawisk jest bardzo trudne i z tego względu zjawiska te uwzględniane są w postaci dodatkowych współczynników obliczanych na podstawie wzorów empirycznych. Turbulencje powstają także na końcówkach płata i w miejscu gdzie łączy się on z piastą. W obliczaniach siły aerodynamicznej współczynniki C z i C x korygowane są dodatkowo przez wielkości zależne od stosunku prędkości obrotowej do prędkości wiatru. Kształt funkcji opisującą te zależności określa się na zakładce Aero panelu nastaw programu ELW 11 (uwzględnia się w ten sposób wpływ turbulencji). 1.4 Sposoby sterowania Wszystkie siłownie wiatrowe charakteryzują takie parametry pracy jak moc nominalna oraz prędkości wiatru: załączania, nominalną, wyłączania i aby zapewnić optymalne wykorzystanie tych parametrów należy zastosować układy sterowania. Ogólnie mają one na celu wytworzenie żądanego poziomu mocy przy satysfakcjonującej jakości energii elektrycznej i minimalizacji przeciążeń mechanicznych, co ma wpływ na wydłużenie czasu pracy elektrowni. Wyróżnia się dwie koncepcje sterowania pracą elektrowni wiatrowej: - ze stałą prędkością obrotową, - ze zmienną prędkością obrotową. Ponadto w przypadku sterowania można mówić o regulacji aktywnej lub o samoczynnym (pasywnym) dostosowaniu prędkości obrotowej turbiny i kierunku ustawienia do wiatru. Samoczynne określenie punktu pracy polega na zastosowaniu profilu płata, który powoduje utknięcie (zahamowanie) wirnika przy dużych prędkościach wiatru. Regulacja aktywna to zmiana kąta ustawienia płatów czy obciążenia. Załączanie elektrowni wiatrowej odbywa się przy prędkościach (2 6,5) m/s, nominalne warunki pracy to wiatry o prędkościach (9 16) m/s, prędkość wiatru 25 m/s powoduje z reguły wyłączenie elektrowni. Dopóki wiatr nie osiągnie prędkości nominalnej dla danego typu elektrowni, strategia sterowania polega na wytworzeniu maksymalnej możliwej mocy. Po wejściu w zakres normalnej pracy dąży się do utrzymania wytwarzanej mocy na nominalnym poziomie. Rys 8. Obszary pracy elektrowni wiatrowej w odniesieniu do prędkości wiatru Poniżej wymieniono kilka metod regulacji mocy generowanej przez elektrownię wiatrową uszeregowanych według popularności stosowania: regulacja ustawieniem elektrowni w kierunku wiatru (ang.: Yaw Control), regulacja kąta ustawienia łopat (ang.: Active Pitch Regulation), 7

7 regulacja przez zmianę obciążenia (ang.: Load Control)., regulacja przez przeciągnięcie (ang.: Stall Regulation), regulacja lotkami łopat wirnika (ang.: Aileron Control). W programie ELW11 możliwe jest (w zależności od wybranych opcji) określenie strategii sterowania dla trzech pierwszych metod. Dwie ostatnie metody wykorzystują zjawiska aerodynamiczne, ich zastosowanie wymaga precyzyjnego określenia geometrii płatów i dlatego stosowane są stosunkowo rzadko. 2. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zasadami procesu sterowania oraz wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni wiatrowej. 3. Program ćwiczenia 3.1 Opis programu ELW11 Wprowadzanie parametrów Wprowadzanie parametrów odbywa się w sposób typowy dla systemu Windows. Służą do tego okna dialogowa i panel składający się z wielu zakładek wyświetlany po prawej stronie ekranu. W celu umożliwienia długotrwałej edycji parametrów wymagane jest zaznaczenie pozycji Nastawy w menu Widok, w przeciwnym razie panel znika po 15 s umożliwiając jedynie podgląd wprowadzonych wcześniej wartości. Kolejne kliknięcia niebieskiego paska powodują wyświetlanie i ukrywanie panelu. W celu ułatwienia eksperymentowania z różnymi metodami sterowania siłownią wiatrową, program wyposażono w możliwość oddzielnego zapisania wszystkich parametrów dla każdej z zaproponowanych metod sterowania. Natomiast punktem wyjścia do takich badań mogą być parametry zapisane jako domyślne. W celu uwzględnienia zmian parametrów w biegnącej symulacji należy przycisnąć przycisk Potwierdź, spowoduje to także zapisanie wprowadzonych zmian. Należy przy tym pamiętać, że np. zmiany parametrów Generatora wiatru zostaną uwzględnione dopiero w następnym okresie. Natomiast przyciśnięcie przycisku Anuluj spowoduje przywrócenie wartości parametrów ostatnio zapisanych. Zapisanie lub odczytanie wartości parametrów możliwe jest także przy użyciu menu Aplikacja. Program wyposażony jest w wewnętrzne mechanizmy kontrolujące poprawność formatu i zakresu wprowadzanych parametrów. Program umożliwia także ręczne ustalanie zmiennych procesowych symulowanego procesu. Panel sterowania znajduje się w dolnej części ekranu. W danej chwili dostępne są suwaki sterowania ręcznego tylko jednej z wielkości: składowych wiatru, kąta ustawienia łopat, kąta ustawienia siłowni, rezystancji obciążenia. Możliwość sterowania ręcznego uwidoczniona jest przez pojawienie się uchwytu na określonym suwaku. W zależności od wybranej opcji ręcznie zadane wartości przekazywane są na wejście regulatorów lub urządzeń wykonawczych, natomiast wartości składowych wiatru dostają się na wejście bloku ograniczającego prędkość ich zmian. Precyzyjne określanie wielkości sterującej możliwe jest przez wpisanie wartości w pole edycyjne współpracujące z danym suwakiem. W przypadku gdy wybrana jest opcja auto suwaki i pola edycyjne pełnią jedynie rolę wskaźników i wyświetlaczy. 8

8 Innym często występującym sposobem konfigurowania programu jest kształtowanie odpowiednich funkcji określających przebieg zmian parametrów wiatru lub decydujących o kształcie płaszczyzn sterowania. Wykresy i charakterystyki Program umożliwia rejestrowanie przebiegu zmian do ośmiu zmiennych procesowych. Wyboru tych zmiennych dokonuje się w oknie dialogowym Wykresy w tym samym oknie określa się także inne parametry rysowania wykresów między innymi kolor rysowanych przebiegów. Poprzez dwukrotne kliknięcie wykresów dokonuje się ich powiększenia na cały ekran. Następne kliknięcie powoduje powrót do stanu poprzedniego. Wykresy wyposażone są także w menu kontekstowe- wywoływane kliknięciem prawego klawisza myszy, powielają one funkcje menu głównego takie jak kopiowanie drukowanie i otwarcie okna dialogowego Wykresy. Wpływ wprowadzanych parametrów można obserwować na charakterystykach znajdujących się na zakładce Aero panelu nastaw, są to charakterystyki: współczynników C z i C x (w funkcji kąta natarcia), maksimum współczynników C z i C x (w funkcji prędkości obrotowej ze względu na zależność od prędkości wiatru konieczne jest określenia tego parametru), mechaniczne prądnicy (wartości momentów prądnicy przeliczone są na stronę prędkości obrotowej turbiny), mechaniczne turbiny (dla określonych wartości kąta ustawienia łopat i prędkości wiatru), wykres mocy maksymalnej (dla danej prędkości wiatru, program oblicza wartość kąta ustawienia łopat, dla których tę moc się uzyskuje od użytkownika wymaga się takiego doboru wartości określających zmiany współczynników C z i C x po przekroczeniu prędkości optymalnej, aby żadna z charakterystyk mechanicznych turbiny (dla tej samej prędkości wiatru) nie leżała powyżej charakterystyki mocy maksymalnej). Dla każdego z wykresów wyświetlających powyższe charakterystyki można określić zakresy wartości osi X. Dla charakterystyk mechanicznych możliwe jest także ustalenia zakresu wyświetlanych wartości dla osi Y. Zakładka Optymalizacja Funkcje panelu nastaw umożliwia obserwowanie na trójwymiarowym wykresie płaszczyzny sterowania jednej z trzech wielkości: kąta ustawienia łopat, kąta ustawienia siłowni, rezystancji. Suwaki pozwalają na obracanie wykresu w przestrzeni umożliwiając dobór ustawienia najlepiej obrazującego płaszczyznę sterowania. Opcje dostępne w programie Program umożliwia przebadanie różnych konfiguracji układu sterowania elektrownią wiatrową. Możliwe jest to dzięki rożnym ustawieniom dostępnych w programie opcji, które zestawiono w poniższej tabeli. 9

9 Nazwa Znaczenie Panel sterowania zakładka Wiatr" Generacja składowej poziomej pionowej azymutu ręczne auto zadana Uaktywnia generację odpowiedniej składowej wiatru, (w przeciwnym razie składowa ustalana jest ręcznie) Panel sterowania zakładka Azymut", Kąt natarcia Określa wielkość sterującą mechanizmami wykonawczymi. ręcznie to sterowanie bezpośrednie przez użytkownika, zadana to również sterowanie ręczne, ale za pośrednictwem regulatora, auto układ realizuje zadaną strategię sterowania Panel sterowania zakładka Rezystancja" ręczne skokowo Określa sposób sterowania ręczne płynnie rezystancją, rezystancja zmienia się auto schodkowo lub płynnie, auto - układ realizuje zadaną strategię sterowania Panel sterowania zakładka Sterowanie Reg Pitch", Sterowanie Reg Yaw" Aktualnie działający W przypadku wybranej opcji regulator zadana lub auto określa, który klasyczny, regulator realizuje sterowanie fuzzy-logic nadążne Panel sterowania zakładka Optymalizacja opcje - kąt natarcia i ustawienia siłowni optymalizowany Powoduje włączenie/wyłączenie bloku stały (do wiatru) w/g funkcji funkcja ekstremum optymalizacji Strategia sterowania opiera się zawsze o funkcję dwu zmiennych Wybór jednej z opcji decyduje o dodatkowym włączeniu poszukiwań ekstremum mocy Panel sterowania zakładka Optymalizacja opcje - rezystancja stała zmienna skokowo zmienna płynnie Stała" oznacza wyłączenie (nie realizowanie) strategii sterowania przez zmianę rezystancji. Dwie pozostałe jak w panelu sterowania Rezystancja" Zmienna rezystancja w funkcji: prędkości wiatru przyśpieszenia wiatru W funkcji prędkości wiatru" to realizacja określonej strategii sterowania, w funkcji przyśpieszenia wiatru" to niewielka zmiana rezystancji na czas wolniejszego przestawiania płatów 10

10 Istnieje ponadto szereg innych opcji nie wpływających na konfiguracje układu sterowania stanowiących natomiast: parametry modelowanego procesu (uwzględnienie składowych sinusoidalnych wiatru), decydujących o sposobie wizualizacji (uaktywnianie wykresów), wspomagających kształtowanie funkcji przynależności (menu kontekstowe odpowiednich wykresów). 3.2 Przebieg ćwiczenia Podczas ćwiczenia należy: zapoznać się z dostępnymi funkcjami programu ora możliwościami układu sterowania elektrownią wiatrową, wyznaczyć charakterystyki P = f(α), mocy oddawanej do sieci w funkcji kąta natarcia α, przy kilku wartościach siły wiatru oraz stałym azymucie wiatru (ϕ= const.), wyznaczyć charakterystyki P= f(ϕ) mocy oddawanej do sieci w funkcji kąta azymutu wiatru ϕ, przy stałym kącie natarcia (α = const.) oraz kilku wybranych prędkościach wiatru. wyznaczyć wpływ kąta wzniosu osi turbiny (zakładka Proces Turbina), na moc oddawaną do sieci przez elektrownię wiatrową, wyznaczyć charakterystykę P= f(l) mocy oddawanej do sieci w funkcji wysokości elektrowni wiatrowej (zakładka Proces Turbina), przeprowadzić symulację zmiany ilości łopat turbiny oraz rozmiarów. 4. Opracowanie wyników badań Opracowanie wyników badań powinno zawierać: 1. Opis prowadzonych symulacji. 2. Zestawienie wyznaczonych charakterystyk wraz z komentarzami ich dotyczącymi. 3. Wnioski z przebiegu ćwiczenia. 5. Literatura [1] Ingielewicz G. Pikuła G.: ELW 11 - program komputerowy, Praca magisterka wykonana pod kierownictwem dr. B. Broel-Plater, Politechnika Szczecińska 2001 [2] Gomuła S.: Energetyka wiatrowa, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2006 [3] Lewandowski W.: Proekologiczne odnawialne źródła energii, : WNT, Warszawa

11 6. Wymagania BHP Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium należy przestrzegać następujących zasad: 1. Przed przystąpieniem do montowania układu pomiarowego należy dokonać oględzin przydzielonej aparatury i urządzeń. Stwierdzone uszkodzenia powinny być zgłaszane prowadzącemu ćwiczenia. 2. Montując układ pomiarowy należy pamiętać, by zawsze między źródłem prądu a badanym układem był umieszczony łatwo dostępny wyłącznik. Jedna z uczestniczących w ćwiczeniu osób powinna zajmować miejsce obok tego wyłącznika, aby w razie zauważenia nieprawidłowości w pracy układu natychmiast wyłączyć napięcie. 3. Ze stanowiska pomiarowego należy usunąć wszelkie zbędne przedmioty a zwłaszcza niepotrzebne przewody montażowe. 4. Włączenie badanego układu do napięcia może odbywać się jedynie w obecności i za zgodą prowadzącego ćwiczenia, po sprawdzeniu przez niego układu. Przed załączeniem układu trzeba upewnić się, czy nikt nie manipuluje przy układzie pomiarowym. Za uszkodzenie przyrządów i inne straty wynikłe z winy ćwiczących odpowiadają oni materialnie. 5. Po załączeniu napięcia nie wolno wykonywać żadnych przełączeń w układzie. Rozmontowanie i ewentualne przełączenia mogą być robione po wyłączeniu napięcia i za zgodą prowadzącego ćwiczenia. 6. Nie należy, bez istotnej potrzeby, dotykać korpusów urządzeń i maszyn elektrycznych. Podczas wykonywania ćwiczenia należy unikać stykania się z wszelkiego rodzaju dobrze uziemionymi przewodzącymi przedmiotami, takimi jak i kaloryfery, instalacje wodociągowe itp 7. Nie wolno dotykać wirujących części maszyn elektrycznych oraz uważać, by nie zostały przez nie zaczepione części odzieży. 8. Wykonywanie ćwiczeń może odbywać się tylko na stanowisku wskazanym przez prowadzącego. Nie wolno używać innego sprzętu i aparatów niż te, które przydzielił prowadzący ćwiczenia. 9. Należy pamiętać, że urządzenia i aparaty wyposażone w kondensatory mogą jeszcze po wyłączeniu napięcia zagrażać porażeniem. 10. Niedozwolona jest samowolna obsługa rozdzielnic głównych w laboratorium, a zwłaszcza załączanie napięcia na stanowiska pomiarowe. 12