dr hab. inż. Elżbieta Bogalecka Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Odnawialne Źródła Energii (Elektrycznej)

Transkrypt

1 dr hab. inż. Elżbieta Bogalecka Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Odnawialne Źródła Energii (Elektrycznej)

2 Odnawialne Źródła Energii Słońce Kolektory słoneczne Moduły PV Instalacje z kolektorami skupiającymi Wiatr Elektrownie wiatrowe Energia geotermalna Ciepło Pompy ciepła Woda Elektrownie wodne Elektrownie pływowe Przetwarzanie energii prądów morskich Przetwarzanie energii fal morskich Biomasa Gaz Turbiny gazowe 2

3 Magazyny Energii z OŹE Mocy (krótkotrwałe) Superkondensator Wirujący magazyn energii Ogniwo paliwowe Energii (długotrwałe) Akumulator Wirujący magazyn energii SMES Energii bardzo dużej Elektrownia szczytowopompowa Sprężone powietrze 3

4 Power Mix na koniec 2016 roku

5 Nowe instalacje OŹE w Europie w 2016 roku 21.09GW Spadek o 3% do 2015r.

6 Nowe instalacje wiatrowe w 2016r. W Europie 12.49GW 300TWh z wiatru 10.4% Polska: 682MW, suma 5.782GW

7 ELEKTROWNIE WIATROWE 7

8 Zastosowania elektrowni wiatrowych 1. Oddawanie energii elektrycznej do sieci, 2. Pokrycie potrzeb własnych (autonomiczne systemy energetyczne, w tym hybrydowe) 3. Specjalne zastosowania: - praca na wydzielone obciążenie, np.: wiatrakgenerator-pompa, - produkcja energii mechanicznej, np.: napowietrzanie wody, młyny

9 Tryb pracy EW EW przyłączone do sieci EW jest i mocy biernej źródłem mocy czynnej Praca samodzielna EW EW jest odpowiedzialna za napięcie i częstotliwość w sieci lokalnej, 9

10 Elektrownie wiatrowe na lądzie (onshore) Zalety doświadczenie dostępność niskie koszty dostęp do sieci elektroenergetycznej Wady Ograniczone miejsce drogi dojazdowe mniejsza prędkość wiatru Opór społeczny

11 Elektrownie wiatrowe na morzu Zalety Większa prędkość wiatru Brak problemu z sąsiadami i przestrzenią (nie wszędzie) Nie trzeba budować dróg dojazdowych Wady Zwiększone koszty budowy oraz utrzymania Ograniczona możliwość dostępu

12 Czym jest elektrownia wiatrowa? Zaawansowany technologicznie obiekt, zintegrowany zespół elementów: -silnika wiatrowego, -generatora, -przekształtnika energoelektronicznego, -układu sterowania, -przekładni, -gondoli, -transformatora, -wieży, -układów pomocniczych (hamowania, smarowania, chłodzenia, czujników, aparatury łączeniowej, ochrony odgromowej ) S R zbudowany do wytwarzania energii elektrycznej. 12

13 Konwersja energii WIATR SILNIK WIATROWY Silnik wiatrowy Generator Przekształtnik Energia elektryczna

14 Co jest w środku? Source: General Specification V90-3MW 14

15 Hi-tech Źródło:

16 P Działanie EW Moc strumienia powietrza 1 A V 2 1 Pw CP P CP A V 2 3 C p Konstrukcja oraz sterowanie elektrownią i łopatą Cpmax r V 16

17 Sprawność EW c p P e P wiatru c p m g up m g up P wiatru P Generator Układy pomocnicze P e straty straty straty 17

18 Sprawność EW 16 Cpmax Sprawność EW zależą od konstrukcji oraz sterowania elektrownią i łopatą Sprawność produkowanych EW wynosi ok %. Oznacza to że z 1m 2 powierzchni omiatanej przez łopaty można uzyskać ok W przy prędkości wiatru 12m/s. Ale przy wietrze 6 m/s moc uzyskiwana jest 8 razy mniejsza, czyli ok W. 18

19 Struktura układu sterowania System kontroli bezpieczeństwa (ang. Safety control system) Nadrzędny system sterowania elektrownią wiatrową (ang. Supervisor y Control System) Zamknięte lokalne układy regulacji (ang. Closed loopcontrol) 19

20 Cele sterowania: sprawność i bezpieczeństwo Główne cele układu sterowania: - Praca z optymalną sprawnością, czyli maksymalne wykorzystanie mocy zawartej w strumieniu powietrza, - Bezpieczeństwo, czyli ograniczenie mocy odbieranej z wiatru przy dużych prędkościach wiatru i ograniczenie prędkości obrotowej silnika wiatrowego. 20

21 Moc właściwa [W/m2] Jak działa EW -przy konieczności zmniejszenia sprawności, należy zmieniać kąt ustawienia łopatek, co wpływa na wartość współczynnika mocy Moc zawarta w wietrze Max. teoretyczna moc urzytkowa -przy zmianie prędkości wiatru, dla utrzymania maksymalnej sprawności C pmax, konieczna zmiana prędkości silnika wiatrowego, Charakterystyka EW jest wynikiem działania układu regulacji stall Rzeczywiste krzywe mocy pitch prędkość wiatru [m/s]

22 Technologie 22

23 Wymagania dla układu sterowania generatora Ogólne: - odpowiednia jakość produkowanej energii elektrycznej, - praca bezobsługowa, - stabilność systemu, - optymalne przetwarzanie energii wiatru, - Zgodność z wymaganiami grid code 100% 85% Napięcie Obszar, w którym elektrownia nie może być wyłączona 15% Szczególne (wybrane): - niezależne sterowanie mocą czynną i bierną, - odpowiednia reakcja na zmienne składowe momentu napędowego, - eliminacja przetwornika kąta położenia wirnika, - aktywne tłumienie drgań konstrukcji mechanicznej, - odpowiednio długi okres impulsowania 23

24 Układ sterowania generatorem EW Grid Estimation of rotor position Controllers of active and reactive powers Decoupling of variables 24

25 Jakość sterowania mocą: czynną bierną 25

26 Farma wiatrowa centralny układ sterowania farmą 1. Farma wiatrowa powinna być sterowanym elementem systemu energetycznego (sterowanie mocą czynną i bierną, udział w sterowaniu napięciem i częstotliwością) 2. Zadania: zdolność do produkcji mocy o wartości i w sposób zadany przez operatora systemu, odpowiednia reakcja na zakłócenia Centralny układ sterowania farmą wymaga rozbudowanego systemu komunikacji 26

27 ELEKTROWNIE SŁONECZNE 27

28 Konwersja energii słonecznej na energię elektryczną Instalacje z kolektorami skupiającymi: -z turbiną parową, z silnikiem Stirlinga Moduły fotowoltaiczne 28

29 Ogniwa PV - technologie Sprawność modułów PV jest różna i zależy od materiału i technologii. Mieści się w granicach od <10% do ok.25%. 29

30 Ogniwa wielozłączowe - sprawność do ok.40% (lab.) 30

31 Charakterystyki modułów PV Zmiana nasłonecznienia Zmiana temperatury 31

32 Degradujący efekt cienia Diody bypassujące zacieniony moduł degraduje jakość całego panelu - 32

33 Łączenie modułów PV Połączenie szeregowe Połączenie równoległe 33

34 Instalacja PV przyłączona do SEE 34

35 Podstawowe topologie instalacji PV Module Integrated: Plant (central) inverter : String inverter: Multi-string inverter: 35

36 Przetwornica funkcje i wymagania 1. Dopasowanie napięcia DC w całym zakresie pracy modułów. 2. Elastyczność, 3. Realizacja algorytmu MPPT, 4. Przetwarzanie ze sprawnością >95%, 5. Izolacja galwaniczna 6. Długi czas życia, porównywalny z czasem życia modułów 7. Niski koszt, 8. Bezpieczeństwo, 9. Niezawodność, 10. Zgodność z normami i Grid Code 36

37 Energia słoneczna w Polsce Ilość energii docierającej do Ziemi przy dużym i małym promieniowaniu jest porównywalna. WNIOSEK: Układ przetwarzania powinien pracować z wysoką sprawnością, już przy niewielkiej wartości promieniowania! 37

38 Sprawność przetwornic PV - definicja Sprawność (zalecana dla lokalizacji o umiarkowanym nasłonecznieniu): EE : EE % % % % % % Sprawność (zalecana dla lokalizacji o dużym nasłonecznieniu): CEC : CEC % % % % % % % 38

39 Izolacja galwaniczna Przetwornice: z transformatorem na częstotliwość sieci LFT, (cena, waga) z transformatorem na wysokie częstotliwości HFT, topologie beztransformatorowe (o ile nie ma wymogu separacji galwanicznej) Transformator: + gwarantuje izolację galwaniczną, ogranicza prądy pojemnościowe, eliminuje składową DC, dopasowuje napięcia. - podnosi koszt, wagę, obniża sprawność 39

40 Hi-tech: topologie przetwornic beztransformatorowych Prądy pojemnościowe możliwe Eliminacja prądów pojemnościowych 40

41 High tech: elementy półprzewodnikowe z SiC, GaN 41

42 High-tech 42

43 Czy w Polsce ma to sens? + Przez prawie 8 miesięcy jest jasno i dosyć chłodno. + Moc maleje liniowo z nasłonecznieniem. -Wysokie koszty i długi czas zwrotu. -Przez 4 miesiące zimowe bardzo mało energii ze słońca. 43

44 Śledzenie słońca? W Polsce zysk roczny ok. 2-5% 44