Energetyka wiatrowa. dr hab. inż. Jerzy Skwarczyński prof. nz. AGH mgr inż. Tomasz Lerch ENERGETYKA JĄDROWA WE WSPÓŁCZESNEJ ELEKTROENERGETYCE

Transkrypt

1 Energetyka wiatrowa dr hab. inż. Jerzy Skwarczyński prof. nz. AGH mgr inż. Tomasz Lerch ENERGETYKA JĄDROWA WE WSPÓŁCZESNEJ ELEKTROENERGETYCE Jaworzno

2 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 - Podział elektrowni ze względu na rodzaj generatora - Elektrownie wiatrowe z maszyną indukcyjną - Elektrownie wiatrowe z maszyną dwustronnie zasilaną - Elektrownie wiatrowe z maszyną synchroniczną wolnoobrotową

3 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów Napęd żaglowców Już 3000 lat p.n.e w Egipcie wykorzystywano siłę wiatru do napędu żaglowców.

4 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów 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.

5 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów 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.

6 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów 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.

7 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów 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.

8 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów 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

9 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów 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

10 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów Elektrownie wiatrowe Pierwszą elektrownię wiatrową zbudował w 1891 roku Poul La Cour w Dani. Elektrownia napędzała generator prądu stałego.

11 Wykorzystanie energii wiatru na przestrzeni dziejów Elektrownie wiatrowe 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.

12 Stan obecny energetyki wiatrowej na świecie i w Polsce W energetyce wiatrowej na świecie zainstalowanych jest obecnie około MW. Krajem o największym udziale energetyki wiatrowej w produkcji energii elektrycznej są Niemcy z mocą zainstalowaną 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.

13 Stan obecny energetyki wiatrowej na świecie i w Polsce Moc zainstalowana obecnie w energetyce wiatrowej w Polsce to około 666 MW (stan , 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

14 Warunki wietrzne w Polsce W Polsce na około ¾ powierzchni kraju panują korzystne lub bardzo korzystne warunki wietrzne pozwalające na rozwój energetyki wiatrowej.

15 Warunki wietrzne w Polsce 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.

16 Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną Moc strumienia wiatru: P w AV w gdzie: [kg/m 3 ] gęstość powietrza A [m 2 ] pole powierzchni V w [m/s] prędkość wiatru

17 Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną Moc kinetyczną wiatru można przetworzyć na moc mechaniczną, która będzie równa: P m P w1 P w2 1 A(V 2 3 w1 V 3 w2 ) Zatem moc uzyskana przez turbinę będzie zawsze mniejsza od mocy rzeczywistej strumienia wiatru ponieważ prędkość wiatru za przeszkodą maleje.

18 Współczynnik mocy turbiny Cp Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną Moc uzyskiwaną przez turbinę wiatrową określa się wzorem: P T C p 1 2 AV 3 w C p to współczynnik mocy turbiny wiatrowej określający sprawność przetwarzania mocy strumienia wiatru na moc mechaniczną. Wartość współczynnika mocy dla danej turbiny jest funkcją wyróżnika szybkobieżności Współczynnik szybkobieżności

19 Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną Wyróżnik szybkobieżności określa stosunek prędkości liniowej końca łopaty turbiny do prędkości wiatru: V V T w T R V w T

20 Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną Stosowane typy turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu

21 Turbina Savoniusa Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną

22 Turbina Darrieusa Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną

23 Turbina typu H Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną

24 Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną Stosowane typy turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu

25 Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną Stosowane typy turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu

26 Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną Współczynnik mocy C p dla różnych typów turbin Turbina wiatrowa z trzeba łopatami o poziomej osi obrotów osiąga najwyższą wartość współczynnika mocy C p.

27 Moc turbiny P/Pn Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną 2 Zależność mocy trójłopatowej turbiny wiatrowej od prędkości [m/s] 15[m/s] obrotowej dla różnych prędkości wiatru [m/s] 1 12[m/s] [m/s] 10[m/s] 9[m/s] 0.4 8[m/s] 7[m/s] 0.2 6[m/s] 5[m/s] 4[m/s] Predkosc obrotowa turbiny [obr/min]

28 Moc turbiny P/Pn Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną 2 Maksymalny uzysk energii wiatru można osiągnąć sterując pracą elektrowni według krzywej mocy maksymalnej Prędkość obrotowa turbiny [obr/min]

29 Moc elektrowni wiatrowej P/Pn Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną 1.2 Zależność mocy produkowanej przez elektrownię wiatrową od prędkości wiatru przy strategii sterowania na maksimum mocy turbiny Prędkość wiatru [m/s]

30 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Schemat ogólny budowy elektrowni wiatrowej Linia SN V w Turbina wiatrowa Przekładnia mechaniczna Generator elektryczny Transformator blokowy

31 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Podział elektrowni wiatrowych ze względu na rodzaj generatora elektrycznego Elektrownie wiatrowe Stała prędkość obtorowa turbiny Zmienna prędkość obtorowa turbiny Generator indukcyjny Generator synchroniczny Generator indukcyjny dwubiegowy Generator indukcyjny dwustronnie zasilany Generator synchroniczny wolnoobrotowy

32 Moment mechaniczny turbiny T/Tn Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Charakterystyki mechaniczne turbiny wiatrowej 2 Efektywność przetwarzania energii mechanicznej turbiny na energię elektryczną zależy od dopasowania generatora elektrycznego do charakterystyk mechanicznych turbiny wiatrowej Krzywa obciążenia dla P max Prędkość obrotowa turbiny [obr/min]

33 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Widok ogólny elektrowni wiatrowej z generatorem indukcyjnym

34 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Rozmieszenie poszczególnych elementów w gondoli

35 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z generatorem indukcyjnym Maszyna indukcyjna pracująca jako generator jest najprostszym V w Turbina wiatrowa Przekładnia mechaniczna Generator indukcyjny możliwym sposobem przetwarzania mocy mechanicznej na moc elektryczną.

36 Moment elektromagnetyczny Te/TeN Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Charakterystyka mechaniczna generatora indukcyjnego 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% Charakteyrstyka mechaniczna generatora indukcyjnego Predkość obrotowa n[obr/min]

37 Moment mechaniczny turbiny T/Tn Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Charakterystyka mechaniczna generatora indukcyjnego na tle charakterystyki turbiny wiatrowej 2 W zestawieniu z charakterystykami turbiny wiatrowej generator indukcyjny pracuje praktycznie ze stałą prędkością. Zatem tego typu elektrownia wiatrowa pracuje optymalnie (C p = max. )tylko przy jednej prędkości wiatru Prędkość obrotowa turbiny [obr/min]

38 Moment mechaniczny turbiny T/Tn Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Modyfikacja charakterystyki mechanicznej generatora indukcyjnego Poprzez dołączenie rezystancji dodatkowej do wirnika maszyny indukcyjnej można zmodyfikować jej charakterystykę mechaniczną Generator indukcyjny R d1 Rd2 Rd Rezystancja dodatkowa Prędkość obrotowa turbiny [obr/min]

39 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z generatorem indukcyjnym 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

40 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z generatorem synchronicznym Generator synchroniczny stosowany jest elektrowniach wiatrowych rzadko ze względu na brak V w Turbina wiatrowa Przekładnia mechaniczna Generator synchroniczny możliwości regulacji prędkości. Jego główną zaletą jest możliwość sterowania mocą bierną generatora.

41 Moment mechaniczny turbiny T/Tn Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Charakterystyka mechaniczna generatora synchronicznego na tle charakterystyki turbiny wiatrowej 2 Ze względu na sztywną charakterystykę mechaniczną generator synchroniczny może współpracować tylko z turbiną o regulowanym kącie natarcia łopat Prędkość obrotowa turbiny [obr/min]

42 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z generatorem synchronicznym Zalety: możliwość sterowania mocą bierną niski koszt inwestycyjny 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

43 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z generatorem indukcyjnym dwubiegowym Najprostszym układem przetwarzania energii o zmiennej prędkości obrotowej jest generator V w Turbina wiatrowa Przekładnia mechaniczna Generator indukcyjny dwubiegowy indukcyjny dwubiegowy. Regulację prędkości obrotowej realizuje się zmieniając liczbę par biegunów stojana, co skutkuje zmianą prędkości synchronicznej generatora.

44 Moment mechaniczny turbiny T/Tn Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Charakterystyka mechaniczna generatora indukcyjnego dwubiegowego na tle charakterystyki turbiny wiatrowej Układ ten posiada wszystkie zalety generatora indukcyjnego a przez zmianę prędkości obrotowej pozwala lepiej dopasować punkt pracy do charakterystyki turbiny wiatrowej Prędkość obrotowa turbiny [obr/min]

45 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z generatorem indukcyjnym Zalety: prosta i bezawaryjna konstrukcja generatora niski koszt inwestycyjny 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

46 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Widok ogólny elektrowni wiatrowej z maszyną dwustronnie zasilaną

47 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Widok gondoli elektrowni wiatrowej VESTAS z MDZ

48 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny 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

49 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z maszyną indukcyjną dwustronnie zasilaną Maszyna indukcyjna dwustronnie zasilana pozwala na pracę z prędkością zmienną w V w Turbina wiatrowa Przekładnia mechaniczna Maszyna indukcyjna dwustronie zasilana szerokim zakresie. Wielkościami sterowanymi w MDZ jest moc czynna i bierna wydawana przez stojan do sieci. = = Przekształtnik wirnikowy Transf. dopasowujący

50 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Bilans mocy MDZ praca generatorowa przy prędkości nadsynchronicznej Moc przetwarzana przez wirnik MDZ: P dm P dcus + P dfes P r P s s P su Jeżeli zakres zmian prędkości jest ograniczony to ograniczona jest także moc przetwarzana przez wirnik. P mu P m =P ψ (1-s) P ψ =T e ω s P r =P ψ s P dcur + P dfer P ru

51 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Bilans mocy MDZ praca generatorowa przy prędkości podsynchronicznej Moc przetwarzana przez wirnik MDZ: P dm P dcus + P dfes P r P s s P mu P m =P ψ (1-s) Jeżeli zakres zmian prędkości jest ograniczony to ograniczona jest także moc przetwarzana przez wirnik. P ψ =T e ω s P su P r =P ψ s P dcur + P dfer P ru

52 Moment mechaniczny turbiny T/Tn Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Charakterystyka mechaniczna maszyny indukcyjnej dwustronnie zasilanej na tle charakterystyki turbiny wiatrowej 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 Prędkość obrotowa turbiny [obr/min]

53 n/ns Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Praca elektrowni wiatrowej z MDZ przy zmianach prędkości wiatru m/s Przebieg prędkości obrotowej turbiny przy skokowych zmianach prędkości wiatru Prędkość obrotowa walu czas [s]

54 CP Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Praca elektrowni wiatrowej z MDZ przy zmianach prędkości wiatru m/s Przebieg współczynnika mocy turbiny wiatrowej C p Układ sterowania zadaje moc maksymalną osiągalną przy danej prędkości wiatru, stąd turbina pracuje zawsze przy maksymalnym współczynniku mocy Wpółczynik mocy turbiny wiatrowej czas [s]

55 ps/pn, qs,qn Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Praca elektrowni wiatrowej z MDZ przy zmianach prędkości wiatru m/s 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 Chwilowa moc czynna i bierna stojana czas [s]

56 pr/pn, qr/qn Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Praca elektrowni wiatrowej z MDZ przy zmianach prędkości wiatru m/s 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 Chwilowa moc czynna i bierna wirnika czas [s]

57 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z maszyną dwustronnie zasilaną Zalety: praca przy C p = max., maksymalny uzysk energii wiatru niezależne sterowanie mocą czynną i bierną stosunkowo mała moc przekształtnika wirnikowego moc oddawana do sieci głownie bezpośrednio przez stojan Wady: skomplikowany układ sterowania wysokie koszty inwestycyjne

58 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Widok ogólny elektrowni wiatrowej z generatorem synchronicznym wolnoobrotowym

59 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Widok gondoli elektrowni wiatrowej Enercon z generatorem synchronicznym

60 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Rozmieszczenie poszczególnych elementów w gondoli Generator synchroniczny wolnoobrotowy

61 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Budowa generatora wolnoobrotowego firmy Enercon Stojan generatora Fragment wirnika wielobiegunowego

62 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny 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 V w Turbina wiatrowa Generator synchroniczny wolnoobrotowy Przekształtnik AC/DC/AC = =

63 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Schemat budowy przekształtnika AC/DC/AC U V W + - U V W -

64 Przetwarzanie energii mechanicznej turbiny Elektrownia wiatrowa z generatorem synchronicznym wolnoobrotowym Zalety: brak przekładni mechanicznej! praca przy C p = 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

65 Podsumowanie: Polska jest krajem o dużym potencjale rozwojowym energetyki wiatrowej zarówno na lądzie jak i na morzu. 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.

66 Bibliografia: Eric Hau. Windturbines. Fundamentals, Technologies, Application and Economics. Springer, Zbigniew Lubośny. Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. Wydawnictwa naukowo techniczne, Strona internetowa Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej: Strona internetowa firmy ENERCON: Strona internetowa firmy VESTAS: