Elektrownie wiatrowe MMB Drives Zbigniew Krzemiński, Prezes Zarządu Elektrownie wiatrowe produkowane przez MMB Drives zostały tak zaprojektowane, aby osiągać wysoki poziom produkcji energii elektrycznej zgodnie z normą PN-EN 61400-2. Do budowy elektrowni wykorzystywane są niezawodne, europejskie komponenty. Aktywna regulacja mocy z wykorzystaniem efektu przeciągania łopat turbiny zapewnia maksymalizację ilości wyprodukowanej energii dla prędkości wiatru poniżej prędkości znamionowej oraz bezpieczne ograniczenie mocy powyżej znamionowej wartości prędkości wiatru. Elektrownia wiatrowa z trzema łopatami jest 40 - kilowatową mikroinstalacją o dużej sprawności. Przekształtniki energii MMB Drives w sposób kompleksowy sterują przetwarzaniem energii turbiny wiatrowej oraz pracą całej elektrowni. Zastosowanie procesora sygnałowego ADSP-21363 wraz z zaawansowanym oprogramowaniem umożliwia regulację ilości energii odbieranej z turbiny wiatrowej oraz sterowania elektrownią w trybie lotnych startów przy dużej zmienności wiatru. DANE TECHNICZNE ELEKTROWNI Koncepcja działania Elektrownia została zaprojektowana z wykorzystaniem turbiny wiatrowej o dużej średnicy. Oznacza to, że maksymalna moc turbiny przy prędkości wiatru wynoszącej 11 m/s jest o ponad 50% większa niż moc przekształtnika przetwarzającego energię elektryczną dostarczaną do sieci prądu przemiennego. Przy dużych prędkościach wiatru następuje ograniczenie mocy turbiny poprzez zmniejszenie jej prędkości co odbywa się dzięki sterowaniu generatorem z poziomu przekształtnika energii. Wykorzystywany jest przy tym efekt przeciągania, który zmniejsza sprawność turbiny. Jest to zaprojektowane celowo, ponieważ umożliwia ograniczenie prędkości turbiny przy dużych prędkościach wiatru. Moc elektrowni przy prędkościach wiatru przekraczających 11 m/s jest ograniczana na poziomie 40 kw. 1
Cp 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 4 Rys. 1. Zależność C f( ) p = λ dla turbiny elektrowni MMB Drives 40 Podstawowe parametry elektrowni MMB Drives 40 Średnica turbiny: 15,95 m Powierzchnia omiatana przez łopaty: 199,8 m 2 Maksymalna moc przekształtnika energii od strony sieci: 40 kw Współczynnik mocy (cosϕ): 0,99 Stały kąt natarcia łopat Krzywa mocy Moc elektrowni przy stałej prędkości wiatru określona jest wyrażeniem: η sprawność przekształtnika, f η sprawność przekładni, p η sprawność generatora, g P = 0,5 η η η C ρ A V (1) e f p g p C p współczynnik mocy turbiny wiatrowej, ρ gęstość powietrza, 1,168 kg/m 3 przy 25 0 C i 100 kpa, ok. 1,2 przy 20 0 C, A powierzchnia turbiny, V prędkość wiatru, Właściwości turbiny określone są przez zależność współczynnika mocy C p od wyróżnika szybkobieżności określonego jako: ωr λ = (2) V λ wyróżnik szybkobieżności, ω prędkość kątowa turbiny, R promień turbiny wiatrowej. 3 2
Zależność współczynnika mocy turbiny wiatrowej od wyróżnika szybkobieżności: przedstawiono na rysunku 1. ( ) Cp = f λ (3) Sterowanie elektrownią wiatrową powinno zapewnić maksymalną wartość współczynnika mocy turbiny wiatrowej wynoszącą 0,46. Korzystając z wyrażenia (1) otrzymuje się krzywą mocy elektrowni w zależności od prędkości wiatru pokazaną na rysunku 2. Jak pokazano na rys. 2 elektrownia osiąga moc 40 kw przy prędkości wiatru 9,6 m/s. Dla małych elektrowni moc określa się dla prędkości wiatru wynoszącej 11 m/s. Elektrownia posiada zatem dla 11 m/s moc większą niż 40 kw, jednak nie jest ona w pełni wykorzystywana ze względu na zapewnienie bezpieczeństwa pracy. Prędkość kątowa elektrowni jest zmniejszana na drodze regulacji w celu zapewnienia niezbędnego do bezpiecznej pracy zapasu momentu generatora. W rezultacie zastosowania w przekształtniku energii sterowania ograniczającego prędkość turbiny wiatrowej krzywa mocy ma kształt pokazany na rysunku 3 czarną linią. Krzywa narysowana zielona linią jest krzywą maksymalnej mocy elektrowni. Czerwoną linią narysowano krzywą mocy elektrowni o średnicy zapewniającej maksymalną moc 40 kw przy prędkości 11 m/s. Taką krzywą mocy posiadają elektrownie z regulowanym kątem natarcia łopat. Obszar pomiędzy czarną a czerwoną krzywą określa zwiększenie mocy elektrowni o stałym kącie natarcia łopat w porównaniu z elektrownią o regulowanym kącie natarcia łopat. Uzyskiwane to jest przez zwiększenie średnicy turbiny. Z kolei obszar pomiędzy zieloną a czarną linią określa zakres możliwego zwiększenia mocy elektrowni przy korzystnych warunkach wiatrowych. Zwiększenie mocy jest możliwe przy stabilnym wietrze lub przy wykorzystaniu porywów wiatru z zastosowaniem odpowiedniego algorytmu regulacji prędkości turbiny. 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 P[kW] 0 5 10 15 20 25 V [m/s] Rys. 2. Krzywa mocy według wzoru (1) z ograniczeniem na wartości 40 kw 3
Rozkład prędkości wiatru Roczną produkcję energii elektrycznej określa się na podstawie częstości pojawiania się prędkości wiatru określonej rozkładem Weibull a: k 1 k V f( V) = e A A f V częstość występowania prędkości wiatru V ( ) k parametr kształtu, A parametr skali. Parametr skali określony jest wyrażeniem: V średnia prędkość wiatru. sr k V A Vsr A= 1 0,434 k 0,568+ k Rozkład Weibull a określany jest dla średniej prędkości wiatru występującej w lokalizacji elektrowni wiatrowej. Rozkład Weibull a dla Vsr = 6,5m/s k= 2, A = 7,34 pokazano na rysunku 4. (4) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 P [kw] Normal power curve High power Power curve 0 5 10 15 20 V [m/s] 25 Rys. 3. Krzywa mocy elektrowni MMB Drives 40 0,15 f(v) 0,10 0,05 0,00 0 5 10 15 V [m/s] 20 Rys. 4. Rozkład Weibull a dla Vsr = 6,5m/s, k= 2, A= 7,34 4
Roczna produkcja energii elektrycznej Roczną produkcję energii elektrycznej można określić na podstawie zmierzonych prędkości wiatru w określonym przedziale czasu. Dla danych prędkości wiatru odczytywana jest moc z rysunku 3, a następnie otrzymane wartości są dodawane. Taki sposób określania rocznej produkcji energii elektrycznej jest trudny ze względu na konieczność dysponowania pełnymi danymi dotyczącymi prędkości wiatru. 250 Roczna produkcja energii [MWh} 200 150 100 50 0 3 4 5 6 7 8 Vsr 9 [m/s] 10 Rys. 5. Roczna produkcja energii elektrycznej elektrowni MMB Drives 40 w funkcji średniej prędkości wiatru Rozkład Weibull a wykorzystywany jest do obliczania rocznej produkcji energii elektrycznej jeżeli znana jest tylko średnia prędkość wiatru w lokalizacji elektrowni wiatrowej. Tworzona jest tablica prędkości wiatru z rozdzielczością zależną od wymaganej dokładności obliczeń. Dla każdej prędkości wiatru obliczana jest wartość f( V ). Następnie dla każdej prędkości wiatru obliczana jest na podstawie poniższego wyrażenia wyprodukowana energia elektryczna: 8766 = liczba godzin w roku, f V częstość występowania prędkości wiatru ( ) k ( ) k k ( ) ( ) E = 8766 f V P V (5) V k k P V moc elektrowni wiatrowej dla prędkości wiatru k numer wartości prędkości wiatru. Obliczone wartości energii są dodawane: gdzie E r roczna produkcja energii elektrycznej, n liczba wartości prędkości wiatru. V k obliczona z wyrażenia (4), E r n k= 1 V k określona na podstawie krzywej mocy z rysunku 3, = E (6) Wyniki obliczeń produkcji energii elektrycznej w zależności od średniej prędkości wiatru pokazano na rysunku 5. V k 5
Tablica 1. Roczna produkcja energii elektrycznej dla prędkości wiatru 6,5 m/s Wiatr Weibull Ilość V Wiatru rozkład godzin/rok Moc Energia m/sec / h/a kw kwh 0,00 0,00 0,00 0,00 0 1,00 0,04 319,75 0,05 16 2,00 0,07 604,82 0,38 230 3,00 0,09 826,75 1,27 1 050 4,00 0,11 967,89 3,02 2 923 5,00 0,12 1 023,57 5,90 6 039 6,00 0,11 1 001,24 10,09 10 102 7,00 0,10 917,45 16,10 14 771 8,00 0,09 793,49 22,62 17 949 9,00 0,07 650,90 29,06 18 915 10,00 0,06 508,11 34,98 17 774 11,00 0,04 378,36 40,00 15 134 12,00 0,03 269,22 40,00 10 769 13,00 0,02 183,29 40,00 7 332 14,00 0,01 119,52 40,00 4 781 15,00 0,01 74,72 40,00 2 989 16,00 0,01 44,80 40,00 1 792 17,00 0,00 25,78 40,00 1 031 18,00 0,00 14,25 40,00 570 19,00 0,00 7,56 40,00 303 20,00 0,00 3,86 40,00 154 21,00 0,00 1,89 40,00 76 22,00 0,00 0,89 40,00 36 23,00 0,00 0,40 40,00 16 24,00 0,00 0,18 40,00 7 25,00 0,00 0,07 40,00 3 RAZEM 134 760 Przykładowe wyniki obliczeń rocznej produkcji energii elektrycznej dla średniej prędkości wiatru wynoszącej 6,5 m/s podano w tablicy 1. 6
MMB Drives 40 Elektrownie wiatrowe Informacja o firmie MMB Drives MMB Drives Sp. z o. o. jest producentem przekształtników energii niskiego (nn) i średniego napięcia (SN) do napędów przemysłowych o regulowanej prędkości obrotowej o zakresie mocy do 1 MW oraz elektrowni wiatrowych o mocy 40 kw. MMB Drives produkuje przekształtniki i podzespoły do elektrowni wiatrowych, fotowoltaicznych i wodnych o mocach 5 kw, 10 kw, 22 kw, 40 kw, 160 kw, a także według specyfikacji podanej przez klienta. Działalność MMB Drives obejmuje produkcję wielkoseryjną, małoseryjną oraz opracowania prototypowe w dziale badawczo - rozwojowym. MMB Drives realizuje zlecenia indywidualne na produkcję nowych i modernizację istniejących układów napędowych z przekształtnikami niskiego i średniego napięcia. Ponadto, działalność MMB Drives obejmuje projektowanie i opracowania nietypowych rozwiązań, w tym projektowanie maszyn elektrycznych, czujników pomiarowych, a także specjalizowanych podzespołów, wykonanych w technologii elektroniki wysokotemperaturowej, przeznaczonych do zaawansowanych technologicznie układów napędowych i urządzeń. MMB Drives dostarcza kompletne stanowiska badawcze dla uczelni technicznych, instytutów badawczych oraz dla działów B+R firm branży wydobywczej, górniczej, motoryzacyjnej i energetycznej w kraju i zagranicą. Materiały dofinansowane ze środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Gdańsku. ul. Maszynowa 26, 80-298 Gdansk, Tel.: +48 605 068 292 8