Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Balogh Antal okl. gépészmérnök, MBA műszaki igazgató Megújuló energiaforrások „SZÉLERŐMŰVEK” 1. előadás 2010. március 12.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Balogh Antal okl. gépészmérnök, MBA műszaki igazgató Megújuló energiaforrások „SZÉLERŐMŰVEK” 1. előadás 2010. március 12."— Előadás másolata:

1 Balogh Antal okl. gépészmérnök, MBA műszaki igazgató Megújuló energiaforrások „SZÉLERŐMŰVEK” 1. előadás március 12.

2 A SZÉL EREDETE A geotermikus energia és az árapály kivételével minden megújuló energiánk forrása a Nap! A Földre a Napból 1,74 · W sugárzott teljesítmény érkezik. (3 – kilo; 6 – Mega; 9 – Giga; 12 – Tera; 15 – Peta; 18 – Exa !!!) E teljesítménynek mindössze 1 ÷ 2%-a alakul szélenergiává, de a szakemberek becslései szerint ez is kb. 15 ÷ 30-szorosa a Föld valamennyi növényzete által biomasszává konvertált (fotoszintézis útján megkötött) energiamennyiségnek!

3 ÉLTETŐ ERŐNK A NAP A Nap sugárzott energiájának átalakulása más megjelenési formákba, és az emberiség igénye: (1 kWh = 3,6 MJ)

4 GLOBÁLIS HAJTÓERŐK A hőmérséklet-különbségek a Föld felszínén erős légáramlásokat hoznak létre: A legintenzívebben besugárzott Egyenlítői térségben a légtömegek felemelkednek, és a sarkkörök felé indulnak.

5 A CORIOLIS-ERŐ SZEREPE Az expandáló légtömegek mozgását a Coriolis- erő nagyban befolyásolja: A különböző szélességi körökön eltérő uralkodó szélirányok alakulnak ki: É D ÉK DNy ÉK DK ÉNy DK

6 A GEOSZTRÓFIKUS SZÉL A Föld átmérője kb km. Az atmoszféra a felszín körül nagyon „vékony”. Időjárási jelenségeink (és az üvegházhatás is!) a csupán 11 km magasságig terjedő troposzférában történnek. Az 1000 m feletti légmozgásokat (melyeket a korábban leírt globális hőmérséklet- és nyomáskülönbségek mozgatják, és igen kevéssé befolyásoltak a felszíni érdesség és domborzati viszonyoktól) geosztrófikus szeleknek nevezzük. Energetikai hasznosításra ugyanakkor csupán a felszín feletti kb. 150 ÷ 200 m magasságig terjedő légrétegek mozgásai jönnek (egyelőre) számításba, melyeket azonban a domborzat és a tereptárgyak akadályozó hatásai nagymértékben befolyásolnak!

7 LOKÁLIS SZELEK A globális és a helyi hatások elegye → bonyolult együttes rendszer. Pl.: A tengerek és szárazföldek eltérő felmelegedése nappal és éjjel, vagy akár évszakonként (lásd monszun Dél-kelet Ázsiában). Pl.: Hegyek és völgyek közti hőmérséklet- és nyomáskülönbségek generálta légmozgások a különböző tájolású domborzati egységek eltérő felmelegedése miatt (lásd Alpok, Sziklás-hegység, Andok nevezetes szelei). Egyéb híres lokális szelek pl.: Mistral → a Rhone völgyében Franciaországban. Sirokkó → a Szaharából a Földközi-tenger felé.

8 A KÁRPÁT-MEDENCE JELLEMZŐI Vajon melyek itt az uralkodó irányok?

9 A SZÉL ENERGIÁJA A szélerőgépek a légtömegek mozgási energiáját alakítják át (különböző technikai megoldásokkal) hajtó nyomatékká, hasznosítható forgási energiává. A szélből kinyerhető energia függ: - a levegő sűrűségétől, - a rotor által súrolt felülettől, - a szél sebességétől, - a hasznosító erőgép(ek) saját veszteségeitől. A fejlesztések irányát leginkább a középső kettő determinálja: - lapáthossz egyértelmű és folyamatos növelése → szerkezeti és szilárdsági korlát! - az oszlopmagasság növelése → gazdaságossági korlátok!

10 A SZÉLENERGIA FOKOZÓDÓ KIAKNÁZÁSA

11 SEBESSÉG- ÉS NYOMÁSVISZONYOK A szélerőgép akadályt képez a mozgó légtömeg útjában, ezért az „feltorlódik”, a rotor előtt a nyomás megnő, majd a gépen áthaladva hirtelen leesik. A kontinuitás és az energia-megmaradás törvénye értelmében a mozgási energiáját részben elvesztő légtömeg sebessége a rotor után kisebb kell legyen, mint előtte, kialakul az ún. „stream tube”. A rotor mögött „messze” azután ismét helyreáll a rendezett áramlás.

12 ELMÉLETI TELJESÍTMÉNY A szél elméleti teljesítménye egyenesen arányos a mozgó légtömeg sűrűségével, a haladási irányára merőleges érintett keresztmetszettel és sebességének harmadik hatványával: P = ½ · ρ · A · v 3 = ½ · ρ · r 2 · π · v 3 [W]

13 SZÉLMÉRÉSEK 1. A gyakorlatban nagyon fontos, hogy pontos, archivált meteorológiai adatokkal rendelkezzünk, lehetőleg a későbbi rotormagassághoz minél közelebbről! A szélsebesség mérését általában ún. kanalas anemométerrel végezzük. (Indokolt esetben elektromosan fűtött kivitelűek!) Mérjük továbbá a szél irányát és a levegő hőmérsékletét (nyomását, páratartalmát) is. Az adatokat mikrochip-re írja az adatgyűjtő rendszer, melyekből 10 perces átlagértékeket számolunk, ami szokványos és kezelhető a szakmában elterjedten használatos szélenergetikai szoftverek számára.

14 SZÉLMÉRÉSEK 2.

15 ADATGYŰJTÉS 1.

16 ADATGYŰJTÉS 2.

17 SZÉLRÓZSÁK 1. A felvett adatokat szemléletesen ábrázolják a különféle ún. szélrózsák.

18 SZÉLRÓZSÁK 2.

19 SZÉLRÓZSÁK 3.

20 SZÉLRÓZSÁK 4.

21 GÉPTELEPÍTÉSI SZEMPONTOK AZ ÉRDESSÉG 1. A felszín közelében az áramlások több okból is módosul(hat)nak. Meghatározó a domborzat és az érdesség! A felszín minőségét és a különféle tereptárgyak akadályozó hatását jellemzik az ún. érdességi osztályok és érdességi hosszok. A definíciók az Európai Szélatlasz (WAsP) szerinti megfogalmazásokat követik: Érdességi hossz: az a terepszinttől mért magassági távolság, ahol a szélsebesség elméletileg zérus. Értéke az érdességi osztálytól függően 0,0002 és 1,6 méter közötti lehet.

22 AZ ÉRDESSÉG 2. Érdességi osztályok: 0vizek felszínei 0,5nyílt terep finom felszínnel (aszfalt, legelő) 1mg-i terület kerítések és fasorok nélkül 1,5mg-i terület ritka, max. 8 m magas fasorokkal 2mg-i terület sűrűbb mezővédő fasorokkal 2,5mg-i terület sok épülettel és tereptárggyal 3falvak, kisvárosok vagy hegyi mg-i területek 3,5nagyvárosok sűrű magas épületekkel 4metropoliszok felhőkarcolókkal Különböző érdességi osztályok esetén eltérő szélprofil alakul ki, ami nagyban befolyásolja a géptelepítést!

23 A SZÉLPROFIL A (2) érdességi osztály példája. Fontos, hogy eltérő erők támadják a lapátot a felső és az alsó holtponton!

24 A SZÉLPROFIL FORMULA A szélsebesség magasságtól való függését az ún. szélprofil képlet adja meg, mellyel egy adott magasságban ismert sebességből kiszámolható a keresett magasságban érvényes sebesség: v = v ref · ln(z/z 0 ) / ln(z ref /z 0 ) ahol: v – sebesség a felszíntől z méter magasságban v ref –ismert viszonyítási sebesség z ref magasságban z 0 –érdességi hossz adott szélirányban Fontos tudni, hogy a képlet semleges atmoszférikus stabilitási állapotot feltételez, azaz a földfelszín se nem fűtött se nem hűtött a környezeti levegő hőmérsékletéhez viszonyítva!

25 A HELLMANN-KÉPLET A szélsebesség magasságtól való függését a gyakorlatban sokszor egy praktikusan egyszerűsített képlettel közelítjük: v ref /v = (z ref /z) α ahol: v – sebesség a felszíntől z méter magasságban v ref –ismert viszonyítási sebesség z ref magasságban α –Hellmann-féle szélprofil kitevő A formula rendkívül népszerű, ugyanakkor számítások végzéséhez csak kellő körültekintéssel alkalmazható! Az α értéke jellemzően 0,1 és 0,8 között ingadozik, változik napszakonként, évszakonként, érdességi osztályok, légköri stabilitási állapotok, adott magasságban a sebességek, és szélirányok szerint is!

26 A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 1. A kitevő és a szélprofil fontos kapcsolatban vannak!

27 A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 2. A kitevő értéke (több okból is) időben változó!

28 A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 3. Eloszlása van, a mérési adatokból jól modellezhető!

29 A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 4. Adott magasságban erősen sebességfüggő!

30 A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 5. A sebességfüggő az átlagostól jóval pontosabb!

31 A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 6. A várható energiatartalmat érzékenyen befolyásolja!

32 A HELLMANN-KITEVŐ A GYAKORLATBAN Példa Mosonmagyaróvár térségére e napokban:

33 TEREPAKADÁLYOK A szél útjába kerülő akadályok (művi és természetes tereptárgyak, pl. épületek, építmények, fák, sziklák stb.) erősen csökkenthetik a szélsebességet, ráadásul általában kellemetlen turbulenciát is okozva: A hatást befolyásolja az objektum ún. porozitása is (mennyire tömör, „keresztülfújhatatlan” a tárgy).

34 A SZÉLÁRNYÉK ÉS HATÁSA A szélárnyék következménye komoly sebesség-, és hatványozott energiaveszteség: Példa: 20m magas, 60m széles, 7 emeletes irodaház, 300m távolságra az 50m oszlopmagasságú szélgéptől.

35 AZ ÖRVÉNYHATÁS A rotorlapátok a rendezett áramvonalakat örvényessé teszik (wake effect): A gép mögött az áramlás erősen turbulenssé válik. Az ebből származó aerodinamikai veszteségek mérséklése érdekében a szélerőmű parkokban a gépeket egymástól kellő távolságban kell elhelyezni! Ezt általában a rotorátmérő valamely egész számú többszörösével számszerűsítik - irányonként.

36 A PARKHATÁS A „wake loss” minimalizálása érdekében ökölszabály, hogy a gépeket a domináns szélirányban egymás mögött legalább 5 ÷ 9, míg arra merőlegesen egymás mellett legalább 3 ÷ 5 rotorátmérőnyi távolságra helyezzük el: Nyilvánvaló ellenérdekek a szélenergetikai és a területhasználati szempontok között! Az eredő energiaveszteség 10% alatt elfogadható.

37 EGYÉB TELEPÍTÉSI SZEMPONTOK - Az alagút effektus - A domb effektus - Környezet- és természetvédelmi aspektusok - Villamos hálózati csatlakozás közeli lehetősége - Közlekedés, megközelíthetőség - Geológia, geomorfológia, hidrológia - Archeológia - Tájesztétika, humán attitűd, stb.

38 SZÉLTÉRKÉPEK 1. Minőségi kép, érdemi eligazítást nem ad, de jól orientálja az egyes nyugat- európai országokat potenciáljuk értékelése, viszonyítása során.

39 SZÉLTÉRKÉPEK 2. – AZ ÚTTÖRŐ DÁNIA A telephelyek kiválasztására már közel alkalmas, kellően részletes kép, érdemi eligazítást ad. Évtizedek munkája, támaszkodva a százéves meteorológiai adatsorokra!

40 SZÉLTÉRKÉPEK 3. – A HAZAI HELYZET Több szervezet együttes kutatási munkájának eredménye. Érdemi beruházási döntéshez még tovább finomítandó!

41 AZ ENERGIATERMELÉS ELMÉLETE A WEIBULL-ELOSZLÁS A szélsebességek megoszlását az ún. Weibull-féle eloszlással lehet a legsikeresebben modellezni: A görbe alatti terület (integrál) értéke 1, hiszen annak valószínűsége, hogy a szél valamekkora sebességgel (beleértve a zérust is) fúj, 100%. E sűrűségfüggvény igen tipikusnak mondható, 7 m/s átlagos sebességű és k=2 alaktényezőjű (az ún. Rayleigh-féle speciális eloszlás esete). Figyelem, az eloszlás nem szimmetrikus! A medián 6,6 m/s (terület fele, tehát az időtartam fele)! A módusz 5,5 m/s (a leggyakoribb sebesség érték)!

42 AZ ELOSZLÁS CSAPDÁJA A Weibull-eloszlás paraméterei és a belőlük számítható jellemző értékek nem elégségesek a várható energiatermelés számításához! Ahogy az üvegek térfogata is köbösen nő a magasságukkal, a szél teljesítménye is harmadik hatvány szerint arányos a sebességgel, azaz nem átlagolhatunk egyszerűen, csakis súlyozva! (Teljesítmény szerint köbösen súlyozva az átlagos szélsebesség az előző példában 8,7 m/s!)

43 BETZ TÖRVÉNYE Albert Betz 1919-ben formalizálta a mozgó légtömeg kinetikus energiájából kinyerhető elméleti maximumot: ← Newton II. (v 2 /v 1 ) opt = 1/3 (P/P 0 ) max = 0,59 = 16/27

44 TELJESÍTMÉNY-SŰRŰSÉG FÜGGVÉNY Az eddigiekben elhangzottakat összesítve az alábbi grafikus szemléltetés adható: A = 7m/s k = 2 P = 402 W/m 2 Sajnos igen nagy terület esik az átlagos sebességtől jobbra! Ugyanakkor a „cut in” ÷ „cut out” zónán kívül esés okozta veszteségek elviselhetőek.

45 A SZÉLTURBINA TELJESÍTMÉNYGÖRBÉJE A teljesítménygörbe tipikus alakja: Csak elméleti jelleggörbe a szélmérési hibák, a légállapot változásai és egyéb okok miatt!

46 TELJESÍTMÉNYGÖRBE A GYAKORLATBAN A teljesítménygörbe normalizált szórási sávja: A legnagyobb szórás bizony éppen a „középső” terhelés-tartományban mutatkozik! Vajon miért is?

47 A SZÉLTURBINA TELJESÍTMÉNYTÉNYEZŐJE A teljesítménytényező-függvény tipikus alakja: Gondos mérnöki tervezés szükséges, hogy ott legyen a függvénynek maximuma, amely sebesség- tartományból a legtöbb energia származtatható. A jövő iránya nem feltétlenül a hatásfokjavítás…

48 TELJESÍTMÉNYTÉNYEZŐ A GYAKORLATBAN A G90-es szélturbina Cp-függvényének alakja (H1): A mért függvényalak az adott szélklímára optimált géptípus tökéletes működését igazolja.

49 A SZÉLGÉP VÁRHATÓ ÉVES TERMELÉSE Egy tipikus, 600 kW teljesítőképességű szélturbina éves termelése a szélsebesség-eloszlástól függően: ρ = kg/m 3, normál atmoszféra. Ugyanazok a bizonytalanságok, melyek a teljesítmény- görbét is jellemezték!

50 A SZÉLERŐMŰ KIHASZNÁLÁSA Kihasználási időtartam (csúcskihasználási óraszám): t sz = E év / P BT [h/év] ahol: - E év A szélerőmű éves villamosenergia-termelése - P BT A szélerőmű névleges teljesítőképessége Jellemző értéke 1500 ÷ 4000 h/év közötti. Kihasználási tényező (kapacitás faktor): n sz = t sz / 8760 · 100 [%] Jellemző értéke 17 ÷ 45 % közötti. A magas kapacitás faktor nem biztosan előnyös → döntés gazdaságossági elemzés alapján történik!

51 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! Kapcsolat: MOV-R H1 Szélerőmű Kft. Balogh Antal műszaki igazgató Cím:9023 Győr, Körkemence u.8., II/37. Tel./Fax: Mobil:


Letölteni ppt "Balogh Antal okl. gépészmérnök, MBA műszaki igazgató Megújuló energiaforrások „SZÉLERŐMŰVEK” 1. előadás 2010. március 12."

Hasonló előadás


Google Hirdetések