Historie Vítr Větrné motory Využívání větrných motorů

Prezentace na téma: "Historie Vítr Větrné motory Využívání větrných motorů"— Transkript prezentace:

1 Historie Vítr Větrné motory Využívání větrných motorů
Větrná energetika I Historie Vítr Větrné motory Využívání větrných motorů

2 Historie větrné energetiky
první zmínka o větrném motoru s vodorovnou osou je ze 3. století před Kristem z Egypta od 13. století se větrné mlýny začaly používat v Evropě ve 14. století se zaujalo vedoucí pozici ve využívání větrné energie Holandsko v 19. století dochází k rozvoji i v USA bylo postaveno více než 6 miliónů malých mnoholopatkových větrných motorů úpadek větrných motorů souvisí s rozšířením parního stroje v 60. letech minulého století došlo k výraznému útlumu ve vývoji větrných motorů

3 Historie větrné energetiky
současný boom v oblasti větrné energetiky se odvíjí hlavně z ekologického hlediska omezení následků spalování uhlí odsiřování likvidace následků kyselých dešťů ukládání popílku snížení produkce oxidu uhličitého má globální důsledky

4 Vítr – vznik větru vítr je pohyb vzduchu způsobený rozdíly atmosférického tlaku rychlost vzduchu závisí na velikosti rozdílu atmosférického tlaku v blízkosti zemského povrchu (výška 30 – 60 m) je vítr ovlivňován především: topografií oblasti kvalitou zemského povrchu nejdůležitějším údajem při využívání energie větru je jeho rychlost

5 Vítr – měření rychlosti větru
měření směru a rychlosti větru se běžně provádí na meteorologických stanicích standardní výška pro měření směru a rychlosti větru je 10 m měření směru větru se provádí směrovkou, která je součástí rychloměru pro měření rychlosti se nejčastěji používá anemometr (měří od rychlosti 1 až 2 m.s-1)

6 Vítr – měření rychlosti větru

7 Charakteristiky větru
rychlost větru je ovlivňována zemským povrchem a směrem k němu klesá v rovinném terénu pro rychlost větru platí: kde v* – průměrná rychlost větru ve výšce h nad zemským povrchem v*0 – průměrná rychlost větru ve výšce h0 exponent n závisí na drsnosti povrchu

8 Charakteristiky větru
pro snadnější výpočet jsou výše uvedené exponenty poměrné hodnoty rychlosti vyjádřeny korekčním součinitelem kh při odchylce údaje v referenční výšce 10 m

9 Energie a výkon větru energie pohybující se hmoty vzduchu se vyjadřuje vztahem kde v je rychlost vzduchu a m hmota. pro m platí vztah kde A – plocha, kterou daný objem protéká s – dráha, kterou urazí pohybující se vzduch

10 Energie a výkon větru výkon protékající jednotkovou plochou lze vyjádřit jako kde  výkon protékající jednotkovou plochou 1 m2 je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině rychlosti větru

11 Energie a výkon větru hustota vzduchu lze určit z barometrického tlaku a termodynamické teploty vzduchu kde r je plynová konstanta, pro vzduch asi 287 J.kg-1.K-1 barometrický tlak závisí na nadmořské výšce se stoupající výškou barometrický tlak klesá přibližně dle závislosti

12 Energie a výkon větru rychlost i výkon větru se na čase mění, proto pro energii větru protékající za dané období jednotkovou plochou platí vztah pokud se v daném časovém intervalu teplota a hustota vzduchu nemění, platí

13 E2 – pro průměrnou rychlost větru po celý rok
Energie a výkon větru závislost výkonu větru Pv protékajícího plochou 1 m2 na jeho rychlosti v přibližná závislost roční energie větru E1 protékajícího plochou 1 m2 na jeho průměrné rychlosti v* E2 – pro průměrnou rychlost větru po celý rok

14 Větrné motory Základní typy a jejich rozdělení
větrné motory se dělí z mnoha hledisek základní dělení je podle aerodynamického principu motory odporové patří mezi nejstarší mohou mít vodorovnou i svislou osu otáčení motory vztlakové vrtule a větrná kola s vodorovnou osou rovinou otáčení jsou orientovány kolmo ke směru větru

15 Větrné motory odporové
plocha nastavená proti větru mu klade aerodynamický odpor, proud vzduchu zpomaluje a na plochu je vyvozována síla, která je mechanicky přeměňována na rotační pohyb rotor Savonius rotor s krycím štítem

16 Větrné motory vztlakové
vrtule se nejčastěji vyskytují ve dvou nebo třílistém provedení čtyřlisté vrtule se využívají spíše z technologických důvodů v souvislosti s výrobou hlavy rotoru

17 Větrné motory vztlakové

18 Princip funkce větrných motorů
větrné motory se využívají k přeměně kinetické energie větru na mechanickou práci zpomalují proud vzduchu, který protéká jejich pracovní plochou a tím odnímají část jeho energie

19 Princip funkce větrných motorů
v prostoru omezeném proudovými plochami (viz. předešlý obrázek) se nepřenáší hmota ani energie a platí rovnice kontinuity ze zákona o zachování hybnosti lze odvodit axiální sílu působící na rotor pro výkon větru pak platí

20 Princip funkce větrných motorů
výkon určený ze změny kinetické energie proudu proteklého za sekundu kontrolní plochou je srovnáním rovnic pro výkon (a, b) vyplývá pro rychlost vztah

21 Princip funkce větrných motorů
pro axiální sílu působící na rotor pak můžeme psát pro výkon rotoru pak platí

22 Princip funkce větrných motorů
ideální účinnost dostaneme z poměru výkonu rotoru k výkonu větru (platí pro ideální rotor s nekonečným počtem lopatek pracujících bez aerodynamického odporu)

23 Princip funkce větrných motorů
výkonová charakteristika větrné elektrárny příklad výpočtu množství vyrobené energie

24 Využití větrných motorů
Výroba elektrické energie větrné motory pohánějí elektrické generátory malé větrné elektrárny se využívají na nabíjení baterií, čerpání nebo ohřev vody – pracují samostatně, jako jediný zdroj větrné elektrárny od výkonu nad 50 kW jsou převážně začleněny do elektrické rozvodné sítě Čerpání vody běžné využití pro potřeby zavlažování mimo vody se čerpají i jiné látky (chladiva v soustavách pro chlazení...) Mechanické pohony dřívější použití mletí obilí, pohon pil a dalších pracovních strojů

25 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren
pro výrobu elektrické energie se ve větrných elektrárnách využívají asynchronní a synchronní třífázové generátory rotory větrných elektráren jsou ve většině případů navrhovány s vodorovnou osou jako rychloběžné třílisté vrtule umístěné před stožárem natáčení rotoru proti větru se provádí pomocí elektrických nebo hydraulických motorů

26 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren
omezení výkonu větrného motoru při vysoké rychlosti větru se dosahuje natáčením listů rotoru okolo jejich podélné osy pevnými listy s regulací na odtržení proudu vzduchu rychlost větru 3 až 5,5 m.s-1 je minimální pro dodávání elektrické energie do sítě jmenovitý výkon se obvykle dosahuje při rychlostech větru 13 až 15 m.s-1 při rychlosti větru nad 25 m.s-1 se větrné motory odstavují

27 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren
větrné elektrárny jsou vybaveny mechanickou brzdou umístěnou za převodovkou na straně generátoru brzda je disková a spouští se pružinou při poklesu hydraulického tlaku při nárůstu otáček vlivem velké rychlosti větru se používají aerodynamické brzdy neubrzdí větrný motor do úplného zastavení zabraňují mechanickému přetížení rotoru stojící větrná elektrárna musí odolat větru o rychlosti 60 m.s-1

28 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren
malé větrné elektrárny o výkonech do 10 kW jsou dostatečně rychloběžné – používají se vícepólové synchronní generátory s permanentními magnety součástí je usměrňovač pro napájení akumulátorové baterie nebo autonomní stejnosměrné sítě o jmenovitém napětí 12, 24 nebo 120 V mohou být doplněny polovodičovým střídačem, umožňujícím napájení malých jednofázových spotřebičů

29 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren
ve větrných elektrárnách středních a velkých výkonů se k výrobě elektrické energie nejčastěji používají asynchronní motory s kotvou nakrátko, pracující v generátorickém chodu výhodou je vysoká provozní spolehlivost nenáročná údržba nízké pořizovací náklady dané jejich jednoduchostí pro elektrárny velkých výkonů nebo speciálního provedení se používají synchronní generátory s budícím vinutím na rotoru

30 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren

31 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren
větrné elektrárny pracující při konstantních nebo skoro konstantních otáčkách využívají maximálního výkonu větru pouze při jeho jedné rychlosti

32 Větrné elektrárny Elektrická zařízení větrných elektráren
změnu otáček potřebnou pro využití maximálního výkonu větru při všech jeho rychlostech umožňuje vložení měniče kmitočtu mezi svorky generátoru a síť Připojení elektrického generátoru k síti přímé přes měnič kmitočtu