PowerPoint bemutat

Veszprmi Kroly, Hunyr Mtys, Vajda Istvn BME Villamos Energetika TanszkA megjul energetika villamos rendszerei (BMEVIVEM262)TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048A Projekt az Eurpai Uni tmogatsval, az Eurpai Regionlis Fejlesztsi Alap trsfinanszrozsval valsult meg

12. rszSzlermvek222-1. Alapfogalmak szlermvekrl3

2-1. bra. a./ Egy vzszintes tengely szlerm fbb rszeib./ A gondola belseje a./b./A szlermvek a szl kinetikus energijt villamos energiv alaktjk t. Kt tpusa alakult ki a forgstengely szlirnyhoz (vagy a fld felsznhez) viszonytott helyzete alapjn:vzszintes (szllel prhuzamos) tengely (2-1. bra),fggleges (szlirnyra merleges) tengely.

Szlerm, szlgp, szlfarm (park) fogalma.A szlturbina (szlkerk) a szl kinetikus energijt forgsi munkv alaktja t. A vzszintes tengely szlturbink tpusait a 2-2. brn, a fggleges tengely szlturbink nhny lehetsges tpust a 2-3. brn lthatjuk

32-2.bra. Vzszintes tengely szlturbink. 4

Vzszintes tengely turbina esetn szksges a szlturbina forgsi skjt merlegesen belltani a vltoz szlirnyra a maximlis energiakinyers rdekben. Nagyobb teljestmnyek esetn a szlkerk s gondola elforgatst villamos szervohajtsokkal oldjk meg. Ennek a tpusnak tovbbi htrnya, hogy a nagysly fogaskerk tttelt s a genertort a nagymagassg torony tetejn kell elhelyezni (a gondolban), ami ersebb konstrukcit s nagyobb kltsgeket kvn meg. Ennek ellenre ma a nagyobb teljestmnyek tartomnyban villamos energiatermelsre szinte kizrlag a vzszintes tengely, hrom (esetleg kt) lapttal rendelkez megoldst alkalmazzk.

42-3. bra. Fggleges szlturbink nhny tpusa. 5

ELSDLEGESEN HZER TPUSELSDLEGESEN EMELER TPUSA fggleges tengely szlturbink htrnyai a vzszintes tengely megoldssal szemben pl.:az aerodinamikai hatsfoka rosszabb (azonos teljestmny esetn nagyobb mretet/kltsget ignyel),nem lehet, vagy nehezen lehet a kimen teljestmnyt szablyozni, Darieaus turbina esetn bonyolult a laptok gyrtsa, szlltsa, sszeszerelse.A fggleges tengely szlturbink nhny elnye a vzszintes megoldssal szemben:nem ignyel forgat mechanizmust a szlirny vltozsa miatt,a genertor a fldn (vagy annak kzelben) helyezhet el, ami olcsbb tornyot s knnyebb szerelhetsget eredmnyez,a laptkerk gravitcis ignybevtele nem vltozik a forgs sorn.

Kis teljestmnyek s/vagy klnlegesen zord krlmnyek esetn a fggleges tengely szlturbink versenykpesek lehetnek a vzszintes tengely megoldsokkal. Nhny kivteltl eltekintve a tovbbiakban csak a hrom (esetleg kt) lapttal rendelkez vzszintes tengely szlturbinkkal foglalkozunk

52-2. A levegben (szlben) meglv teljestmny 2-2-1. Fggleges szlprofil6

2-4. bra. Az atmoszfrikus hatrrteg szlsebessg profilja (s megoszlsa)62-2-2. A teljestmny szmtsa

2-5.bra. A szlermvek mreteinek nvekedse az id fggvnyben.7

72-3. A szlturbinbl kivehet teljestmny8

2-3-1. A leveg jellemzinek vltozsa a szlturbinn val thalads sorn (2-6. bra.)82-3-2. Az impulzus elmlet9

A 2-6. brn a szlturbina helyre A2 keresztmetszet flig tereszt trcst kell elkpzelni, amelyre az thalad leveg F ervel hat. szre kell venni azt az ltalnos szablyt, hogy a sebessgcskkens fele (av1) a turbina eltt, a msik fele a turbina utn kvetkezik be. A nyomer a trcsn v2 sebessg, axilis irny, virtulis elmozdulst okoz.A Cp=0,593 Betz-fle hatr sem rhet el valsgos szlturbinkkal olyan tovbbi aerodinamikai vesztesgek miatt, amelyeket csak egy pontosabb - a leveg tangencilis sebessgvel szmol - elmlettel vehetnk figyelembe (Schmitz).

9102-3-3. Gyorsjrsi tnyez

2-7. bra. A teljestmnytnyez fggse a gyorsjrsi tnyeztl, a turbina tpustl s a laptszmtl.10112-8. bra. A lgramlatok plyi egy hromlaptos szlturbina esetn.

A vzszintes tengely szlturbinknl a mrt jelleggrbk alapjn - egyrtelmnek ltszik, hogy az optimlis gyorsjrsi tnyez fordtott arnyban ll a a laptszmmal. E szerint megklnbztethetnk gyorsjrs (opt5~10) s lassjrs ( opt 1, max opt 3) szlturbinkat. Villamos energiatermels cljra ma szinte kizrlag gyorsjrs szlturbinkat alkalmaznak, mert ekkor kisebb ttteli viszonyszmmal rendelkez (s gy kisebb mret/sly, kltsg) fogaskerk tttelt lehet felhasznlni. Ugyanis a hagyomnyos villamos genertorok optimlis fordulatszma adott, pl. 1500/min krli.A 2-7. bra szerinti optimlis Cp s rtkek ltszlag ellentmondanak annak az egyszer fizikai megfontolsnak, hogy a levegbl annl tbb energit/teljestmnyt tudunk kivenni, minl tbb levegvel rintkeznek a forgrsz laptjai. Mivel a kevs laptszm szlturbinknl ltszlag a leveg nagy rsze akadlytalanul haladhat t a laptok kztt, ezrt a soklapt megoldsoknak minden fordulatszmon (gyorsjrsi tnyeznl) jobb teljestmnytnyezvel kellene rendelkeznik. Az ellentmonds feloldsa csak az impulzus elmletnl pontosabb fizikai elmlet alapjn adhat meg, amely mind a turbina forgst, mind a laptszmot figyelembe veszi (lsd 2-8. brt).

11122-3-4. A laptok mdost hatsa a lgramlatra

2-8. bra. A lgramlatok plyi egy hromlaptos szlturbina esetn.12132-3-5. A laptok szrnyszelvny alakjnak s a szlirnyhoz viszonytott szgnek szerepe2-9. bra. A lapt egy elemi szrnyszelvnynek kijellse.

A tovbbiakban egy dr vastagsg elemi szrnyszelvnyre hat (elemi) erket akarjuk vizsglni (2-9.bra). A krltte kialakul lgramlst, szlsebessgeket s jellegzetes szgeket a 2-10. brn vzoltuk. 1314

: tmadsi szg: a bzisvonal s a relatv szlsebessg kztti szg,: laptszg: a bzisvonal s a forgsi tengely kztti szg,: laptszg: a bzisvonal s a forgs skja kztti szg,= a relatv szlsebessg s a forgs skja kztti szg,+=90o, =+.(2-11)A szrnyszelvny feletti lgtmegeknek sokkal gyorsabban kell ramolniuk, mint a szelvny alatti tmegeknek, ahhoz hogy azonos idpontban rkezzenek a profil vghez. A Bernoulli trvny rtelmben a lapt alatt nyoms nvekeds, a lapt felett nyoms cskkens (szvhats) jn ltre. A kett eredjeknt egy dFE emel er hat az elemi szrnyszelvnyre, amely merleges a vr ered relatv szlsebessgre (ennek klnsen replgpeknl van nagy jelentsge). Az emel er nagyobb rszt a szvhats teszi ki.A szrnyszelvny tompa orrnl feltorldik a leveg, amely egy dFv visszahz ervel hat a szelvnyre.

14152-11. bra. Az emeler s a visszahz er tnyezinek vltozsa a tmadsi szg fggvnyben.

Az brn:CL CECD CVL/D CE/CVReplgpeknl nagy dFE/dFv viszonyszmra kell trekedni (2-11.bra) a nagy teherbrs s a minl kisebb szksges motor teljestmny rdekben. A lgcsatornkban vgzett mrsek szerint a szrnyszelvnyre hat elemi erk a relatv sebessg ngyzetvel, a leveg srsgvel s a szl irnyval szemben mutatkoz fellettel (tBdr)-rel arnyosak (2-11.bra). Kellen nagy dFE/dFv hnyadost csak nagy CE()/Cv() hnyadossal lehet biztostani. Ezt egyrszt a gondosan megvlasztott kicsi tmadsi szggel, msrszt aszimmetrikus szrnyszelvny-profil vlasztsval rhetjk el replgpeknl. Krds, hogy ezek a megllaptsok rvnyesek-e szlermvekre is?Szlermveknl nem a dFE s dFv, hanem a dFt tangencilis s dFax axilis irny elemi erhatsok fontosak, hiszen az elbbi a nyomatkot, az utbbi pedig a szerkezeti elemek ignybevtelt hatrozza meg.

15162-12. bra. Az elemi szrnyszelvnyre hat erk.

A replsnek sok vtizedes mltja van, s rengeteg mrsi eredmny, tapasztalat halmozdott fel ezen a terleten. A nagyon szoros hasonlsg lehetsget biztost arra, hogy az eredmnyeket tvigyk egyik kutatsi terletrl a msikra. A lgcsatornban vgzett mrsek (s a repls) sorn a 2-10 brn (szlermveknl) feltntetett szgek kzl egyedl az tmadsi szgnek van rtelme. A dFE, dFv s a dFt , dFax erkomponensek mind egy skban, az elemi szrnyszelvny skjban hathatnak. (Ez a sk pl. a 2-9. bra esetn vzszintes elhelyezkeds). Ebben a skban a dFE, s dFv elemi erk a vr relatv szlsebessg, a dFt , dFax elemi erk a forgs skja s tengelye ltal meghatrozott koordintarendszerben rtendk a 2-10-bra szerint. Az elemi er sszetevk kztti transzformci alapja az, hogy az elemi szrnyszelvnyre hat ered er ugyanaz, brmelyik koordintarendszerbl nzzk is. gy addik pl. a 2-12. brn lv (2-13) ltal meghatrozott tangencilis erhats dFE, s dFv ismeretben. A teljes forgrszre hat nyomatk (2-14) szerint numerikus integrlssal hatrozhat meg, a kpletben szerepl Ro sugr a 2-9. bra szerint rtend.

16

172-13 bra. A Cp teljestmnytnyez vltozsa a gyorsjrsi tnyez s a laptszg fggvnyben.

17182-4. Alapvet szablyozsi feladatok

2-14. bra. A szlturbink tipikus teljestmnyszlsebessg s nyomatk-szgsebessg diagramjai.I.II.III.A mai vzszintes tengely szlturbink szoksos PT-v (a bra) s MT-wT (b bra) diagramja a 2-14. brn lthat. A vi indulsi szlsebessgnl a turbina leadott teljestmnye kicsivel meghaladja a mgttes rendszer resjrsi mechanikai s villamos vesztesgeit. A vn az a legkisebb szlsebessg, amelynl a turbina kpes leadni a PTn nvleges teljestmnyt. A biztonsgi okokbl megszabott legnagyobb mkds alatti szlsebessget vmax-szal jelltk. Az I. tartomnyban (vi vvn) a szablyozs a szlben meglv energia/teljestmny maximlis kinyerst clozza meg. Ezt (Cp)max optwopt-ra szablyozssal rhetjk el, ami (2-8) rtelmben szlsebessggel arnyos fordulatszm/szgsebessg szablyozst jelent.A II. tartomnyban (vn< v vmax), hlzati zem esetn a szablyozs: teljestmny szablyozs PT=PTn= llandra. Ez a szablyozs vdelmi cl a mgttes genertor, teljestmnyelektronika, transzformtor stb. vdelme rdekben. A vn nvleges szlsebessget az adott helyszn szlviszonyainak ismeretben gazdasgossgi szempontok hatrozzk meg. Ezt a szlsebessg rtket addig rdemes nvelni, amg a vn-nel nvekv befektetsi kltsgeket fedezi a kinyert tbbletenergia. (vn szoksos rtkei: 10~13m/s.) Itt azt is figyelembe kell venni, hogy a nagyobb szlsebessgek ves elfordulsa nvekv szlsebessgeknl egyre kisebb.Szigetzemben (a II. tartomnyban) a fogyasztsnak megfelel teljestmnyre kell szablyozni a turbint.1819

2-14. bra. A szlturbink tipikus nyomatk-szgsebessg diagramjai.A III. tartomnyban, vdelmi clokbl wTwTmax szgsebessg korltozst szoks megvalstani, amely megakadlyozza a nagy centrifuglis erk okozta krosodst (ez a szablyozs a 2-14b bra alapjn rtelmezhet).A 2-14b. brn a turbina szablyozs nlkli MT-wT jelleggrbe seregt is brzoltuk klnbz szlsebessgekre. Ez a diagram mutatja, hogy az adott szlturbina szlsebessggel nvekv indtnyomatkkal rendelkezik, ami a 2-13-bra Cp rtkeibl, ill. teljestmnyeibl azrt nem lthat, mert wT0 esetn Cp 0 s MTwT=PT0.Lthatan a (Cp)max, illetve MTmax pontok nem esnek egybe.19202-5. Teljestmnyszablyozs a turbina segtsgvel2-15. bra. Teljestmny viszonyok a szlsebessg fggvnyben.

A teljestmny szablyozs szksgessgt s lehetsgeit a II. tartomnyban a 2-15. bra segtsgvel rthetjk meg. (A turbina utni mechanikai s villamos vesztesgektl ezttal tekintsnk el.)Az I. tartomnyban a szlben meglv teljestmny jelleggrbje pontosan az aerodinamikai vesztesgekkel jr magasabban a turbinbl kivehet teljestmny felett. A vn nvleges szlsebessg felett azonban a nvlegesnl nagyobb teljestmnyt adna le a turbina, ha az I. tartomny szablyozsi elvt kvetnnk tovbbra is. Ezt a tbbletteljestmnyt a mgttes rendszer tlterhelsnek elkerlse rdekben nem szabad beengedni a rendszerbe, vagyis mr a turbint kell PTn= llandra szablyozni.

Ez a kvetkez mdszerekkel rhet el:A szlkerk/gondola elforgatsa/elbillentse,A laptszg ( vagy ) vltoztatsa,Specilis szrnyszelvny alkalmazsa (stall szablyozs).Nagy teljestmnyeken ltalban az utbbi kt mdszert alkalmazzk, mg egszen kis egysgeknl hinyozhat az lland teljestmnyre szablyozs tartomnya, gazdasgossgi okok miatt.

20212-5-1. A szlkerk/gondola elforgatsa

2-16. bra. A teljestmny tnyez vltozsa a gondola szlirnybl val elforgatsa/elbillentse esetn.*Eddig pl. a (2-3), (2-6) sszefggsek levezetse sorn feltteleztk, hogy a szl sebessge merleges a szlkerk forgsi skjra. Ha a 2-16-bra jobb fels sarkban lv vzlatnak megfelelen a gondolt elforgatjuk (fellnzet), vagy elbillentjk (oldalnzet) egy szggel, akkor a sebessgre merleges (hatsos) fellet Acos-ra mdosul. Vezessk be a Cp*=Cpcos jellst, akkor klnbz szgek esetn a 2-16. brn lev Cp* rtkeket nyerhetjk a mrsek szerint. Megjegyeznnk, hogy nagy rtkek esetn Cp* cskkense nagyobb a cos ltal megszabott rtknl. Mi a tovbbiakban csak az elforgats esetvel foglalkozunk.Mire hasznlhat az elforgats?a./ Szlirny kvetsre, amelyre jellemz, hogy 5o-os szghiba 1%-nl kisebb teljestmny cskkenst eredmnyez, teht nem kell tl gyorsnak, tl pontosnak lennie a szlirny kvetsnek.Megjegyeznnk, hogy erre a clra az elbillents nem alkalmas.b./ Alkalmas-e teljestmnyszablyozsra a II. tartomnyban?A szlsebessg gyorsabban s gyakrabban vltozik, mint a szlirny. Ha ehhez hozzvesszk, hogy egyes vdelmi funkcik (pl. hlzat kimarads) esetn mg gyorsabb beavatkozsra lenne szksg, akkor megllapthat, hogy erre a clra nagy teljestmnyek esetn nem alkalmas ez a beavatkozsi mdszer. Ugyanis pl. egy 850kW-os szlerm gondoljnak 22 t, szlkereknek 10 t a tmege. Az utbbi esetben 15m-re becslve a laptok tmegkzppontjainak egyenrtk sugart, lthatlag hatalmas nagy tehetetlensgi nyomatkot kellene forgatni, ami vagy nagy teljestmnyeket s ignybevteleket jelentene (nagy kltsgek mellet), vagy megelgednnk a lass forgatssal, ami energiavesztesget s a laptok jelents tbblet ignybevtelt jelenten nagy szghiba esetn. Ehhez jrul mg az is, hogy viszonylag jelents szgelfordulst kell megtennie a szlkerknek jelents teljestmny vltoztatshoz (pl. 50%-os teljestmny vltoztats >40 szgvltozst ignyelne). Teljestmnyszablyozsra a szlkerk elforgatst ritkn s csak kisebb teljestmnyeken hasznljk.

21222-17. bra. A gondola belsejnek rszletei a forgat mechanizmussal.

A szlirny kvetshez szksges elforgats technikai megoldsa a 2-17. brn tanulmnyozhat.A torony tetejn egy grgs, vagy cssz talpcsapgy teszi lehetv a gondola elfordulst (ez a talpcsapgy az brn nem lthat). Ugyancsak a torony tetejhez van erstve egy fogas-gyr (amely lehet kls, vagy bels fogazs is). A gondolban lv gpalaphoz rgztett (egy vagy tbb) motor bolygkerekes tttelen keresztl egy kis fogaskerkkel kapcsoldik a torony tetejhez erstett fogasgyrhz. Az ered tttelt gy vlasztjk meg, hogy a motor(ok) forgsakor a gondola maximum 0,5/s szgsebessggel forogjon.A szlirny kvets pozci szablyozssal oldhat meg, amelynl az alapjelet a gondola tetejre szerelt szlirny rzkel adja, a visszacsatol jelet pedig a gondola pozci rzkelje. A gyakori kis elfordulsok felesleges irnybevteltl gy kmlhetjk meg a rendszert, ha a szghiba egy adott kszbrtke alatt nem kell a szablyozsnak beavatkoznia.A msik megoldand feladat a villamos energia kivezetse a gondolval egytt elfordul genertorbl a talajhoz, vagy a toronyhoz rgztett transzformtorhoz (s egyb berendezsekhez). Ennek legelterjedtebb megoldsa: hossz, laza, elcsavarodsra is alkalmas kbelekkel biztostja ezt a flexibilis kapcsolatot. A mai 50-120m magas szlermvek eleve ignylik a hossz kbeleket, de gy is korltozni kell az egy irnyban val elfordulst pl. 1~3 fordulatra (amelyet kln rzkelni kell).Nagy teljestmnyeken (nagy kbelramok esetn) a merevebb kbelek miatt szksg lehet ms megoldsokra is. Lehetsges pl. csszgyrk s kefk alkalmazsa, amikor nincs szksg az egy irnyban tett fordulatok korltozsra. A csszgyrs villamosgpekhez viszonytva a cssz alkatrszek ignybevtele (s gyakorisga) itt lnyegesebb kisebb.

22232-5-2. A laptszg vltoztatsa

2-18. bra. A laptszg szablyozs elve.23242-19. bra. Szervo igny laptszg szablyozs blokkvzlata.

A laptok hajtsa tbbfle lehet.Egyedi hajts: minden laptnak kln hajtmotorja van. Itt jelentkezhet aerodinamikai aszimmetria a laptok kztt.Kzs hajts: egy motorral. Ez bonyolultabb mechanikt ignyel.Hidraulikus mkdtets: kis s kzepes teljestmnyeken. Ez a megolds a pozci tartsakor nem ignyel energit. A lapt visszalltsa rugval trtnik, ami energia kimarads esetn jelent fokozott biztonsgot.Villamos motoros mkdtets esetn lehetsges a ktirny hajts. Ilyenkor a hajts a pozci tartshoz is ignyel energit.A laptszg szablyozshoz szksges motor teljestmnye kb. 0,05 Pn, ami pl. 1MW-os szlturbina esetn 50kW lehet. A laptszg szablyozs gyors s pontos beavatkozst ignyel (lttuk 0,5Pn vltozs mr =7 szgvltozssal elrhet), vagyis ez egy szervo-igny pozci szablyozs. Egy ilyen ignyes szervohajts blokkvzlata lthat a 2-19. brn.A tbb alrendelt hurkokkal br szablyozs gyors beavatkozst tesz lehetv.Minden knyes mennyisg (, w, i, uv) korltozhat.Az ram s fordulatszm szablyozs PI kompenzls, a pozci szablyozs PD kompenzl elemeket engedlyez.Az Mfk nyomatk a frekvenciavlts szervomotor blokkjnak egyik bemenjele.A szervohajtst egyrszt norml zemre, msrszt szksg (vsz) zemre mretezik. Az elbbi szgsebessge kb.: wn0,1~0,2 rad/s, az utbbi: wsz0,2~0,4 rad/s.

24252-20. bra. A szlturbina-genertor fhajts blokkvzlata laptszg szablyozs esetn.

A laptszg szablyozst elssorban a II-es tartomnyban mkdtetik, amikoris a a alapjelet egy flrendelt teljestmny szablyozkr hibajele szolgltatja.

25262-5-3. Stall szablyozs (specilis szrnyszelvny alkalmazsa)2-21. bra. A szlsebessgek hromszge, s jellegzetes szgek.

A 2-11. brn lttuk, hogy a CE/Cv hnyados (s gy az Ft, MT s PT) csak addig kedvez (nagy), amg az tmadsi szg kicsi. Ez a szg kzvetve a laptszgn keresztl is vltoztathat, ha forgathat a lapt gy, ahogy azt az elz 2-5-2. pontban feltteleztk. Ezttal azonban vizsgljunk fix laptozs szlturbint. A szlsebessg viszonyokat a 2-21. brn vzoltuk.Ttelezzk fel, hogy aszinkron genertorunk van, amely az lland frekvencij hlzatra kzvetlenl kapcsoldik s a wGll. szgsebessg az tttelen keresztl a turbinra is wTll. szgsebessget knyszert. A fix (el nem forgathat laptozs) =lland laptszget jelent, amelyet a tovbbiakban bemutatott clnak megfelel rtkre kell vlasztani. A (2-20) sszefggs alapjn a v1 szlsebessg nvekedsekor nnie kell a sebessghromszg szgnek, s =ll. miatt nnie kell az tmadsi szgnek is. Ez pedig helyes mretezs esetn a PT turbina teljestmny korltozshoz vezethet.

26

272-22. bra. Adott szlsebessg felett rvnyls alakul ki a lapt htoldaln.

A stall szablyozs fizikai magyarzatt a 2-22. brn tanulmnyozhatjuk. Kis szlsebessgen az emeler (s gy a nyomatk) nagyobb rszt a lapt htoldaln fellp szver hozza ltre, amit a jobb als brn az sszesrsd, s a lapt fellethez nagyon kzeli ramvonalak szemlltetnek. Itt a tervezk az elrhet legjobb aerodinamikai hatsfokra trekednek.Nagyobb szlsebessgen (vn felett) az tmadsi szg adott rtknl a lgramlat egy rsze levlik a lapt htoldalrl a lapt vgtl kezdden s rvnyls alakul ki. Ez az emeler CE egytthatjnak cskkenshez s a visszahz er Cv egytthatjnak nvekedshez vezet. A szlsebessg nvekedsvel az elvlsi pont, s gy az rvnylsi zna egyre jobban elrehalad a lapt orra fel, teht a CE/Cv hnyados egyre jobban cskken. Vagyis a tervezk gy vlasztjk meg a szrnyszelvny profiljt s a fix szget, hogy a nvleges szlsebessg felett a turbina aerodinamikai hatsfoka jelents mrtkben cskkenjen, s gy a szlsebessg nvekedse ellenre a PT teljestmny kb. lland maradjon.

27282-23. bra. A laptszg szablyozs s stall-szablyozs jelleggrbinek sszehasonltsa.

A 2-23. bra szerint a stall-szablyozssal nem rhet el olyan pontos teljestmny szablyozs mint a laptszg vltoztatsval. E miatt a nvleges teljestmnynl nhny szzalkkal nagyobbra kell mretezni a szlermvet.Ez a szablyozsi md egyszer, olcs s megbzhat. Nem kell beavatkozni, a korltozs a szlsebessg nvekedsvel automatikusan elll. Kb. D=50m tmrig alkalmazzk (max ~1,5MW-ig), mert e felett jelents rezgsek lpnek fel a turbina laptjain, amelyek a kifrads tjn rvid id alatt tnkretehetik a szlkereket. Ugyanez az oka annak is, hogy a merevebben fordulatszmtart szinkron genertorok nem hasznlhatk a stall-szablyozshoz.

28292-6. A ma hasznlatos szlerm tpusok

(2-24. bra)

A ma hasznlatos szlerm tpusok a 2-24. brn lthatk. Az egyes tpusokon bell tbb egymstl kiss eltr vltozat is ltezik, amelyeket azonban csak egy-egy esetben emltnk meg.A ngy tpus kzs jellemzje, hogy ltalban 2~3 fokozat tttelre van szksg a szlturbina s a genertor kztt. Kzs jellemz az is, hogy a genertorok tbbsge ma mg 690V vonali effektv rtk feszltsgre kszl (praktikus okok miatt) ezrt transzformtort kell beiktatni, hogy a feszltsg szintjt felemeljk a kzpfeszltsg eloszt hlzat, vagy a szlpark gyjt hlzatnak 20~25kV-os szintjre.2-6-1. A tpus szlermvekEnnl a tpusnl a kalicks forgrsz genertor kzvetlenl (azaz frekvenciavlt nlkl) csatlakozik a hlzatra. A kis forgrsz tekercsvesztesg rdekben kis szlip (kis rotor ellenlls) gpet alkalmaznak. Az lland hlzati frekvencia miatt, az 1~2%-os szlip ellenre a genertor fordulatszma kzeltleg llandnak tekinthet. Mivel az aszinkron genertor meddteljestmnyt ignyel, ennek kompenzcijt clszer az ermvn bell pl. kondenztor telepekkel megoldani.Az A tpus szlermveknl ltalban fix laptozst s stall teljestmny szablyozst alkalmaznak. Ezt a tpust szoks dn tpus szlermnek is nevezni.Ilyen tpus szlermveket gyrtanak tbbek kztt a Nordex, Bonus, Ecotechnia, Siemens cgek.29302-25. bra. A ktoldali knyszer szemlltetse, s megszntetsnek lehetsges mdjai.

A 2-25. brn a szlgenertorok egy ltalnos blokkvzlata lthat, amelybl gondolatban egyenlre hagyjuk ki az FV jel frekvenciavltt.Az fHwGwT knyszer miatt (2-8) rtelmben csak egyetlen v szlsebessgen teljeslhet opt s (Cp)max elrse.A merev rendszer miatt a nyomatk s teljestmnylksek gyakorlatilag gyengtetlenl terjedhetnek mindkt irnyban, amelyek nagy mechanikai s villamos ignybevteleket okozhatnak (s nagy tlmretezst ignyelnek).Hogy a ktoldali knyszer ellenre ezek a kellemetlen tulajdonsgok ne jelentkezhessenek, a merev rendszert rszben vagy egszben fel kell vgni valahol. A 2-25. bra az 1, 2 s 3 lehetsgeket mutatja. Az ttteli viszonyszm diszkrt vltoztatsi lehetsgeivel ma mr ritkn lnek a gyrt cgek, mert a nagyteljestmny, kltsges fogaskerk tttelek norml esetben is knyes s srlkeny rszei a szlermnek. A korbbi megoldsok kt ttteli viszonyszm kzli vlasztst tettek lehetv.

30312-26. bra. Kalicks forgrsz aszinkron genertor plusszm vltoztatsa szlermvekben.

A tpusAz A tpus szlermveknl a rendszer felvgst a genertornl (2-vel jellt helyen) valstjk meg. Ennek a kvetkez megoldsai lehetsgesek.A genertor llrsz tekercsei kzppont megcsapolssal kszlnek, amely a Dahlander elv alapjn 1:2 arny (szinkron) szgsebessg vltst tesz lehetv. Ez az arny sajnos nem optimlis az energiakinyers szempontjbl.Kt klnbz plusszm genertor kapcsoldhat az tttelhez alternatv mdon (egy nvleges teljestmny s egy kisebb teljestmny). Ennek a megoldsnak a mechanikai rsze bonyolult s kltsges.Egy genertor llrszben kt klnbz plusszmra (pl. 2p=4 s 2p=6-ra) ksztett tekercs van. Ekkor az llrsz kihasznlsa rossz, br az alacsony fordulatszmon alkalmazott tekercs itt is lnyegesen kisebb teljestmny a nvlegesnl. A b./ s c./ megoldsok (villamos) kapcsolstechnikai szempontbl egyformk, gy a 2-26. bra mindkt esetre vonatkozhat.A plusszm vltoztatsa a 2-26. bra szerint csak rszben javtja az energia kinyerst, hiszen az optimlis zem csak kt diszkrt szlsebessgen rhet el. A tbbi szlsebessgen CpwTopt, azaz > opt rtkek rknyszertsvel (lsd 2-31. bra A6, A7 s A8 pontjait). Arra gondolva, hogy a centrifuglis er okozta ignybevtel a szgsebessg ngyzetvel arnyosan nvekszik, ez a szablyozsi md feleslegesen rendkvl nagy tlmretezst ignyelne a forg egysgekben. Ezzel szemben laptszg szablyozssal a v6, v7 s v8 szlsebessgek B6, B7 s B8 munkapontjainak teljestmnyt gy tudjuk a PTn nvleges rtkre lecskkenteni, (az N jel pontban) hogy kzben wT szgsebessg lland (pl. a nvleges) marad. Vagyis a 2-29. bra szerint ltalban szksg van mind frekvenciavltra, mind laptszg szablyozsra, amit mg az egyttes alkalmazs tovbbi elnyei is altmasztanak:vszhelyzet esetn egyms tartalkt kpezik,knnyebb, jobb indts rhet el,a frekvenciavlt lnyegesen megnvelheti a laptszg szablyoz lettartamt.Az utbbi elny a II-es tartomnyban realizlhat, ha a kt szablyozs egyttmkdse a kvetkezkn alapul.Kicsi s gyors vltozst a frekvenciavlt kezeli le, amelyiknek a beavatkozsa gyors, s nem elhasznld alkatrszekbl ll. A forg egysgeket a nvlegesnl pl. w=10%-kal nagyobb szgsebessgre kell mretezni.Nagy s lass vltozsokkor a laptszg szablyozs lltja helyre a PT=PTn rtket. A helyes egyttes mkds gy rhet el, hogy a laptszg szablyozs csak ksleltetssel s egy kszbrtk felett avatkozik be.

36372-6-4. C tpus szlermvek2-32. bra. A ktoldalrl tpllt aszinkron genertor teljestmny ramlsnak tnyleges irnyai.

37382-32. bra. A ktoldalrl tpllt aszinkron genertor teljestmny ramlsnak tnyleges irnyai.

A nagyteljestmny frekvenciavlt a szlermvek egyik legdrgbb alegysge, fontos teht hogy azt minl kisebb teljestmnyre kelljen mretezni. Ha elhanyagoljuk a forgrsz tekercsels sajt (bels) vesztesgeit, akkor PR a frekvenciavltn thalad teljestmnyt jelenti, amelyre a mretezst vgezni kell. A fordulatszmot a viv vn I-es tartomnyban a szlsebessggel arnyosan kell vltoztatni. A szoksos szlviszonyokat s a gazdasgossgot figyelembe vve ltalban:vi/vn1/2,(2-24)vagyis durvn 1:2 arny fordulatszm tartomnyra van szksg. Els kzeltsknt, ha a szlipet 0,3 tartomnyban vltoztatnnk (wmin0,7, wmax1,3) akkor a rotorkri frekvenciavltt a nvleges teljestmny kb. 30%-ra kellene mretezni. Ez risi gazdasgi elny a D tpus szlermvekkel szemben, ahol mint emltettk a frekvenciavltt a teljes (100%-os) nvleges teljestmnyre kell tervezni.

38392-33. bra. A ktoldalrl tpllt aszinkron genertor forgrszn thalad teljestmny a szgsebessg fggvnyben.

39402-34. bra. A ktoldalrl tpllt aszinkron genertor teljestmnyviszonyai a szinkron fordulatszm alatt (s=0,3).

A ktoldalrl tpllt aszinkron genertor szmszer teljestmnyviszonyait brzoltuk a 2-34. s 2-35. brkon a (2-23a,b) kpleteknek megfelelen. Az egyszersg rdekben mind kt esetben feltteleztk, hogy a gp teljes vesztesge kzeltleg a Ps llrsz teljestmny 10%-a. Mindkt esetben a PmPT teljestmnyt tekintettk viszonytsi alapnak azaz 100%-osnak, abszolutrtkeik klnbsgt az brkon (2-25) alapjn Pm mretklnbsgei rzkeltetik. 40412-35. bra. A ktoldalrl tpllt aszinkron genertor teljestmnyviszonyai a szinkron fordulatszm felett (s=-0,3).

A rendszer szinkron fordulatszm alatti esetben alacsonyabb (pl. 87%-os) hatsfokkal zemel, szemben a szinkron feletti (pl. 93%-os) hatsfokkal. Ennek magyarzata az, hogy az s=0,3 esetben a PR teljestmny vesztesget is okozva csupn a rendszeren bell cirkull, de nem addik t a hlzatnak, ellenben az s=-0,3 esetben a hlzati teljestmny: PH=Ps+PR. Ez a hatsfok klnbsg hatrt szab annak, hogy az I-es tartomny mekkora rsze nyljon a W1 szinkron fordulatszm al (2-33. bra).41422-6-5. A frekvenciavlt ramirnytinak lehetsges feladatmegosztsa

2-36. bra. A D tpus szlerm ramirnyti kztti feladatmegoszts.A szlermvekben alkalmazott frekvenciavltk ltalban ktszint feszltsggenertor tplls inverterekbl plnek fel, az alkalmazott vezrelt flvezet elem az IGBT. jabb fejlesztseknl, a legnagyobb teljestmnyeken mr kezdik alkalmazni a hromszint feszltsginvertereket, valamint az IGCT flvezetket.A tovbbiakban a gpoldali ramirnytt G-val a hlzatoldalit H-val jelljk.Ma a leggyakrabban alkalmazott szablyozsi elv mind G, mind H esetben a mezorientlt szablyozs. Ez lehetv teszi (megfelel kompenzcik alkalmazsval), hogy a hromfzis ramvektor kt merleges sszetevjt egymstl fggetlenl lehessen szablyozni a gpre jut feszltsgeken keresztl. A kpzeletbeli descartesi koordintarendszert lehet rgzteni a szinkronforg feszltsg, vagy fluxusvektorhoz. Az egyik ramsszetevvel (Iw) a hatsos, a msik sszetevvel (Im) a medd ram, illetve a teljestmnyek (P, Q) szablyozhatk.A D tpus szlermben (2-36.bra) a G ramirnyt Iw ramsszetevjnek szablyozsval: a PHaMwGwT sszefggseken keresztl opt, ill. (Cp)max tartsa rhet el az I-es tartomny minden szlsebessgn. Az Im ramsszetevvel szablyozhat vagy a genertor meddteljestmnye QG, vagy az llrsz Us feszltsge. Az elbbi cosG=1 esetn a legolcsbb genertort, mg az utbbi lland feszltsg ignybevtelre val mretezst tesz lehetv. Ezek a szablyozsok nem hatnak (kzvetlenl) a hlzati meddteljestmnyre.

42432-37. bra. Az Ue feszltsg llandsga jelzi a teljestmnyek egyenslyt.

A H ramirnyt Im ramsszetevjvel szablyozhat a QH hlzati meddteljestmny szolgltats vagy felvtel. Az Iw ramsszetevvel a kzbens kr Ue feszltsgt tartjk lland rtken. Ennek egyik indoka az, hogyha az Ue egyenfeszltsg nem nagyobb a hlzati feszltsg vonali cscsrtknl (Uv cscs), akkor megsznik a H vezrelhetsge. A msik ok, hogy a vesztesgek elhanyagolsval a turbina ltal termelt teljestmny s a genertor ltal a hlzatnak tadott teljestmny egyenslya legegyszerbben s legrzkenyebben az Ue feszltsg llandsgval biztosthat. Ugyanis a G ramirnyt rama tlti, a H ramirnyt rama kisti a Ce kondenztor tltst (2-37.bra).

43442-38. bra A C tpus szlerm ramirnyti kztti feladatmegoszts.

A C tpus szlerm (2-38.bra) H ramirnytjnak szablyozsi feladatai csaknem pontosan megegyeznek a D tpus szlerm H ramirnytjnak feladataival. A klnbsg annyi, hogy itt ez az ramirnyt csupn a rotor oldal fell rkez QR medd teljestmnyt szablyozza, ami ltalban csak egy rsze a teljes hlzatnak tadott medd teljestmnynek.A G ramirnyt Iw hatsos ramsszetevjvel ezttal is (Cp)max-ra szablyoznak a szlip, ill. fordulatszm szablyozson keresztl. Az Im medd ramsszetevvel vagy pontosan fedezik az aszinkron genertor meddteljestmny ignyt, vagy nagyobb QHa alapjel segtsgvel ezen az ton is lehet medd teljestmnyt tovbbtani a hlzat fel.

44452-7. Szlerm-hidrogn hibrid rendszer

2-39. bra. A szlerm-hidrogn hibrid rendszer egy lehetsges elrendezse. A hibrid rendszer szksgessgnek okai.Rendszerirnytsi gondok (szksg van energiatrolsra).Magyarorszg ermparkja rugalmatlan (pl. 3000MW alaperm).Gondok kicsi s zrus szlsebessg esetn: hasznlni kell a drgbban termel ermveket is.Gondok nagy szlsebessg esetn: a ktelez tvtel miatt vissza kell szablyozni a gazdasgosan termel ermveket is. Ennek biztonsgi s lettartambeli kockzatai is vannak.A szlermvek kimen teljestmnye csak lefel szablyozhat (az aktulisan kinyerhet maximlis teljestmny alatt).A szlermvek a hermveknl nagyobb |dP/dt| gradienssel rendelkeznek.Nvekv igny van hidrognre.Krnyezetbart kzlekeds.Egyb clok (vegyipar, helyi energiatermels).

Az elektrolizl cellk ma leggyakrabban hasznlt tpusai:lgos (KOH vizes oldata) az elektrolit,szilrd, polimer alap az elektrolit (PEM),az elektrolit szilrd oxid, vagy kermia (SOEC).

4546

2-40. bra. a) A lgos elektrolizl cella mkdsnek alapelve. b) Egy elektrolizl cella tipikus feszltsg-ram jelleggrbi egy magasabb s egy alacsonyabb hmrskleten.a)b)Reakci az andon:,

reakci a katdon:

Egy elektrolizl cella mkdsi feszltsge kb. 1,4~2V, amely nemlineris fggvnye az ramsrsgnek, a hmrskletnek s a nyomsnak (lsd 2-40/b. brt).

46

47

2-41. bra. Feszltsgcskkent DC/DC talakt.Az elektrolizl cellk kis feszltsgt illeszteni kell az energiaelltsban szoksos feszltsg szintekhez. A durva illeszts trtnhet a cellk soros kapcsolsval, de ennek meg vannak a negatvumai s korltai is. A finom illeszts, s az elektrolizl ramszablyozsa feszltsgcskkent egyenram/egyenram talaktval lehetsges (lsd pl. 2-41.brt).Az energit hidrognben (kmiai formban) trolhatjuk. A hidrogn energiatartalma (ftrtke, HHV-je) 142MJ/kg, ami messze meghaladja ms energiahordozk energiatartalmt (pl. a fldgz hasonl jellemzje 57 MJ/kg, a benzin 45MJ/kg). A H2 pl. helyben zemanyagcellk segtsgvel (a szlermben) visszaalakthat villamos energiv cscsidszakokban, vagy elszllthat pl. gpkocsi vagy autbusz zemanyagtlt llomsokra.

4748

2-42. bra. zemanyagcellk jellemz teljestmnyei s alkalmazsi terletei.A leggyakrabban hasznlt hidrognalap zemanyagcellk (az angol nyelv hivatkozssal):proton tereszt (cserl) membrnos: PEMFC,kliumhidroxidos elektrolit: AFC,kzvetlen metanolt alkalmaz: DMFC,foszforsavas elektrolit: PAFC,olvadt karbontos elektrolit: MCFC,szilrd oxidos (kermia) elektrolit: SOFC.A felsorolt zemanyagcellk alkalmazsi terletei, elnys tulajdonsgai s szoksos teljestmnytartomnyai a 2-42. brn lthatk.

4849

2-43. bra. Protontereszt membrnos zemanyagcella (PEMFC) elvi felptse.A PEM zemanyagcella elvi felptst vzoltuk a 2-43. brn, az elektrdkon lejtszd reakcik:

az andon:a katdon:a teljes reakci: . .

49

50

2-44.bra. A PEM zemanyagcella feszltsgei az ramsrsg fggvnyben.A PEM-zemanyagcella idelis resjrsi feszltsge, 20~25C-on 1,23V (a 2-40. brval megegyezen), ha cseppfolys vz a vgtermk (HHV). Mindazok az irreverzibilis folyamatok (tlfeszltsgek), amelyek az elektrolzisnl zemi krlmnyek kztt az 1,23V-nl nagyobb bemen feszltsget ignyeltek egy-egy adott ramsrsgen, az zemanyagcellknl ellenkez eljellel jelentkeznek, s cskkentik a kapcsokra kijut feszltsget. Egy PEM-zemanyagcella feszltsg-ramsrsg jelleggrbje a 2-44.brn lthat.Az zemi feszltsg: 0,6VU0,8V, tipikusan U0,65V.

5051

2-45. bra. Feszltsgnvel DC/DC talakt.A kisfeszltsg feszltsgforrst a cellk soros kapcsolsval, s feszltsgnvel egyenram/egyenram talaktval kell illeszteni a szoksos feszltsgszintnek megfelel Ue rtkhez (2-45.bra).

5152

2-46. bra. Ktnegyedes DC/DC talakt.Az zemanyagcellk knyes elemek, s lettartamuk cskkense miatt vni kell pl. a:gyors terhelsvltozstl,nagy ramsrsgtl,alacsony frekvencij (f