Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd Praca dyplomowa, ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ
POLITECHNIKA POZNAŃSKA
Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania
Instytut Mechaniki Stosowanej
PRACA DYPLOMOWA – MAGISTERSKA
Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu
wirnika aerogeneratora na prąd.
Student: Wojciech ADAMCZAK
Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn
Specjalność: Mechatronika
Kierujący pracą: prof. Czesław CEMPEL
Koreferent: dr inż. Maciej TABASZEWSKI
1
W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ
POZ
Wojciech ADAMCZAK :
Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika
aerogeneratora na prąd elektryczny.
SPIS TREŚCI
Streszczenie / Introduction ........................................................................................................1
I. Wstęp .....................................................................................................................................2
II. Miejsce energetyki wiatrowej we współczesnym świecie ....................................................2
2.1 Ogólny zarys proekologicznych tendencji ....................................................................2
2.2 Polityka energetyczna państwa, dyrektywy unijne, prognozy rozwoju ........................5
2.3
Uwarunkowania środowiskowe do wykorzystania aerogeneratorów.............................8
2.4
Wnioski ...........................................................................................................................9
III.
Efektywność przetwarzania energii strugi powietrza na prąd w znanych aerogeneratorach
małej mocy .........................................................................................................................11
3.1. Efektywność przetwarzania, teoria , sposób obliczeń..............................................11
3.2. Opracowanie danych technicznych popularnych instalacji .....................................15
3.3. Opracowanie danych technicznych rzadko spotykanych instalacji,.........................18
3.4. Efektywność przetwarzania energii w aerogeneratorach VAWT ............................22
3.5. Szacunek kosztów wytwarzania energii w siłowni wiatrowej .................................29
3.6. Wnioski ....................................................................................................................30
IV.
Koncepcje przetwarzania ruchu wirnika na prąd – stosowane rozwiązania
......................31
4.1. Czynniki decydujące o wyborze danego rozwiązania .............................................31
4.2. Stosowane obecnie rozwiązania, ogólna charakterystyka generatorów ..................31
4.2.1. Generatory asynchroniczne ..................................................................................32
4.2.2. Generatory synchroniczne ....................................................................................36
4.2.3. Generatory przeznaczone do pracy na sieci wydzielonej .....................................39
4.3 Wnioski .....................................................................................................................40
V. Podatność wirników aerogeneratora na bezpośrednie przetwarzanie .................................42
5.1 Warianty konstrukcyjne wirnika aerogeneratora .......................................42
5.2 Podatność wirników aerogeneratora na bezpośrednie przetwarzanie ........43
5.3 Wnioski .......................................................................................................48
VI. Propozycje realizacji idei bezpośredniej generacji prądu.................................................. 50
6.1 Proponowane konstrukcje dla sieci zawodowych ...............................................50
6.2 Bezpośrednia generacja prądu z ruchu wirnika dla aerogeneratorów HAWT.....51
6.3 Bezpośrednia generacja prądu z ruchu wirnika dla aerogeneratorów VAWT ....54
6.4 Bezpośrednia generacja prądu z energii wiatru za pomocą el. piezo. .................57
2
W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ
6.5 Wnioski ...............................................................................................................60
VII. Podsumowanie ............................................................................................................61
7.1 Elektrownie przeznaczone do pracy w sieci zawodowej ....................................61
7.2 Turbiny do pracy w sieci wydzielonej.................................................................62
7.3 Generacja prądu z energii wiatru bez wykorzystania wirników .........................63
7.4 Wnioski ...............................................................................................................63
Literatura / źródła .....................................................................................................................65
Spis rysunków ..........................................................................................................................69
Spis tabel ..................................................................................................................................70
Załącznik1 ................................................................................................................................71
Załącznik2 ................................................................................................................................74
Załącznik3 ................................................................................................................................76
Załącznik4 ................................................................................................................................77
Załącznik5 ................................................................................................................................79
Załącznik6 ................................................................................................................................85
3
W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ
Wprowadzenie.
Tematem tej pracy dyplomowej są:
Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany
ruchu wirnika aerogeneratora na prąd.
W pierwszej części pracy przedstawiono sytuację na rynku energii oraz pozycję
energetyki wiatrowej na tle innych odnawialnych źródeł energii.
W dalszej kolejności zostały przedstawione istniejące, charakterystyczne konstrukcje
wirników aerogeneratorów. Zostały one porównane ze sobą. Zastosowano podział na
elektrownie pracujące dla sieci zawodowych oraz dla sieci zamkniętych. W porównaniach
korzystano z danych technicznych podawanych przez producentów bądź dystrybutorów
elektrowni wiatrowych.
W kolejnej części pracy zaprezentowano stosowane metody przetwarzania ruchu
wirnika na prąd w elektrowniach dużej i małej mocy. Przedstawiono również stosowane
warianty konstrukcyjne oraz oceniono je pod kątem podatności na zrealizowanie za ich
pomocą bezpośredniego przetwarzania ruchu wirnika na prąd.
W ostatniej części pracy zaprezentowano, teoretycznie możliwe do zastosowania
rozwiązania bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora, oraz generacje
prądu z energii wiatru przy użyciu elementów płaskich. Dokonano oceny rozwiązań pod
kątem ewentualnych zysków i strat, a także rozważono możliwości zastosowania ich w
praktyce.
Introduction.
The subject of this master’s paper is :
The ability and effectiveness of the direct
exchange of wind motor movement into electric current.
In the first part of this paper the situation on the power market and the position of wind
energy is presented on the background of other renewable energy sources.
Later, some existing characteristic constructions of aerogenerator’s rotors are presented
and compared. A division into power plants working for proffessional networks and for
closed networks. In comparisons the technical data given by producers and distributors of
wind power plants were used.
In the next part of this paper some methods of transforming the rotor’s movement into
electric current applied in power plants of big and small power are presented. There are also
shown some used constructional variants, which are evaluated from the point of view of
their usefullness in the realisation of direct exchange of rotor’s movement into power.
In the last part of this paper there are presented some theoretically possible solutions
which can be used to produce power directly from aerogenerator’s rotor’s movement and to
produce power from wind energy with the use of flat elements. An evaluation of solutions
from the point of view of profits of losses was carried out and, what is more, some
possibilities of their usage in practice were considered.
4
W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ
I.
Wstęp.
Elektrownie wiatrowe są jednym z przyszłościowych rozwiązań w dziedzinie
energetyki. Mają zapewnioną istotna pozycje w programach strategii energetycznej dla
krajów zachodnio europejskich. Liczne programy prowadzone w Europie mają na celu
promowanie tego sposobu pozyskiwania prądu elektrycznego a poszukiwanie bardziej
efektywnych rozwiązań konstrukcyjnych samych aerogeneratorów staje się istotnym
punktem programów proekologicznych w wielu krajach.
Jednakże aerogeneratory to nie tylko wielkie elektrownie stworzone z myślą o energetyce
zawodowej. Wiele zastosowań mogą znaleźć systemy stworzone do pracy w układach
zamkniętych (podgrzewanie zbiorników wodnych, ładowanie pieców akumulacyjnych,
zasilanie pomp nawadniających).
Aerogeneratory nastawione na pracę w układach zamkniętych nie muszą generować
prądu o ściśle ustalonych, niezmiennych parametrach wymaganych w sieciach
przesyłowych. Pozwala to na większą swobodę przy projektowaniu tych urządzeń i
ułatwia wprowadzenie nowatorskich rozwiązań.
W mojej pracy będę starał się przedstawić:
możliwości i efektywność bezpośredniej
zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd elektryczny.
Zaprezentuje istniejące już
rozwiązania, zarówno te przeznaczone do współpracy z liniami przesyłowymi, jak i te
które pracują w układach zamkniętych. Postaram się przedstawić moje propozycje na
zwiększenie efektywności uzyskiwania prądu z wiatru i porównam je z istniejącymi
rozwiązaniami. Spróbuję odpowiedzieć na pytanie, czy nowatorskie rozwiązania są lepsze
od konstrukcji najbardziej rozpowszechnionych i dopracowanych, oraz czy potencjalne
korzyści, które za sobą niosą nie przewyższają potencjalnych problemów, które mogą
stwarzać. Dane do porównań będę czerpał z udostępnianych przez producentów
dokumentacji technicznych ich wyrobów, materiałów prezentowanych przez firmy
zajmujące się sprzedażą elektrowni wiatrowych, oraz wszelkich dostępnych publikacji
dotyczących energetyki wiatrowej.
Z racji dość skromnej liczby dostępnych książek poświęconych pozyskiwaniu prądu z
energii wiatru, większość materiałów będę pozyskiwał za pośrednictwem internetu, ze
stron internetowych producentów turbin wiatrowych oraz specjalistycznych serwisów
zarówno polskich jak i zagranicznych (głównie duńskich i niemieckich).
II.
Miejsce energetyki wiatrowej we współczesnym świecie.
2.1 Ogólny zarys proekologicznych tendencji w sektorze energetycznym.
Współczesna energetyka ma przed sobą nowe wyzwania. Zwiększająca się świadomość
ekologiczna niejako wymusza pozyskiwanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych.
Najbardziej rozpowszechnionym i dostępnym sposobem na wykorzystanie energii
odnawialnej na świecie są aerogeneratory.
Istnieje wiele, ciekawych i efektywnych rozwiązań proekologicznych takich jak
elektrownie solarne, wykorzystanie biomasy( wierzba, słoma, biogaz), elektrownie wodne
czy też tzw.” wytwarzanie w skojarzeniu”, czyli kogeneracja [1 , 39]. Elektrownie wodne
są źródłem taniej, czystej energii. W skali globalnej zajmują pierwsze miejsce jeżeli
chodzi o pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych, jednakże budowa dużych
elektrowni wodnych pochłania olbrzymie pieniądze, ma kolosalny wpływ na ekosystem w
którym powstaje( proekologiczność staje się dyskusyjna), oraz ogranicza obszar ich
zastosowań do obszarów o dużych zasobach wodnych.
Najpowszechniej stosowane rozwiązanie kogeneracyjne polega na tym, że
jednostka
tego typu wytwarza zarówno energię elektryczną jak i cieplną. Energia cieplna ma formę
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]