Západočeská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická

Transkript

1 Západočeská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická KEE/VEN Semestrální práce z blokové výuky VEN Exkurze - skupina: 2 / Datum vypracování: Vypracoval: Václav Laxa

2 A. ENERGIE VODY: Uveďte popis, umístění, technické údaje a další poznatky z navštívené MVE B. ENERGIE VĚTRU: Uveďte popis, umístění, technické údaje resp. další poznatky z navštívené větrné farmy (schéma, údaje o nainstalovaných VE a jejich výrobě, celková výroba atp.) C. TEPELNÁ ČERPADLA: Uveďte princip tepelného čerpadla, jeho funkci a možné způsoby získávání tepla. D. VÝPOČTOVÁ ČÁST Energie větru: - 1a) Proveďte přepočet průměrné rychlosti naměřené anemometrem ve výšce 2m nad terénem na výšku osy VE (VE-75 Boží Dar). VE je umístěna na louce s nízkým travnatým povrchem. Rychlosti větru ve výšce 2m jsou v rozmezí 1-8m/s. - 1b) Vypočtěte teoretický výkon vzdušného proudu ve výšce osy VE 75 a pro průměr rotoru VE75, uvažujte hustotu vzduchu 1,15 kg/m3. Energie slunce: - 2a) Stanovte množství tepla vyrobeného solárním systémem pro ohřev vody ze zadaných hodnot globálního záření. - 2b) Nakreslete obecnou VA charakteristiku fotovoltaického článku.

3 A. ENERGIE VODY: Malá vodní elektrárna je umístěna na vodním toku Bystřice v zámeckém parku před mostem přes silnici I/13 na p.p. Číslo 185. Elektrárna je řešená jako jezová s násoskovou turbínou Metaz MT-51 umístěnou na na boku jezu. Elektrárna je osazena asynchronním strojem o výkonu 11kW. Elektrárna má česle se samočištěním a elektrický plašič ryb. Projektovaná výroba elektrické energie je 50MWh/rok. Spád jezu je 2m a průtok není měřen Českým hydrometrologickým institutem. O elektrárnu se stará a provozuje ji pan Václav Šrámek. Technické parametry: turbína spád generátor prům. Výkon česla cena zařízení MT5 - Metaz - Týnec nad Sázavou 1,9 m asynchronní stroj 11 kw 9 kw při nezanesené vodě rozteč 3,5 cm, instalován plašič ryb v roce Kč Obr A1. schéma MVE Turbína Metaz MT5 Jedná se o jednoduchou vrtulovou turbínu pro energetické mikrozdroje s průměrem oběžného kola 55cm (MT3-30cm). Turbína je násosková s litinovou komorou a svařovanou plechovou sací rourou, která je upravena dle místních podmínek. Rozváděcí i oběžné lopatky jsou pevné a neregulovatelné. Turbína pracuje s asynchronním strojem, který při rozběhu plní funkci motoru pro naplnění násosky a poté samovolně přechází do generátorického chodu. Podmínkou omezující nasazení těchto jednoduchých turbin je pokud možno konstantní průtok a málo se měnící úroveň horní hladiny. Účinnost těchto strojů se pohybuje od 74 % do 82 %, což jsou, pro tuto velikost a použitou technologii výroby, solidní hodnoty.

4 Obr A2. návštěva malé vodní elektrárny B. ENERGIE VĚTRU Kryštofovy Hamry: poloha: střední část Krušných hor, v blízkosti vodní nádrže Přísečnice nadmořská výška: m souřadnice: 13 9'14''E 50 26'42''N počet elektráren: 21 typ elektráren: Enercon E-82 průměr rotoru: 82 m výška osy rotoru: 85 m instalovaný výkon jedné elektrárny: 2000 kw celkový instalovaný výkon větrné farmy: 42 MW uvedení do provozu: konec 2007 provozovatel: Ecoenerg Windkraft GmbH & Co. KG

5 poznámka: Největší větrná farma v České republice. V jejím prostoru se nachází též menší větrná farma Podmileská výšina. Realizace projektu byla umožněna díky poskytnutí dotace Spolkového ministerstva pro prostředí, ochranu přírody a reaktorovou Bezpečnost Spolkové republiky Německa (BMU), ve výši 2 mil. EUR. Projekt byl proveden firmou Green Lines Rusová s.r.o. v rámci programu o společné ochraně životního prostředí mezi MŽP ČR a BMU. Výrobcem VE je firma Nordex AG, se sídlem v Norderstedt, Spolková republika Německa. V roce 2007 vyrobily VE asi 11,2 mil. kwh a tím pokryla spotřebu proudu zhruba lidí v domácnostech. Roční redukční potenciál 3 VE je zhruba 12,5 tis.tun CO 2, 2 tis. tun prachu, 30,5 tun NO x a 80 tun SO 3. Obr. B1 lokalizace VE

6 Obr. B2 panorama VE C. TEPELNÁ ČERPADLA Okolní prostředí (vzduch, voda, půda) má obvykle příliš nízkou teplotu a jeho teplo nelze pro vytápění využít přímo (výjimkou jsou geotermální prameny, hojně využívané například na Islandu). Nízkoteplotní teplo okolního prostředí můžeme využívat pomocí tepelného čerpadla (TČ), které toto teplo (např. kolem 2 C) převede na vyšší teplotní hladinu (kolem 50 C). Princip je stejný jako u chladničky, která odebírá teplo potravinám a předává jej zadní stranou chladničky do místnosti. Podobně i TČ využívá tepla získaného od okolního prostředí k odpaření chladicí kapaliny. Tato pára je poté kompresorem stlačena a díky dodané práci dochází k uvolnění tepla o vyšší teplotě, které je předáno topnému médiu. Celý cyklus se poté opakuje. Účinnost tepelného čerpadla je definována pomocí topného faktoru. Topný faktor je poměr topného výkonu (množství získaného tepla) a příkonu (spotřebované elektrické energie pro pohon tepelného čerpadla). Topný faktor závisí na poměru teploty nízkopotenciálního tepla, které vstupuje do tepelného čerpadla a na výstupní teplotě z čerpadla. Výstupní teplota se nastavuje v závislosti na typu topného systému. Například provozní teplota pro radiátory je přibližně 50oC, provozní teplota pro podlahové vytápění je 38oC. Topný faktor je výhodnější při nižší odběrové teplotě, to je při podlahovém vytápění. Topný faktor různých TČ je v rozmezí od 2 do 6. Závisí na vstupní a výstupní teplotě, typu kompresoru a dalších faktorech. Dodavatelé obvykle udávají topný faktor při různých teplotách vstupního a výstupního média.

7 Obr C1 schéma principu TČ Obr C2 schéma realizace TČ Systémy tepelných čerpadel: SYSTÉM VODA-VODA: Teplo z podzemní vody se získává tak, že voda je čerpána z čerpací studny do výparníku tepelného čerpadla. V něm se ochladí a ochlazená je vracena do druhé, vsakovací studny. Mezi požadavky patří dvě studny (sací a vsakovací) s dostatečnou vzdáleností (též možno nahradit jiným vhodným zdrojem), vhodné chemické složení čerpané vody, minimální celoroční teplota vody +8 C, dostatečný průtok vody ověřený minimálně čtrnáctidenní čerpací zkouškou a povolení vycházející z platné legislativy. Jako klady lze uvést stálý výkon tepelného čerpadla, příznivý topný faktor a nízká pořizovací cena. Mezi zápory patří: složité technické řešení, závislost na množství podzemní vody, nebezpečí

8 vyčerpání studny, přísné nároky na složení, tepl. a množství vody, vyšší nároky na údržbu a v případě neodborného provedení hrozí narušení ekologické rovnováhy podzemních vod SYSTÉM ZEMĚ-VODA: Teplo obsažené v zemi - tzv. geotermální teplo - se využívá nepřímo. Získává se ve výměníku tepla - zemním kolektoru, a převádí se cirkulačním okruhem do výparníku tepelného čerpadla pomocí teplonosné kapaliny. Používaná teplonosná kapalina je nemrznoucí a ekologicky nezávadná. Cirkulaci teplonosné kapaliny zajišťuje oběhové čerpadlo. Cirkulující kapalina se ve výparníku tepelného čerpadla ochlazuje a v zemním kolektoru se znovu ohřívá geotermálním teplem. Požadavkem je vybudování plošného (horizontálního) nebo hloubkového (vertikálního) zemního kolektoru a samozřejmě opět povolení vycházející z platné legislativy. Výhodou je stálý výkon tepelného čerpadla, vyšší životnost a menší hlučnost, na druhé straně pak nevýhody jsou: vysoké pořizovací náklady (cena se navyšuje o zemní práce), vysoké nároky na technické řešení kolektoru, teplota primárního okruhu - vertikální kolektor cca 0 C, horizontální kolek, cca -3 C, nutnost regenerace kolektoru, tj. odstávka tepelného čerpadla (v letním období nelze ohřívat teplou užitkovou a bazénovou vodu) a požadavek velkého prostoru pro kolektor.

9 SYSTÉM VZDUCH-VODA: Teplo obsažené ve vzduchu se využívá přímo. Výparníkem tepelného čerpadla přímo proudí venkovní vzduch. Požadavky jsou minimální: (základ pod výparník při venkovním provedení nebo prostupy zdí a zajištění odvodu kondenzátu při vnitřním provedení). Ty jsou však vykoupeny i mnohými negativy: závislost topného výkonu na teplotě venkovního vzduchu (prakticky nelze dosáhnout samostatné činnosti během celé topné sezóny), relativně vyšší hlučnost a nižší životnost. Mezi pozitiva můžeme zařadit: snadná instalace, nízká pořizovací cena, možný celoroční provoz s efektivním využitím pro přípravu teplé užitk. vody a vody v bazénu, nižší topný faktor v zimních měsících je kompenzován velmi vysokým topným faktorem v přechodném období, prům. teplota vzduchu v topném období +3 C, nenarušují teplotní rovnováhu okolí. D. VÝPOČTY Energie větru D1a: Přepočet rychlosti větru: referenční výška h 0 = 2m přepočet na výšku h=30m v v 0 = h h 0 n kde koeficient n (nízká tráva) = 0,6 v0 [m/s] v [m/s] 1,54 3,08 4,63 6,17 7,71 9,25 10,80 12,34 D1b: Stanovení teoretického výkonu vzdušného proudu ve výšce 30m: 1 2 Plocha rotoru S = π d = 260,16m 2 4 Průměrná rychlost vzduchu v = 10,8 m/s Hustota vzduchu ρ = 1,15 kg/m 3 1 P = 1 S ρ v 3 0 = 260,16 1, = 188, 44kW 2 2

10 Energie slunce: D2a: Spočítejte, na jakou teplotu se během dne ohřeje voda v systému se 2 vakuovými kolektory Heliostar H400V a 300l zásobníkem. Absorpční plocha 1 kolektoru je 1,76 m 2 a jeho účinnost udává výrobce 81%. Celková izolační schopnost zásobníku je 92%. Teplota vody v zásobníku na počátku ohřevu je 14 C. Kolektory jsou skloněné pod úhlem x a orientovány y. Hodnoty globálního záření I n dopadajícího na vodorovnou plochu jsou udány tabulkou. Sluneční deklinace 20. Zeměpisná šířka lokality je 50 sš. T [hod] In [W/m2] τ [stupeň] h a I P 06: ,75 22, , , , : , ,884 67, , : ,25 27, , , , : ,5 29, , , , : ,75 31, , , ,813 08: , , , , : ,25 36, , , , : ,5 39, , , , : ,75 41, , , , : , , , , : ,25 45, , , ,09 09: ,5 47, , , , : ,75 49, , , , : , , , ,643 10: ,25 53, , , ,46 10: ,5 55, ,99 192, , : ,75 56, , , ,932 11: , , , ,937 11: ,25 58, ,22 768, ,344 11: ,5 59, , , ,981 11: ,75 59, , , ,822 12: , ,811 12: ,75 59, , , ,417 12: ,5 59, , , ,601 12: ,25 58, , , ,491 13: , , , ,574 13: ,75 56, , , ,25 13: ,5 55, , , ,219 13: ,25 53, , , ,677 14: , , , ,28 14: ,75 49, , , ,913 14: ,5 47, , , ,314 14: ,25 45, , , ,801 15: , , , ,536 15: ,75 41, , , ,529 15: ,5 39, , , , : ,25 36, , , , : , , , , : ,75 31, , , ,9058

11 16: ,5 29, , , ,833 16: ,25 27, , , , : , , , , : ,75 22, , , , : ,5 19, , , , : ,25 17, , , ,548 18: , , , , : ,75 12, , , , : ,5 10, , , , : ,25 8, , , , : , , , , : ,75 3, , , , : ,5 1, , , , : ,25-0, , , , : , , , ,7009 Ukázka výpočtu: (můj datum narození: ) úhel x = ( )* 1,5 = 32 * 1,5 = 48.. α = (90 - x ) = 42 úhel y = (2+2+2) = 6 =» a s φ zeměpisná šířka = 50 δ deklinace Slunce = 20 τ časový úhel (12hod=0, 1hod=15, orientace dle hodinových ručiček) sin h = sin δ. sin φ + cos δ. cos φ. cos τ (ve 12:00) h = arcsin [sin 20. sin 50 + cos 20.cos 50.cos 0] h = cosδ sin a = sin τ cosh cos 20 a = arcsin [ sin 0 ] = 0 cos α úhel sklonu osluněné plochy od vodorovné roviny a s azimutový úhel normály osluněné plochy a azimut Slunce h výška Slunce nad obzorem cos γ = sin h. cos α + cos h. sin α. cos (a-a s ) cos γ = sin 60. cos 42 + cos 60. sin 42 cos (0-6) = 0,976 I = I n. cos γ = ,976 = 850,370 W/m 2

12 P = I. S. T = 850,376. (2. 1,76). (15. 60) = ,811 W Celkový výkon P = 71, MW ρ.v.c.δt = P.η k. η z , Δt = ,16. 0,81. 0,92 Δt = 42,34 C Teplota, na kterou se voda během dne ohřála: t = 14 C + 42,34 C = 56,34 C Množství tepla vyrobené solárním kolektorem: Q = m. c p. Δt = ,17. 56,34 = 70,48 MJ D2b: Nakreslete obecnou VA char. fotovoltaického článku: 0 U oc proud I (ma) ,4 L 0,7 L 1,0 L I m U m I sc 0,0 0,2 0,4 0,6 napětí U(V) Obr. D2b1 - Příklad voltampérové I-U charakteristiky reálného fotovoltaického článku při osvětlení zářením intenzity 0,4 L, 0,7 L a 1,0 L. I sc je proud článkem nakrátko, U oc je napětí naprázdno, U m a I m je proud a napětí odpovídající maximálnímu elektrickému výkonu fotovoltaického článku P m.