Západočeská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická KEE/VEN Semestrální práce z blokové výuky VEN Exkurze - skupina: 2 / 25.4.2008 Datum vypracování: 11.5.2008 Vypracoval: Václav Laxa
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.
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 1988... 88000 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.
Obr A2. návštěva malé vodní elektrárny B. ENERGIE VĚTRU Kryštofovy Hamry: poloha: střední část Krušných hor, v blízkosti vodní nádrže Přísečnice nadmořská výška: 800-880 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
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 11.200 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
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.
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
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.
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] 1 2 3 4 5 6 7 8 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 1,15 1260 = 188, 44kW 2 2
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 06:45 189-78,75 22,32387-85,0754 51,1548429 162058,5425 07:00 251-75 24,72953-87,884 67,698558 214469,0319 07:15 320-71,25 27,13956-78,3781 127,144067 402792,4055 07:30 297-67,5 29,54797-77,8435 127,386536 403560,5446 07:45 317-63,75 31,94838-76,644 147,700699 467915,813 08:00 323-60 34,33385-74,8805 163,670191 518507,1658 08:15 356-56,25 36,69675-72,6605 195,650076 619819,4416 08:30 378-52,5 39,02861-70,0654 224,207078 710288,0228 08:45 351-48,75 41,3199-67,1451 223,370001 707636,1626 09:00 419-45 43,5598-63,9242 284,31416 900707,2594 09:15 487-41,25 45,73597-60,4088 350,200786 1109436,09 09:30 322-37,5 47,83426-56,5928 243,941705 772807,3229 09:45 335-33,75 49,83847-52,4615 265,877992 842301,4793 10:00 451-30 51,73008-47,9963 373,006832 1181685,643 10:15 517-26,25 53,48819-43,1777 443,353996 1404545,46 10:30 218-22,5 55,08949-37,99 192,913606 611150,3034 10:45 713-18,75 56,50874-32,4261 648,132239 2053282,932 11:00 808-15 57,71952-26,4935 751,199475 2379799,937 11:15 812-11,25 58,69564-20,22 768,844806 2435700,344 11:30 823-7,5 59,41305-13,6578 790,394565 2503969,981 11:45 819-3,75 59,85213-6,88474 794,609477 2517322,822 12:00 871 0 60 0 850,370206 2693972,811 12:15 863 3,75 59,85213 6,884737 844,567051 2675588,417 12:30 810 7,5 59,41305 13,65782 791,523548 2507546,601 12:45 884 11,25 58,69564 20,21999 859,225218 2722025,491 13:00 916 15 57,71952 26,49351 882,134966 2794603,574 13:15 859 18,75 56,50874 32,42609 816,403804 2586367,25 13:30 871 22,5 55,08949 37,98998 813,689463 2577768,219 13:45 863 26,25 53,48819 43,17771 789,216123 2500236,677 14:00 876 30 51,73008 47,99629 780,909495 2473921,28 14:15 884 33,75 49,83847 52,4615 764,840566 2423014,913 14:30 845 37,5 47,83426 56,59275 706,395301 2237860,314 14:45 863 41,25 45,73597 60,40884 693,851579 2198121,801 15:00 795 45 43,5598 63,92419 611,836343 1938297,536 15:15 810 48,75 41,3199 67,1451 593,886531 1881432,529 15:30 406 52,5 39,02861 70,06537 282,290758 894297,1201 15:45 389 56,25 36,69675 72,66052 255,434502 809216,5028 16:00 397 60 34,33385 74,88054 245,438728 777549,8897 16:15 512 63,75 31,94838 76,64405 297,686839 943071,9058
16:30 698 67,5 29,54797 77,84352 382,41693 1211496,833 16:45 583 71,25 27,13956 78,37813 302,727245 959039,9109 17:00 591 75 24,72953 78,21275 293,458839 929677,6004 17:15 654 78,75 22,32387 77,41259 313,643991 993624,1649 17:30 612 82,5 19,92827 76,11009 285,995 906032,1611 17:45 591 86,25 17,54818 74,44327 270,959453 858399,548 18:00 583 90 15,18892 72,52053 263,509144 834796,9681 18:15 542 93,75 12,85577 70,41593 242,305916 767625,1408 18:30 486 97,5 10,55398 68,17669 215,369273 682289,8564 18:45 431 101,25 8,28885 65,83189 189,59083 600623,7493 19:00 384 105 6,065771 63,39888 167,819018 531650,6475 19:15 312 108,75 3,890271 60,88759 135,534255 429372,5204 19:30 301 112,5 1,768034 58,30322 130,000467 411841,4781 19:45 281 116,25-0,29506 55,64801 120,666144 382270,3452 20:00 236 120-2,29294 52,92237 100,750853 319178,7009 Ukázka výpočtu: (můj datum narození: 22.02.1979) úhel x = (2+2+2+1+9+7+9)* 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 = 60 ---------- cosδ sin a = sin τ cosh cos 20 a = arcsin [ sin 0 ] = 0 cos60 --------- 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 = 871. 0,976 = 850,370 W/m 2
P = I. S. T = 850,376. (2. 1,76). (15. 60) = 2693972,811 W Celkový výkon P = 71,37256916 MW ρ.v.c.δt = P.η k. η z 1000. 0,3. 4187. Δt = 71372569,16. 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 = 300. 4,17. 56,34 = 70,48 MJ D2b: Nakreslete obecnou VA char. fotovoltaického článku: 0 U oc proud I (ma) -2-4 0,4 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.