Print

Nový VÍTR pro výrobu energie a řízení

-- 15.10.09

Otázky pohonu a řízení technologií větrných elektráren, související s rozvojem instalací velkých vícemegawattových větrných turbín, představují nové technické úkoly a lekce.

Čistou elektrickou energii vyrábí stále vyšší počet vícemegawattových (MW) větrných turbín, které jsou ve vnitrozemí na rozlehlých pláních, ve vyprahlých pouštích, hluboko v horách a v poslední době i v příbřežních mořských vodách. Rozměry větrných turbín rostou, což směřuje k využití co nejvyššího možného poměru většího množství generované energie k vynaloženým nákladům. Podle organizace American Wind Energy Association (AWEA) činila průměrná kapacita turbín nainstalovaných v roce 2008 asi 1,67 MW. V současnosti mají nejvyšší jmenovitou kapacitu, tj. 5–6 MW, turbíny určené pro příbřežní lokality. Avšak plánuje se výroba ještě větších turbín. S výjimkou několika evropských zemí se větrná energie v minulosti podílela na výrobě elektrické energie ve srovnání s dlouhodobě zavedenými zdroji jen málo.

Objevuje se však nový vítr přinášející změny. Na konci roku 2008 se na přední příčku instalované kapacity větrných elektráren dostaly Spojené státy s 25,2 gigawattu (GW), následovalo Německo (23,9 GW), Španělsko (16,8 GW) a Čína (12,2 GW), uvádí organizace Global Wind Energy Council (GWEC). Očekává se, že v brzké budoucnosti se na první místo dostane Čína. Tyto gigantické větrné turbíny nesou elektrické, hydraulické a mechanické pohony, nejrůznější subsystémy a elektronické řídicí prvky v gondole na vrcholku stožáru, který je až 135 m vysoký. Průměr listů rotoru může přesahovat 100 m. Instalovaná zařízení musí vydržet náročné podmínky okolního prostředí, cyklické zapínání a vypínání podle dostupnosti větru a vibrace gondoly, a to bez nadměrných nároků na údržbu.

Řízení náklonu listů a nasměrování gondoly

Bezesporu nejdůležitější a nejnákladnější součástí sytému jsou listy turbíny, které je nutno řídit a chránit. Řízením náklonu listů se reguluje hodnota výkonu a krouticího momentu získávaného z větru pomocí optimální orientace listů vzhledem k proudu vzduchu, zatímco řízení nasměrování udržuje gondolu nasměrovanou na vítr, nebo v případě potřeby mimo vítr. „V zásadě se pohybují nezávisle na sobě, i když regulace náklonu reaguje na úpravy nasměrování,“ říká Henrik Stiesdal, CTO společnosti Siemens Wind Power. „Regulace nasměrování ovlivňuje množství dostupné energie ve velmi malé míře a regulace náklonu se upravuje podle ní, takže v určitém smyslu se tyto dva systémy navzájem ovlivňují, ale obecně, nikoli záměrně koordinovaným způsobem.“

Dan Throne, prodejní a marketingový manažer společnosti Bosch Rexroth Corp., Electric Drives & Controls, poznamenává: „I když regulace náklonu listů a nasměrování gondoly slouží různým funkcím, společně pracují na maximalizaci energetického výkonu turbíny za podmínek proměnlivé rychlosti a směru větru a zajišťují spouštěcí orientaci a bezpečnou ochranu listů a stožáru v případě rizikových povětrnostních podmínek.“ Regulace náklonu listů může v případě potřeby rotor rovněž zpomalit, aby rychlost jeho otáčení nepřekročila jmenovitou hodnotu. Regulace jednotlivých listů je zapotřebí pro optimální generování elektrické energie z důvodu proměnlivosti větru.

Různé podmínky větru a okolního prostředí mohou panovat dokonce i mezi vrchní a spodní částí záběrové plochy rotoru. Novější velké turbíny zajišťují regulaci náklonu v patě každého listu pomocí pohonu/ motoru pro náklon. Regulaci nasměrování gondoly obvykle zajišťuje několik pohonů a motorů, aby se lépe rozložilo zatížení převodového ústrojí. Pohony pro řízení náklonu listů a nasměrování gondoly mohou být elektromechanické nebo hydraulické.

Přeměna energie

Větrná energie, která otáčí rotorem, musí být přeměněna na použitelnou elektrickou energii pomocí generátoru. Pro zvýšení rychlosti otáček poskytovaných rotorem na rychlost vhodnou pro generátor se často, ale ne vždy používá převodové ústrojí.

Následně měnič upraví proměnlivé výstupní napětí a frekvenci generátoru na konstantní napě t í a frekvenci (60/50 Hz), které jsou vhodné pro připojení k rozvodné síti (viz diagram „Výroba elektrické energie“). Měnič má dvě sekce, které fungují jako  větrnou turbínou a střídavou rozvodnou sítí. Samostatná generátorová část a rozvodná část s měničem a střídačem jsou však umístěny ve stejné, vzduchem nebo kapalinou chlazené skříni. Větrné turbíny jsou určeny pro provoz v širokém rozsahu rychlosti větru. V závislosti na rozměrech turbíny jsou jejich typické parametry zhruba následující:

• připojovací rychlost větru 3 m/s, kdy je generátor

• jmenovitá rychlost větru 12–13 m/s, kdy je

napojen na rozvodnou síť, dosaženo nejvyššího výkonu,

• odstavovací rychlost větru 25 m/s, která odpovídá

Při odstavovací rychlosti větru je vichřici o rychlosti 90 km/h.generátor odpojen od rozvodné sítě, listy rotoru jsou natočeny do „praporové“ polohy (rovnoběžně s prouděním větru) a aktivuje se brzdový systém, který rotor zastaví a zaparkuje. Brzdový systém rovněž pomáhá zastavit turbínu během nouzové situace poklesu zatížení a uvolnit zatížení převodového ústrojí pohonu regulace pomocí nasměrování gondoly, pokud je tento pohyb neaktivní, uvádí společnost Bosch Rexroth.

Řídicí systémy

Anemometry a senzory v horní části gondoly měří rychlost větru a další parametry okolního prostředí a tyto údaje přenášejí do řídicího systému turbíny. Miniaturní „meteorologická stanice“ rovněž komunikuje s řídicími prvky náklonu listů a nasměrování gondoly. Klíčovou funkci přenosu řídicího napájení a údajů mezi hlavou rotoru a gondolou plní sběrací kroužky. „Zakázkový software a řídicí systém, vyvinutý OEM výrobcem turbín, rozhoduje o spouštění, provozu nebo zastavení rotoru,“ konstatuje Cliff D. Cole, ředitel pro nízkonapěťové pohony společnosti ABB. „Několik redundantních řídicích prvků v gondole monitoruje povětrnostní podmínky, provoz turbíny, regulaci náklonu listů a nasměrování gondoly, brzdové systémy, vzdálené zasílání zpráv o stavu a další procesy,“ vysvětluje Dan Throne ze společnosti Bosch Rexroth. Centrální řídicí prvek turbíny je napojen na systém průmyslového řízení SCADA odpovědný za provoz několika turbín na větrné farmě.

K systému SCADA lze pak přistupovat pomocí bezdrátového připojení nebo internetu. Například centrální řídicí systém pro turbíny společnosti GE Energy s názvem WindControl dokáže provozovat větrné elektrárny spíše jako tradiční elektrárny“ prostřednictvím precizního řízení krouticího momentu turbín a regulace náklonu listů několika turbín, a to i za proměnlivých podmínek větru a rozvodné sítě. Systém WindSCADA této společnosti nabízí bohatou sadu operátorských nástrojů sahajících od monitorování a řízení turbíny až po vytváření přehledů a generování elektrické energie. Společnost GE Energy nabízí větrné turbíny ve třech základních řadách – se jmenovitým výkonem 1,5, 2,5 a 3,6 MW. Zařízení s výkonem 1,5 a 3,6 MW disponují dvojitě napájeným asynchronním generátorem, zatímco turbína o výkonu 2,5 MW je vybavena generátorem s permanentním magnetem a převodníkem pro plný výkon (viz níže). Společnost GE uvádí, že je největším dodavatelem větrných turbín v USA a druhým největším na světě.

Varianty generátoru a převodníku

Z mnoha provedení generátorů dominuje v oblasti větrných turbín asynchronní (indukční) typ, zejména jeho varianta s dvojitým napájením (Double-Fed Induction – DFI). Popularita indukčních generátorů pramení z jejich široké dostupnosti a bohatých zkušeností s jejich praktickým použitím v aplikacích, podobně jako je tomu s indukčními motory. Generátor je v zásadě motor provozovaný obráceně. V nedávné době se začaly ve větší míře používat také synchronní generátory s permanentními magnety (Permanent Magnet Synchronous – PMS). Každý typ generátoru má své relativní výhody a nevýhody.

„Hlavní předností generátorů DFI je to, že pracují s menším měničem dimenzovaným na zhruba 30 % plného jmenovitého výkonu, a proto nabízejí levnější řešení,“ vysvětluje Teemu Ronkainen, manažer produktové linie vysoce výkonných střídavých měničů společnosti ABB. „Měnič musí dodávat magnetizační proud pouze rotoru generátoru, protože stator je u provedení s dvojitým napájením přímo napojen na rozvodnou síť. Výsledkem je vyšší frekvence při jmenovitých otáčkách generátoru,“ zdůvodňuje své tvrzení Ronkainen. Jiné generátory než typu DFI vyžadují měnič pro plný výkon. „Indukční stroje vyžadují vysoké provozní rychlosti, a proto je zapotřebí převodové ústrojí. Indukční generátor je odolný, spolehlivý, levný a za mnoho let používání v tisících aplikací je rovněž dokonale prověřený v praxi,“ říká Henrik Stiesdal ze společnosti Siemens.

Nicméně hlavním nedostatkem generátorů DFI (protože neobsahují měnič na plný výkon) je: „Omezená schopnost splňovat požadavky nejnovějších nebo nadcházejících předpisů pro připojení k rozvodné síti,“ upřesňuje Ronkainen. Navíc účinnost generátoru DFI klesá při rychlostech pod jmenovitou hodnotou, protože rotor odčerpává aktivní výkon. Tím se omezuje využitelný rozsah otáček, což nabývá na významu v souvislosti s nedávným zájmem provozovat turbíny za nižších rychlostí větru. „Další otázkou je údržba sběracích kroužků, které se používají pro přívod magnetizačního proudu na rotor generátoru DFI,“ poznamenává Ronkainen.

„Stroje s permanentními magnety lze vyrobit pro provoz při vysoké rychlosti. Takové stroje však vyžadují převodové ústrojí, ovšem na rozdíl od indukčních generátorů mohou být provedeny pro přímý pohon, čímž se potřeba převodovky odstraňuje,“ pokračuje Stiesdal.„Generátory PMS mívají o něco větší účinnost než indukční stroje, ale jsou ve srovnání s nimi také dražší.“ Stiesdal připomíná, že výstupní napětí generátorů PMS se nesnadno upravuje. Mají horší provozní flexibilitu než indukční stroje s proměnlivým skluzem. Také vůle součástí, teplota a další parametry hrají u strojů s permanentními magnety ještě větší roli.

 „V důsledku tedy stroje s permanentními magnety zavádějí do systému přeměny energie nový soubor provozních požadavků,“ objasňuje Stiesdal. Dan Throne ze společnosti Bosch Rexroth si obdobně všímá použití buď indukčního, nebo synchronního generátoru v kombinaci s několikastupňovou převodovkou pro dodávku vhodných vstupních rychlostí hřídele. Obě technologie generátorů označuje jako „dobře prověřené“, což se v případě zařízení s permanentními magnety týká spíše použití u menších turbín. „V posledních několika letech se pracuje na vývoji technologie využívající buď generátory s permanentními magnety s přímým pohonem, nebo hydrostatické pohony (motory a čerpadla),“ dodává Throne.

Trend přiklánějící se k synchronním generátorům s permanentními magnety

 Zatímco indukční generátor s měničem dimenzovaným na plný výkon je stále použitelnou možností, společnost ABB pozoruje trend přiklánějící se k synchronním generátorům s permanentními magnety. Ronkainen uvádí příklad tří provedení pro různé provozní rychlosti; všechny nabízí společnost ABB. Vysokorychlostní generátor s permanentními magnety a vícestupňovou převodovkou má jmenovitou rychlost až 1 800 ot./min, podle frekvence a počtu pólů. „Mechanicky je to totéž jako generátor DFI,“ vysvětluje.

Generátor s permanentními magnety pro střední rychlost s integrovanou jednostupňovou převodovkou může běžet od rychlosti 180 ot./min, zatímco nízkorychlostní verze (typicky 17–30 ot./min) je poháněna přímo rotorem turbíny bez zprostředkující převodovky. Měnič pro plný výkon (Full Power Converter – FPC) podporuje všechna tři synchronní provedení a oproti generátorům typu DFI nabízí několik výhod. FPC rovněž přispívá ke splnění stále přísnějších požadavků na připojení k rozvodné síti. „Izoluje generátor od přechodových jevů ve vedení, umožňuje rychlou reakci na poruchy vedení a má lepší odolnost při blízkém zkratu a podporu sítě během poruchy,“ dodává Ronkainen.

Měnič pro plný výkon navíc podporuje „globální provedení“ větrných turbín díky tomu, že může splňovat požadavky předpisů různých rozvodných sítí. Společnost The Switch Controls & Converters je další firmou, která přísahá na generátory s permanentními magnety. Na konferenci AWEA WindPower 2009 označil viceprezident společnosti The Switch synchronní generátory s permanentními magnety a převodníkem pro plný výkon za „nový standard hnacího ústrojí“ větrných turbín.

Přímý pohon?

Odstranění převodovky zjednodušuje provedení větrné turbíny, ale vyžaduje nízkorychlostní generátor s permanentními magnety o mnohem větším průměru, který by pojal vysoký počet magnetických pólů (80 a více). Větší průměr rovněž zajišťuje obvodovou rychlost potřebnou pro vytvoření magnetizujícího toku.

Vysoká cena a nízký počet vyrobených kusů doposud omezovaly použití vysokokapacitních generátorů s přímým pohonem. Objem elektřiny produkované z větru stále roste. Aby větrná energie získala náležité místo v nabídce zdrojů energie, musí být vyřešeny další otázky, jako je umístění turbín do vhodných lokalit, ekologická hlediska a větší přijetí širokou veřejností. Nakonec bude muset větrná energie soutěžit za rovných podmínek, bez pomoci dotací. Řečeno slovy klasika: „To by byla meta žádoucí nade všechno.“

Frank J. Bartos, P.E., je konzultant časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese braunbart@sbcglobal.net.

 

 

Autor: Frank J. Bartos, P. E.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Trendy v robotizaci 2020
2020-01-28 - 2020-01-30
Místo: Best Western Premier / Avanti, Brno
DIAGO 2020
2020-01-28 - 2020-01-29
Místo: Orea Resort Devět Skal ***, Sněžné - Milovy
Trendy automobilové logistiky 2020
2020-02-20 - 2020-02-20
Místo: Parkhotel Plzeň
Úspory v průmyslu
2020-03-03 - 2020-03-03
Místo: Ostrava
AMPER TOUR 2020
2020-03-17 - 2020-03-19
Místo: Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI