9_VEEzOZE

Report
VÝROBA ELEKTRICKEJ ENERGIE Z
OBNOVITEĽNÝCH ZDROJOV ENERGIE
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
1
Obsah prednášky
 Pojem obnoviteľné zdroje energie
 Premena obnoviteľných zdrojov energie na
elektrickú energiu v





geotermálnych elektrárňach,
bioelektrárňach,
vodných elektrárňach,
veterných elektrárňach
a slnečných elektrárňach.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
2
ENERGETICKÉ ZDROJE
Poskytujú také formy energie, ktoré sú, alebo
môžu byť využiteľné pre potreby ľudstva.
Elektrická energia sa získava premenou
(niekedy aj viacnásobnou) zo základných a
doplnkových zdrojov energie.
chemická
Biomasa
tepelná
para
mechanická
otáčky
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
elektrická
3
ENERGETICKÉ ZDROJE
Podľa možnosti obnoviteľnosti sa môžu zdroje
energie rozdeliť na:
 obnoviteľné a
 neobnoviteľné.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
4
ENERGETICKÉ ZDROJE
Obnoviteľné zdroje energie sú také, ktoré sa
nezávisle od ich využívania neustále obnovujú a
sú prakticky bez zmeny neustále k dispozícii.
 polohová a kinetická energia vody
 energia vetra
 teplo zemského vnútra (geotermálna)
 slnečné žiarenie
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
5
ENERGETICKÉ ZDROJE





biomasa
energia prostredia (vzduch, pôda, voda)
fotosyntéza
príliv a odliv, morské vlny
tepelný gradient mora.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
6
ENERGETICKÉ ZDROJE
Neobnoviteľné zdroje energie sú také, ktoré sa
ich využívaním postupne nevratne vyčerpávajú.
 chemická energia fosílnych palív (uhlie, ropa,
plyn, rašelina)
 jadrová (atómová) energia štiepnych palív.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
7
ENERGETICKÉ ZDROJE
Súčasné využívanie obnoviteľných
energetických zdrojov na Slovensku
 V roku 2010 MH SR uverejnilo Národný akčný plán pre energiu
z obnoviteľných zdrojov, ktorý deklaruje, že očakávané
množstvo energie z obnoviteľných zdrojov zodpovedajúce
cieľu 14 % na rok 2020 predstavuje pre Slovensko hodnotu
1572 ktoe (65 816 TJ).
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
8
ZDROJE ELEKTRICKEJ ENERGIE
Elektrárne
Tepelné
Geotermálne
Vodné
Veterné
Prietočné
Os rotácie
Slnečné
Priame
Akumulačné
Horizontálne
Fotické
Obnovované
Prečerpávacie
Vertikálne
Elektrické
Neobnovované
Prílivové
Hydrotermálne
Cirkulačné
Bioelektrárne
Generátora
Vlnové
Synchrónne
Príbojové
Asynchrónne
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
Tepelné
Nepriame
9
ZDROJE ELEKTRICKEJ ENERGIE
Inštalovaná
kapacita
a výroba
elektrickej
energie
z obnoviteľných
zdrojov v rokoch
2009 a 2010
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
10
GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE
Súčasnou technikou vrtných súprav je prístupná
asi desaťkilometrová hĺbka pod povrchom. V
tejto hĺbke je teplota asi 200 °C. Naakumulované
teplo je asi 6.1026 J. Ochladením 1 km2 hornín z
teploty 200 °C na teplotu 100 °C by sa uvoľnila
energia, ktorá by postačila na pohon elektrárne s
výkonom 30 MW na dobu 30 rokov. Tomuto
využitiu stoja v ceste technické, geologické a
ekonomické problémy.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
11
GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE
Na Slovensku je tepelno-energetický potenciál
geotermálnych vôd stanovený na 5538 MWt.
Majú nižšiu teplotu 45 až 130 °C, preto sú
vhodné prakticky iba na vykurovanie. Len pri
40% využití tohto potenciálu by bolo možné
získať tepelný výkon až 2200 MWt. Geotermálne
vody sa využívajú spolu v 36 lokalitách a
skutočne využívaný inštalovaný výkon
predstavuje asi 131 MWt.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
12
GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE
Elektrickú energiu je možné vyrobiť premenou
geotermálnej energie v elektrárňach:
 hydrotermálnych, pomocou geotermálne
nahriatej spodnej vode alebo pare,
 obnovované zásoby geotermálnych vôd
 neobnovované zásoby geotermálnych vôd
 cirkulačných, prostredníctvom výmenníkov
tepla.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
13
GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE
Geotermálne elektrárne využívajú tepelnú energiu
geotermálnej vody, resp. geotermálnej pary na
výrobu elektrickej energie.
Z ekonomického hľadiska je výroba elektrickej
energie najvýhodnejšia pri teplote geotermálneho
zdroja vyššej ako 180 °C.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
14
GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE
Základné typy sú tieto:
 s prehriatou parou,
para -> turbogenerátor; para -> parogenerátor -> turbogenerátor
 s horúcou vodou,
voda s vysokým tlakom a teplotou -> expandér-> mokrá para ->
turbogenerátor
 s binárnym cyklom,
geotermálna voda s teplotou nad cca 130 °C -> čpavok, izobután
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
15
GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
16
BIOELEKTRÁRNE
Výroba elektrickej energie v bioelektrárňach je
podobná ako v tepelných elektrárňach pri
spaľovaní fosílnych palív, ale s podstatne nižšími
hodnotami emisií oxidu uhličitého (CO2). Palivom
je biomasa alebo biopalivo.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
17
BIOELEKTRÁRNE
Biomasa je organická hmota zámerne
produkovaná na energetické účely. Podľa zdroja
vzniku existuje:
 Fytomasa (napr. obilná a repková slama, konope a pod.)
 Dendromasa (drevný odpad, rýchlorastúce dreviny)
 Živočíšna biomasa (exkrementy, biologický odpad)
 Tuhý spáliteľný odpad (z poľnohospodárstva, domácností)
 Skládkový plyn (zo skládok, čistiarenských kalov)
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
18
BIOELEKTRÁRNE
Biopalivo. Z biomasy sa vyrábajú ušľachtilé palivá
pre výrobu elektrickej energie. Sú to najmä:
 tuhé palivá (Drevné štiepky, pelety a brikety)
 plynné produkty:
 Drevoplyn − pyrolytickým splyňovaním drevných odpadov
 Bioplyn − anaeróbnou fermentáciou organického odpadu
 tekuté biopalivá:
 Bionafta − najmä zo semien repky olejnatej
 Bioalkohol − alkoholovým kvasením a destiláciou
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
19
BIOELEKTRÁRNE
Premena biomasy na energiu prebieha dvoma
základnými spôsobmi:
 Termochemické premeny:
 Priame spaľovanie
 Pyrolýza − zohrieva bez prístupu vzduchu a tým sa uvoľňuje
zmes horľavých plynov alebo kvapalín
 Splyňovanie – prebieha pri obmedzenom prístupe vzduchu
pri procese nedokonalého horenia.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
20
BIOELEKTRÁRNE
 Biochemické premeny :
 Alkoholové kvasenie − fermentácia rastlinných látok
obsahujúcich škrob, cukor a buničinu. Etanol, metanol
 Metánové kvasenie – anaeróbna fermentácia (kvasenie bez
prístupu vzduchu). Bioplyn
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
21
BIOELEKTRÁRNE
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
22
BIOELEKTRÁRNE
Schéma elektrárne na bioplyn
Výfukové
plyny
Vykurovací
okruh
Bioplyn
Generátor
Bioplynový
motor
Výmenník
spaliny-voda
Výmenník
voda-voda
Vratná
voda
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
23
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Zdrojom energie vodných elektrární je voda
pochádzajúca najmä z atmosférických zrážok,
dažďa a snehu. Obeh vody v prírode udržuje
energia Slnka.
Primárny technicky využiteľný hydroenergetický
potenciál SR je 7 361 GW.h za rok. Doteraz je
využívaný na cca 53 %.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
24
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Vodné elektrárne pracujú na princípe využitia
energie vody:
 potenciálnej, ktorá môže byť vo forme energie
 polohovej
 tlakovej
 kinetickej
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
25
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Výkon vodných elektrární je daný vzťahom:
 =∙∙ =∙∙∙ =
= 1000 ∙ 9,81 ∙  ∙  = 9810 ∙  ∙  
Kde





merná tiaž vody
kg.m−2.s−2
hustota vody
1000 kg.m−3
tiažové zrýchlenie
9,81 m.s−2
prietočné množstvo vody
m3 .s−1
spád t. j. výškový rozdiel vody pred a za turbínou m
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
26
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Užitočný výkon na svorkách generátora závisí na
účinnosti turbíny a generátora a preto je daný:
 =  ∙  ∙  ∙  ∙   ∙ 
Kde




  , 
hustota vody
1000 kg.m−3
tiažové zrýchlenie
9,81 m.s−2
prietočné množstvo vody
m3 .s−1
spád t. j. výškový rozdiel vody pred a za turbínou m
účinnosť turbíny, generátora
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
27
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Znamená to, že spád a prietočné množstvo vody
určujú výkon elektrárne. Čím väčší spád sa využíva,
tým menšie sú merné investičné náklady na 1 kW
inštalovaného výkonu a tým menšie sú aj
prevádzkové náklady na 1 kW.h vyrobenej
elektrickej energie. Čo najväčšia koncentrácia
spádu je základnou podmienkou hospodárnosti
výstavby VE.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
28
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Koncentráciu spádu možno docieliť viacerými
spôsobmi:
 pomocou priehrady alebo hate,
 využitím derivácie (beztlakový obtok kanálom,
alebo tlakový privádzač),
 prečerpávaním vody,
 využitím prílivu a odlivu.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
29
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Vodné turbíny patria k „najstarším“ motorom v
histórii ľudstva. Pôvod majú vo vodných kolesách
pre pohon mlynov, hámrov a pod. Mali malú
účinnosť, pretože nápor vody pôsobil len na
niekoľko lopatiek.
Základom moderných vodných motorov sa stal v
18. storočí vynález nemeckého fyzika,
bratislavského rodáka J. A. Segnera (1704 – 1777).
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
30
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Pre stavbu prvých väčších elektrární v 80. rokoch
19. storočia boli potrebné výkonnejšie a účinnejšie
turbíny. S nimi prišli Angličan James Bicheno
Francis, Američan Lester Pelton a neskoršie
(v roku 1918) aj brnenský inžinier Viktor Kaplan.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
31
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Francisova turbína
Voda je do rozvádzacích lopatiek privedená
špirálovou skriňou. Odtiaľ prúdi na pevné
lopatky obežného kolesa. Z obežného kolesa
vystupuje v axiálnom smere do sacej rúry savky. Tým, že stĺpec vody vytvára pod
obežným kolesom podtlak, dovoľujú Francisove
turbíny využiť celý spád medzi hornou a dolnou
hladinou. Používa sa regulácia len rozvádzacím
kolesom (Čierny Váh, Dobšiná). Najvhodnejšie
sú pre málo sa meniaci prietok a spád.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
32
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Peltonova turbína
Rovnotlaká turbína, používa
sa pre veľké spády s menším
prietokom vody. Voda sa
privádza na koleso
tangenciálnou tryskou.
V nej sa mení polohová a tlaková energia vody na pohybovú
energiu. Pomalá regulácia je možná ihlou v tryske. Pri náhlej
poruche sa vychyľuje vodný prúd mimo kolesa, pretože náhle
uzatvorenie by spôsobilo silný dynamický ráz.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
33
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Kaplanova turbína
obežné koleso v tvare lodnej skrutky
s natáčanými lopatkami. Natáčaním je možné
optimálne nastavovať nátokové uhly vodného
prúdu. Nastávajú však problémy
s „kavitáciou“, na spodných stranách lopatiek
sa voda vyparuje a bublinky pary a plynov
vyvolávajú pri implózii vibrácie a silnú koróziu.
V praxi sa turbína reguluje natáčaním
obežného kolesa aj lopatiek. Používa sa do
80 m premenlivého spádu.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
34
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Prečerpávacia (reverzibilná)
Deriazova turbína
Je to obdoba Kaplanovej turbíny, pretože
má riadené otvorenie rozvádzacieho i
obežného kolesa, ale prietok vody je
šikmý (diagonálny). Pri prečerpávaní sa
turbína a s ňou celý agregát otáča
opačným smerom. Rozbeh agregátu do
čerpadlovej prevádzky sa robí
frekvenčným rozbehom.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
35
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Bánkiho turbína
Je to priečna dvojnásobne pretekaná
horizontálna prietoková turbína. Voda vstupuje
do obežného kolesa turbíny tangenciálne
a po prvom prietoku lopatkami sa turbíne
odovzdá asi 79 % z celkového výkonu a na
náprotivnej strane odovzdá voda ďalších
21 % energie. Výrazne okysličuje vodu.
Regulácia výkonu je posúvačom (šupátkom) alebo klapkou
v prívodnom potrubí. Ložiská turbíny sú umiestnené mimo vody.
Obežné koleso má veľký počet dlhých lopatiek (28 – 36 ks).
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
36
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Prietoková vrtuľová
turbína
Sú vhodné pre najnižšie spády
na vyrovnávacích prietokových
priehradách.
Vstavané sú priamo do prietokového kanála
v hermetickom puzdre. Okolo prúdiaca voda ich chladí. Odvodené
sú od Kaplánovej turbíny a majú natáčacie obežné koleso
aj lopatky. U nás sú použité napr. vo vyrovnávacej nádrži Tvrdošín.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
37
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Vodné elektrárne delíme podľa:
 využívaného spádu
 nízkotlakové – spád do 20m
 strednotlakové – spád od 20m do 100m
 vysokotlakové – spády nad 100m
 pokrývania denného diagramu zaťaženia




základné
polo špičkové
špičkové
samostatné – pracujú v ostrovnej prevádzke
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
38
VODNÉ ELEKTRÁRNE
 pracovného režimu





akumulačné vodné elektrárne
derivačné vodné elektrárne
prietokové vodné elektrárne
prečerpávacie vodné elektrárne
prílivové vodné elektrárne
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
39
VODNÉ ELEKTRÁRNE
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
40
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Asi 1% slnečnej energie sa premieňa na kinetickú
energiu vzduchu a je možné ju využívať vo
veterných turbínach.
Od najstarších dôb sa premieňa kinetická energia
na mechanickú (veterný mlyn, píla, zavlažovanie).
Ďalším zo spôsobov využitia mechanickej energie
je jej premena na elektrickú energiu vo veterných
elektrárňach.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
41
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Veterné turbíny s vertikálnou osou rotácie
sú výhodné pri vysokých a stredných rýchlostiach
vetra. Pri prekročení optimálnych rýchlostí vetra
rýchlo klesá ich účinnosť
a dochádza k poklesu
výkonu. Sú nezávislé na
smere vetra a lopatky
majú nízko pri zemi.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
42
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Veterné turbíny s horizontálnou osou rotácie
sú v súčasnej dobe najrozšírenejšie. Najvyššie
využitie výkonu je možné dosiahnuť
dvoj- a trojlistovými vrtuľami.
Gondola, umiestnená na stožiari
otáčavo. Na nasmerovanie osi vrtule
v smere vetra slúži postranné
veterné koleso alebo elektromotor.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
43
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Energia vetra vo forme jej kinetickej energie
1
 =  ∙ 2
2
 =∙
1
 =  ∙  ∙ 2
2
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
44
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Výkon vzdušného prúdu
1
1
2
 =  ∙  ∙  ∙  =  ∙  ∙ 3
2
2
2
=∙
= 0,785 ∙  2
4
Teoretický výkon
1
1
3
 =  ∙  ∙  =  ∙ 0,785 ∙  2 ∙  3
2
2
= 0,393 ∙  ∙  2 ∙  3
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
45
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Pri výpočte maximálneho výkonu veternej
elektrárne sa berie do úvahy len 59,3 % z
celkového výkonu (Betz výkonový činiteľ ), t. j.
 = 0,393 ∙  ∙  2 ∙  3 ∙ 0,593
 = 0,233 ∙  ∙  2 ∙  3
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
46
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Výstavba veternej elektrárne je
efektívna len v miestach
s priemernou ročnou rýchlosťou
vetra väčšou než 4 až 5 m.s-1 vo
výške 10 m nad zemou. Dolná
hranica energetického využitia
vetra je 4 m.s-1, optimálna
rýchlosť vetra je 12 až 14 m.s-1.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
47
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
48
VETERNÉ ELEKTRÁRNE
Potenciál veternej energie na Slovensku
Podľa Energetickej politiky SR lokality vhodné na
umiestnenie veterných turbín (s rýchlosťou vetra vyššou
ako 5 m.s-1) predstavujú
energetický potenciál
1626 MW, očakávaný výkon
je 335 MW a predpokladaná
ročná výroba 1992 GWh.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
49
SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE
Slnečná energia
Slnečná energia dopadá na povrch Zeme vo forme
žiarenia 1,8 .1017 W.s-1.
 34 % sa odráža do medziplanetárneho priestoru,
 19 % sa pohltí v atmosfére a premení na teplo,
 47 % pohltí povrch Zeme.
V našich zemepisných šírkach dopadne ročne na 1 m2
energia asi 3 kW.h za deň (125 W.m-2 Žilina, 143 W.m-2
Hurbanovo, 290 W.m-2 Sahara).
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
50
SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE
Premeny slnečnej energie
Priame
Fotické
Fotolýza
Fotokatalýza
Fotoelektrokatalýza
Elektrické
Fotovoltická
Termoelektrická
Termoionická
Nepriame
Tepelné
Tepelné stroje
Priamy rozklad
vody
Termochemický
rozklad vody
Hybridný
rozklad vody
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
51
SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE
Premeny slnečnej energie
Priame
Nepriame
Mechanické
Organické
Energia vetra
Termochemické
Energia mora
Biochemické
Energia riek
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
52
SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE
VYUŽITIE SLNEČNEJ ENERGIE
 fotovoltickou premenou, kde je účinnosť teoreticky
30 % (bežne okolo 20 %). Pre získanie väčšieho výkonu
je nutné sérioparalelne
prepojiť viac článkov
do tzv. solárneho
panelu.
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
53
SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE
Solárnou tepelnou premenou,
 lineárne parabolické zrkadlá, olej (400 °C)
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
54
SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE
 tanierové parabolické zrkadlá, olej (650 °C)
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
55
SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE
 termálne solárne veže, olej (1000 °C)
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
56
SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE
 komínová slnečná elektráreň
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
57
ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ
Katedra výkonových elektrotechnických systémov
http: www.kves.uniza.sk
58

similar documents