KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS

Elektros ir valdymo inžinerijos fakultetas

Elektros sistemų katedra

Vėjo energetika

Semestro darbas

Jūrinio vėjo elektrinių parko projektas

Kaunas,2010

Turinys

Ivadas.............................................................................................................................................................3

1.Duomenys...................................................................................................................................................4

2. Jūros elektrinės tipas ir parametrai............................................................................................................5

3.Vėjo elektrinių parko struktūrinė shema.....................................................................................................6

4.Apsauga nuo žaibo......................................................................................................................................7

5.Vėjo elektrinės generuojamos galios skaičiavimai.....................................................................................7

6.Vėjo elektrinės pagaminamos elektros energijos kiekio skaičiavimas žinant metinį vėjo vidurkį...........10

7.Laidų skerspjūvių pasirinkimas................................................................................................................12

8.Ekvivalentinė schema ir jos varžos...........................................................................................................13

9.Harmonikų parametrų skaičiavimas.........................................................................................................14

10.Energijos generacijos išlaidos, pajamos ir atsipirkimo laikas................................................................16

Išvados.........................................................................................................................................................17

Literatūra......................................................................................................................................................18

Ivadas

Vėjo energija – vėjo kaip oro judėjimo energija. Apskaičiuota, kad 1-3 % Žemę pasiekiančios

Saulės energijos virsta vėjo energija. Tai 50-100 kartų daugiau už energijos kiekį, fotosintezės dėka

pereinantį į biomasės energiją. Didžioji dalis tos energijos pasireiškia aukštuosiuose oro sluoksniuose, kur

nuolat pučia ~160 km/val. 44.44m/s greičio vėjai. Galų gale vėjo energija dėl oro trinties virsta oro

šiluma. Vėjo energija tarnavo žmogaus reikmėms visus 2011m. ir išliko viena perspektyviausių

atsinaujinančių energijos šaltinių. Vėjas- nuolat besikeičiantis energijos šaltinis. Jis labai priklauso nuo

geografinės padėties, taip pat žemės dangos reljefo (medžių bei pastatų). Vėjo greičiai didėja kylant

aukštyn virš žemės paviršiaus. Išgaunamas galingumas yra proporcingas vėjo greičio kūbui, taigi greičiui

padvigubejus, galingumas padidėja aštuonis kartus. Todėl, vėjas, kurio vidutinis greitis 5 m/s, turi

dvigubai didesnį galingumą už vėją, kurio vidutinis vėjo greitis 4 m/s. Vėjo energetiniams objektams turi

būti parinktos vietovės be didesnių medžių ir statinių, nes šios kliūtys sumažina vėjo greitį bei

turbulizuoja jį.

Baltijos jūroje ties palanga ir Klaipėda jau po kelerių metų gali pradėti suktis gigantiški kelių vėjo

jėgainių sparnai. Įvertinus poveikį Baltijos pajūryje atlikus aplinkos tyrimus yra išsianškinta, kuriose

vietose galima kurti vėjo jėgainių parkus. Nustatyta, kad Baltijos jūroje gali būti pastatyti trys vėjo

elektrinių parkai.

Tikslas: Suprojektuoti jūrinio vėjo elektrinį parką, kurio galingumas 250MW, 100km atstumu

nuo kranto, 40m gylyje.

Uždaviniai:

1. Pasirinkti vėjo elektrinių parko schemą.2. Apskaičiuoti vietinės aktyviosios ir reaktyviosios galios balansus.3. Rasti tinklo įtampos kitimo ribas.4. Apskaičiuoti elektros kokybės parametrų vertes.5. Pateikti vėjo elektrinių parko atsiperkamumo finansinį skaičiavimą.

1.DuomenysBaltijos jūroje, ateityje žadama pastatyti gausų vėjo elektrinių parką. Žemaiu pateiktame

paveikle stačiakampiais yra pavaizduotos jungimas į elektros perdavimo tinklą, tai yra vietos, kur žadama statyti vėjo elektrinių parką.

1 pav. Elektrinės prijungimas prie 330 kV pastotės

Šiame kursiniame darbe, pasirinksiu atititinkamą vėjo elektrinės tipą ir vietą kuri yra prijungtas prie 330kV tinkle Klaipėdoje. Teritorijos plotas yra ~25km2 , vidutinis jūros gylis siekia 32m. Šioje vietoje gali būti įdiegta 50 elektrinių, kurių bendra galia gali siekti 250 MW.

2. Jūros elektrinės tipas ir parametrai

Jūros elektrinių parko projektavimui pasirinkau AREVA Wind M5000- 5MW elektrines.

1. Lentelė. Vejo elektrinės parametraiNominali galia 5 MWNominalusis vėjo greitis 12,5 m/sĮsijungimo vėjo greitis 4 m/sIšsijungimo vėjo greitis 28m/sVėjaračio ašies aukštis 135 mVėjaračio aukštis esant vertikaliai menties padėčiai 193 m

Vėjaračio plotas 10,568 m2

Vėjaračio menčių ilgis 58 mMenčių skaičius 3Rotoriaus diametras 116 mRotoriaus sukimosi greitis 14,8 aps/minGeneratorius sinchroninis

2pav. Galios prikalusomybė nuo vėjo greičio

Transformatorių parinkimo sąlygos:

n- vėjo elektrinių keikis;PG- elektrinės galia MW.

Parenkamas SN=300 MVA galios transformatorius, kuris tenkina sąlygas .

3.Vėjo elektrinių parko struktūrinė shema

Pateikiama struktūrinė vėjo parko shema, kurioje elektrinės yra išdėstytos ir sujungtos grupėmis, L2, L3, L4, L5, L6 linijose sujungtos po 10 VE. Nuo jūrinės pastotės iki sausumos nutiestas jūrinis nuolatinės srovės kabelis, kurio ilgis 100km. Nuo sausumos pastotės iki aukštos įtampos 330 kV pastotės esančios Klaipėdoje, tiesiamas 15 km kintamos srovės kabelis.

3pav. Struktūrinė vėjo parko schema

4.Apsauga nuo žaibo

Dėl to, kad vėjo jėgainės statomos atvirose vietovėse ir dėl didelio savo aukščio jos atsiduria tiesioginio žaibo smūgio zonoje. Rizika, kad žaibas trenks į objektą, didėja kvadratu, palyginti su konstrukcijos aukščiu. Vėjo malūnų kartu su jų mentėmis aukštis siekia 193 m. Jie priklausomai ypatingai rizikos grupei, todėl būtina visapusiška apsauga nuo žaibo ir jo sukeliamų viršįtampių. Kabinos korpusas turi būti suprojektuotas uždaras. Įranga, esanti viduje, sukurs sąlygiškai mažą, palyginti su išore, elektromagnetinį lauką. Skirstomieji ir valdymo įrenginiai, esantys korpuso viduje ir (jei tokie yra) valdymo pastate turėtų būti pagaminta iš metalo. Turėtų būti naudojami ekranuotieji kabeliai efektyvūs tik tuo atvėju, jeigu jų ekranai prijungit prie potencialų išlyginamojo tinklo abiejuose kabelio galuose. Ekranai turi būti jungiami, nepaliekant laisvų galų. Bokšto fundamentas turi būti prijungtas prie vėjo jėgainės įžeminimo sistemos. Bokšto ir (jei yra) valdymo pastato fundamentų įžeminismo elektrodai turi būti apsaugoti nuo korozijos. Pastato ir bokšto pamatų įžeminimo sistemos tarpusavyje sujungiamos įžeminimo tinklu, stengiantis pasiekti kuo didesnį bendros sistemos plotą. Aplink bokšto pagrindą sumontuoti papildomi kontroliniai įžeminimo žiedai.

Skaičiuojame AREVA Wind M5000- 5MW elektrines:

; (1)

Čia Nd- tiesioginių žaibo smūgių į VE skaičius;

Ng- žaibo smūgių į 1 km2 per metus vidurkis;

Ad- plotas, kuriame susidarę žaibai pataiko į elektrinę;

Cd- aplinką įvertiantis koeficientas;

hbendr- bokšto ir mentės ilgių suma;

Ng= 0,75 1/km2 metinis vidurkis;

hbendr= 193m;

m2 ; (3)

Aplinką įvertinantis koeficintas Cd=1.

Nd=0,75*105,3*104*10-6=0,79*1/met (4)

5.Vėjo elektrinės generuojamos galios skaičiavimai

Atliekami skaičiavimai AREVA Wind M5000- 5MW vėjo elektrinės generuojamos galios pagal Veibulo parametrus ir vėjo elektrinėse galios kreivę. Nemažą įtaką vėjo greičiui turi aukštis nuo žemės paviršiaus. Vidutinį vėjo greitį vėjo elektrinės ašies aukštyje galima apskaičiuoti pagal žemiau pateiktą formulę:

, (5)

Čia: v1- vėjo greitis (m/s) išmatuotas aukštyje h1 (m);

v2- vėjo greitis (m/s) išmatuotas aukštyje h2 (m);

n- laipsnio rodiklis, įvertinus vietovės šiurkštumo laipsnį, kuris pateikiamas 2 lentelėje.

m/s (6)

Veibulo skalės parametras a apskaičiuojamas pagal žemiau pateiktą formulę:

. (7)

Čia: - gama funkcija;

Vvid- vidutinis vėjo greitis;

k- Veibulo formos parametras.

2 lentelė. Žemės paviršiaus šiurkštumo klasės ir laipsnio rodikliaiPavišiaus tipas Pavišiaus šiurkštumo Laipsnio rodiklis nVandens paviršius 0 0,01Visiškai atvira vietovė su lygiu paviršiumi, pvz. Keliai, aerodromai, ganyklos ir t.t.

0,5 0,077

Atvira, retomis kalvomis apsupta žemės ūkio vietovė, be tvorų ir medžių su retai pasitaikančiais pastatais.

1 0,12

Tarp laukų įsiterpusi kaimo vietovė su namais ir sodais, užimanti maždaug 0,125 km2.

1,5 0,145

Tarp laukų įsiterpusi kaimo vietovė su namais ir sodais, užimanti maždaug 0,25 km2.

2 0,16

Tarp laukų įsiterpusi kaimo vietovė su namais ir sodais, užimanti maždaug 1 km2.

2,5 0,2

Kaimo gyvenvietė, nedideli miesteliai, sodai ir miškai. 3 0,28

Veibulo formos orientacinis parametras k parenkamas nuo vėjo vidutinio matavimo aukščio hx 3 lentelėje.

3 lentelė. Vėjo vidutinis matavimo aukštis hxAukštis hx, m Veibulo formos parametrai

Iki 30 1,7Iki 50 2Iki 70 2,2Iki 90 2,3

Virš 100 2,4 Veibulo parametrai skaičiuojami regionams arba vietovei pagal vėjo greičių kitimo pasiskirstymą toje

vietovėje atlikus vėjo matavimus. Pagal surinktus duomenis sudaromas metinis vėjo greičių pasiskirstymo grafikas, kuriuo remiantis paskaičiuojamas Veibulo formos parametras. Veibulo formos parametrai skaičiuojami pagal formules.

Skaičiuojami tikėtini greičiai valandomis per metus pagal Veibulo ir skalės parametrus žemiau pateiktą formulę.

(8)

Atliekami energetiniai skaičiavimai pagal vėjo elektrinės parametrus ir meteorologinius duomenis 4 lentelėje.

4 lentelėOro tankis ρ, kg/m3

Vėjo matavimo aukštis h1, m

Vėjo greitis h1=65m

Laipsnio rodiklis

Veibulo formos parametras

VE galia P, kW

Vėjaračio diametras D, m

Vėjaračio plotas A, m2

1,225 80 7,9 0,01 2,3 5000 116 10568

Atlikus skaičiavimus pagal formules gauti rezultatai pateikti 5 lentelėje.

5 lentelėVėjo elektrinės bokšto aukštis h2,m Vėjo greitis h2=105, m/s Veibulo skalės parametras a, m/s135 7,941 8,03

Pagaminamos energijos kiekis skaičiuojamas pagal žemiau pateiktą formulę.

W=Hi*Pi (9)

Čia: Hi- valandų pasiskirstymas pagal vėjo greitį;

Pi- vėjo elektrinės galios pagal galios kreivę.

Atlikus skaičiavimus pagal anksščiau paminėtas formules gauti rezultatai pateikti 6 lentelėje.

6 lentelė. Gauti rezultatai

Vėjo greitis Pasiskirstymas

Galia iš gamintojo galios kreivės prie

oro tankio ρ=1,2041 kg/m3

Elektros energijos kiekis

Galios koeficientas iš gamintojo galios koeficiento kreivės

prie oro tankio ρ=1,2041 kg/m3

Vi [m/s] H [h/a] P [kW] W [MWh/a] c(p) [-]1 168.096 0 0 02 395.477 0 0 0,03 627.417 0 0 0,354 826.558 0 0 0,45 964.955 200 192,99094 0,456 1027 800 821,27452 0,477 1009 1100 1110,36 0,58 924.48 1500 1386,72 0,59 792.205 2000 1584,41 0,4610 636.862 2500 1592,15 0,4111 481.052 3000 1443,16 0,3412 341.702 4500 1537,66 0,2713 228.339 5000 1141,69 0,2214 143.557 5000 717,78651 0,1715 84.904 5000 424,52021 0,1416 47.225 5000 236,12309 0,1217 24.693 5000 123,46676 0,118 12.133 5000 60,6646 0,0819 5.599 5000 60,6646 0,0720 2.425 5000 12,1264 0,0621 0.986 5000 4,9278 0,0522 0.376 5000 1,8776 0,0423 0.134 5000 0,6703 0,0424 0.045 5000 0,224 0,0325 0.014 5000 0,07 0,03

Susumavus visus energijos kiekius Wi tikėtinas pagaminamos leketros energijos kiekis per metus 12453,54 MWh.

6.Vėjo elektrinės pagaminamos elektros energijos kiekio skaičiavimas žinant metinį vėjo vidurkį

Laipsnio rodiklis priklauso nuo vietovės šiurksštumo, jūros artumo ir oro tankio. Todėl matavimo taškų aukštumas iki 100-150 m, naudojant naujai statomas vėjo elektrines leistų žymiai tikroviškiau vertinti vėjo energetinį potencialą, kuris proporcingas vėjo greičio kubui. Vėjo energetikos kiekis E (W/m2) tenkantis 1m2 vėjaračio plotui, statmenam vėjo srautui, esant pastoviam vėjo greičiui, skaičiuojamas pagal formulę :

;

Čia E- vėjo energijos potencialas, W/m2 per 1s;

ρ- oro tankis kg/m3 (1,2041 kg/m3 esant 20oC temperatūrai ir 760mm Kg slėgiui);

V2- vidutinis projektuojamas vėjo greitis.

E=0,5*1,2041*10,2=638,9 W/m2.

Vidutiniai mėnesių greičiai ir skaičiavimų rezultatai pateikti 7 lentelėje:

7 lentelė.

Mėnuo Vėjo greitis Energijos kiekis

(m/s) (W/m2)1 10,02 638,92 9,29 482,70273 8,01 309,4074 7,7 274,85575 6,58 171,51826 5,42 95,858457 5,14 81,756438 5,49 99,62079 5,69 110,909710 7,4 243,965111 7,98 305,943512 8,84 415,9004

Vidurkis 7,29Viso 3231,33

4 pav. Elektros kiekis per metus

Pagaminamos energijos kiekį per metus galima apskaičiuoti pagal vidutinio per metus pačiančio vėjo greičio reikšmę. Daroma prielaida, kad visus metus pučia vidutinis tam tikro stiprumo vėjas. Jis dar vadinamas projektiniu vėjo greičiu.

Metinį pagaminamos elektros energijos kiekį galima apskaičiuoti pasinaudojus formulę:

; (12)

;

; (13)

Čia: D- VE vėjaračio diametras, pavyzdžiui, D=107m;A- VE vėjaračio skritulio plotas erdvėje, m2;V2- vidutinis projektuojamas vėjo greitis, m/s;ηm- mechaninis naudingumo keoficientas;ηg- generatoriaus naudingumo keoficientas;tmet- metų trukmė, val.;Cp- galios panaudojimo koeficientas;λ- koeficientas priklauso nuo vėjaračio tipo ir apskaičiuojamas pagal formulę:

(15)

Čia: - vėjaračio apsisukimų skaičius, aps/min;

B- Menčių skaičius.

;

VE elektrinė pagamintų per metus:

.

7.Laidų skerspjūvių pasirinkimas

Skaičiuojama linijos srovė:

Čia: I-linijos skaičiuojamoji srovė A;

P- galia W;

Uv- vardinė įtampa kV;

;

linijų srovės yra tokios pačios, nes yra priskirta po vienodą skaičių elektrinių.

Parenkamas firmos ABB 35kV kintamosios srovės povandeninis kabelis 1000mm2.

8 lentelė. 35kV kabelio parametrai

Tipas Vardinė įtampa, kV

Maksimali įtampa, kV

Diametras, mm2 Vardinė srovė, A

10-90 kV XLPE 3 core cable

35 37 1000 825

;

A.

Parenkamas 150kV nuolatinės srovės kabelis.

9 lentelė. 150kV kabelio parametrai

Tipas Vardinė įtampa, kV Diametras, mm2 Vardinė srovė, A

XDBE 3 AB-150 150 500 1052

Skaičiuojamas 330 kV kintamos srovės kabelis esantis krante, kuris jungiasi į tinklą;

;

Parenkamas 330 kV srovės kabelis 240 mm2

10 lentelė. 115kV kabelio parametrai

Tipas Vardinė įtampa, kV

Maksimali įtampa, kV Diametras, mm2 Vardinė srovė, A

XDBE 3 AM-330 330 346 240 415

8.Ekvivalentinė schema ir jos varžos

Skaičiavimus atliksime santykiniais vienetais, priėmę, kad bazinė įtampa ir galia:

Sb=100 MVA;

Uvid=Ub;

Transformatoriaus T1 reaktyvioji varža:

; (25)

Transformatoriaus T2 reaktyvioji varža:

; (26)

Kabelio L2, L3, L4, L5, L6 reaktyvioji aktyvinė varža:

; (27)

; (28)

Kabelio L1 reaktyvioji ir aktyvioji varža:

; (29)

; (30)

Kabelio L7 reaktyvioji ir aktyvioji varža:

; (31)

; (32)

Pastaba: Linijos x0 ir ro yra parenkamos pagal panašių kabelių parametrus, kadangi šių kabelių gamintojai nepateikia šių reikalingų verčių.

9.Harmonikų parametrų skaičiavimas

Vėjo elektrinės harmoninės srovės turi būti tokios, kad elektrinės prijungimo taške būtų išvengta nepageidautinų harmonikų įtampų. Harmoninės srovės turi būti tokios mažos, kad jų sukeliamos harmoninės įtampos prijungimo taške atitiktų šiuos reikalavimus:

(33)

Čia: Ih- vėjo elektrinės h-harmoninės srovės ir pagrindinio dažnio srovės santykis;

Uh- h- harmoninės įtampos leistinoji vertė iš 3 lentelės;

Sk- trumpojo jungimo galia prijungimo taške;

k- trumpojo jungimo grandinės fazinis kampas prijungimo taške;

Sapkr- bendro naudojimo elektros tinkle pastotės vietinė ( be vietinio generavimo) apkrovos galia;

Spark- vėjo elektrinių pilnutinė vardinė galia.

Trumpojo jungimo grandinės fazinis kampas

Čia: - reaktyvioji varža iki 330 kV šynos;

-aktyvioji varža iki 330 kV šynos;

(34)

Trumpojo jungimo srovė :

(35)

MVA (36)

(37)

11 lentelė. Vėjo elektrinės skleidžiamų harmonikų vertėsHarmonikų eilė, h Apskaičiuota harmoninė srovė, %

2 9,2653 21,0044 5,8745 28,2366 2,3657 21,3558 2,6749 5,61410 2,95511 16,44512 1,69913 14,25814 1,88715 1,90916 2,00517 9,47818 2,13319 6,45520 1,77721 1,85522 2,77423 6,13324 1,44425 6,044

5pav. Harmonikų kreivė.

10.Energijos generacijos išlaidos, pajamos ir atsipirkimo laikas

Parinkus vėjo elektrinę pagal vidutinius mėnesių vėjų greičius galime skaičiuoti metines

energijos generacijas.

Žinant, kad mūsų vėjo elektrinių parką sudaro 50 vėjo elektrinių, tai galime rasti metinį

viso parko gautą pelną, pagamintos energijos kiekį.

Elektros energijos supirkimo kaina 30 cnt/kWh. Žinodami kiek vėjo elektrinių

parkaspagamina per metus galime apskaičiuoti planuojamas gauti pajamas. Ir įvertinti projekto

atsipirkimo laiką.

Gautas pajamas iš vienos VE elektrinės per metus:

Lt (38)

Gautos pajamos ir VE parko per metus:

Lt*50 VE=122461706,3Lt

Prijimu, kad vėjo elektinės kaina yra 12mln.Lt. Šią kainą sudaro 40% statybos ir montavimo išlaidos, bei 60% išlaidos skirtos įrenginiams. Žinant, kad buvo panaudota VE parkui 600 mln. Lt, o kasmet gauname pelno apie 122461706,3 mln Lt. galime rasti vėjo elektrinių parko atsipirkimo laikotarpį.

Vėjo elektrinė atsipirks: . (39)

Išvados1. Vėjo elektrinių generuojama galia priklauso nuo vėjo greičių, bei vietovės šiurkštumo

koeficiento.2. Nustačiau, kad vėjų elektrinių parkas atspirks po 5 metų. Kadangi, vėjo elektrinių tarnavimo

amžius yra gerokai didesnis, jis gali siekti iki 25 metų, tai projektas nenuostolingas.3. Pritaikius Veibulo formos parametrus pagal matavimo aukštį, projektuojamos atsiperkamumo

laikotarpis žymiai sumažėja, ir kinta atsipirkimo metais gaunamas pelnas.4. Vėjo generuojama energija turės poveikį galios sistemos rezervams. Vėjo galios poveikis

priklauso daugiausia nuo vėjo galios skvarbumo lygio, bet taip pat priklauso ir nuo galios sistemos dydžio, bei apkrovos pokyčių.

5. Vėjo elektrinių jungimas prie bendro elektros tinklo sukelia papildoma tinklo nestabilumą. Kadangi visas pagaminasmas elektros kiekis priklauso nuo to kaip pučia vėjai.

Literatūra

1. Vikipedija laisvoji enciklopedija [interaktyvus]. [žiūrėta 2011-12-11]. Prieiga per internetą:

http://lt.wikipedia.org/wiki/V%C4%97jo_energija

2. [interaktyvus]. [žiūrėta 2011-11-28]. Prieiga per internetą:

http://www.areva-wind.com/1/m5000/technical-data .

3. [interaktyvus]. [žiūrėta 2011-11-28]. Prieiga per internetą: http://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=1JNL100105-122&LanguageCode=en&DocumentPartID=&Action=Launch&content=external

4. [interaktyvus]. [žiūrėta 2011-11-28]. Prieiga per internetą: http://www05.abb.com/global/scot/scot245.nsf/veritydisplay/2fb0094306e48975c125777c00334767/$file/xlpe%20submarine%20cable%20systems%202gm5007%20rev%205.pdf