6.8.3.2
Malé větrné elektrárny
Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv
NahoruÚvod
Větrné elektrárny jsou považovány za jeden z obnovitelných zdrojů
elektrické energie. Počátek rozvoje větrných elektráren byl začátkem 80. let
minulého století zejména v USA a Dánsku, v ČR byly na začátku 90. let 20.
století instalovány malé větrné elektrárny pro komerční účely, ale i střední
větrné elektrárny s instalovaným výkonem několika set KW připojovaných do sítí
vn. V dalším textu jsou uvedeny základní požadavky, které je třeba respektovat
navrhování, projektování a realizaci malých větrných elektráren připojovaných
do sítí nízkého napětí.
NahoruRozsah použití
Tento materiál se týká malých větrných elektráren s průtočnou
plochou rotoru menší než 200 m2, generující elektrický proud o
napětí menším než AC 1 000 V, nebo DC 1 500 V a specifikuje požadavky na jejich
mechanickou bezpečnost včetně návrhu a instalace strojních částí, včetně údržby
a provozu, při respektování v textu specifických vnějších podmínek. Účelem je
poskytnout odpovídající úroveň nezbytné ochrany proti poruše vyplývající z
rizik systému během jeho životnosti.
Materiál uvádí požadavky na dimenzování všech mechanických prvků
malých větrných elektráren, jako jsou ochranné mechanizmy, mechanické soustavy,
nosná konstrukce, základy, vnitřní elektrické systémy a elektrické spojení se
zátěží.
NahoruCitované normy
ČSN EN
60034-1 (35 0000) Točivé elektrické stroje – Část 1 : Jmenovité údaje a
vlastnosti
ČSN EN 60034-2 (35 0000) Točivé elektrické stroje – Část 2 :
Metody určování ztrát a účinnosti točivých elektrických strojů ze zkoušek (s
výjimkou strojů pro trakční vozidla)
ČSN EN 60034-5 ed. 2 (35 0000) Točivé elektrické stroje – Část 5 :
Stupně ochrany dané vlastní konstrukcí točivých elektrických strojů (IP kód) –
klasifikace
ČSN EN
60034-8 (35 0000) Točivé elektrické stroje – Část 8 : Značení svorek a
smysl točení
ČSN 33
0120 :2001 Elektrotechnické předpisy – Normalizovaná napětí IEC
ČSN EN
60204-1 (33 2200) Bezpečnost strojních zařízení – Elektrická zařízení
strojů – Část 1 : Všeobecné požadavky
ČSN 33
2000-5-54 Elektrotechnické předpisy – Elektrická zařízení – Část 5 : Výběr
a stavba elektrických zařízení – Kapitola 54 : Uzemnění a ochranné vodiče
ČSN IEC
721-2-1 (03 8900) Klasifikace podmínek prostředí – Část 2 : Podmínky
vyskytující se v přírodě. Teplota a vlhkost vzduchu (idt HD 478.2.151:1989, idt
IEC 721-2-1:1982)
ČSN EN 61400-1 ed. 2 (33 3160) Větrné elektrárny – Část 1 :
Návrhové požadavky
ČSN EN 61400-12-1 (33 3160) Větrné elektrárny – Část 12 -1: Měření
výkonu větrných elektráren
IEC 61643-1 Zařízení proti přepětí připojená do nízkonapěťové
distribuční sítě – Požadavky a zkoušky
ČSN EN ISO/IEC 17025:2005 (01 5253) Posuzování shody – Všeobecné
požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří
ČSN ISO 2394 (73 0031) Obecné zásady spolehlivosti konstrukcí
NahoruTerminologie
Pro účely tohoto materiálu se používají následující termíny a
definice:
roční průměr
střední hodnota souboru měřených dat dostatečného rozsahu a doby
trvání, která může sloužit k odhadu očekávané hodnoty sledované veličiny
POZNÁMKA Pro vyloučení nestacionárních účinků sezónních změn
musí být průměrovaný časový interval celým číslem roků pozorování.
roční střední rychlost větru
V ave
rychlost větru průměrovaná podle definice pro roční průměr
cyklus automatického opětovného sepnutí
událost s časovou periodou od 0,01 s do několika vteřin, během
které je uvolněn vypínač, poté co po poruše sítě došlo k jejímu automatickému
připojení
brzda (větrných elektráren)
zařízení schopné snížit otáčky rotoru nebo zastavit jeho
otáčení
katastrofická porucha (větrných elektráren)
porucha, nebo destrukce součástky nebo konstrukce, která vede ke
ztrátě provozní funkce a naruší bezpečnost
charakteristická hodnota (vlastnosti materiálu)
hodnota mající předepsanou pravděpodobnost toho, že nevznikne při
teoreticky neomezené době zkoušení
řídicí systém (pro větrné elektrárny)
subsystém, který dostává informace o stavu větrné elektrárny
a/nebo okolního prostředí a nastavuje větrnou elektrárnu tak, aby pracovala v
provozních mezích
rychlost větru připojení
V in
nejnižší rychlost větru ve výšce náboje rotoru, při které větrná
elektrárna začíná dodávat využitelný výkon v případě ustáleného větru bez
turbulence
rychlost větru odstavení
V out
nejvyšší rychlost větru ve výšce náboje rotoru, na kterou je
větrná elektrárna navržena, aby při ní dodávala využitelný výkon
návrhové meze
maximální nebo minimální hodnoty použité při návrhu
návrhová situace
možné stavy provozu větrné elektrárny, například výroba elektřiny,
parkování atd.
návrhová rychlost větru
vstupní rychlost větru použitá pro jednoduché rovnice při návrhu
(rovna ,4 V ave)
po větru
v hlavním směru větru
nouzové odstavení (pro větrné elektrárny)
rychlé odstavení větrné elektrárny způsobené zásahem ochranného
systému nebo ručním zásahem
charakteristiky okolního prostředí
charakteristiky okolního prostředí (výška, teplota, vlhkost,
atd.), které mohou ovlivňovat chování větrné elektrárny
vnější podmínky (pro větrné elektrárny)
faktory, které ovlivňují provoz větrné elektrárny, včetně režimu
větru a dalších klimatických faktorů (sníh, led, atd.), zemětřesení a podmínek
elektrické sítě
extrémní rychlost větru
nejvyšší rychlost větru, průměrovaná během t vteřin,
určovaná v zadaném časovém úseku (rekurentní době) T roků
POZNÁMKA Ve většině norem jsou rekurentní periody T = 50
roků a T = 1 rok a jako čas průměrování se používá t = 3 s a t = 10 min. Slangově se často používá termín "rychlost větru přežití“.
Zde je pro návrhové zatěžovací případy větrné elektrárny použita extrémní
rychlost větru.
bezpečný proti poruše
návrhová vlastnost prvku konstrukce, která brání, aby jeho porucha
způsobila kritické poruchy
sklápění
pasivní mechanizmus pro zabránění překročení otáček tím, že je
zmenšena průtočná plocha vrtule
poryv
rychlá a krátká změna rychlosti větru
POZNÁMKA Poryv může být charakterizován dobou svého narůstání,
velikostí a dobou trvání.
větrná elektrárna s vodorovnou osou otáčení
v ětrná elektrárna, u které je osa rotoru téměř rovnoběžná
se směrem větru
náboj rotoru (větrných elektráren)
konstrukční prvek sloužící k uchycení nebo montáží listů rotoru k
hnacímu hřídeli
výška náboje rotoru (větrných elektráren)
výška středu rotoru větrné elektrárny nad povrchem okolního
terénu; pro větrné elektrárny se svislou osou je výška náboje výškou rovníku
rotoru nad zemí
volnoběh (pro větrné elektrárny)
rotor větrné elektrárny se pomalu otáčí a nedodává žádný
využitelný výkon
mezní stav
stav konstrukce zatížené vnějším zatížením, po jehož překročení
konstrukce již není schopna vyhovět návrhovým požadavkům
POZNÁMKA Účelem návrhových výpočtů (tj. návrhové požadavky na
mezní stav) je udržet pravděpodobnost toho, že mezní stav vznikne dříve, než je
dosaženo hodnoty předepsané pro daný typ konstrukce (dle ISO 2394).
zatěžovací případ
kombinace návrhové situace a vnější podmínky, která vede k
zatížení konstrukce
logaritmický zákon střihu větru
matematický zákon, který vyjadřuje změnu rychlosti větru s výškou
nad zemí jako logaritmickou funkci
střední rychlost větru
statistická střední hodnota okamžitých hodnot rychlosti větru,
průměrovaná v daném časovém intervalu, který může být proměnlivý od několika
vteřin až po několik let
gondola
konstrukční celek na vrcholu věže větrné elektrárny s vodorovnou
osou otáčení, ve kterém je umístěn hnací hřídel a další konstrukční prvky
normální odstavení (pro větrné elektrárny)
odstavení, při kterém všechny fáze odstavení jsou pod kontrolou
řídicího systému
provozní meze
soubor podmínek definovaný konstruktérem malé větrné elektrárny,
které určují aktivaci řídicího nebo ochranného systému
parkování větrné elektrárny
závisí na konstrukci větrné elektrárny, parkování znamená, že
větrná elektrárna je buď ve stavu klidu, nebo ve volnoběžném režimu
parkování
situace, ve které větrná elektrárna zůstává po normálním
odstavení
exponenciální zákon střihu větru
matematický zákon, který vyjadřuje změnu rychlosti větru s výškou
nad zemí jako exponenciální funkci
výstupní výkon
výkon dodávaný zařízením ve specifické formě a pro specifické
účely
POZNÁMKA Pro větrné elektrárny je to elektrický výkon dodávaný
větrnou elektrárnou.
ochranný systém (větrné elektrárny)
systém, který zaručí, že větrná elektrárna zůstane v návrhových
mezích
Rayleighovo rozdělení
pravděpodobnostní funkce rozdělení hustoty pravděpodobnosti,
obvykle používaná pro rychlost větru; rozdělení závisí na nastavitelném
parametru – parametru měřítka, který určuje střední rychlost větru
POZNÁMKA Reyleighovo rozdělení je identické s Weibullovým
rozdělením s parametrem tvaru 2.
referenční rychlost větru
V ref
základní parametr používaný pro rozdělení větrných elektráren do
tříd; další návrhové klimatické parametry jsou odvozeny od referenční rychlosti
větru a dalších základních parametrů jednotlivých tříd malých větrných
elektráren
POZNÁMKA Větrná elektrárna, navržená pro třídu malých větrných
elektráren, která odpovídá referenční rychlosti větru V ref,
je navržena tak, aby bezpečně vydržela klimatické podmínky, pro které je
desetiminutová střední rychlost větru ve výšce náboje, pro dobu výskytu jednou
za 50 roků, menší nebo rovna referenční rychlosti větru V ref
rezonance
jev, který se vyskytuje u kmitajícího systému, při kterém vynucený
kmitočet je velmi blízký vlastnímu kmitočtu
otáčky rotoru (pro větrné elektrárny)
otáčky rotoru větrné elektrárny
drsnostní délka
extrapolovaná výška, ve které střední rychlost větru klesne na
nulu při logaritmické změně rychlosti větru s výškou
životnost
provozní životnost s deklarovanou pravděpodobností katastrofické
poruchy
plánovaná údržba
preventivní údržba prováděná podle zavedeného časového plánu
zastavení (pro větrné elektrárny)
přechodový stav větrné elektrárny mezi dodáváním do sítě a
zabrzděným stavem nebo volnoběhem
zastavená větrná elektrárna
stav, při kterém je větrná elektrárna zastavena
nosná konstrukce (větrných elektráren)
část větrné elektrárny zahrnující věž a základy
rychlost větru přežití (populárně)
populární výraz pro maximální rychlost větru, kterou má navržená
konstrukce bezpečně přenést
POZNÁMKA V normách souboru IEC 61400 tento výraz není použit;
návrhové podmínky místo toho odkazují na extrémní rychlost větru
malá větrná elektrárna
systém s průtočnou plochou rotoru 200 m2 a méně, který
mění kinetickou energii větru v energii elektrickou
průtočná plocha rotoru
průmět plochy vytvořené rotorem během jedné otáčky do roviny kolmé
k vektoru rychlosti větru
intenzita turbulence
poměr směrodatné odchylky rychlosti větru ke střední hodnotě
rychlosti větru, určený v definovaném časovém úseku ze stejného souboru dat
jako data o rychlosti větru
stav na mezi únosnosti
limitní stav, který obecně odpovídá maximální únosnosti
konstrukce
neplánovaná údržba
údržba prováděná nikoliv podle stanovené doby údržby, ale po
přijetí oznámení o stavu zařízení
proti větru
ve směru opačném, než je směr větru
větrná turbína se svislou osou otáčení rotoru
(vertical axis wind turbine)
větrná turbína, u které je osa rotoru vertikální
Weibullovo rozdělení
pravděpodobnostní distribuční funkce často používaná pro rychlost
větru; tato distribuční funkce závisí na dvou parametrech, parametru tvaru,
který charakterizuje šířku rozdělení, a parametru měřítka, který charakterizuje
střední rychlost větru
POZNÁMKA Viz rozdělení rychlosti větru.
profil větru – matematický zákon pro střih větru
matematický výraz pro předpokládanou změnu rychlosti větru s
výškou nad zemí
POZNÁMKA Obvykle používané profily jsou logaritmický profil
(rovnice 1) nebo exponenciální profil (rovnice 2).
kde
V (z) je rychlost větru ve výšce z;
z výška nad úrovní terénu;
z r referenční výška nad úrovní terénu použitá
pro stanovení profilu větru;
z 0 drsnostní délka;
α exponent (pro exponenciální zákon střihu větru).
střih větru
změna rychlosti větru v rovině kolmé ke směru větru
exponent střihu větru α
často označovaný jako mocnitel exponenciálního zákona pro střih
větru
rozdělení rychlosti větru
pravděpodobnostní funkce rozdělení používaná při popisu rozdělení
rychlosti větru v určitém časovém období
POZNÁMKA Často používaná funkce rozdělení je Rayleighovo P R (V 0), a Weibulovo P W (V 0) rozdělení.
PR {V < V0} = 1 –
exp (– π(V0/2Vave)2) (3)
PW {V < V0} = 1 – exp (–
(V0/C)k)
kde
P R (V 0) je kumulativní
pravděpodobnostní funkce, tj. pravděpodobnost toho, že V ≤
V0;
V 0 rychlost větru (mezní);
V ave střední hodnota rychlosti V;
C parametr měřítka Weibullova rozdělení;
k parametr tvaru Weibullova rozdělení;
Γ gamma funkce
Parametry C a k mohou být vyhodnoceny ze skutečných
dat. Rayleighovo rozdělení je totožné s Weibullovým rozdělením, když k =
2 a C a V ave vyhovují podmínce stanovené v rovnici
(4) pro k = 2. Distribuční funkce vyjadřuje kumulativní pravděpodobnost
toho, že rychlost větru je nižší než V 0. Hodnota (P (V 1) – P(V 2)) vyhodnocená v rozmezí
rychlostí V 1 a V 2, bude určovat zlomek
času, po který bude rychlost větru v těchto mezích. Derivování distribuční
funkce vede k odpovídající funkci rozdělení hustoty pravděpodobnosti.
rychlost větru
vektor směřující ve směru pohybu okamžitého množství vzduchu
obklopujícího uvažovaný bod, velikost vektoru je rovna rychlosti pohybu
elementu vzduchu (tj. místní rychlosti větru)
POZNÁMKA Vektor v kterémkoliv bodě je časovou derivací
polohového vektoru elementu vzduchu procházejícího tímto bodem.
směrové natáčení
otáčení osy rotoru okolo vertikální osy (pouze pro větrné
elektrárny s vodorovnou osou otáčení rotoru)
časová změna úhlu směrového natočení
časová změna úhlu směrového natočení, úhlová rychlost směrového
natáčení
odchylka směrového natočení
vodorovná výchylka rotoru větrné elektrárny ze směru větru
NahoruZnačky, indexy a zkratky Značky, jednotky
A příčná plocha [m2]
A proj plocha promítnutá na rovinu kolmou nebo
rovnoběžnou se směrem větru [m2]
a parametr sklonu pro standardní model turbulence [–]
B počet listů vrtule [–]
C parametr měřítka Weibullova rozdělení [m/s]
C d součinitel odporu [–]
C f součinitel síly [–]
C l součinitel vztlaku [–]
C T součinitel tlaku [–]
Coh koherenční funkce [–]
D průměr rotoru [m]
e r vzdálenost těžiště rotoru od osy natáčení
[m]
F síla [N]
F zB síla na list v kořeni listu ve směru
podélné osy listu [N]
F x-shaft axiální zatížení rotoru [N]
f kmitočet [s-1]
f k charakteristická hodnota pro pevnost
materiálu [–]
G poměr mezi jmenovitým krouticím momentem a momentem při
zkratu generátoru [–]
g zrychlení tíže zemské: 9.81 [m/s2]
I B hmotný moment setrvačnosti listu k ose
mávání [kg/m2]
I 15 charakteristická hodnota intenzity
turbulence ve výšce náboje, při 10minutovém průměrování rychlosti větru 15 m/s
[–]
K modifikovaná Besselova funkce [–]
k parametr tvaru Weibullova rozdělení [–]
L integrální parametr měřítka izotropní turbulence [m]
L lt vzdálenost mezi působištěm vztlaku a
vrcholem věže [m]
L rt vzdálenost mezi středem rotoru a osou
směrového natáčení [m]
L rb vzdálenost mezi středem rotoru a prvním
ložiskem [m]
L c parametr měřítka koherence [m]
Lk integrální parametr měřítka složky rychlosti
[m]
M xB, M yB ohybové momenty v
kořeni listu [Nm]
M brake kroucení nízkootáčkového hřídele
způsobené brzdou [Nm]
M x-shaft krouticí moment na hřídeli rotoru v
místě prvního ložiska [Nm]
M shaft kombinovaný ohybový moment hřídele u
prvního ložiska (nejblíže rotoru) [Nm]
M tower ohybový moment na věži, v místě uchycení
zvedacího bodu [Nm]
m B hmota listu [kg]
m overhang hmota věže mezi zvedacím bodem a
vrcholem věže [kg]
m r hmota rotoru je hmotou listů a náboje
[kg]
m towertop hmota rotoru a gondoly [kg]
N (.) počet cyklů do poruchy jako funkce napětí (nebo
prodloužení) určená argumentem(t.j.charakteristická křivka S-N) [–]
N rekurentní perioda pro extrémní situace [roky]
n otáčky rotoru [ot/min]
n i započítaný počet únavových cyklů v
zatěžovacím třídním intervalu i [–]
O zlomek provozního času [%]
P elektrický výkon [W]
P R (V 0) Rayleighovo
kumulativní pravděpodobnostní rozdělení, tj. pravděpodobnost toho, že V <V 0 [–]
P W (V 0) Weibullovo
kumulativní pravděpodobnostní rozdělení [–]
p pravděpodobnost přežití [–]
Q krouticí moment rotoru [Nm]
R poloměr rotoru [m]
R cog radiální vzdálenost mezi těžištěm [m]
listu a středem rotoru
r velikost průmětu vektoru [m]
S 1 (f) funkce spektrální výkonové
hustoty [m2 /s]
S k jednostranné spektrum složek rychlosti
[m2/s]
s i úroveň napětí (nebo prodloužení) vztažená na
započtený počet cyklů v třídním intervalu i [–]
T časová charakteristika poryvu [s]
t čas [s]
T d návrhová doba životnosti [h]
T E doba odstávky [h]
T N doba, po kterou není větrná elektrárna
schopná provozu [h]
T T celková doba dlouhodobé zkoušky [h]
T U neznámá doba [h]
V rychlost větru [m/s]
V (z) rychlost větru ve výšce z [m/s]
V ave roční průměrná rychlost větru ve výšce
náboje [m/s]
V cg extrémní koherentní velikost poryvu v celé
průtočné ploše rotoru [m/s]
V design návrhová rychlost větru [m/s]
V eN očekávaná extrémní rychlost větru
(průměrovaná během 3 s) při rekurentním časovém intervalu N roků.
Ve1 a V e50 pro 1 rok resp. 50 roků [m/s]
V gustN největší velikost poryvu při očekávané
rekurentní periodě N roků [m/s]
V hub rychlost větru ve výšce náboje průměrovaná
během 10 minut [m/s]
V in rychlost větru pro připojení větrné
elektrárny do sítě [m/s]
V max,shutdown maximální rychlost větru, při
které výrobce povoluje normální vypnutí větrné elektrárny [m/s]
V 0 mezní rychlost větru v modelu rozdělení
rychlosti větru [m/s]
V out rychlost větru při odstavení větrné
elektrárny [m/s]
V ref referenční rychlost větru průměrovaná
během 10 minut [m/s]
V tip obvodová rychlost špiček listů vrtule
[m/s]
V (z, t) podélná složka rychlosti větru použitá pro
popis přechodových změn při extrémních poryvech a střihu větru [m/s]
W momenty odporu průřezů, používané v pevnostních výpočtech
[m3]
x,z,y souřadnicový systém použitý pro popis rozdělení pole
větru v podélném a příčném směru resp. do výšky [m]
z hub výška náboje větrné elektrárny [m]
z r referenční výška nad zemí [m]
z 0 drsnostní délka pro logaritmický profil
větru [m]
α exponent pro exponenciální zákon střihu větru [–]
β parametr pro model extrémní změny směru větru [–]
Γ gama funkce [–]
γ f dílčí součinitel bezpečnosti pro zatížení
[–]
γ m dílčí součinitel bezpečnosti pro materiál
[–]
∆ rozsah [-]
θ (t) přechodová změna směru větru [°]
θ cg úhel maximální odchylky od směru střední
rychlosti větru, při poryvových podmínkách [°]
θ eN extrémní změna směru větru během rekurentní
doby N roků [°]
η účinnost jednotlivých prvků mezi elektrickým výstupem a
rotorem (typicky jsou to generátor, převodová skříň a měnič) [–]
Λ I parametr měřítka turbulence definovaný jako
délka vlny, kde bezrozměrová podélná výkonová spektrální hustota, fS 1 (f)/ σ 2 1, je rovna 0,05
[m]
λ rychlostní parametr pro rychlost špiček vrtule [–]
ρ měrná hmota vzduchu 1,225 [kg/m3]
σ 1 směrodatná odchylka podélné rychlosti větru
ve výšce náboje [m/s]
σ 2 směrodatná odchylka svislé rychlosti větru
ve výšce náboje [m/s]
σ 3 směrodatná odchylka příčné rychlosti větru
ve výšce náboje [m/s]
σ d návrhové napětí [MPa]
σ k k-ta složka směrodatné odchylky
rychlosti větru ve výšce náboje (k = 1, 2, nebo 3) [m/s]
ω n úhlová rychlost otáčení rotoru [rad/s]
ω yaw úhlová rychlost směrového natáčení
[rad/s]
NahoruIndexy
ave průměrný
B list vrtule
design vstupní parametr pro použití zjednodušených rovnic při
návrhu
e50 extrém jednou za 50 let (průměrovaný po dobu 3 s)
hub náboj vrtule
max maximum
r rotor
shaft hřídel
x ve směru x
y ve směru y
z ve směru z
NahoruZkratky
AC střídavý proud
DC stejnosměrný proud
DLC návrhové případy zatížení
ECD extrémní koherentní poryv se změnou směru větru
ECG extrémní koherentní poryv
EDC extrémní změna směru větru
EMC elektromagnetická kompatibilita
EOG extrémní provozní poryv
EWM model extrémní rychlosti větru
F únava
GFCI pozemní přerušovač obvodu
HAWT větrná elektrárna s vodorovnou osou otáčení rotoru
NWP model normálního profilu větru
NTM model normální turbulence
S speciální třída IEC větrných turbín
SWT malé větrné elektrárny
U mezní
NahoruSouřadnicový systém
Pro definici směrů zatížení je používán systém os daný v obrázku
1.
Obrázek 1 – Definice souřadného systému os pro větrnou
elektrárnu s vodorovnou osou otáčení:
Věž
x je kladné ve směru větru, z je kladné ve směru nahoru, y
doplňuje pravotočivý systém. Souřadnicový systém věže je neměnný.
Hřídel
x-shaft je kladná, když ve směru otáčení vrtule působí okolo osy x
kladný moment.y-shaft a z-shaft nejsou používány, použit je pouze kombinovaný
moment. Souřadnicový systém hřídele se otáčí spolu s gondolou.
List
x-blade je kladná, když ve směru otáčení vrtule působí okolo osy x
kladný moment.
y-blade je kladná, když kladný moment působí ohyb špičky listu ve
směru po větru.
z-blade je kladná ve směru ke špičce listu.Nutno poznamenat, že
souřadný systém listu sleduje pravotočivou dohodu pro rotor, který se otáčí ve
směru hodinových ručiček a levotočivou dohodu pro rotor, který se otáčí proti
směru hodinových ručiček z pohledu ve směru větru.Souřadnicový systém listu se
otáčí spolu s rotorem.
NahoruZákladní úvahy Všeobecně
V následujících kapitolách jsou uvedeny inženýrské a technické
požadavky, které zajišťují bezpečnost konstrukce, mechanického, elektrického a
řídicího systému větrné elektrárny. Tato specifikace požadavků je použita při
návrhu, výrobě, instalaci a údržbě větrné elektrárny a při řízení přidruženého
procesu zajišťování kvality.
NahoruNávrhové metody Zajištění jakosti
Zajištění jakosti musí být integrální součástí návrhu, dodávky,
výroby, instalace, provozu a údržby větrné elektrárny a všech jejich
součástí.
Doporučuje se, aby systém jakosti odpovídal požadavkům souboru ISO
9000 .
Obrázek 2 – Vývojový diagram:
NahoruVnější podmínky Všeobecně
Malé větrné elektrárny jsou vystaveny vlivům okolního prostředí a
elektrickým podmínkám, které mohou ovlivnit jejich zatížení, trvanlivost a
provoz. Pro zajištění přiměřené úrovně bezpečnosti a spolehlivosti musí být při
návrhu vzaty v úvahu vlivy okolního prostředí, elektrické a půdní podmínky a
tyto podmínky musí být uvedeny v návrhové dokumentaci.
Podmínky okolního prostředí se dále dělí na větrné podmínky a jiné
podmínky okolního prostředí. Elektrické podmínky informují o podmínkách
elektrické sítě nebo místních elektrických podmínkách, jako jsou baterie,
hybridní systémy nebo místní síť. Půdní vlastnosti jsou důležité pro návrh
základů větrné elektrárny.
Větrné podmínky jsou základní podmínky, které určují konstrukční
řešení. Ostatní podmínky okolního prostředí rovněž ovlivňují návrhové
charakteristiky, například funkci řídicího systému, trvanlivost, korozi
atd.
Každý typ vnějších podmínek se dělí na normální a extrémní.
Normální vnější podmínky obecně zahrnují dlouhodobé zatížení konstrukce a
provozní podmínky, zatímco extrémní vnější podmínky představují zřídka se
vyskytující, ale potenciálně kritické vnější návrhové podmínky. Návrhové
případy zatížení musí obsahovat kombinaci těchto kritických podmínek s
provozními režimy.
NahoruTřídy malých větrných elektráren
Vnější podmínky, které musí být vzaty v úvahu při návrhu, závisí
na zamýšleném místě instalace nebo na typu místa výstavby malé větrné
elektrárny. Třídy malých větrných elektráren jsou definovány v závislosti na
rychlosti větru a parametrech turbulence. Účelem dělení do tříd je snaha pokrýt
většinu míst výstavby. Hodnoty rychlosti větru a parametry turbulence slouží k
tomu, aby představovaly charakteristické hodnoty z různých míst instalace
větrných elektráren a upřesnily reprezentaci kteréhokoliv specifického místa.
Cílem klasifikace malých větrných elektráren je dosáhnout toho, aby změna
velikosti byla jasně definována rychlostí větru. Tabulka 1 specifikuje základní
parametry, které definují jednotlivé třídy malých větrných elektráren.
Pro případ, že je potřebný speciální návrh ( například pro
speciální větrné nebo jiné vnější podmínky, nebo speciální bezpečnostní třídu),
je vytvořena další třída malých větrných elektráren, třída S. Návrhové hodnoty
pro malé větrné elektrárny třídy S musí být zvoleny konstruktérem a
specifikovány v návrhové dokumentaci. Při takovém speciálním návrhu musí
zvolené hodnoty návrhových podmínek odrážet přísněji okolní prostředí než běžné
podmínky pro malé větrné elektrárny.
Zvláštní vnější podmínky definované pro třídy I, II, III a IV
nepokrývají podmínky v pobřežních vodách ani větrné podmínky zjištěné při
tropických bouřích, jako jsou hurikány, cyklony a tornáda. Tyto podmínky
vyžadují návrh větrné elektrárny třídy S.
Tabulka 1 – Základní parametry pro třídy malých větrných
elektráren
Kromě těchto základních parametrů jsou při návrhu požadovány další
důležité parametry, které zcela specifikují vnější podmínky používané při
návrhu malé větrné elektrárny. V případě malých větrných elektráren tříd I až
IV, které odpovídají standardní třídě malých větrných elektráren, jsou hodnoty
těchto přídavných parametrů specifikovány.
Zkratky uvedené v závorkách v označení nadpisu článků jsou použity
pro popis větrných podmínek pro návrhové zatěžovací případy
POZNÁMKA pro jednoduché zatěžovací případy jsou rovněž
zjednodušeny větrné podmínky.
Pro malé větrné elektrárny třídy S musí výrobce v návrhové
dokumentaci popsat použitý model situace a uvést hlavní návrhové parametry.
Pokud jsou akceptovány modely uvedené v současném článku, stanovení hodnot
parametrů je dostatečné.
V návrhové dokumentaci musí být jasně specifikována životnost
větrné elektrárny.
NahoruVětrné podmínky Všeobecně
Malá větrná elektrárna musí být navržena tak, aby bezpečně
vydržela větrné podmínky definované pro zvolenou třídu malé větrné elektrárny.
Návrhové hodnoty větrných podmínek musí být jasně specifikovány v návrhové
dokumentaci. Větrný režim pro zatěžovací a bezpečnostní předpoklady je dělen na
normální větrné podmínky, které často vzniknou během normálního provozu malé
větrné elektrárny a na extrémní větrné podmínky, které mají dobu výskytu jednou
za 1 rok, nebo jednou za 50 roků.
Ve všech případech musí být uvažován odklon středního proudu větru
od horizontální roviny o 8°.Odklon proudu vzduchu může být uvažován jako
neměnný s výškou.
POZNÁMKA Šikmé proudění může mít účinek na sklápění, pokud směr
sklápění je volen v nedostatečné míře vzhledem k ose rotace rotoru.
NahoruNormální větrné podmínky Rozdělení rychlosti větru
Rozdělení rychlosti větru v místě instalace je pro návrh malé
větrné elektrárny významné, protože určuje četnost vzniku jednotlivých
zatěžovacích podmínek. V případě standardních tříd malých větrných elektráren
musí být pro návrhové výpočty uvažována střední hodnota rychlosti větru během
desetiminutové periody podle Rayleighova zákona rozdělení pravděpodobnosti. V
tomto případě je kumulativní rozdělení pravděpodobnosti ve výšce náboje dáno
rovnicí:
PR (Vhub) = 1 – exp (–
π(Vhub/2Vave)2) (5)
NahoruModel normálního profilu větru (NWP)
Profil rychlosti větru vyjadřuje závislost střední rychlosti větru
jako funkci výšky z nad zemí. U normální třídy větrných elektráren musí
profil rychlosti větru odpovídat exponenciálnímu zákonu:
V(z) = Vhub (z/zhub)α
(6)
Exponent α musí být uvažován α = 0,2.
Uvažovaný profil větru je použit pro definování střihu střední
rychlosti větru v průtočné ploše rotoru.
NahoruNormální model turbulence (NTM)
Normální model turbulence musí zahrnovat střih větru, tak jak je
popsán v NWP. Výraz "turbulence větru“ označuje stochastické změny rychlosti
větru od průměru 10 m/s. Turbulentní model musí zahrnovat účinek proměnlivé
rychlosti větru, proměnlivý směr a rotační vzorkování. Pro standardní třídy
malých větrných elektráren musí spektrální výkonová hustota vektorového pole
rychlosti větru, ať použije nebo ne explicitní model, vyhovovat následujícím
požadavkům:
-
Charakteristická hodnota směrodatné odchylky složky podélné
rychlosti větru musí být dána rovnicí :
(7) σ1 = I15 (15 + aVhub)/(a +1)
Hodnoty I 15 a a jsou dány v tabulce
1. Charakteristické hodnoty směrodatné odchylky σ 1 a
intenzity turbulence σ 1 / V hub jsou
ukázány v obrázku 3.
Obrázek 3 – Charakteristika turbulence větru:
-
Směrem ke konci vysokofrekvencčního setrvačního podrozsahu
spektrální výkonové hustoty podélných složek turbulence S 1 (f) musí asymptotické přiblížení mít tvar:
S1(f) = 0,05(σ1)2 (Λ1/Vhub)-2/3f-5/3 (8)
Parametr měřítka turbulence 1 musí být dán rovnicí:
Tento deterministický model může být použit tehdy, když může být
prokázáno, že odezva listu na rotačně vzorkovanou rychlost větru je dostatečně
dobře tlumena.
NahoruExtrémní větrné podmínky Všeobecně
Extrémní větrné podmínky jsou používány pro určení extrémního
zatížení malých větrných elektráren. Tyto podmínky zahrnují spičkové rychlosti
větru při bouřích a rychlých změnách rychlosti a směru větru. Tyto extrémní
podmínky zahrnují potenciální účinek turbulence větru, takže pro návrhové
výpočty je uvažován pouze deterministický účinek.
NahoruModel extrémní rychlosti větru (EWM)
Extrémní rychlost větru pro 50 roků V e50 a
extrémní model větru pro 1 rok V e1 musí být založeny na
referenční rychlosti větru V ref. Pro návrhy malých větrných
elektráren standardních tříd V e50 a V e1 musí být vypočteny použitím následujících rovnic:
Ve50(z) = 1,4
Vref(z/zhub)0,11 (10)
Ve1 = 0,75 Ve50 (11)
kde z hub je výška náboje.
Musí být uvažovány krátkodobé výchylky střední rychlosti větru ze
směru ±15°.
NahoruExtrémní provozní poryv (EOG)
Velikost poryvu ve výšce náboje V gustN pro
rekurentní periodu N roků musí být pro standardní třídy malých větrných
elektráren dána následujícím vztahem:
kde
σ1 je směrodatná odchylka podle rovnice (7);
Λ 1 parametr měřítka turbulence podle rovnice
(9);
D průměr rotoru;
β = 4,8 pro N = 1; a
β = 6,4 pro N = 50.
Rychlost větru musí být pro rekurentní periodu N roků
definována rovnicí:
kde
V (z) je definována v rovnici (6);
T = 10,5 s pro N = 1; a
T = 14,0 s pro N = 50.
Příklad extrémního poryvu pro rekurentní periodu 1 rok a V hub = 25 m/s je uveden na obrázku 4:
Obrázek 4 – Příklad extrémního provozního poryvu (N = 1, V hub = 25 m/s):
Parametrické hodnoty pro obě rekurentní periody byly voleny tak,
aby daly stejný maximální poměr nárůstu.
NahoruExtrémní změna směru větru (EDC)
Velikost extrémní změny směru větru, θ eN pro
rekurentní periodu N roků, musí být vypočtena použitím následujícího
vztahu:
kde
θ eN je omezeno na interval ± 180°;
Λ 1 parametr měřítka turbulence podle rovnice
(9);
D průměr rotoru;
β = 4,8 pro N =1;
β = 6,4 pro N =50.
Extrémní přechodná změna směru větru pro periodu N roků, θ eN (t), musí být vypočtena z rovnice:
kde T = 6 s je doba působení extrémní změny směru. Znaménko
musí být voleno tak, aby vzniklo největší zatížení. Po ukončení přechodné změny
směru se předpokládá, že směr zůstává nezměněn.
Příklad extrémní změny směru větru s rekurentní periodou 50 roků a V hub = 25 m/s je na obrázku 5 a obrázku 6.
Obrázek 5 – Příklad extrémní velikosti změny
směru (N = 50, D = 5 m, z hub = 20 m)
Obrázek 6 – Příklad extrémní změny směru
(N = 50, V hub = 25 m/s)
NahoruExtrémní koherentní poryv se změnou směru (ECG)
Pro návrh malé větrné elektrárny standardní třídy musí být
uvažován extrémní koherentní poryv s velikostí V cg = 15 m/s.
Rychlost větru musí být definována vztahy:
kde T = 10 s je čas nárůstu. Musí být použit model
normálního profilu rychlosti větru a rychlost větru tak, jak je specifikována v
rovnici (6). Extrémní koherentní poryv je ukázán na obrázku 7 pro V hub = 25 m/s.
Obrázek 7 – Příklad extrémního koherentního poryvu (V hub = 25 m/s) (ECG):
NahoruExtrémní koherentní poryv se změnou směru (ECD)
V tomto případě nárůst rychlosti větru (popsaný v ECG viz obrázek
7) musí být uvažován současně se změnou směru θ cg, kde θ cg je definována vztahy:
Změna směru větru θ cg, jako funkce V hub a jako funkce času, je pro V hub = 25 m/s
ukázána na obrázku 8 a 9.
Obrázek 8 – Změna směru pro ECD:
Obrázek 9 – Časový vývoj změny směru pro V hub = 25 m/s:
Současná změna směru je potom dána rovnicí:
Další extrémní podmínky okolního prostředí
Všeobecně
Vlivy okolního prostředí (klimatické podmínky), jiné než rychlost
větru, mohou ovlivnit bezpečnost a celistvost malé větrné elektrárny
fotochemickými, korozívními, mechanickými, elektrickými nebo jinými fyzikálními
účinky. Kombinace klimatických podmínek může navíc zvýšit jejich účinek.
Přinejmenším musí být uváženy následující další podmínky okolního prostředí a
jejich účinek musí být uveden v návrhové dokumentaci:
-
teplota;
-
vlhkost;
-
hustota vzduchu;
-
sluneční záření;
-
déšť, krupobití, sníh a led;
-
chemicky působící látky;
-
mechanicky působící částice;
-
blesky;
-
zemětřesení;
-
mořské prostředí – koroze.
Mořské prostředí v pobřežních vodách vyžaduje další podmínky.
Klimatické podmínky, které byly vzaty v úvahu, musí být definovány jako
reprezentativní hodnoty, nebo jako meze proměnlivých podmínek. Při volbě
návrhových hodnot musí být vzata v úvahu pravděpodobnost současného výskytu
klimatických podmínek.
Proměnlivost klimatických podmínek v rozmezí normálních mezí,
odpovídajících 1 ročnímu rekurentnímu časovému úseku, nesmí být v rozporu s
návrhovým normálním provozem malé větrné elektrárny. Pokud mezi nimi existuje
korelace, musí být kombinovány extrémní podmínky okolního prostředí s
normálními větrnými podmínkami.
NahoruDalší normální podmínky okolního prostředí
Mezi další normální podmínky okolního prostředí, které musí být
vzaty v úvahu, patří:
-
normální provoz systému při rozsahu okolních teplot od –10 °C
do +40 °C;
-
relativní vlhkost do 95 %;
-
atmosférický obsah znečistění ve srovnání s neznečistěnou
atmosférou (viz IEC 60721-2-1);
-
intenzita sluneční radiace 1 000 W/m2 ; a
-
hustota vzduchu 1,225 kg/m3.
Jestliže konstruktér uvede další parametry vnějších podmínek, musí
být tyto parametry a jejich hodnoty uvedeny v návrhové dokumentaci a musí
vyhovovat požadavkům IEC 60721-2-1.
Další extrémní podmínky okolního prostředí
Všeobecně
Dalšími extrémními podmínkami okolí, které musí být vzaty v úvahu
při návrhu malé větrné elektrárny, jsou teplota, blesk, led a zemětřesení.
NahoruTeplota
Návrhové hodnoty pro rozsah extrémních teplot pro standardní třídu
malých větrných elektráren musí být nejméně od –20 °C do +50 °C.
NahoruBlesk
Pro standardní třídu malých větrných elektráren mohou být jako
odpovídající považovány podmínky pro ochranu před bleskem.
NahoruLed
Pro standardní třídy malých větrných elektráren nejsou stanoveny
minimální požadavky na tloušťku ledu.
V případě, že výrobce chce do návrhových mechanických zatížení
zahrnout zatížení od ledu, doporučuje se uvažovat 30 mm tloušťku ledu s měrnou
hmotou 900 kg/m3 po celé ploše. Toto statické zatížení se kombinuje
s odporovým zatížením na zaparkované větrné elektrárně při rychlosti větru 3 V ave. Zatížení ledem, včetně kotevních lan, mají být uváženy
při návrhových zatíženích nosné konstrukce.
NahoruZemětřesení
Pro standardní třídy malých větrných elektráren nejsou stanoveny
minimální požadavky na sílu zemětřesení.
NahoruElektrické zatěžovací podmínky Všeobecně
Elektrické podmínky, které mají být uváženy při návrhu, závisí na
použití větrné elektrárny.
Normální podmínky na terminálu větrné elektrárny jsou uvedeny
níže. Normální podmínky elektrické sítě jsou použity tehdy, když následující
parametry leží v mezích níže stanovených:
Pro větrné elektrárny zapojené do veřejné elektrické sítě
Normální elektrické podmínky
-
Napětí
Jmenovitá hodnota (podle IEC 60038) -10 %;
-
Kmitočet
Jmenovitá hodnota -2 %;
-
Nesymetrie napětí
Poměr záporné následující složky napětí ke kladné následující
složce nesmí být větší než 2 %;
-
Cykly OZ
Perioda cyklů OZ je od 0,2 s do 5,0 s pro první
OZ a od 10 s do 90 s pro následné OZ;
-
Výpadky
Musí být uváženo, že nastanou výpadky elektrické
sítě dvacetkrát za rok. Jako normální podmínka musí být uvážen výpadek po dobu
24 hodin.
NahoruExtrémní elektrické podmínky
Přinejmenším musí být při návrhu uváženy následující extrémní
podmínky elektrické sítě:
-
napětí – odchylka od jmenovité hodnoty ± 20 %;
-
kmitočet – jmenovitá hodnota ±10 %;
-
nesymetrie napětí 15 %;
-
symetrické a nesymetrické poruchy; a
-
výpadky – výpadek do 1 týdne musí být považován za extrémní
podmínku.
Pro větrné elektrárny, které nejsou připojeny k veřejné
elektrické síti Větrné elektrárny nabíjející baterie
Větrná elektrárna musí být schopna pracovat v celém rozsahu níže
uvedených napětí baterie:
-
napěťový rozsah –15 % nebo +30 % jmenovitého napětí (příklad
12 V, 24 V, 36 V, atd.); nebo
-
5 % nad horní a dolní nastavenou hodnotou nabíjecího
zařízení.
NahoruMístní síť
U větrných elektráren připojených na místní síť, nepřipojených k
veřejné elektrické síti se dají očekávat větší změny napětí a kmitočtů. Systém
větrné elektrárny musí být schopný pracovat při následujících omezeních:
NahoruKonstrukční návrh Všeobecně
Konstrukční návrh větrné elektrárny musí být založen na ověření
konstrukční celistvosti dílů při kritickém mechanickém zatížení počínaje
rotorovými listy až po základy. Mezní a únavová pevnost konstrukčních prvků
musí být ověřena výpočtem a/nebo zkouškou tak, aby se prokázala konstrukční
celistvost malé větrné elektrárny při přiměřené úrovni bezpečnosti.
Pevnostní výpočty musí být založeny na ISO 2394, nebo ekvivalentu,
pokud je k dispozici.
NahoruMetodika navrhování
Musí být ověřeno, že při návrhu větrné elektrárny nejsou
překročeny mezní stavy konstrukce.
Existují tři cesty pro určení návrhových mechanických zatížení
větrné elektrárny:
NahoruZatížení a zatěžovací případy
Musí být uvažovány následující druhy zatížení.
NahoruVibrace, setrvačná a gravitační zatížení
Setrvačná a gravitační zatížení jsou statická a dynamická
zatížení, působící na malou větrnou elektrárnu jako výsledek setrvačných,
gyroskopických, vibračních, rotačních sil, účinku gravitace a seismické
aktivity (nebo pohybu základové konstrukce, jako jsou lodě atd.).
Pozornost musí být věnována vybuzení vlastního kmitočtu systému
větrné elektrárny.
NahoruAerodynamická zatížení
Aerodynamická zatížení jsou statická a dynamická zatížení,
vyvolaná proudem vzduchu a jeho interakcí s nepohybujícími i pohybujícími se
částmi malé větrné elektrárny. Proud vzduchu musí být uvažován jako závislý na
rychlosti otáčení rotoru, na rychlosti větru a turbulencí v rovině rotoru, na
hustotě vzduchu a na aerodynamických tvarech částí větrné elektrárny a jejich
interaktivních účincích, včetně aeroelastických účinků.
NahoruProvozní zatížení
Provozní zatížení vznikají z provozu a řízení větrné elektrárny.
Provozní zatížení mohou být způsobena směrovým natáčením, změnou úhlu nastavení
listů, zatížením od mechanického brzdění, sklápěním, připojením na síť,
atd.
NahoruDalší zatížení
Všechna zatížení, která mohou vzniknout následkem zvláštního
provozního prostředí specifikovaného výrobcem, musí být rovněž vzata v úvahu
(například zatížení od vln, poryvů, ledu, dopravy, montáže, údržby a oprav
atd.).
NahoruZatěžovací případy
Zjednodušený model mechanického zatížení
Tabulka 2 – Návrhové případy zatížení pro metodu zjednodušeného
výpočtu zatížení:
Pokud je to požadováno při specifickém návrhu malé větrné
elektrárny, musí být pro její bezpečnost použity i jiné relevantní zatěžovací
případy.
NahoruZatěžovací případ A: Normální provoz
Návrhové zatížení pro "normální provoz“ je únavové zatížení. Tento
zatěžovací případ předpokládá konstantní únavové zatížení listů vrtule a
hřídele, níže uvedeným zatížením. Rozsah zatížení se uvažuje v únavové
terminologii vrchol-vrchol. Střední hodnota může být ignorována:
Zatížení listů:
∆FzB =
2mBRcogω2n,design (21)
Únavové zatížení listu vrtule by mělo být uvažováno jako působící
v místě připojení kořene aerodynamicky profilované části listu, nebo u kořene v
místě náboje, podle toho, která část je rozhodující z hlediska nejnižší
pevnosti. Vypočtená zatížení jsou kombinací odstředivého zatížení (F zB) a ohybových momentů (M xB a M yB).
Zatížení hřídele:
∆Mx-shaft = Qdesign +
2mrger (25)
kde e r = 0,005 R, pokud v návrhové
dokumentaci není dokázáno, že zdůvodnitelná je nižší hodnota.
Únavové zatížení na hřídel rotoru musí být uvažováno jako působící
na hřídel rotoru v místě prvního ložiska (nejbliže k rotoru). Rozsah napětí
musí být vypočítán z kombinace zatížení od tlaku (F x-shaft),
krouticího momentu (M x-shaft) a ohybového momentu hřídele
(M shaft).
NahoruZatěžovací případ B: Směrové natáčení
Pro tento zatěžovací případ musí být zatížení na mezi únosnosti
(gyroskopické síly a momenty) počítány za předpokladu maximální úhlové
rychlosti směrového natáčení ωyaw,max při otáčkách n design..
Pro pasivní systém směrového natáčení je maximální úhlová rychlost
natáčení dána následující rovnicí:
(27) ωyaw,max = 3 – 0,01 (πR2 – 2)
Pro všechny větrné elektrárny s průtočnou plochou rotoru menší než
2 m2 je maximální úhlová rychlost směrového natáčení 3 rad/s.
Pro aktivní systém směrového natáčení musí být maximální úhlová
rychlost směrového natáčení určena měřením v klidném větru. Když je očekáváno
že maximální úhlová rychlost vznikne za speciálních podmínek, jako je nouzové
vychýlení ze směru větru při vysoké úhlové rychlosti, potom úhlová rychlost
musí být měřena za těchto podmínek.
Zatížení listu vrtule ohybovým momentem M yB a
hřídele ohybovým momentem M shaft musí být vypočtena použitím
následujících rovnic:
∆ F x-shaft je dáno rovnicí 24.
Pro hřídel závisí zatížení na počtu listů vrtule.
Pro dvoulistý rotor:
Pro tří nebo vícelistý rotor:
NahoruZatěžovací případ C: Chybné směrové natočení
Všechny větrné elektrárny pracují s určitou chybou v nastavení
směru. V tomto zatěžovacím případě je uvažovaná chyba v nastavení směru
30°.
Klopivý ohybový moment způsobený chybným nastavením směru je dán
rovnicí (31)
Pokud není k dispozici maximální součinitel vztlaku C l,max, musí se použít hodnota C l,max = 2,0.
NahoruZatěžovací případ D: Maximální tlak
Malá větrná elektrárna může být vystavena velikým tlakovým
zatížením, která působí na rotor. Tlakové zatížení působí rovnoběžně s hřídelem
rotoru a jeho maximální hodnota je dána rovnicí:
Fx-shaft =
CT3,125ρV2aveπR2 (32)
kde C T je součinitel tlaku C T = 0,5.
NahoruZatěžovací případ E: Maximální otáčky
Zatížení od odstředivých sil v kořeni listu F zB a ohybový moment hřídele M shaft od odstředivých sil a
nevývahy musí být vypočteny podle níže uvedených rovnic. Maximálně možné otáčky
rotoru ω n,max = (π /30) n max musí
být odvozeny z měření.
(33) FzB = mBω2n,maxRcog
(34) Mshaft = mrgLrb + mrerω2n,maxLrb
NahoruZatěžovací případ F: Elektrický zkrat při zatížení
V případě přímého elektrického zkratu na výstupu z malé větrné
elektrárny, nebo zkratu generátoru, působí na hřídel rotoru v důsledku zkratu
alternátoru krouticí moment. Pokud nejsou k dispozici jiná ověřená data, je
jako krouticí moment působící na rotor uvažována hodnota dvojnásobku Q design.
(35) Mx-shaft =
GQdesign
Pokud nejsou k dispozici jiná ověřená přesnější data, musí být G = 2,0.
NahoruZatěžovací případ G: Zastavení (brzdění)
U větrných elektráren s mechanickým nebo elektrickým brzdicím
systémem na hnacím hřídeli může brzdicí moment být větší než maximální hnací
moment. V těchto případech musí být použit při návrhu malé větrné elektrárny
brzdicí moment M brake odvozený ze zkoušek nebo z výpočtů.
Maximální krouticí moment hřídele je roven brzdicímu momentu plus návrhový
hnací moment (to předpokládá, že brzda je použita současně v okamžiku, kdy
generátor dodává návrhový krouticí moment).
Mx-shaft = Mbrake + Qdesign (37)
V případě, že brzda působí na vysokootáčkový hřídel, musí být M brake násoben součinitelem převodu.
Zatížení listu během brzdění je určeno z krouticího momentu
hřídele a hmoty listu. Odtud:
kde M x-shaft je krouticí moment hřídele podle
rovnice (37).
Když má větrná elektrárna převodovku a brzda působí na
vysokootáčkovém hřídeli, musí být pro zahrnutí dynamického účinku převodu
krouticí moment hřídele zvětšen. Pokud nejsou k dispozici jiná ověřená
přesnější data, musí být krouticí moment zvětšen dvakrát.
NahoruZatěžovací případ H: Parkování při zatížení větrem
V tomto zatěžovacím případě je větrná elektrárna zaparkována
normálním způsobem. Zatížení na exponované části malé větrné elektrárny musí
být vypočtena za předpokladu působení rychlosti větru V e50.
Pro větrné elektrárny, které budou zaparkovány, je rozhodujícím
ohybový moment v kořeni listu vyvolaný odporem vzduchu definovaným jako:
kde
C d je součinitel odporu, kterého hodnota se
musí rovnat C d =1,5; a
A proj,B plocha listu.
Pro větrné elektrárny, u kterých se rotor při V e50 otáčí volnoběžnými otáčkami, se očekává, že na některém místě na
listu vrtule je dosaženo v důsledku změn směru větru C l,max.
Potom ohybový moment v kořeni listu je:
Pokud nejsou k dispozici jiná ověřená data, musí být použita
hodnota C l,max = 2,0.
Pro tlakové zatížení:
Pro zaparkovaný rotor je tlakové zatížení hřídele vypočteno z
rovnice (41).
Pro rotor ve volnoběhu je tlaková síla dána rovnicí:
(42) Fx-shaft =
0,17BAproj,Bλ2e50ρV2e50
kde λe50 je rychloběžnost při V e50, která, když není známá, může být odhadnuta pomocí:
Maximální ohybový moment věže musí být vypočten pomocí tlakové
síly vypočtené buď podle rovnice (41) nebo (42) (závisí to na návrhu větrné
elektrárny). Odporovou, nebo vztlakovou sílu na věž a gondolu je při tom nutno
vzít v úvahu. Pro výpočet těchto sil musí být použita rovnice (44). Pro volně
stojící věž vznikne maximální ohybový moment u základny věže. U kotvené věže
vznikne maximální ohybový moment v místě uchycení kotevního lana.
Síla pro každou část větrné elektrárny je dána rovnicí:
kde
C f je součinitel síly (viz tabulka 3); a
A proj průmět plochy prvku do směru kolmého ke
směru větru.
Ze sil působících na jednotlivé prvky, listy, hřídel a věž, musí
být vypočteno celkové zatížení.
Zatěžovací případ I: Zatížení větrem při parkování,
maximální vystavení větru
V případě poruchy mechanizmu směrového natáčení může být malá
větrná elektrárna vystavena větru ze všech stran. Proto z důvodu návrhu musí
být síly na listy, gondolu, věž a ocasní plochu (pokud je použita) počítány pro
všechny možné směry, včetně větrů z přední i zadní strany rotoru.
Síla na jednotlivé části větrné elektrárny je dána rovnicí:
kde
C f je součinitel síly, který může být výsledkem
vztlaku a odporu; a
A proj plocha prvku (v nejméně příznivé poloze),
která je úměrná součiniteli síly. Pro hranatá (nebo drsná) tělesa (například
kryty gondoly a sekce věže) je plocha průmětem jejich plochy do směru kolmého
ke směru větru. Pro aerodynamické tvary musí být plocha rovinnou plochou.
Tabulka 3 – Součinitele síly C f :
Zatěžovací případ J: Doprava, montáž, údržba a
oprava
Výrobce musí uvažovat zatížení působící na větrnou elektrárnu
během dopravy, montáže, instalace, údržby a opravy. Příklady takového zatížení
jsou:
-
gravitační zatížení působící během dopravy na větrnou
elektrárnu, která je v jiné poloze než ve vertikální;
-
zatížení způsobená speciálním instalačním nářadím;
-
zatížení způsobená větrem během instalace;
-
zatížení způsobená upevněním větrné elektrárny k základu;
-
zatížení při nakloněné věži při zvedání; a
-
zatížení nosné konstrukce způsobené zvedáním.
Jako příklad je pro výpočet zatížení během zvedání věže uvedena
rovnice.
kde
M tower je ohybový moment věže v místě uchycení
zvedacího lana [Nm];
m towertop hmota gondoly a rotoru [kg];
m overhang hmota věže v úseku mezi zvedacím
bodem a vrcholem věže [kg]; a
L lt vzdálenost mezi zvedacím bodem a vrcholem
věže [m].
Rovnice (46) je založena na následujících předpokladech:
-
zesilovací součinitel dynamické odezvy se rovná 2,0;
-
těžiště turbíny je v ose rotou; a
-
maximální ohybový moment vzniká, když je věž ve vodorovné
poloze.
NahoruAeroelastické modelování Všeobecně
V případě, že návrhová zatížení jsou určena pomocí aeroelastického
modelování, musí být návrhové případy zatížení uváženy podle následujícího
článku. Minimální počet návrhových zatěžovacích případů je dán v tabulce 4. V
této tabulce jsou návrhové zatěžovací případy specifikovány pro každou
návrhovou situaci popisem větrných, elektrických a dalších vnějších podmínek.
Aby se v zatěžovacích případech vyhodnocených pomocí rychlosti větru
identifikovaly nejhorší zatěžovací případy, ve kterých je dán rozsah rychlosti
větru, musí být zatěžovací případy vyhodnoceny pro celý rozsah rychlostí
větru.
Pokud je to pro návrh specifických větrných elektráren vyžadováno,
musí být uvažovány i jiné relevantní návrhové zatěžovací případy.
Pro každou návrhovou situaci je odpovídající typ analýzy označen v
tabulce 4 písmeny "F“ a "U“. "F“ odpovídá analýze na únavové zatížení, které
musí být použito při odhadu únavové pevnosti. "U“ odpovídá analýze na mezní
zatížení odpovídající analýze na překročení maximální pevnosti materiálu,
analýze deformace špiček vrtule a analýze na stabilitu.
Tabulka 4 – Minimální počet návrhových zatěžovacích případů pro
aeroelastický model:
NahoruVýroba energie (DLC 1.1 – 1.5)
V tomto zatěžovacím případu je běžící větrná elektrárna připojena
do elektrické zátěže. Pro uvažované uspořádání větrné elektrárny musí být vzata
v úvahu nevyváženost rotoru. Maximální hmotová a aerodynamická nevyváženost
(například odchylky od úhlu nastavení listu a zkroucení), specifikované pro
výrobce rotoru, musí být při návrhových výpočtech vzaty v úvahu.
Navíc musí být při analýze provozních zatížení vzaty v úvahu
odchylky od teoreticky optimálních provozních situací, jako jsou chyby při
směrovém natočení a chyby řídicího systému.
Ve výpočtech musí být uváženy nejhorší kombinace podmínek,
například změna směru větru spolu s charakteristickou chybou směrového
natočení, v návrhovém případu (DLC) 1.4. Návrhové zatížení v případu 1.1
zahrnuje požadavky pro zatížení, které je způsobeno atmosférickou turbulencí.
DLC 1.2 až 1.5 specifikují přechodové případy, které byly zvoleny jako
potenciálně kritické události v životě větrné elektrárny.
Výroba energie současně se vznikem poruchy (DLC 2.1 –
2.3)
Během výroby elektrické energie musí být uvážena jakákoliv porucha
v řídicím a ochranném systému, nebo interní porucha elektrického systému, která
je významná pro mechanické zatížení větrné elektrárny (jako je například zkrat
v generátoru). Pro případ DLC 2.1 musí být analyzován vznik poruchy v řídicím
systému, což je považováno jako normální událost. V DLC 2.2 musí být vyhodnocen
výskyt poruch v ochranném systému nebo vnitřních elektrických systémech, které
nemusí způsobit okamžité zastavení, ale mohou vést k významnému únavovému
poškození konstrukčních prvků mechanickými silami.
V návrhovém případu 2.3 musí být jednoroční extrémní provozní
poryv kombinován s přerušením elektrického připojení.
Pro pasivně kontrolované větrné elektrárny jsou příkladem pro
poruchy řídicího systému:
-
poškozený systém sklápění (například uzamčení sklopení ocasní
plochy) (pokud systém sklápění není definován jako bezpečný proti poruše);
a
-
porušený systém natáčení listů (pokud systém natáčení listů
není definován jako bezpečný proti poruše).
Vyhodnocení únavového případu pro kteroukoliv jednotlivou poruchu
systému větrné elektrárny pro minimálně 24 h/rok.
NahoruNormální zastavení (DLC 3.1 – 3.2)
Tento zatěžovací případ zahrnuje všechny události, které vedou k
mechanickému zatížení větrné elektrárny v průběhu přechodu z normální provozní
situace s výrobou energie do zastavení, nebo volnoběhu. Odhad počtu možných
situací musí být založen na funkčním chování řídicího systému.
Pro pasivně řízené větrné elektrárny se může stát, že není možné
automatické zastavení, v těchto případech může být zanedbáno únavové zatížení.
Pro zatěžovací případ DLC 3.2 je maximální rychlost větru V out nebo V max,shutdown.
NahoruNouzové nebo ruční zastavení (DLC 4.1)
Musí být uvážena zatížení, která vznikají při nouzovém nebo ručním
zastavení větrné elektrárny. Výrobce musí v provozním návodu předepsat omezení
rychlostí větru, při kterých…