Tema: Energija Vjetra Predmet: Obnovljivi izvori energije
Profesor: Doc.dr.Seadin Hadžiomerović
25.04.2013.godine,Mostar
Studenti: Pendić Neldin Trešnjo Dino
Mašinski fakultet Mostar
Obnovljivi izvori energije
Sadržaj
1. Uvod.......................................................................................................................................................................................................... 3 2. Energija i snaga vjetra.................................................................................................................................................................4 2.1. Parametri vjetra.....………….…….......................................................….........................................................................5 3. Princip konverzijenergije vjetra u električnu..............................................................................................................8 4. Konstrukcijski oblici vjetroturbina.....................................................................................................................................9 4.1. Osnovni dijelovi............................................……………….......................................…..……………...……...9 5. Podjela vjetroturbina...................................................................................................................................................11 5.1 Vjetroturbine s horizontalnom osom rotacije ili VSHO...............................................12 5.1.1 Broj lopatica........................................................................................................................................13 5.2 Vjetroturbine s vertikalnom osom vrtnje ili VSVO........................................................................13 5.2.1 Darrieusova vjetroturbina.............................................................................................................13 5.2.2 Savoniusova vjetroturbina...........................................................................................................16 6. Karakteristike rada vjetroturbina......................................................................................................................... 18 6.1. Stepen iskorištenja vjetroturbine ........................................................................................................... 18 6.2. Koeficijent brzohodnosti ...................................................................................................... ................19 7. Generatori električne energije pogodni za rad vjetroturbina ................................................................ 20 7.1 Sinhroni generator .......................................................................................................................................... 20 7.2 Asinhroni generatori ...................................................................................................................................... 20 7.3 Usporedba sinhronog i asinhronog generatora ........................................................................................ 22 8. Novi konstrukcijski oblici vertikalnih vjetroturbina.................................................................................... 23 8.1 Konstrukcijski oblici vjetroturbina na tržištu i njihova usporedba.......................................... 23 8.1.1. Helix Wind ........................................................................................................................................ 23 8.1.2. Quiet revolution.............................................................................................................................................. 25 8.2. Usporedba navedenih vjetroturbina ................................................................................................................. 25 9. Priključivanje vjetroelektrana na postojeću mrežu..................................................................................... 26 10. Ekonomske osnove izgradnje vjetroelektrana.............................................................................................. 26 11. Off-shore vjetroelektrane ....................................................................................................................................... 30 12. Uticaj vjetroelektrana na okolinu....................................................................................................................... 32 ..............
13. Zaključak
.......................................................................................................................................................................33
2
Mašinski fakultet Mostar
Obnovljivi izvori energije 1. Uvod
U posljednje vrijeme sve smo svjesniji činjenice da svojim načinom života izazivamo velike promjene Zemljinog ekosistema. Te iste promjene, s obzirom da smo dio tog sistema, utiču izravno na nas. Iz tog razloga sve se više budi svijest ljudi o potrebi za velikim promjenama vezanim uz način dobivanja energije. Jedan od oblika energije koji svakodnevno koristimo jest električna energija. Glavna prednost električne energije jest mogućnost njenog lakog transporta do krajnjeg korisnika. Problem koji se javlja jeste proizvodnja, naime najveći udio u svjetskoj proizvodnji električne energije imaju termoelektrane koje koriste fosilna goriva. Osim što su ograničen resurs, fosilna goriva značajno zagađuju Zemljinu atmosferu. Iz navedenih razloga javlja se potreba za novim, alternativnim izvorima energije. U svojoj okolini primjećujemo velike potencijale prirodnih izvora energije kao što su sunčeva energija, energija vjetra, energija oceana, geotermalna energija, biogoriva i sl. Da bi se ti izvori iskoristili, potrebni su uređaji koji vrše pretvaranje energije. Uobičajeno je da se takvi uređaji grupiraju, te na taj način prave elektrane koje proizvode električnu energiju za široku potrošnju. Zbog raznih faktora kao što su razvoj tehnologije, svijest o ekologiji i potreba za jeftinijom energijom, svjedoci smo sve većeg porasta broja objekata koji imaju instaliran neki od sistema za iskorištavanje alternativnih izvora energije tzv. samoodrživi objekti. Da bi se neko odlučio za kupovinu ovakvog uređaja karakteristike proizvoda moraju zadovoljiti osnovne uslove kao što su: zadovoljavajuća iskoristivost, prihvatljiva cijena, lahko održavanje i sl. Izrada ovakvog uređaja zahtjeva razumijevanje nekih osnovnih pojmova te je neophodno opisati energent koji će se koristiti, analizirati uređaj za pretvaranje mehaničke energije u električnu, te proučiti već postojeće konstrukcije takvih uređaja na tržištu. Time se pokušavaju umanjiti nedostaci postojećih proizvoda te se razmatraju mogućnosti za povećanje ukupnog učinka. Bitno je naglasiti da je niska cijena jedan od glavnih faktora koji se mora zadovoljiti, a budući da konstrukcija nije predviđena za masovnu proizvodnju bitno je da proizvodnja po komadu bude u startu jeftina, stoga materijali moraju biti lako dostupni, a tehnološki postupci jednostavni. Kao što je već navedeno jedan od alternativnih izvora energije jest vjetar. Po svojoj prirodi vjetar je oblik sunčeve energije i kao takav ubraja se u obnovljive izvore. Uređaji koji se koriste za pretvaranje energije vjetra u mehaničku energiju nazivaju se vjetroturbine. Kroz historiju vjetroturbine su se koristile za direktan pogon radnih strojeva, ali u današnje vrijeme dobivena mehanička energija pretvara se u električnu. Za takvo pretvaranje u najvećem se broju slučajeva koriste vjetroturbine horizontalnog tipa, ali nedostatci takvih turbina postaju vidljivi na područjima gdje vjetar nema stalnu struju i gdje se javljaju udari (npr. bura). Izuzetno su nepogodne za vjetar koji brzo mijenja svoj smjer (turbulentne struje). Rješenje ovih i drugih problema horizontalne izvedbe rješava vertikalna izvedba vjetroturbine. Vertikalna vjetroturbina koja će se relativno lahko instalirati na stambeni objekat koji plijeni pažnju mnogih koji se već bore za svoj komad tržišta. Odgovor na pitanje koliko je ovakav sistem koristan, isplativ i siguran te da li je uopće potreban, pokušati će se dati u ovom radu.
3
2. Energija i snaga vjetra Snaga koju Zemlja dobija zračenjem od Sunca je 1,74 ⋅1017 W, od čega se 1% do 2% pretvara u snagu vjetra. Kretanje zračnih masa u atmosferi javlja se zbog neravnomjernog zagrijavanja površine Zemlje na različitim geografskim širinama, zbog toga što se zrak zagrijava indirektno preko tla. Polovi Zemlje dobijaju manje energije od ekvatora, a kopno se grije brže od mora. Zbog razlika temperatura u slojevima zraka stvaraju se razlike pritiska koji se pretvara u kinetički oblik energije vjetra. Ciklusi strujanja zraka izmjenjuju se različitom snagom i različitim periodima trajanja ovisno o utjecajnim faktorima. Promjene temperature i pritiska u slojevima zraka obnavljaju se neprekidno ovisno o klimatskim promjenama na Zemlji. Globalni vjetrovi pušu od ekvatora prema hladnim Zemljinim polovima. Kako je topli zrak lakši od hladnog on se na ekvatoru podiže do visine od otprilike 10 km, te putuje prema sjevernom i južnom polu.
Slika 2.1- Temperature mora Coriolisova sila djeluje na vektor brzine vjetra. Coriolisovu komponentu proizvodi vrtložno strujanje kao posljedica rotacije Zemlje. Takva kombinacija vertikalnog i horizontalnog pomaka stvara tri zone tj. tri struje: Hadley-evu struju, Ferrelovu struju i Polarnu struju.
Slika 2.2- Smjer globalnog vjetra
4
Coriolisova sila uzrokuje strujanje do 30° geografske širine s gornje i donje strane hemisfere, a tada se javlja polje visokog pritiska koje se jednim dijelom vraća prema ekvatoru, a jednim kreće dalje prema polu. Zatvorena struja koja se vraća natrag naziva se Hadley-eva struja, a dio struje koji kreće prema polu, radi vrtlog na 60o geografske širine, naziva se Ferrelova struja. Kao i u prethodnom slučaju dio vrtloga se vraća, a dio odlazi još dalje ka polu te stvara Polarnu struju. Na polovima zrak je ohlađen i spušta se kao hladna suha fronta visokog pritiska uvijajući se prema zapadu uslijed Coriolis-ovog efekta stvarajući proljetne vjetrove. Kod svakog prelaza između dva vrtloga zrak se spušta na nižu visinu, jer se hladi pa je tako na najvećoj visini kod ekvatora, a na najnižoj na polovima. Ferrelova struja je sekundarno strujanje koje ovisi o Hadley-evoj i Polarnoj struji, ponekad se naziva i zonom miješanja. Ispod te zone često se nalaze zapadni vjetrovi. Gore opisani vjetrovi nalaze se na visinama od 1000 m iznad zemljine površine i na njih ne utiče Zemljino tlo. S druge strane površinski vjetrovi ovise o tlu do 100 metara visine. Upravo su površinski vjetrovi ti koji su bitni za analizu energetske efikasnosti vjetra kakva je potrebna za vjetroelektrane. Lokalne vjetrove pokreću razlike u temperaturi kopna i mora te udolina i uzvišenja. Iako su globalni vjetrovi važni za određivanje prevladavajućih vjetrova u određenom području, lokalni klimatski uslovi mogu prevladati utjecaj uobičajenih smjerova vjetra. Lokalni vjetrovi se uvijek dodaju sistemima vjetrova veće skale, tj. na smjer vjetra utječe suma globalnih i lokalnih efekata. Kada je vjetar više skale slab, lokalni vjetar može dominirati uzorkom.
2.1. Parametri vjetra Prema Bernoullievoj jednačini: 𝑣2
𝑝
𝑧 + 𝜌𝑔 + 2𝑔 = 𝐶
(2.1)
𝑝
𝑧 + 𝜌𝑔 - potencijalna energija 𝑣2 2𝑔
- kinetička energija
Jednačina opisuje zakon o očuvanju energije čestice fluida određene mase. Potencijalna energija je zbog male mase zraka zanemarljiva, pa iz gornje jednačine slijedi da struja vjetra ima samo kinetičku energiju: 𝐸𝐾 =
𝑚𝑣 2 2
(2.2)
Masa zraka m koja struji kroz presjek A, brzinom v, gustoće ρ , jednaka je: 𝑚 = 𝜌𝐴𝑣
(2.3)
Kada se jednačina (2.3) uvrsti u jednačinu (2.2) dobivamo: 1
𝑃 = 2 𝜌𝑣 3 𝐴
5
(2.4)
• P - snaga vjetra u W • ρ - gustoća zraka u kg / m3 • v - brzina strujanja vjetra u m / s • A - površina turbine u m2 Iz jednačine (2.4) se može vidjeti da snaga P raste s trećom potencijom brzine vjetra i sa površinom A turbine. Snaga se također mijenja promjenom temperature zraka zbog promjene njegove gustoće, no ta promjena se može zanemariti zbog toga što je vrlo malog iznosa. Snaga vjetra ne može se izračunati bez mjerenja brzine vjetra na određenom području kroz period od godine i više dana. Brzina vjetra mijenja se unutar dijelova sata. Ako se mjerenje brzine vjetra pretvori u spektar snage za jedinicu mase, grafički će se vidjeti dva maksimuma. Slika 2.1.1- Porast snage vjetra s brzinom Prvi se maksimum formira u vremenskom periodu od nekoliko dana, a odvija se u podtlačnom vremenskom sistemu. Drugi vrh pripada snazi kratkog perioda vrtloženja u atmosferi koji traje nekoliko minuta. Prvi maksimum je zbog toga pogodan za korištenje kod vjetroturbina, dok je drugi manje interesantan, ali mora se uzeti u obzir zbog udara vjetra koji izaziva dinamička opterećenja konstrukcije.
Slika 2.1.2- Spektar snage vodoravne komponente brzine vjetra Osim ovih varijacija postoje i sezonske varijacije koje se mijenjaju u ciklusima od 1-3 mjeseca. Zbog promjenjivosti vjetra potrebno je opisati njegovo ponašanje tokom određenog perioda vremena tj. osrednjavanje. Mjerenje brzine se vrši na visini od 10 m, a period mjerenja bi trebao trajati nekoliko godina. Weibullovom funkcijom najbolje se aproksimiraju prikupljeni podaci. Funkcija daje vjerovatnost pojave neke brzine vjetra tokom nekog vremenskog perioda.
6
Slika 2.1.3- Weibullova raspodjela Na dijagramu se može uočiti da se vjetar vrlo velike jačine javlja rijetko dok je umjereni vjetar vrlo čest. Dati uzorak ima srednju vrijednost brzine od 7 m/s, a oblik krive određen je parametrom oblika k = 2. Jednačina ove raspodjele glasi: 𝑘 𝑣 𝑘−1
𝑓(𝑣) = 𝐴 (𝐴)
𝑒
𝑣 𝑘 𝐴
−( )
(2.5)
gdje su: • f (v ) - frekvencija događanja (vjerovatnost) određene brzine vjetra • k - parametar oblika vjetra • A - parametar odnosa veličine (mjere), m/s (predstavlja srednju brzinu vjetra na nekom području) • v - brzina vjetra, m/s Dijagram prikazuje distribuciju pojave određenih brzina vjetra u procentima. Područje ispod krive uvijek je 1 budući da je vjerovatnoća puhanja vjetra određenom brzinom 100%, uključujući i brzinu od 0 m/s. Pola plavog područja je s lijeve strane vertikale kod 6,6 m/s. Ta vertikala naziva se median distribucije. To znači da je će pola vremena vjetar puhati brzinom manjom od 6,6 m/s, a pola vremena većom brzinom od 6,6 m/s. S druge strane srednja vrijednost brzine vjetra na području mjerenja je 7 m/s. Brzina od 5,5 m/s je najčešća i na tom području pojavljivati će se najčešće. Ona se naziva modalna vrijednost distribucije. Ukoliko pomnožimo svaku brzinu vjetra s njenom vjerovatnoćom dobiti ćemo srednju vrijednost brzine vjetra. Zbog vrlo velikih razlika načina puhanja vjetra širom Zemlje zavisno od lokalnih uslova, Weibullova distribucija razlikovati će se po obliku i svojoj srednjoj vrijednosti. Ukoliko je parametar k =2 distribuciju nazivamo Rayleigheva distribucija. Proizvođači vjetroturbina obično izražavaju vrijednosti učinka koristeći Rayleighevu distribuciju. Jačina vjetra tradicionalno se iskazuje Beaufortovom ljestvicom.
7
3. Princip konverzije energije vjetra u električnu Za vjetroenergetiku su od posebnog interesa površinski vjetrovi u prizemnom sloju atmosfere do visine od 200 m. U tom sloju se na pogodnim lokacijama postavljaju vjetroagregati koji vrše konverziju energije vjetra u električnu. Električna energija se isporučuje elektroenergetskom sistemu ili izolovanim potrošačima. Principska shema konverzije energije vjetra u električnu u vjetroagregatima, koji su priključeni na mrežu prikazana je na slici
Slika 3.1- Principska shema konverzije energije vjetra Kinetička energija vjetra se transformiše u mehaničku energiju pomoću vjetroturbine. Brzinu obrtanja vjetroturbine (koja iznosi nekoliko desetina obrtaja u minuti) obično je potrebno prilagoditi zahtjevanoj brzini generatora. Zato se koristi mehanički reduktor. Električni generator (u daljem tekstu koristiće se termin vjetrogenerator, po analogiji sa hidrogeneratorom i turbogeneratorom) može biti sinhroni ili indukcioni (asinhroni), pri čemu može raditi sa fiksnom ili promenljivom brzinom obrtanja. Generator se naponski prilagođava EES-u pomoću energetskog transformatora. Šta pokreće rotor? Odgovor izgleda očigledan - vjetar. Ali zapravo, to je malo komplikovanije nego da samo molekuli gasova iz vazduhu udaraju u prednji dio sječiva rotora. Moderna tehnologija vjetroturbina pozajmljuje tehnologiju iz aviona i helikoptera, kao i nekoliko naprednih trikova, jer vjetroturbine zapravo rade u potpuno drugačijem okruženju, sa promjenom brzine vjetra i promjenom pravca vjetra.
Razlog zašto avion može da leti jeste da vazduh klizi duž gornje površine krila i kreće se brže nego na površini niže. To znači da će pritisak biti najniži na gornjoj površini. Ovo stvara podizanje, odnosno sila vuče na gore i omogućava avionu da leti. Podizanje je normalno na pravac vetra.
Krilo aviona će naići na usporenje brzine, ako oblik krila sužava isključenje prebrzo, kako vazduh kreće duž glavnog pravca kretanja. Primjetiti je da turbulencija nastaje na zadnjoj strani krila u odnosu na vazdušne struje. Usporenje može biti izazvano ako površina krila aviona - ili 8
oštrice rotora vjetroturbine - nije potpuno glatka. Udubljenje u krilu ili oštrici rotora, komad samoljepljive trake može biti dovoljno da počne turbulencija na zadnjoj strani, čak i ako je napadni ugao prilično mali. Dizajneri aviona očigledno pokušavaju da izbjegnu prepreku po svaku cijenu, jer avion bez aerodinamičnosti krila će pasti kao stijena.
Kako radi vjetroturbina?
Slika 3.2- Princip rada vjetroturbine 4. Konstrukcijski oblici vjetroturbina Vjetroturbine spadaju u rotacijske mašine na strujanje, jer njihov rotor u kojem se vrši pretvaranje energije vrši rotaciono kretanje. Vjetroturbina je izložena slobodnoj struji zraka tj. kinetičkoj energiji vjetra iz okolnog vjetroenergetskog polja. Ta se energija u kolu turbine pretvara u okretni moment vratila. Vjetroturbine su hladni strojevi, to znači da se u njima pretvara energija prirodnog fluida koji ima temperaturu okoline. Glavna karakteristika vjetra kao pogonskog fluida jest njegova obnovljivost. Nakon što zrak napusti sistem kojem je predao energiju vraća se u okolinu ne promijenjenih fizičkih i hemijskih osobina. Preostala energija fluida na izlazu iz turbine dovoljna je da on napusti sistem. 4.1 Osnovni dijelovi
Slika 4.1.1 - Osnovni dijelovi vjetrogeneratora 9
Lopatice (eng. blades) Većina vjetroturbina ima sistem s dvije ili tri lopatice. S obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinamičnim kočnicama) ili sa krilcima. Obje izvedbe su ujedno sekundarni kočni sistemi, koji u slučaju otkaza primarnog kočnog sistema (mehanička kočnica) stvaraju moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom površinom (eng. spoiler), te na taj način ograničavaju brzinu obrtanja. Rotor Sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glava (eng. hub) i lopatice. Ovisno o tome kako regulišemo snagu, rotor može biti izveden:
tako da se regulaciju ugla tokom rada vrši zakretanjem lopatice, na način da se profil namješta u optimalni položaj. Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primjenjivi za lopatice duže od 25-30 m. Također postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenja napadni ugao struje zraka. tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinamičnog efekta poremećenog trokuta brzina. Dakle, s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu ugao struje zraka, odnosno dolazi do poremećaja trokuta brzina te do porasta ili gubitaka uzgona, pri čemu lopatice nemaju mogućnost zakretanja. Međutim, kako je vjetroturbina projektovana za neko područje brzina, lopatice imaju unaprijed namješten ugao za dotično područje brzina radi veće efikasnosti.
Kočnica (eng. brake) Kada generator ispadne iz mreže, odnosno brzina naleta vjetra prijeđe maksimalnu vrijednost (isključnu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do izrazitog dinamičkog opterećenja mora postojati kočni sistem kako bi rasteretio prenosnik snage, odnosno zaustavio rotor. Osim toga, bitno je reći da je također zadatak ovog sistema održati projektnu brzinu obrtanja konstantnom, odnosno osigurati sistem čije je djelovanje dinamički uravnoteženo. Disk kočnica je najčešća izvedba kočnog sistema (kojom se na savremenim mašinama upravlja mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnoj osovini prije prenosnika ili na brzookretnoj osovini generatora. Prenosnik snage (eng. gear box) Prenosnik vjetroturbine spaja sporookretnu s brzookretnom osovinom i povećava brzinu obrtanja s oko 30 – 60 o/min na oko 1200 – 1500 o/min, tj. na brzinu obrtanja, za većinu generatora, nužnu za stvaranje električne energije. Prenosnik je u većini slučajeva multiplikator i može biti različitih izvedbi. Hlađenje prenosnika se najčešće vrši zrakom, a podmazivanje sintetičkim uljem. Prilikom analiziranja načina na koji se obrtanja prenosi s vjetroturbinskog dijela na električni generator, naročitu paž nj u t reba posvet i t i odabi ru materijala izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prenosni omjer. Prenosnik je skup i težak dio vjetroturbine pa zbog toga inženjeri istražuju mogućnost izravnog pogona generatora bez prenosnika. Generator Turbinski dio vjetroelektrane s rotorom, kočnicama i prenosnikom snage predstavlja važan dio cjelokupnog sistema, čija je osnovna funkcija pogon generatora. Za pravilno i sigurno funkcioniranje čitavog vjetroturbinsko - generatorskog sistema, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: visok stepen iskorištenja u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja, izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sistema, izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora. Uzimajući u obzir uslove povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i slične uslove, pred generatore se također postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. 10
Tako npr. prema načinu rada generatori se mogu podijeliti na one: za paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom, za samostalni rad, za spregnuti rad s drugim izvorima. Prema vrsti struje mogu biti: istosmjerni ili naizmjenični. Istosmjerni se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju. Prema načinu okretanja postoje generatori: s promjenjivom ili s nepromjenjivom brzinom okretanja uz zadržavanje iste frekvencije. Također postoji podjela prema veličini tj. snazi. Upravljački i nadzorni sistemi (eng. controller) Kao što samo ime kaže, ovaj mikroprocesorski upravljan sistem je u osnovi zadužen za cjelokupno upravljanje i nadziranje rada vjetroturbinsko-generatorskog sistema. Ako ovakav sistem nije u cjelini smješten na vjetroturbinskoj jedinici (kao što može biti slučaj), već je jednim dijelom na nekom udaljenijem mjestu, onda sistem zahtjeva i posebnu telekomunikacijsku opremu. Oprema za zakretanje (eng. yaw gear) Služi za zakretanje turbinsko-generatorskog sistema. Nalazi se ispod kućišta vjetroturbine, na vrhu stuba. Preko pužnog prijenosa (omjera reda veličine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom, učvršćenim na stupu, izravnava se osa osovine rotora s pravcem vjetra. Zakretanje zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje zakretanje kućišta zbog naleta vjetra. Zakretanje kućišta reguliše sistem koji je izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset minuta dogodi se zakretanje kućišta). Gondola (eng. nacelle) Kućište s jedne strane štiti generatorski sistem sa svim komponentama od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke dotičnog sistema. Stub (eng. tower) Zadatak stuba vjetrogeneratora je da se rotor vjetroturbine uzdigne na optimalnu visinu iznad tla. Može biti izveden kao cilindrični, konusni, teleskopski, rešetkasti, učvršćeni ili povezani. Danas se najčešće koristi cilindrična konstrukcija, a prednost joj se nalazi u tome što je osim visoke čvrstoće karakterizira i veća otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti, a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i montažu. Niz stub se spuštaju kablovi kojima se proizvedena električna energija predaje u mrežu. Kroz stub se osoblje za održavanje penje u gondolu. Unutar stuba često se nalaze vitalni dijelovi vjetrogeneratora kao što su frekvencijski pretvarač, transformator i sl.
Slika 4.1.2- Unutrašnjost stuba vjetrogeneratora 11
5. Podjela vjetroturbina Vjetroturbine možemo podijeliti prema položaju i osi rotacije. Uobičajene vjetroturbine imaju horizontalno postavljenu osu rotacije i zbog toga se nazivaju vjetroturbine s horizontalnom osom rotacije ili VSHO (eng. HAWT). Manje poznate vjetroturbine imaju vertikalnu osu rotacije i nazivaju se vjetroturbine s vertikalnom osom rotacije ili VSVO (eng. VAWT). Da bi se razjasnila razlika između ove dvije vrste vjetroturbina potrebno ih je detaljnije opisati. 5.1 Vjetroturbine s horizontalnom osom rotacije ili VSHO Rotor ovih turbina postavljen je horizontalno na vrhu stuba. Lopatice koje zahvaćaju vjetar moraju biti usmjerene u njega. Generator ovih turbina obično se postavlja na vrh stuba u tijelo zajedno s multiplikatorom ako je on potreban (ovisno o tipu električnog generatora). Multiplikatorom povećavamo brzinu obratnja ukoliko je brzina obrtnaja lopatica premala za proizvodnju električne energije. Postoje dvije izvedbe ovakvih vjetroturbina. Jedna izvedba je sa stubom iza lopatica dok je druga izvedba sa stupom postavljenim ispred njih. Izvedba sa stubom ispred lopatica ima prednost jer joj nije potreban mehanizam za zakretanje zbog toga što se tijelo samo postavlja prema vjetru. Za velike turbine ovo nije najbolje rješenje zbog toga što se gornji dio može zakrenuti mnogo puta u istom smjeru i stvoriti probleme s vođenjem kablova kroz stub (četkice ne dolaze u obzir u ovom slučaju jer se struje kreću i do 1000 A). Još važnija prednost je to što ovakve izvedbe podnose jače vjetrove zbog mogućnosti većeg savijanja lopatica bez opasnosti da će dodirnuti stub. Osim toga ovakva konstrukcija je uglavnom lakša. Glavna mana ove izvedbe jest to što lopatice prolaze kroz turbulenciju nastalu od tornja što pridonosi velikom opterećenju lopatica.
Slika 5.1.1- Izvedba sa stupom ispred lopatica i izvedba sa stupom iza lopatica Izvedba sa stubom postavljenim iza lopatica najčešće se koristi. Prednost ovakve izvedbe je ta što izbjegava sjenu vjetra iza stuba. S druge strane postoji malo utjecaja od turbulencije oko stuba pa tako pri svakom prolasku lopatice ispred stuba dolazi do laganog pada snage. Glavna mana ove izvedbe je ta što rotor turbine mora biti izveden kruto i udaljeno od stuba, što povećava troškove izvedbe. Također uređaj za prilagođavanje smjeru vjetra je obavezan.
12
5.1.1 Broj lopatica Broj lopatica rotora kod horizontalnih vjetroturbina ima veliki utjecaj na njihove karakteristike. Uobičajena vjetroturbina s tri lopatice naziva se klasični Danski koncept. Prema tom konceptu ocjenjuju se ostali jer se pokazao kao najbolje rješenje. Te turbine koriste asinhrone generatore. Neparni broj lopatica u odnosu na parni pokazao se kao bolje rješenje zbog uravnoteženosti konstrukcije. Vjetroturbina sa dvije lopatice Uštedom na jednoj lopatici dobijamo potrebu za većom brzinom obrtanja da bi dobili jednaku količinu energije kao vjetroturbina s tri lopatice. Veće brzine povećavaju nivo buke. Osim toga ovakva izvedba zahtjeva složenije učvršćenje lopatica za tijelo, jer im se mora dopustiti mali ugao zakretanja u vertikalnoj osi da bi se izbjegla velika naprezanja pri prolasku lopatice ispred stuba. Vjetroturbina sa jednom lopaticom Unatoč još većoj uštedi zbog smanjenja broja lopatica ovakva izvedba nije se pokazala dobrom. Javlja se još veća buka, i potreba za protu utegom na suprotnoj strani lopatice. Vjetroturbina s više lopatica “Američka“ vjetroturbina Ovakve se vjetroturbine koriste na farmama za pogon pumpi za vodu. Brzina vrtnje je mala. Imaju velik moment pokretanja, ali malu ukupnu efikasnost. Izvedba je jednostavna i robusna.
Slika 5.1.1.1- “Američka“ vjetroturbina 5.2 Vjetroturbine s vertikalnom osom vrtnje ili VSVO Položaj vratila ovakve izvedbe vjetroturbine je vertikalan, zbog toga se generator nalazi u podnožju i time je toranj manje opterećen. Prednost u odnosu na horizontalne vjetroturbine je to što se ove vjetroturbine ne moraju usmjeravati u vjetar. U posljednje vrijeme pojavilo se mnogo izvedbi ovakvih vjetroturbina. 5.2.1 Darrieusova vjetroturbina Osnovna izvedba ove vjetroturbine pojavila se 1927. godine. Francuski inženjer zrakoplovstva Georges Jean Marie Darrieus patentirao je svoju vertikalnu vjetroturbinu prema kojoj su kasnije nastale druge izvedbe. Oko rotirajućeg vratila raspoređene su lopatice aerodinamičnog profila. Ovakva izvedba jednako je efikasna, neovisno o smjeru puhanja vjetra, u odnosu na konvencionalne vjetroturbine. Brzina obrtanja ove izvedbe je uglavnom puno veća od brzine vjetra.
13
Slika 5.2.1.1- Darrieusova vjetroturbina Princip rada Darrieusove turbine je slijedeći. Pretpostavlja se da vjetar koji nailazi na lopaticu puše ravno. Lopatice se vrte mnogo brže u odnosu na brzinu vjetra pa je tako omjer brzine vrha lopatice > 3. Slika 5.2.1.1 prikazuje vektor brzine lopatice u različitim položajima u odnosu na vjetar. Sa tako visokim omjerom lopatice će “rezati“ vjetar s malim napadnim uglom. Rezultirajuća sila uzgona pokreće rotor, dok je sila otpora uvijek suprotnog smjera. Sila uzgona pada na nulu s lijeve strane (na 0° ), a s desne se (na 180° ) lopatica pokreće u smjeru vjetra pa je u toj poziciji moment negativan. Kada je lopatica točno ispred (na 90° ) i pozadi (na 270° ) komponenta uzgona je mnogo veća od komponente otpora pa se proizvodi pozitivan moment. Ukupni moment po obrtaju biti će pozitivan pa će se tako rotor vrtjeti u pravom smjeru.
Slika 5.2.1.2- Brzine i sile na presjeku lopatica
14
Ovakvoj izvedbi vjetroturbine potrebna je pomoć pri pokretanju jer moraju postići određenu brzinu obrtanja prije nego što se počnu same vrtjeti. Pri malim brzinama Darrieusova turbina ima vrlo mali moment pa se vrlo lako zaustavlja zbog trenja u sistemu. H-tip Jedan od poznatih izvedbi je H-tip kod kojeg su lopatice postavljene paralelno s obzirom na osu vrtnje. U odnosu na uobičajenu Darrieus turbinu ovo je jednostavnija izvedba, ali problem je u tome što je masa lopaticama pomaknuta u odnosu na simetralu tornja. Iz tog razloga lopatice moraju biti čvršće.
Slika 5.2.1.3- H-tip turbine Cilkoturbine Ova izvedba vjetroturbine ista je kao H-tip, a razlika je u tome što lopatice imaju mogućnost zakretanja oko svoje ose. To omogućuje lopaticama postavljanje u položaj tako da uvijek imaju neki ugao napada vjetra. Glavna karakteristika ovog tipa turbine sa tri ili četiri lopatice je ta što je moment približno konstantan. Zbog sistema zakretanja dobiva se skoro maksimalni mogući moment što pridonosi povećanju stepena iskorištenja ovakve vjetroturbine, a to znači da dobijamo više energije. Pozitivna karakteristika jeste mogućnost samopokretanja okretanjem lopatica u optimalan položaj da bi se proizvela dovoljno velika sila uzgona za pokretanje. S druge strane, mehanizam za zakretanje je kompleksan i zahtjeva neku vrstu senzora za određivanje smjera vjetra.
Slika 5.2.1.4. Shema sistema za okretanje lopatica Tip sa spiralnim lopaticama Lopatice Darrieusove turbine mogu činiti spiralu npr. tri lopatice zakrenute za 60o. Vjetar može imati dobar napadni ugao na lopaticu s obje strane turbine neovisno o položaju u kojem se lopatica nalazi. Razlog tome je upravo spiralni oblik lopatica. Moment je tako ujednačen tijekom cijelog okreta i nema pulsacija, a kako se aksijalne sile poništavaju opterećenje na ležajeve je manje u odnosu na ostale tipove Darrieusovih turbina. Ovakav oblik također smanjuje otpor rotaciji. Još 15
jedna povoljna karakteristika ovog oblika turbine jest mogućnost hvatanja turbulentnih struja kakve se pojavljuju iznad krovova objekata. Osim toga problem samopokretanja je otklonjen.
Slika 5.2.1.5- Spiralna vjetroturbina Osim vertikalnih izvedbi postoje i horizontalne izvedbe Darrieusove vjetroturbine što uvelike olakšava i proširuje njihov spektar primjene. Prednost je u tome što su ležajevi bolje smješteni na konstrukciji i time su manje aksijalno opterećeni. Ovakvom izvedbom konstrukcija se smješta na određenu visinu na kojoj hvata jednoliko raspoređenu brzinu vjetra pa je time izbjegnut problem malih brzina na dijelu turbine koji se nalazi pri tlu. Negativan aspekt ove izvedbe jest nemogućnost hvatanja vjetra iz svih smjerova (kao i kod VSHO) pa se spektar njihove primjene smanjuje.
Slika 5.2.1.6- Horizontalne izvedbe Darrieusovih vjetroturbina 5.2.2 Savoniusova vjetroturbina Ova vjetroturbina zamisao je Finskog inženjera Sigurda J. Savoniusa. Ovo je prva izvedba vertikalne vjetroturbine, a nastala je 1922. godine. Ponekad može imati i tri lopatice.
Slika 5.2.2.1 Savoniusova vjetroturbina 16
Ovakav tip vjetroturbine radi na principu potisne sile. Gledajući presjek, turbina ima oblik slova S. Zbog zaobljenja lopatica ima manji potisak kada se kreće protiv vjetra sa ispupčenim dijelom nego kada se kreće s vjetrom ulegnutim dijelom (slika 5.2.2.2). Na taj način potisak je uvijek jači u jednom smjeru i dolazi do rotacije. Zbog ovakvog principa rada ove vjetroturbine daju puno manje energije nego uzgonske turbine iste veličine.
Slika 5.2.2.2- Princip rada Savoniusove vjetroturbine Ovakve vjetroturbine vrlo su jednostavno izvedene pa se koriste u slučajevima kada su cijena i pouzdanost bitniji od efikasnosti, npr. anemometar. Još jedna upotreba ovog principa pojavljuje se na vrlo poznatom Flettner ventilatoru. On se koristi na krovovima kuća ili autobusa i služi ventilaciji prostora, pogoni ga snaga vjetra. Također se ponekad mogu uočiti reklamne oznake u obliku ove vjetroturbine, cilj im je rotacija reklamnog znaka kojom se privlači pažnja. Postoji i izvedba ovakve turbine kod koje su lopatice spiralno zakrenute po dužini pa se na taj način dobija ujednačeni moment na vratilu.
Slika 5.2.2.3- Spiralna Savoniusova vjetroturbina
17
6. Karakteristike rada vjetroturbina 6.1. Stepen iskorištenja vjetroturbine Teoretski stepen iskorištenja pretvaranja energije vjetra pokazuje kolika je maksimalna energija koju možemo dobiti pomoću vjetroturbine od vjetra u slobodnoj struji. Teorija koja definiše maksimalni stepen iskorištenja vjetroturbine naziva se Betzov zakon prema Njemačkom fizičaru Albertu Betzu (1885.-1968.) pioniru u istraživanju tehnike vjetroturbina. Betzov zakon pokazuje maksimalnu energiju koja se može dobiti od fluida koji struji određenom brzinom kroz infinitezimalno tanki rotor. Da bi se izračunao maksimalni teoretski stepen djelovanja tog rotora on se predstavlja kao disk kroz koji prolazi fluid i predaje mu svoju energiju. Prolaskom kroz disk vjetar gubi na brzini. Može se postaviti jednačina: 𝑣𝑠𝑟 =
1 (𝑣 2 1
+ 𝑣2 )
(6.1)
gdje je: v sr - srednja brzina v1 - brzina vjetra ispred rotora v2 - brzina usporenog vjetra iza rotora
Slika 6.1.1- Shematski prikaz strujanja fluida kroz disk rotora Maseni protok je: 𝑚̇ = 𝜌𝐴𝑣𝑠𝑟 =
𝜌𝐴(𝑣1 +𝑣2 ) 2
(6.2)
𝑚̇ - protok mase u vremenu
A - površina diska ρ- gustoća fluida Razlikom kinetičke energije prije ulaska fluida u rotor i nakon njegovog izlaska dobija se snaga vjetroturbine: 1 𝐸̇ = 2 𝑚̇(𝑣1 2 − 𝑣2 2 )
(6.3)
Ako uvrstimo maseni protok: 1 𝐸̇ = 4 𝜌𝐴(𝑣1 + 𝑣2 )(𝑣1 2 − 𝑣2 2 ) =
18
1 4
𝑣
2
𝑣
𝑣
3
𝜌𝐴𝑣1 3 (1 − (𝑣2 ) + (𝑣2 ) − (𝑣2 ) ) 1
1
1
(6.4)
Maksimum ove funkcije dobiva se za
𝑣2 𝑣1
1
= 3 , datu brzinu vjetra v1 i površinu A . Kada se ova
vrijednost uvrsti u jednačinu (6.4) dobiva se: 𝑃𝑚𝑎𝑥 =∙ 𝜌𝑣1 3 𝐴
(6.5)
Odakle dobijamo koeficijent iskorištenja: 𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 =
16 = 0,593 𝑖𝑙𝑖 59,3% 27 𝐶𝑝 = 𝑃
𝑃
(6.6)
𝑚𝑎𝑥
Slika 6.1.2- Koeficijent Cp u zavisnosti od
𝑣2 𝑣1
Stvarni stepen iskorištenja uveliko ovisi o konstrukciji vjetroturbina te aerodinamičnim oznakama njihovih lopatica. Vjetroturbine u današnje vrijeme mogu postići Cp od 0,4 do 0,5 što je 70 do 80% od teoretske granice. Gubitci nastaju u ležajevima, prenosu, generatoru itd. Horizontalne vjetroturbine imaju veći stepen iskorištenja od vertikalnih vjetroturbina, ali moramo uzeti u obzir činjenicu da vertikalna vjetroturbina nema potrebu zakretati se da bi se usmjerila u vjetar pa tako pri vrlo turbulentnim strujama daje više energije. 6.2. Koeficijent brzohodnosti Koeficijent brzohodnosti λ je omjer brzine obrtanja vrha lopatice i brzine vjetra. Pa je tako: 𝜆=
𝑟𝜔 𝑣
gdje je r - poluprečnik kružnice koju čini vrh lopatice pri rotaciji, ω – ugaona brzina vrha lopatice
Slika 6.2.1- Promjena koeficijenta iskorištenja s promjenom koeficijenta brzohodnosti 19
(6.7)
Unatoč konstrukcijama koje se sve više približavaju gornjoj granici iskorištenja, horizontalne vjetroturbine se suočavaju sa vrtlozima koji nastaju na vrhovima i na čeonoj strani lopatica pa je time dobivena energija umanjena, između ostalog, i za te gubitke. Kod vjetroturbine s vertikalnom osi rotacije nema pojave vrtloga na vrhovima lopatica. 7. Generatori električne energije pogodni za rad vjetroturbina Uloga električnog generatora u sistemu vjetroturbine jest pretvaranje mehaničke energije u električnu. Nedostatak vjetroturbine kao pogona jest fluktuacija okretnog momenta. Također zahtijevaju hlađenje koje se vrši zrakom ili vodom. Generatori koji se koriste kod vjetroturbina mogu biti sinhroni i asinhroni: 7.1 Sinhroni generator Sinhroni generator spada u generatore naizmjenične struje. Njegova brzina čvrsto je povezana s frekvencijom napona i brojem pari polova što se može vidjeti iz jednačine: 𝜔𝑠 =
2𝜋𝑓 𝑝
𝑓
ili 𝑛𝑠 = 𝑝
(7.1)
Sinhroni generatori uglavnom se primjenjuju kada se znaju uslovi rada pogona tj. kada je ugaona brzina vjetroelektrane stalna (to se postiže ugradnjom sistema za zakretanje lopatica kod VSHO). Sinhronim generatorima potreban je uzbudni sistem i regulator brzine kojim će se održavati napon i frekvencija. Oni imaju veći stepen djelovanja i pouzdani su, ali pri uslovima kada dolazi do poremećaja brzine obrtanja, zbog fluktuacije brzine vjetra ili poremećaja u mreži, teško zadržavaju sinhronizam. Tabela 7.1.1- Sinhrone brzine obrtanja za razne brojeve pari polova p
n s za 50 Hz [min-1]
1 2 3 4 5 6 8
3000 1500 1000 750 600 500 375
Za primjenu kod vjetroturbina koje nemaju konstantnu brzinu obrtanja potrebno je osigurati statički pretvarač frekvencije. Time se izbjegavaju problemi nestabilnosti napona. Ovo je inicijalno skuplja varijanta, ali ako je cijena isporučene energije visoka dugoročno dobiva na isplativosti. Sinhroni generatori prikladni su za otočni način rada uz regulatore napona i frekvencije. Dodatna prednost ovih generatora jest sposobnost proizvodnje jeftine snage što je poželjno ako su priključeni na naponski slabu mrežu. 7.2 Asinhroni generatori Također spadaju u generatore naizmjenične struje ali njihova je brzina obrtanja različita od sinhrone brzine i ovisna je o opterećenju. 20
Kod motornog rada ovih generatora priključivanjem na naizmjenični simetrični trofazni izvor kroz namotaj statora poteku struje i stvore rotirajuće magnetsko polje koje rotira sinhronom brzinom n s i pri rotaciji presjeca provodnike rotorskog i statorskog namotaja te se u njima indukuje napon. Rotor se okreće u smjeru obrtanja magnetskog polja. Ugaona brzina rotora uvijek je manja od sinhrone brzine i ovisi o opterećenju motora. Različitost brzina obrtanja rotora i magnetskog polja izražava se klizanjem s . Ako je brzina obrtanja rotora n , klizanje je: 𝑠=
𝑛𝑠 −𝑛 𝑛𝑠
(7.2)
Pomoću ovog izraza može se doći do brzine obrtanja motora ako je poznata frekvencija mreže, broj polova motora te klizanje: 𝑓
𝑛 = 𝑛𝑠 (1 − 𝑠) = 𝑝 (1 − 𝑠)
(7.2)
U generatorskom načinu rada klizanje mora biti s < 0 , a brzina obrtanja rotora n > n s . Moment je negativan, jer moramo dovoditi rad da bi dobili električnu struju.
Slika 7.2.1- Karakteristika momenta asinhronog generatora za jedan smjer vrtnje polja Ovi generatori obično se koriste za spajanje vjetroelektrane na krutu mrežu. Osnovna prednost odražava se u njihovoj jednostavnoj i jeftinoj konstrukciji, no s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uklopive kondenzatorske baterije) i priključni uređaj koji služi za sinhronizaciju sa mrežom. U usporedbi s sinhronim generatorom asinhroni je u prednosti kod priključenja na mrežu zbog jednostavnijeg sistema upravljanja. Osim toga on je robusniji i znatno jeftiniji, a uslovi održavanja sinhronizma mnogo su fleksibilniji. Za potrebe vjetroturbina koje imaju promjenjivu brzinu vrtnje rotora potrebno je dodati diodni ispravljač u mosnom spoju za regulaciju djelatnog otpora rotora i promjenu brzina/moment karakteristike asinhronog motora. Ovdje napon i frekvencija mreže određuju napon i frekvenciju asinhronog generatora. Maksimalna radna snaga ograničena je najvećom dopuštenom strujom u trajnom radu, a ovisi o dovedenoj mehaničkoj snazi tj. o brzini obrtanja generatora. 21
Glavni nedostatak je nemogućnost rada bez napona mreže pa je potrebno koristiti samouzbudu u obliku kondenzatora. Nije mu potrebna sinhronizacija niti uzbudni sistem, ali treba imati uređaj za ograničenje brzine obrtanja da ne bi došlo do pobjega, tj. do postizanja prevelikih nadsinhronih brzina pri naglom rasterećenju. Lahko ih je održavati, jer zahtijevaju samo povremenu zamjenu ležajeva. 7.3 Usporedba sinhronog i asinhronog generatora Tabela 7.3.1- Usporedba generatora Generator Asinhroni kavezni jedno ili dvobrzinski generator (2p=4 ili 6)
Prednost i -
-
Asinhroni klizno-kolutni dvostrano hranjeni generator
-
-
Sinhroni generator s uzbudnom strujom na rotoru
-
-
jednostavnost izrade jednostavno održavanje prigušenje pulzacija momenta turbine niska nabavna cijena direktni spoj na mrežu
bitno smanjena snaga i cijena pretvarača za optimalno korištenje energije jalova snaga za magnetiziranje stroja iz pretvarača moguć podsinhroni i nadsinhroni rad
jednostavno upravljanje jalovom snagom široko područje brzina obrtanja jednostavan za upravljanje
Nedostaci -
potrebna jalova energija potreban soft start uređaj za prvo priključenje na mrežu primjenjivo samo za fiksne brzine turbine upotreba multiplikatora neupotrebljivo za mnogo polova (>20)
-
-
klizni koluti i četkice, trošenje, održavanje složeno upravljanje agregatom direktni spoj na mrežu je otežan
-
-
-
-
potreban pretvarač za ukupnu snagu potreban uzbudni sustav klizni koluti i četkice, trošenje i održavanje
Tabela 7.3.2 - Prednosti i nedostaci direktnog pogona u odnosu na pogon s multiplikatorom Generator Direktan pogon
Prednosti -
jednostavnija izvedba cijelog vjetroagregata jer nema multiplikatora koji se smatra kompliciranim za izradu i održavanje veća korisnost agregata
-
Nedostaci
- velike dimenzije i masa, - problem izrade, transporta i montaže generatora
Pogon s multiplikatorom -
male dimenzije i masa generatora standardni generator
22
- visoka cijena, gubitci (2-3)% i problemi održavanja multiplikatora
8. Novi konstrukcijski oblici vertikalnih vjetroturbina Kako je u današnje vrijeme energija vjetra postala vrlo privlačna, a samim time i potencijalno unosna tema, na tržištu se pojavilo mnoštvo novih proizvoda koji pretvaraju energiju vjetra u električnu energiju. Osim razvoja uobičajenih horizontalnih vjetroturbina pojavio se i veliki interes za razvoj vertikalnih vjetroturbina. Pretraživanjem internetskih stranica vrlo se lako mogu pronaći novi inovativni konstrukcijski oblici takvih vjetroturbina, ali njihova efikasnost i ekonomska isplativost je upitna. U početku ovog rada navedeni su osnovni konstrukcijski oblici vertikalnih vjetroturbina, a to su Darrieusova i Savoniusova vjetroturbina. Ako se razmotre svi konstrukcijski oblici koji će se opisati u ovom dijelu rada lahko se može zaključiti da se svi baziraju na ta dva osnovna oblika. Podaci koji će biti navedeni u ovom poglavlju uzimaju se s velikom rezervom, jer se na tržištu vjetroturbina, zbog borbe s konkurencijom, mnogo puta navode neistiniti podaci testiranja. Zbog nemogućnosti vlastitog testiranja svih konstrukcijskih oblika neminovno je osloniti se na date podatke. Navedene konstrukcije odabrane su prema teoretski pouzdanim kriterijima i mogu se svrstati u oblike kojima se zaista može dobiti određena količina električne energije, ali pitanje njihove iskoristivosti moralo bi se provjeriti u laboratorijskim uslovima mjerenjem. 8.1 Konstrukcijski oblici vjetroturbina na tržištu i njihova usporedba 8.1.1. Helix Wind Helix Wind vjetroturbina konstruirana je i testirana u San Diegu i Las Vegasu. Podaci o performansama dobijeni su mjerenjima instaliranih vjetroturbina i testiranjem u zračnom tunelu. Ova vjetroturbina daje ujednačeni moment u velikom rasponu brzine vjetra i u teškim uvjetima rada. Nije potrebno zaustavljanje pri jakom vjetru, instalacija je jednostavna i modularna. Pogodna je za korištenje u urbanim sredinama. Zahvaća vjetar iz svih smjerova i pogodna je za turbulentno strujanje vjetra. Postoji mogućnost modularne nadogradnje pa je moguće povećati snagu dodavanjem spirala u visinu.
Slika 8.1.1.1 - Helix Wind vjetroturbina
23
Slika 8.1.1.2 - Modularna nadogradnja Helix vjetroturbine Specifikacije: • • • • • • • • • • • • • • • • • •
Određena snaga – 2,5 kW Vršna snaga – 2,81 kW Dimenzije rotora – 1,21m x 2,65m Radni prostor – 3,22 m2 Konstrukcija rotora – Ultra čvrsta aluminijska legura Tip – Savoniusova helikoidalna vjetroturbina s vertikalnom osi rotacije (VSVO) Generator – 2,5 kW visoko efikasni generator s permanentnim magnetom Brzina vjetra pri kojoj započinje vrtnja – 3,6m/s Kočenje – kočenje nije potrebno za normalan način rada. Ručno zaustavljanje za potrebe održavanja Spajanje na mrežu - 110VAC - 240VAC, 50-60Hz inverter vezan na mrežu Bez mreže – mogućnost napajanja baterije Masa – 135 kg Radni vijek - 30 godina Stub – preporučljiva je visina od 4,5m do 6,0m ovisno o okolnim preprekama Cijena - oko 15000 € Konstrukcija radi vrlo tiho i producira zvuk niži od 5 decibela iznad okolinskih zvukova Sigurna je za ptice i šišmiše Estetski zadovoljava
Slika 8.1.1.3 - Turbulentno strujanje vjetra kada nailazi na prepreku
24
8.1.2. Quiet revolution Britanska fabrika sa sjedištem u Pembroke Dock-u u južnom Wales-u bavi se proizvodnjom vertikalnih vjetroturbina spiralnog Darrieus tipa.
Slika 8.1.2.1 - Quiet revolution turbina Specifikacije: • Dimenzije - 5m visina x 3,1m promjer • Generator - istosmjerni, generator s permanentnim magnetom • Power control - kontrolom izlazne snage konstantno se optimizira izlazna snaga za sva područja postavljanja i z a sve brzine vjetra • Radno područje - Maksimalna brzina vjetra: 16 m/s; Minimalna brzina vjetra: 4,5m/s • Životni vijek - 25 godina • Materijal – lopatice i trostrani držači su izrađene od karbonskih vlakana i epksilne smole • Kočnice – Kočenje uslijed prekoračenja brzine se vrši pri brzini vjetra od 14 m/s, automatsko gašenje pri velikim brzinama vjetra (iznad 16 m/s) • Praćenje i pohrana podataka preko PC-a – prosječna brzina vjetra i dobijena količina el.energije • Cijena turbine 25 000 € • Cijena stuba oko 3000 €, ovisno o visini i obradi • Cijena upravljanja 5000€ za jednu turbinu, smanjuje se za spajanje više turbina u niz 8.2. Usporedba navedenih vjetroturbina Podaci u tabeli uzeti su iz dijagrama koji se nalaze na web stranicama proizvođača i prikazuju snagu pri brzini vjetra od 7 m/s. Tabela 8.2.1- Usporedba snage i dimenzija vjetroturbina Naziv: Snaga u W (7 m/s) Dimenzije (m)
Helix wind 270 2,64 x 1,2
Quiet revolution 1000 5 x 3,1
Sljedeća tabela prikazuje vrijednosti za Quiet revolution vjetroturbinu manjih dimenzija koje su dobijene preračunavanjem vrijednosti snage u odnosu na površinu vjetroturbine slijedeći raspodjelu snage istih dijagrama. Ovdje bi se moglo zaključiti kako vjetroturbina proizvođača Helix wind daje više snage za istu površinu vjetroturbine, ali taj se podatak mora moći dodatno obrazložiti. 25
Tabela 8.2.2- Usporedba snage i dimenzija vjetroturbina istih dimenzija Naziv: Snaga u W (7 m/s) Dimenzije m
Helix wind 270 2,64 x 1,2
Quiet revolution 230 2,64 x 1,2
U dijagramu koji prikazuje odnos stepena iskorištenja i koeficijenta brzohodnosti (slika 6.2.1) može se uočiti da Savonius vjetroturbina ima dvostruko manji stepen iskorištenja te zbog toga, teoretski, nije moguće da daje više snage od Darrieusove vjetroturbine istih dimenzija, ali mora se uzeti u obzir i činjenica da Helix vjetroturbina ima izmijenjen oblik lopatica u odnosu na klasičan Savonius oblik što pridonosi boljoj iskoristivosti. Tačan odgovor na vjerodostojnost ovih podataka ne može se dati bez ispitivanja. U nemogućnosti za dobivanjem tačnijih podataka uzima se da su ovi podaci tačni. 9. Priključivanje vjetroelektrana na postojeću mrežu Priključenje vjetroelektrana na elektroenergetsku mrežu je značajan problem obzirom na to da vjetroelektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sistema i kvalitetu električne energije u mreži. Kriteriji priključenja se definiraju u obliku mrežnih pravila za vjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se mrežna pravila ne izrađuju na način da isključe ili diskriminiraju određenu vrstu generatora, njihove su odredbe obično definisane imajući u vidu konvencionalne termoelektrane i hidroelektrane. Vjetroturbinski generatori se znatno razlikuju od sinhronih generatora zbog čega se uobičajeno izrađuju dvije vrste mrežnih pravila za vjetroelektrane; jedna se vrsta odnosi na njihovo priključenje na prenosni sistem (nazivni napon ≥ 110 kV), a druga na distribucijski sistem (nazivni napon ≥ 35 kV). Postoji mnogo tehničkih kriterija priključenja vjetroelektrana na mrežu koji se uzimaju u obzir zbog kvalitetnije integracije vjetroelektrana u elektroenergetski sistem, kao što su:
iznos frekvencije, iznos napona, stanje u uslovima kvara, kvaliteta isporučene električne energije i zahtjevi s obzirom na signale, komunikacije i upravljanje.
Ovih pet glavnih kriterija se smatra ključnim područjima za ispravan pogon i vođenje vjetroelektrana u pripadajućem elektroenergetskom sistemu. 10. Ekonomske osnove izgradnje vjetroelektrana Tokom svog eksploatacionog vijeka vjetroelektrana ostvaruje prihode na osnovu prodaje proizvedene električne energije i tako pokriva rashode i nastoji ostvarivati dobit. Pri tome se rashodi, odnosno troškovi izgradnje i pogona vjetroelektrana mogu podjeliti na:
investicione troškove (najveći dio ukupnih rashoda); troškove pogona i održavanja (čine od 1,5 do 3% ukupnih rashoda); troškove za poreze i doprinose, troškove finansiranja, i sl.; proizvodne troškove; spoljne troškove.
Troškovi investicije se dijele na troškove uslovljene lokacijom i troškove izgradnje. 26
Troškovi uslovljeni lokacijom obuhvataju troškove nekretnina (otkupa, zakupa, najma, koncesija i s tim povezanih administrativnih troškova), izgradnje pristupnih puteva, električne i telekomunikacione mreže i dodatnih infrastrukturnih sadržaja. Troškovi izgradnje uključuju sve troškove potrebne za fizičku izgradnju postrojenja na odabranoj lokaciji:
izrade potrebne investicijsko-tehničke dokumentacije (prikupljanje podataka o vjetru, izrada studije isplativosti, studije utjecaja na okolinu projekta itd); dobijanja potrebnih dozvola (urbanističke, građevinske, i sl); nabavke opreme i rezervnih djelova (čini oko 70% svih troškova izgradnje); zemljišnih i građevinskih radova (pripremu zemljišta, temeljenje, razvođenje mreže, itd.); radova na postavljanju opreme (podizanju stuba, kućišta, rotora, itd.); priključivanja na mrežu, obuke osoblja i održavanje postrojenja.
Investicioni troškovi se kreću između u 75% i 90% ukupne cijene koštanja. Ukupna investiciona ulaganja su oko 750€ po kilovatu instalisane snage. Međutim ovo nije striktna vrijednost jer ekonomsko mjerilo ima odlučujući utjecaj tj. prelaskom sa mašine od 150kW na 600kW cijena se grubo utrostručuje iako je snaga povećana četiri puta. Razlog je da količina neophodne energije za izgradnju vjetrogeneratora od 150kW nije mnogo različita od one potrebne za vjetrogenerator od 600kW. Trenutno su najekonomičniji vjetrogeneratori u opsegu 500-750kW i njihove cijene su relativno niske. Kada se odlučuje o veličini vjetrogeneratora ne uzima se samo u obzir i cijena instaliranog kW npr. manji vjetrogenerator je profitabilniji u oblastima sa slabijim vjetrom. Cijena savremenih vjetrogeneratora sa prečnikom od 45m je negdje oko 700 €/kW. Najekonomičnija veličina vjetrogeneratora se mijenjala tokom godina i da još uvijek raste. Često se koristi termin "referentna cijena" da se označi cijena energije proračunata korištenjem standardnih procedura, sa fiksnim kamatnim stopama i mora se razlikovati od cijena relevantnih za pojedine države. Može se uočiti silazni trend produktivnih troškova vjetrogeneratora, i predvia se njegov dalji pad usljed poboljšanja gradivnog materijala i optimizacije generatora i mjenjača. Instalacioni troškovi variraju kako variraju troškovi prilaza (puteva) i troškovi temelja u zavisnosti od tipa zemljišta. Najveći dio troškova odlazi na sam vjetrogenerator (rotor, generator, prenosni mehanizam). Balansni troškovi su prikazani u tabeli 10.1 i dati su u % od cijene vjetrogeneratora. Troškovi se smanjuju za 25% prelaskom sa mašine od 300kW na mašinu od 1MW. Tabela 10.1- Troškovi balansa Investicije
%
Temelj
5-11
Električne veze
5-11
Zemljište
0-5.7
Troškovi planiranja
1.5-3
Dozvole
3-8
Infrastruktura Menadžment Razni troškovi Povezivanje sa mrežom TOTAL
27
2-4 3-6 2-4 7.5-15 15-40
Pošto za vjetrogeneratore nema troškova za gorivo, troškovi rada i održavanja idu na rad elektrane i održavanja. Prosječni vijek trajanja vjetrogeneratora se procjenjuje na dvadesetak godina, odnosno na oko 120 000 radnih sati tokom vijeka trajanja od 20 godina, dok vijek trajanja temelja može biti i do 50 godina. Isti temelji mogli bi se iskoristiti dva puta, to jest za postavljanje dvije generacije vjetrogeneratora. Vrijeme raspoloživosti vjetroelektrana izuzetno veliko i može iznositi čak 98%, pri čemu bi se redovni pregledi i popravke vjetroelektrane po pravilu trebali izvoditi svakih šest mjeseci. Iskustva pokazuju da su troškovi održavanja vrlo niski kod novih vjetrogeneratora, ali rastu njegovim starenjem. Za novije vjetrogeneratore procjenjena vrijednost troškova održavanja je 1.5-2% godišnje. Ukupni troškovi se mogu i iskazati i preko proizvedenog kW i iznose 1-2 c€/kW. Ovo uključuje zakup zemljišta, održavanje i osiguranje. Operacioni troškovi variraju od zemlje do zemlje i između mjesta za izgradnju. Njemački podaci ukazuju da se troškovi osiguranja i garancija prepolove pri prelasku sa 200kW na 500kW i kreću se od oko 25 €/kW za 200kW mašine i padaju na 15 €/kW za 500kW mašine. Trenutne cijene energije za odgovarajuće eolske farme srednje veličine cijene od 850 €/kW su 9.6c€/kW za brzinu vjetra od 5m/s i padaju na 3.4 c€/kW za brzinu od 10m/s. Troškovi finansiranja se jako razlikuju od zemlje do zemlje. Možemo reći da su troškovi finansiranja u padu kako raste povjerenje u ovu tehnologiju. Ekonomičnost vjetroelektrana povezanih u mrežu zavisi od finansijske perspektive (koliko brzo i sa kojom kamatom žele investitori povraćanje sredstava). Dalja regulatorna politika kao što su primjeri investicionih subvencija doprinose smanjenju potreba za troškove investiranja i donose pouzdanost u investiranje u eolsku energiju. Direktna podrška privatnim investicijama je u funkciji stvaranja tržišta i usled toga uspostavljanje nove industrije. Najčešći modeli za stimulaciju tržišta uključuju: Javne fondove za demonstracione projekte Direktnu podršku investicionom trošku (% od ukupnog troška ili određeni iznos po instalisanom kW) Podršku kroz premije za električnu energiju iz eolskih elektrana Finansijska inicijativa - specijalni zajmovi, povoljne kamatne stope itd. Instalacioni troškovi imaju tendenciju porasta sa porastom brzine vjetra. Ovo reflektuje činjenicu da investitori mogu priuštiti veće troškove ako dobijaju veći prinos. Povećanje brzine sa 8 m/s na 9 m/s povećaće izlaznu snagu za 10%. Prihod od vjetroelektrana je osnova ekonomskih investicija koji se odnose na proizvodne troškove. Produktivnost vjetrogeneratora je porasla sa razvojem tehnologije, a i postajale su sve jeftinije i efikasnije. Postoje dva glavna faktora koja utiču na sposobnost vjetrogeneratora da proizvodi energiju, a zbog toga i na mogući prihod. Prvi faktor jesu same komponente vjetrogeneratora kao što su rotor, prenosni sistem, veličina generatora i mogućnost vjetrogeneratora da radi kada je vjetar raspoloživ. Drugi faktor je da priroda vjetra ima odlučujuću ulogu na izlaznu energiju. Što je veća produktivnost vjetrogeneratora to je cijena generisane električne energije niža. Potpuno slobodno tržište električne energije ne postoji, već cijena pored cijene proizvodnje zavisi od različitih efekata koji utiču na tržište (porezi, subvencije). Da bi odredili pravu cijenu generisanja električne energije moramo uzeti u obzir i eksterne troškove. To su troškovi ljudskog zdravlja i zaštite sredine koji trenutno nisu prikazani u tržišnoj cijeni energije. Oni se tako označavaju kao društveni troškovi. Evropska istraživanja ustanovila su poredive podatke eksternih troškova različitih tehnologija proizvodnje električne energije. Podaci su zasnovani na analizi nekoliko životnih ciklusa, uključujući aspekte kao što su trošenje resursa, transport, proizvodnja, uništenje i odlaganje. Rezultati ove analize u Danskim uslovima, pokazuju da su eksterni troškovi vjetrogeneratora znatno niži od svih ostalih tehnologija, tabela 10.2. 28
Tabela 10.2 - Poređenje eksternih troškova vjetrogeneratora i drugih tehnologija Tehnologija Offshore vjetroelektrana Vjetroelektrana na kopnu Prirodni gas (el.energija) Biogas elektrana (el.energija) Biogas elektrana (grejanje)
Eksterni troškovi c€/kWh 0.67-3.65 0.59-2.55 7.11-80 4.36-16.12 1.32-4.57
Cijena energije vjetroelektrana zavisi od brzine vjetra, pa zbog analize treba napraviti vezu između brzine vjetra i produktivnosti mašine (u kWh/m2 i kWh/kW). Podaci o proizvodnji energije za više modernih turbina pokazuju da faktor kapaciteta je oko 0,2 pri 6 m/s, penje se na 0,45 pri 9m/s, dok je "prinos" oko 750 kWh/m2 pri 6 m/s i raste do 1600 kWh/m2 pri 9 m/s. Lokalne brzine vjetrova široko variraju u cijeloj Evropi. Najbolja mjesta za vjetroelektrane su mjesta gde su prosječne brzine vjetra od 8 m/s do 10 m/s. Širok opseg kamatnih stopa i drugih faktora mora biti uvažen i zato razlikujemo najniže, srednje i najviše cijene energije. Pregled se odnosi na vjetrogeneratore od 600-750kW. Pretpostavimo da instalacioni troškovi rastu sa brzinom vjetra preko 7 m/s za 8% po m/s. Proizvodnja energije je dobijena uz pretpostavku da su pouzdanost i drugi gubici 10% od ukupne energije (stvarni gubici su čak i manji, pošto je pouzdanost oko 98% postignuta, ali garantovani nivo je oko 95% i čini osnovu investicionih odluka). Cijena energije je oko 9,6 c€/kWh pri 5m/s i opada do 3,4 c€/kWh pri 10m/s. Cijene električne energije iz vjetroelekrana su u stalnom padu poslednjih 20 godina i trenutno se mogu ekonomski porediti sa cijenom iz konvencionalnih izvora (ugalj, gas, nafta...). Cijene izgradnje i održavanja konvencionalnih (termo) izvora električne energije tako variraju u zavisnosti od mjesta izgradnje i lokalnih propisa. Status i cijene različitih tehnologija date su u tabeli 10.3. Tabela 10.3- Poređenje cijena električne energije Tehnologija Gas Ugalj Nuklearna
Investicioni troškovi €/kW 450-700 1000-1300 1200-2000
Troškovi goriva €/kWh 1.7-2 1.8-2.3 0.7-0.9
Troškovi održavanja €/kWh 0.4-0.6 0.7-1 0.8-1
Konačna cijena €/kWh 3.1-4 3.7-5.5 3.3-8
Cijena električne energije dobijena je uz primjenu poreskih olakšica od 5% tokom vijeka od 20 godina. Na slici 10.1 upoređene su dobijene vrijednosti cijene električne energije iz termo i vjetroelektrana.
Slika 10.1 - Poređenje cijena električne energije 29
Postoji više faktora koji izazivaju stalni pad cijene vjetroenergetskog sistema: trend ka većim vjetrogeneratorima; pad cijene izgradnje infrastrukture; moguća redukcija cijene sirovina. Podaci iz Evropske studije o obnovljivoj energiji pokazuju da vjetar može postati jedan od najjeftinijih obnovljivih izvora energije, sa cijenom energije u okviru cijene iz termalnih izvora. Za energiju vjetra procjenjeno je da će cijena padati za 8%-15% za svako udvostručenje proizvodnje. Uz svako usavršavanje tehnologije, boljeg razumjevanja opterećenja vjetra i osobina materijala cijena će padati još i više. Najnovija Evropska studija o obnovljivoj energiji (TERES II) dolazi do zaključka da će budući razvoj i istraživanja omogućiti značajna tehnološka unapređenja i procjenjuje da će do 2020. investicioni troškovi biti 50-75% od današnjeg nivoa. Sve ovo će omogućiti da se podižu vjetroelektrane i na lokacijama sa nižim brzinama vjetra. Podaci iz ove studije ukazuju da bi energija vjetra u budućnosti mogla postati jedna od najekonomičnijih, pošto povećani zahtjevi za gasom i njegove male rezerve već imaju utjecaj na njegovu cijenu. Jedan od najnepovoljnijih aspekata vjetroelektrana jeste taj što imaju varijabilnu i stohastičku proizvodnju (proizvodnju koja se ne može predvidjeti). Zbog ovog razloga ne bi trebalo da udio vjetroelektrana pređe 10% u snazi svih elektrana elektroenergetskog sistema. Mada i ovo nisu striktne vrijednosti pošto već postoje države gdje udio vjetroelektrana prelazi 10% npr. Danska. Udio ovih elektrana moguće je povećati ako se osigura akumulisanje energije. Neka od mogućih rješenja jesu kombinovanja vjetroelektrana sa pumpno-akumulacionim postrojenjima ili solarnim elektranama. Višak električne energije dobijene iz vjetrogeneratora moguće je iskoristiti za kompresiju vazduha koji se zatim uskladišti u nadzemnim ili podzemnim rezervoarima. U pogodnom trenutku taj se vazduh može iskoristiti za pokretanje turbina. Višak električne energije se može upotrebiti i za elektrolizu vode, a dobijeni hidrogen može poslužiti kao gorivo u npr. gorivnim ćelijama. Na ovaj način postiže se vremenska nezavisnost između proizvodnje električne energije u elektro-energetskom sistemu i potrošnje potrošača. Međutim ni jedno od ovih rješenja nije povoljno, jer troškovi izgradnje elektrana drugih tipova uz vjetroelektranu ili troškovi uskladištenja energije mogu biti veći od troškova izgradnje same vjetroelektrane. Problemi koji se još javljaju u vezi sa radom vjetroelektrana jesu buka pri prolasku krila kroz zavjetrinu stuba i buka koju prave lopatice pri kretanju kroz vazduh, ometanje elektromagnetnih talasa, mehaničke vibracije, zauzimanja površine zemljišta. Svi ovi problemi su razvojem tehnologija uglavnom prevaziđeni tj. svedeni na minimum. 11. Off-shore vjetroelektrane Trenutno se u zemljama EU nalazi oko 50 off-shore vjetroparkova. Zajedničkog kapaciteta 4 GW, mnogi od tih sistema imaju mali kapacitet u odnosu na svoju stvarnu mogućnost, jer su u testnoj fazi. Postoji još sličnih projekata koji su u fazi gradnje, drugih 70 projekata je tek dobilo dozvolu, a za još njih 100 se čeka dozvola. Imamo još 140 projekata koji su predstavljeni, ali trebaju jos dobiti potrebne dozvole. Svih 320 projekata imaju ukupni kapacitet od 150 GW. S obzirom da su off-shore vjetroenergetski sistemi skuplji od uobičajenih varijanti proizvodnje struje, kao npr. ugljenom ili nuklearnom energijom potrebni su državni poticaji da bi došlo do izgradnje samih. Trenutno se svi ti problemi reguliraju na nivou svake države pojedinačno. Postoje države koje nemaju potrebu za off-shore vjetroelektranama, kao npr. Norveška, koja svoju potrebu za energijom pokriva hidroenergetskim sustavima. U EU 60 % planiranih off-shore elektrana biti će postavljeno u državama koje izdvajaju i najveća sredstva u tu svrhu. EU je 2007. godine došla do zaključka da se 20 % od ukupne potrebe električne energije do 2020. godine mora dobivati iz obnovljivih izvora energije, taj proces je još 30
ubrzan katastrofom koja se dogodila u Fukushimi. Najveći potencijal obnovljivih izvora energije imaju upravo off-shore vjertoelektrane. EU je postavila cilj da se do 2020. godine kapacitet offshore vjetroelektrana podigne na 37 GW. European Wind Energy Association (EWEA) (Europsko vjetroenergetsko udruženje) smatra da bi se do 2020. godine kapaciteti mogli povećati na 40 GW, a do 2030. godine na 150 GW. Države kao Danska i Velika Britanija imaju najviše energetskih parkova. Dok postoje države kao Norveška koje imaju veliki potencijal za off-shore vjetroelektrane, ali ga ne namjeravaju iskoristiti u skoroj budućnosti iz razloga već zadovoljavajuće potrebe za električnom energijom. Znanstvenici tehničkog univerziteta Freiberg predstavili su princip sa kojim se vjetroenergetski sistemi mogu postaviti na otvorenom moru daleko udaljeni od kopna, bez da dođe do njihovog oštećenja tokom vremenskih nepogoda. Off shore vjetroenergetski sistemi, sa današnjim metodama mogu se postaviti na dubinama do 50 metara, zbog toga je ograničen broj mjesta njihovog pozicioniranja. Važno je napomenuti da je potencijal vjetra na otvorenom moru mnogo veći nego na kopnu ili u blizni kopna, u pravilu vrijedi što je dubina mora veća veće su brzine nastrujavanja vjetra iznad njega. Upravo zbog toga razloga znasntvenici i tvrtke rade na novim tehnikama plutajućih vjetroenergetskih sistema. Znanstvenici tehničkog univerziteta Freiberg razvili su koncept off-shore sistema koji se može instalirati i na dubinama do 800 metara. Za razliku od današnjeg načina sidrenja off-shore vjetroelektrana novi sistem nije usidren nego pluta na povšini mora. Zajedno sa drugim institutima znanstvenici su napravili plutajuću platformu na TLP principu (Tension-leg Platform). A princip je sljedeći: vertikalni i dijagonalni elementi kod ovog sistema povezuju plutajuće elemente tj. platformu (na kojoj je postavljena vjetroturbina. Od plutajući uzgonskih elemenata (koji platfornu drže iznad vode) položena su užad vertikalno do dna mora gdje se usidre. Od tih sidrilišta na dnu mora vode druga užad dijagonalno ka plutajućem tijelu te se za njega pričvršćuju, na taj način cijela platforma se djelomično povlači ka dnu te zbog toga postaje stabilna na površini mora. TLP princip pretvara off-shore temelje u jedan kruti sistem na taj način off-shore sistemi na moru se ponašaju kao sistemi na kopnu, ostaju stabilni te im vjetar i valovi ne ugrožavaju rad. Zbog ovoga sistema moguće je njihovo postavljanje i na velike dubine mora. Prvi eksperimenti izvršeni sa sistemom u ekstreminim uvjetima pokazali su se uspješnim te na sistemu nije bilo nikakvih oštećenja. Zbog toga će se 2014. godine postaviti pilotni uređaj TLP konstrukcije u svrhu dodatnog testiranja. Nedavno je Švedska fabrika Hexicon predstavila svoj koncept na plutajućoj platformi od cca. 500 metara promjera (koja je usidrena na dnu mora) nalazi se 6 velikih vjetroturbina kao i 30 malih vjetroturbina. Ispod nivoa mora sistem vjetroturbina potpomognut je sa sistemom koji generira struju iz kinetičke energije valova. Na ovaj način dobiven je umjetni otok koji daje i do 69 MW čiste električne energije prikazan na slici 11.1.
Slika 11.1 Umjetni otok off-shore vjetroturbina 31
12. Uticaj vjetroelektrana na okolinu Svi oblici proizvodnje električne energije na određeni način utiču na okoliš i u tom smislu vjetroelektrane nisu iznimka. Međutim, u usporedbi s konvencionalnim tehnologijama proizvodnje električne energije uticaj vjetroelektrana na okoliš je gotovo zanemarljiv. Vjetroelektrane ne proizvode nikakve štetne tvari, ne emitiraju onečišćivače u zrak, ne ispuštaju efluente, ne stvaraju značajniji otpad i nisu radioaktivne. Ne uzrokuju lokalne ili globalne negativne posljedice po okoliš niti za buduće generacije. U t jic a j z b o g b u k e Savremene izvedbe vjetroturbina u pravilu su izuzetno tihe i buka koja nastaje radom vjetroelektrane u usporedbi sa bukom sličnih mašina gotovo je zanemariva. Općenito vrijedi pravilo da je buka jedne velike moderne vjetroturbine potpuno maskirana bukom vjetra već na udaljenosti od 200 metara. U t i c a j n a okoliš Vjetroagregati su zbog svoje veličine i brojnosti uvijek uočljivi elementi u okolišu. Obzirom na osnovni princip funkcionisanja vjetroelektrane one se u pravilu postavljaju na najvišim i najizloženijim lokacijama kada se radi o brdovitim područjima. Utjecaj izgradnje takvih vjetroagregata na promjenu okoliš je uvijek velik, ali neizbježan. Uticaj na zrak i mikroklimu Pri radu vjetroelektrane uticaja na zrak nema, jer nama nikakvih emisija štetnih plinova. Uticaji vjetroelektrane na mikroklimu najviše se manifestiraju kroz promjenu brzine vjetra oko turbina. To u određenim slučajevima može imati pozitivan uticaj u vidu smanjene erozije tla na lokaciji. Uticaj na tlo Erozija tla je moguća popratna pojava tokom eksploatacije vjetroelektrane pa je potrebno poduzeti potrebne mjere zaštite kako bi se ista spriječila (ukoliko se ne radi o prirodnim procesima erozije i odrona). To se prvenstveno odnosi na maksimalnu zaštitu površina i pažljivu izgradnju makadamskih puteva. Uticaj na vode Vjetroagregat za pogon ne treba vodu, pa niti ne stvara otpadne vode. Prema tome utjecaja vjetroelektrane na vode nema. U t i c a j n a biljni i životinjski ekosistem Vjetroelektrana tokom eksploatacije ima općenito vrlo mali utjecaj na životinjski i biljni svijet. Najugroženije su ptice, za koje vjetroelektrana može predstavljati izravan rizik od sudara s lopaticama turbine, odnosno može biti izvor uznemirivanja zvučnim ili vizuelnim smetnjama. Uticaj na ptice Da bi se mogao procijeniti uticaj na ptice potrebno je provesti kvalitetna terenska istraživanja. Istraživanja moraju pokriti cijeli godišnji ciklus ptica. Uticaj na ostali životinjski svijet Pod ovim uticajem se smatra uticaj buke koju proizvode vjetroagregati tokom rada vjetroelektrana. Taj uticaj nije lahko procijeniti, jer različite životinjske vrste različito reagiraju na buku. Pojedine vrste je podnose i zadržavaju se u blizini (npr. krupna divljač i stoka), dok neke životinjske vrste izbjegavaju blizinu vjetroelektrana.
32
Elektromagnetne smetnje Vjetroagregati tokom rada mogu uzrokovati smetnje u prenosu i prijemu elektromagnetskih talasa koji se koriste za prenos telekomunikacijskih, navigacijskih ili radio TV signala. Smetnje nastaju usljed refleksije i raspršivanja elektromagnetskih talasa od površine lopatica. Sociološki uticaj Uspješnost projekta izgradnje vjetroelektrane može imati vrlo pozitivan učinak na opće raspoloženje i biti poticaj poduzetničkim inicijativama i ulaganjima u nove projekte. Medu prateće sadržaje vjetroelektrane svakako spada i obnova i jačanje lokalne infrastrukture, kao i mogućnost otvaranja određenog broja radnih mjesta u fazi izgradnje. Međutim, moguće su i negativne reakcije. Iz svjetskih iskustava se zaključuje da postoje brojne predrasude u vezi uticaja koje takvo postrojenje može imati. Uobičajeno postoji strah od buke, estetskog narušavanja krajolika ili općenito nelagoda od upletanja u ustaljeni tok života. Stoga je nužno pronaći odgovarajući pristup u informiranju stanovništva i svih zainteresiranih strana o prednostima i nedostacima ovakvog projekta. Pri pronalaženju najprikladnijeg pristupa u odnosima sa javnošću i informisanju stanovništva najaktivniju ulogu trebaju preuzeti predstavnici investitora, odgovarajućih administrativno-upravnih tijela i ostalih zainteresiranih organizacija.
13. Zaključak Globalni razvoj društva u budućnosti će u ogromnoj mjeri zavisiti od stanja u oblasti energetike. Problemi sa kojima se suočavaju u manjoj ili većoj mjeri sve zemlje svijeta su povezani sa obezbjeđivanjem energije i očuvanjem životne sredine. Eksplozija ljudske populacije na zemlji uzrokuje stalno povećanje potreba za energijom, naročito električnom energijom. Trend rasta potreba na globalnom nivou iznosi oko 2,8 % godišnje. Sa druge strane, trenutna struktura primarnih izvora električne energije ne može na globalnom nivou obezbjediti takav trend povećanja proizvodnje električne energije. Razlog za to su aktuelni ekološki problemi direktno uzrokovani sagorjevanjem fosilnih i nuklearnih goriva, na kojima se bazira sadašnja proizvodnja električne energije u svijetu. Osim toga, postojeća dinamika kojom se eksploatišu fosilna goriva će u bliskoj budućnosti dovesti i do iscrpljenja njihovih rezervi. Oduzimanjem potpora konvencionalnim izvorima el. energije ne bi se samo uštedio novac poreznih obveznika nego bi se smanjile nepravilnosti na tržištu električne energije te bi se smanjila potreba za potporu obnovljivih izvora. Energija vjetra ne bi trebala posebne provizije kad tržišta ne bi bila toliko iskrivljena činjenicom da proizvođači električne energije mogu praktički besplatno zagađivati okoliš. Potpore umjetno snižavaju cijenu energije, drže obnovljive izvore izvan tržišta i podupiru nekonkurentne tehnologije i goriva. Konvencionalni izvori energije dobiju potporu u iznosu $250-300 milijardi diljem svijeta pa su tržišta teško iskrivljena. Finansiranje može biti od kritične važnosti, hoće li tehnologija postati komercijalno održiva posebno u ranom stanju razvoja. Posljednja tri desetljeća je 92% svih finansiranja je bilo potrošeno na neobnovljive izvore energije, najviše na fosilna goriva i nuklearne tehnologije. To nam ukazuje na činjenicu da je energija vjetra premalo zastupljena i zapostavljena što bi se u budućnosti trebalo (i hoće) promijeniti.
33