Универзитет у Крагујевцу Технички Факултет - Чачак
University of Kragujevac Technical Faculty - Čačak
Smer: Tehnika i informatika Predmet: Termotehnika i energetika
SEMINARSKI RAD:
Energija vetra
Profesor: dr Snežana Dragićević
Studenti: AleksandarMamić 627/2008 Page | 1
Stojan Karaulić 1020/2008 Čačak 2011
Sadržaj POPIS SLIKA POPIS TABLICA 1. Uvod 2. Energija i snaga vetra 2.1. Parametri vetra 2.2. Pozicioniranje turbne 3. Konstrukcijski oblici vetroturbina 3.1. Podela vetroturbina 3.1.1. Vetroturbine s horizontalnom osom obrtanja ili VSHO 3.1.1.1. Broj lopatica 3.1.2. Vetroturbine s vertikalnom osom obrtanja ili VSVO 3.1.2.1. Darrieusova vetroturbina 3.1.2.2. Savoniusova vetroturbina 4. Funkcije rada rada vetroturbina 4.1. Stepen iskorišćenja vetroturbine 4.2. Koeficijent brzohodnosti 5. Proizvodnja električne energije 5.1. Generatori električne energije prikladni za rad vetroturbina 5.1.2. Uporedjivanje sinhronog i ansinhronog generatora 5.2. Spajanje vetroelektrane u elektroenergetski sistem 6. Novi konstrukcijski oblici vertikalnih vetroturbina 6.1. Konstrukcijski oblici vetroturbina na tržištu i njihovo uporedjivanje 6.1.1. Helix wind 6.1.2. Quiet revolution 6.2. Uporedjivanje navedenih vetroturbina 6.3. Idejni projekti vertikalnih vetroturbina 6.3.1. Wing 6.3.2. Tesnic 6.3.3. Bri domestic wind turbine 6.3.4. Magenn mars 6.3.5. Aerogenerator 6.4. Izumi bez podataka o snazi 7. Arhitektura u skladu s energijom vetra 8. Potrebe za električnom energijom u domaćinstvu 9. Razvoj vetroturbine 10. Prikaz 3D modela 11. Tehnička dokumentacija Page | 2
Popis slika Slika 2.1. Temperature mora Slika 2.2. Smer globalnog vetra Slika 2.3. Obalna cirkulacija vetra Slika 2.4. Sjer planinskog vetra Slika 2.5. Promena brzine vetra s visinom Slika 2.6. Promena brzine vetra s visinom Slika 2.7. Krive učestalosti brzina vetrova na visinama 10, 25, 50 i 100 metara od tla Slika 2.8. Porast snage vetra s brzinom Slika 2.9. Spektar snage vodoravne komponente brzine vetra Slika 2.10. Weibullova razdioba Slika 2.11. Uticaj prepreke na strujanja Slika 2.12. Brzine strujanja vetra danju i noću Slika 2.13. Ruža vetrova Slika 2.14. Evropska karta vetrova Slika 3.1. Verzija sa stubom ispred lopatica i verzija sa stubom iza lopatica Slika 3.2. “Američka“ vetroturbina Slika 3.3. Darrieusova vetroturbina Slika 3.4. Brzine i sile na preseku lopatica Slika 3.5. H-tip turbine Slika 3.6. Šema sistema za okretanje lopatica Slika 3.7. Spiralna vetroturbina Slika 3.8. Horizontalne verzije Darrieusovih vetroturbina Slika 3.9. Savoniusova vetroturbina Slika 3.10. Princip rada Savoniusove vetroturbine Slika 3.11. Spiralna Savoniusova vetroturbina Slika 4.1. Šematski prikaz strujanja fluida kroz disk rotora Slika 4.2. Koeficijent Cp s obzirom na
v2 v1
Slika 4.3. Promena koeficijenta korisnosti s promenom koeficijenta brzohodnosti Slika 5.1. Karakteristika momenta asinhrone mašine za jedan smer obrtanja polja Slika 5.2. Priključenje na mrežu Slika 6.1. Helix Wind vetroturbina Slika 6.2. Modularna nadogradnja Helix vetroturbine Slika 6.3. Turbulentno strujanje vetra kada nailazi na prepreku Slika 6.4. Quiet revolution turbina Slika 6.5. Wing vetroturbina s solarnim kolektorima Slika 6.6. Pokretanje pri malim brzinama vetra i prilagodjavanje lopatica velikim brzinama vetra Slika 6.7. Prikaz slaganja diskova unutar Tesnic vetroturbine Slika 6.8. Unutrašnjost vetroturbine Tesnic i sklop uređaja Slika 6.9. Konstrukcija Bri Domestic vetroturbine i njena skica Page | 3
Slika 6.10 Letelica “Lakša od vazduha” Slika 6.11. MARS vetroturbina Slika 6.12. MARS turbine velikih snaga na velikim visinama Slika 6.13. Aerogenerator Slika 6.14. Vetroturbina Graemea Atteya Slika 6.15. Mag – Wind vetroturbina Slika 7.1. Koncept građevine s instaliranim vetroturbinama (1) Slika 7.2. Koncept građevine s instaliranim vetroturbinama (2) Slika 7.3. Prva građevina s instaliranim vetroturbinama (3) Slika 9.1. Funkcijska struktura Slika 9.2. Koncept 1 – lopatice Slika 9.3. Koncept 2 - lopatice Slika 9.4. Koncept 3 – lopatice Slika 10.1. Razrada lopatica s dodatnim delovima Slika 12.1. Generator GL-PMG-500A Slika 12.2. 3D model sklopa vetroelektrane Slika 12.3. 3D model modula lopatica
Popis tablica i dijagrama
Tablica 2.1. Parametri za proračun brzine vetra prema European Wind Atlas Tablica 2.2. Beaufortova skala jačine vetra Tablica 5.1. Sinhrone brzine obrtanja za razne brojeve pari polova Tablica 5.2. Uporedjivanje generatora Tablica 5.3. Prednosti i nedostatci direktnog pogona u odnosu na pogon s multiplikatorom Tablica 6.1. Uporedjivanje snage i dimenzija vetroturbina Tablica 6.2. Uporedjivanje snage i dimenzija vetroturbina istih dimenzija Tablica 6.3. Modeli Tesnic vetroturbina Tablica 8.1. Električni uređaji u domaćinstvu Tablica 8.2. Dnevna potrošnja električne energije u kilovat satima Tablica 8.3. Dnevna potrošnja u vatima Tablica 9.1. Glavne potrebe korisnika Tablica 9.2. Morfološka matrica Tablica 9.3. Ocenjivanje koncepata Dijagram 6.1. Snaga u zavisnosti od brzine vetra i energija dobijena kroz godinu u zavisnosti od brzine
Page | 4
Popis oznaka i mernih jedinica fizičkih veličina A - površina A - parametar odnosa veličine b1 - faktor veličine b2 - faktor kvaliteta površine C p ,max - koeficijent maksimalne korisnosti
m2 ms −1
C p - koeficijent korisnosti C - dinamička nosivost C1 - dinamička opterećenost ležaja C0 - statička opterećenost ležaja d x - promer vratila na mestu preseka x g
E - snaga E - modul elastičnosti F - sila Fr - radijalna sila f (v) - frekvencija događanja određene brzine vetra f - progib J1 - moment tromosti k - parametar oblika vetra L10 - nominalni veek trajanja ležaja g
m - protok mase u vremenu M - moment M red3 - redukovani moment P - snaga Pmax - maksimalna snaga P0 - statička nosivost Δp - promena pritiska q - kontinuirano opterećenje Rm - naprezanje pri maksimalnoj sili S potr . - potrebna sigurnost
kN kN kN mm W Nmm −2 N N % mm mm 4 milioni okretaja kg s −1 Nm Nm W W kN Pa Nm −1 Nmm −2
S post . - postojeća sigurnost T - moment torzije v - brzina vetra vr - brzina vetra na referentnoj visini vsr - srednja brzina v1 - brzina vetra ispred rotora v2 - brzina vetra iza rotora W - moment otpora
Nm ms −1 ms −1 ms −1 ms −1 ms −1 mm −3 Page | 5
X - radijalni faktor ležaja Y - aksijalni faktor ležaja z - visina koju tražimo zr - referentna visina merenja z0 - visina hrapavosti površine α - koeficijent hrapavosti površine α 0 - faktor čvrstoće materijala β - nagib elastične linije β kf - faktor zareznog djelovanja λ - koeficijent brzohodnosti ω - brzina obrtanja
m m m
rad
rad s
−1
ρ - gustina fluida
kg m
−3
ρ - faktor udara σ fDN - savojno naprezanje za materijal
Nmm
−2
σ f - savojno naprezanje
Page | 6
1. Uvod U poslednje vreme sve smo svesniji činjenice da svojim načinom života izazivamo velike promene Zemljinog eko sistema.Te iste promene, s obzirom da smo deo tog sistema,utiču direktno na nas. Iz tog razloga sve se više budi svest ljudi o potrebi za velikim promenama vezanim uz način dobijanja energije. Jedan od oblika energije koji svakodnevno koristimo jeste električna energija.Glavna prednost električne energije je mogućnost njenog lakog transporta do krajnjeg korisnika. Problem koji se javlja je proizvodnja, naime najveći udeo u svetskoj proizvodnji el. 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 vetra, energija okeana, geotermalna energija, biogoriva i sl. Da bi se ti izvori iskoristili, potrebni su uređaji koji vrše pretvaranje energije. Uobičajeno je da se takvi uređaji grupišu te na taj način prave elektrane koje proizvode el. energiju za široku potrošnju. Zbog raznih činilaca kao što su razvoj tehnologije, svest o ekologiji i potreba za jeftinijom energijom svedoci smo sve većeg porasta broja objekata koji imaju instaliran neki od sistema za iskorišćavanje alternativnih izvora energije tzv. samoodrživi objekti. Da bi se netko odlučio za kupovinu ovakvog uređaja karakteristike proizvoda moraju zadovoljiti osnovne uslove kao što su: zadovoljavajuća iskoristivost, prihvatljiva cena, lako održavanje i sl. Izrada ovakvog uređaja zahteva razumevanje 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 nedostatci postojećih proizvoda te se razmatraju mogućnosti za povećanje ukupnog učinka. Bitno je naglasiti da je niska cena jedan od glavnih faktora koji se mora zadovoljiti, a budućida konstrukcija nije predviđena za masovnu proizvodnju bitno je da proizvodnja po komadubude u startu jeftina stoga materijali moraju biti lako dostupni, a tehnološki postupci jednostavni. Kao što je već navedeno jedan od alternativnih izvora energije je vetar. Po svojoj prirodi vetar je oblik sunčeve energije i kao takav ubraja se u obnovljive izvore. Uređaji koji se koriste za pretvaranje energije vetra u mehaničku energiju nazivaju se vetroturbine. Kroz istoriju vetroturbine su se koristile za direktan pogon radnih mašina, no u današnje vreme dobijena mehanička energija pretvara se u električnu. Za takvo pretvaranje u najvećem se broju slučajeva koriste vetroturbine horizontalnog tipa, no nedostatci takvih turbina postaju vidljivi na područjima gde vetar nema stalnu struju i gdje se javljaju udari (npr. bura).Izuzetno su nepogodne za vetar koji brzo mijenja svoj smer (turbulentne struje). Rešenje ovih i drugih problema horizontalne verzije rešava vertikalna verzija vetroturbine.Poznavajući prirodu vetra u našim krajevima sasvim je prirodno odlučiti se za vertikalnu verziju. Vertikalna vetroturbina koja će se relativno lako instalirati na stambeni objekat privlači pažnju mnogih koji se već bore za svoj komad tržišta.
Page | 7
2. Energija i snaga vetra Snaga koju Zemlja dobija zračenjem od Sunca je 1.74⋅1017W od čega se 1 do 2% pretvara u snagu vetra.Gibanje vazdušnih masa u atmosferi javlja se zbog neravnomernog zagrejavanja površine Zemlje na različitim geografskim širinama zbog toga što se vazduh zagreva indirektno preko tla. Polovi Zemlje dobijaju manje energije od ekvatora, a kopno se greje brže od mora. Zbog razlika temperatura u slojevima vazduha stvaraju se razlike pritiska koji se pretvara u kinetički oblik energije vetra. Ciklusi strujanja vazduha izmenjuju se različitom snagom I različitim periodima trajanja zavisno od utiecajnih činilaca. Promene temperature i pritiska u slojevima vazduha obnavljaju se neprekidno zavisno od klimatskih promena na Zemlji. Globalni vetrovi duvaju od ekvatora prema hladnim Zemljinim polovima. Kako je topli vazduh lakši od hladnog on se na ekvatoru podiže do visine od otprilike 10 km te putuje prema severnom i južnom polu.
Slika 2.1. Temperature mora
Coriolisova sila deluje na vektor brzine vetra. Coriolisovu komponentu generiše vrtložno strujanje kao posledica 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. Smer globalnog vetra
Coriolis-ova sila uzrokuje strujanje do 30° geografske širine s gornje i donje strane hemisfere, a tada se javlja polje visokog pritiska koje se jednim delom vraća prema ekvatoru a jednim kreće dalje prema polu. Zatvorena struja koje se vraća natrag naziva se Hadley-eva struja, Page | 8
a dio struje koji kreće prema polu radi i vrtlog na 60° geografske širine naziva se Ferrelova struja. Kao i u prethodnom slučaju deo vrtloga se vraća a deo odlazi još dalje ka polu te pravi Polarnu struju. Na polovima vazduh je ohlađen i spušta se kao hladna suha fronta visokog pritiska uvijajući se prema zapadu usled Coriolis-ovog efekta stvarajući prolećne vetrove. Kod svakog prelaza između dva vrtloga vazduh 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 zavisi od Hadley-evoj i Polarnoj struji, ponekad se naziva i zonom mešanja. Ispod te zone često se nalaze zapadni vetrovi. Gore opisani vetrovi nalaze se na visinama od 1000 m iznad zemljine površine i na njih ne utiče Zemljino tlo. S druge strane površinski vetrovi zavise od tla do 100 metara visine.Upravo su površinski vetrovi ti koji su bitni za analizu energetske isplativosti vetra kakva je potrebna za vetroelektrane. Lokalne vetrove pokreću razlike u temperaturi kopna i mora te dolina i visova. Iako su globalni vetrovi važni za određivanje prevladavajućih vetrova u određenom području, lokalni klimatski uslovi mogu prevladati uticaj uobičajenih smerova vetra. Lokalni vetrovi se uvek dodaju sistemima vetrova veće skale, tj. na smer vetra utiče suma globalnih i lokalnih efekata. Kada je vetar više skale slab, lokalni vetar može dominirati uzorkom.
Page | 9
Obalska cirkulacija Tokom dana kopno se zagreva brže nego more.Vayduh se podiže i odlazi prema moru gde se stvara područje niskog pritiska koje privlači hladan vayduh s površine vode. U suton se često događa da su temperature mora i kopna izjednačene i tada nema vetra.
Slika 2.3. Obalska cirkulacija vetra
Tokom noći vetar duva u suprotnom smeru i uglavnom ima manje brzine zbog toga što je razlika u temperaturi između kopna i mora noću manja.
Planinski vetrovi Planinski vetrovi nastaju zbog geometrije i neravnomernog zagrejavanja tla.Vrh padine zagreava se brže od dna. Kada se vazduh pri vrhu zageje preuzimajući toplinu od tla njegova gustina se smanjuje te se on uzdiže prema vrhu prateći površinu padine, stvara se područje niskog pritiska i nastaje vetar. Efekat se povećava ako je dno padine u hladu pa je time razlika u temperaturi još veća. Noću se smer vetra menja i zrak putuje prema dole. Ako dolina ima padinu s dve strane tada se vetar kreće kroz kanjon u jednom od smerova.
Page | 10
Slika 2.4. Smer planinskog vetra
Uticaj hrapavosti površine na jačinu vetra Brzina vetra smanjuje se prema tlu Zemlje. Na samoj površini ona je jednaka nuli zbog sile trenja koja usporava strujanje fluida. Na visinama od otprilike jednog do dva kilometra tlo nema skoro nikakvog uticaja na vetar. Dužina hrapavosti
.
Hrapavost površine ima veliki uticaj na brzinu vetra pa tako s porastom hrapavosti raste i otpor te se vetar usporava. Šume i veliki gradovi očito su mesta velike hrapavosti dok putevi I betonske površine stvaraju vrlo mali otpor talasanju vetra. Vodene površine stvaraju najmanje otpora vetru dok s druge strane travnate površine pune grmlja značajno usporavaju vetar. Porast brzine vetra s visinom prisutan je na planinskim prevojima i vrhuncima.Najveće brzine vetra pojavljuju se pri vrhu troposfere na oko 12 km iznad tla.
Slika 2.5. Promena brzine vetra s visinom
Page | 11
Na temelju meteoroloških merenja na standardnim visinama od 10 metara iznad tla i s pripadnim faktorom hrapavosti moguće je izračunati brzinu vetra na potrebnoj visini od tla, npr. Na visini vrha stupa turbine, a preko te brzine i snagu vetra. Proračun brzine vetra na traženoj visini izračunava se pomoću eksponencijalnog ili logaritamskog zakona. Ipak, ovi zakoni pojednostavljuju raspodelu brzine vetra s visinom jer ne uzimaju u obzir efekt topografije terena i moguće prepreke, promene trenja kao i promene stabilnosti atmosfere. Pokazani su zakoni primjenjivi za homogeni teren i atmosfersku stabilnost. Ta promena profila brzine vetra po vertikali naziva se okomiti gradijent brzine vetra. Vertikalni gradijent brzine definiše se: • Kao eksponencijalna funkcija α
v z − z0 = vr zr
(1)
Gde su: v - brzina vetra na visini koja se traži z - visina koju tražimo vr - brzina vetra na referentnoj visini zr - referentna visina merenja z0 - visina iznad sloja trenja (za nisko rastinje može se uzeti da je jednaka nuli) α - koeficijent hrapavosti površine (od 0,1 do 0,32) • Kao logaritamska funkcija
v = vr
ln( z / z0 ) ln( zr / z0 )
(2)
Pomoću datih jednačina računaju se brzine vetra na većim visinama na temelju merenja brzine v na visini z koja se obično meri na visini od 10 m iznad tla.
Page | 12
Slika
Osa obrtanja turbinskog kola
Mereno
2.6. Promena brzine vetra s visinom
Tablica 2.1. Parametri za proračun brzine vetra prema European Wind Atlas Opis površine
koeficijent hrapavosti
Visina hrapavosti zo ^ Eksponent m a
Vodene ploče Potpuno otvorene ploče s glatkom površinom, npr. Avionska pista, pokošena trava Otvorena poljoprivredna zemljišta bez ograda i živica, jako udaljene zgrade Poljoprivredna zemljišta s pojedinim zgradama i 8 m visokim drvoredima udaljenim oko 1250 m Poljoprivredna zemljišta s pojedinim zgradama i 8 m visokim drvoredima udaljenim oko 500 m Poljoprivredna zemljišta s puno zgrada, drveća i grmlja ili 8m visokim drvoredima udaljenim oko 250 m Sela, manji gradovi, poljoprivredna zemljišta s puno zgrada ili drvoredima, šumom i vrlo neravnim i grubim terenom Veći gradovi s visokim zgradama Vrlo veliki gradovi s visokim zgradama i neboderima
0 0,5
0,0002 0,0024
0,01 -
1
0,03
0,12
1,5
0,055
-
2
0,1
0,16
2,5
0,05
-
3
0,4
0,28
3,5 4
0,8 1,6
-
Page | 13
Pomoću logaritamske ekstrapolacije i Weibulove korekcije, a na temelju podataka merenja raspodele brzina vetra u desetomesečnom razdoblju na visini od 10 m visine od tla, izvedene su krive učestalosti trajanja brzina vetra na visinama 25, 50 i 100 m. Iz slike se vidi da je trajanje nižih brzina vetra veće na nižim visinama od tla, ali zato je trajanje viših brzina veće na većoj visini od tla.
Slika 2.7. Krive učestalosti brzina vetrova na visinama 10, 25, 50 i 100 metara od tla
2.1. Parametri vetra Prema Bernoullievoj jednačini: z+
p v2 + =C ρ g 2g
(1) z+
p ρg
- potencijalna energija
v2 - kinetička energija 2 Jednačina opisuje zakon o očuvanju energije čestice fluida određene mase. Potencijalna energija je zbog male mase zraka zanemarljiva pa iz gornje jednačine sledi da struja vetra Page | 14
ima samo kinetičku energiju: mv 2 Ek = 2 (2) Masa vazduha m koja struji kroz presek A brzinom v, gustine ρ , jednaka je: m = ρAv (3) Kada se jednačina (3) uvrsti u jednačinu (2) dobijamo: P=
1 2 ρv A 2
(4) • • • •
P - snaga vetra u W ρ – gustina vazduha u kg /m 3 v - brzina strujanja vetra u m/s A - površina turbine u m 2 Iz jednačinee (4) se može videti da snaga P raste s trećom potencijom brzine vetra i s površinom A turbine. Snaga se takođe menja promenom temperature vazduha zbog promene njegove gustine no ta promena se može zanemariti zbog toga što je vrlo malog iznosa. Snaga vetra ne može se izračunati bez merenja brzine vetra na određenom području kroz period od godine I više dana. Brzina vetra menja se unutar delova sata. Ako se merenje brzine vetra pretvori u spektar snage za jedinicu mase, grafički će se videti dva maksimuma.
Slika 2.8. Porast snage vetra s brzinom
Prvi se maksimum formira u vremenskom periodu od nekoliko dana a odvija se u datom vremenskom sistemu. Drugi vrh pripada snazi kratkog perioda vrtloženja u atmosferi koji traje nekoliko minuta. Prvi maksimum je zbog toga pogodan za korišćenje kod vetroturbina dok je drugi manje interesantan no mora se uzeti u obzir zbog udara vetra koji izaziva dinamička opterećenja konstrukcije. Page | 15
10min-1h prosečan period ujednačenog vetra
Slika 2.9. Spektar snage vodoravne komponente brzine vetra
Osim ovih varijacija postoje i sezonske varijacije koje se menjaju u ciklusima od 1-3 meseca. Zbog promenjivosti vetra potrebno je opisati njegovo ponašanje tokom perioda vremena tj. osrednjavanje. Merenje brzine se vrši na visini od 10 m, a period merenja bi trebao trajati nekoliko godina. Weibullovom funkcijom najbolje se aproksimiraju prikupljeni podatci.Funkcija daje verovatnost pojave neke brzine vetra tokom nekog vremenskog perioda.
Slika 2.10. Weibullova podela
Na dijagramu se može uočiti da se vetar vrlo velike jačine javlja retko dok je umereni vetar vrlo čest. Dati uzorak ima srednju vrednost brzine od 7 metara u sekundi a oblik krive određen je parametrom oblika k = 2. Page | 16
Jednačina ove podele glasi: kv f (v ) = A A
k −1
e
v − A
k
Gdje su: • f (v) - frekvencija događanja (verovatnost) određene brzine vetra • k - parametar oblika vetra • A - parametar odnosa veličine (mere) m/s (predstavlja srednju brzinu vetra na nekom području) • v - brzina vetra m/s Graf prikazuje distribuciju pojave određenih brzina vetra u postotcima. Područje ispod krive uvek je 1 budući da je verovatnost duvanja vetra određenom brzinom 100%, uključujući i brzinu od 0 m/s. Pola plavog područja je s leve strane vertikale kod 6,6 m/s. Ta vertikala naziva se median distribucije.To znači da je će pola vremena vetar duvati brzinom manjom od 6,6 m/s a pola vremena većom brzinom od 6,6 m/s. S druge strane srednja vrednost brzine vetra na području merenja je 7 m/s. Brzina od 5,5 m/s je najčešća i na tom području pojavljivati će se najučestalije. Ona se naziva modalna vrednost distribucije.Ukoliko pomnožimo svaku brzinu vetra s njenom verovatnošću dobićemo srednju vrednost brzine vetra. Zbog vrlo velikih razlika načina duvanja vetra širom Zemlje zavisno od lokalnih uslova, Weibullova distribucija razlikovati će se po obliku i svojoj srednjoj vrednosti. Ukoliko je parametar k =2 distribuciju nazivamo Rayleigheva distribucija. Proizvođači vetroturbina obično izražavaju vrednosti učinka koristeći Rayleighevu distribuciju. Jačina vetra tradicionalno se iskazuje Beaufortovom skalom.
Page | 17
Tablica 2.2. Beaufortova skala jačine vetra Beaufortova Opis vetra oznaka, Bf
Delovanje
Brzina na 10 m iznad tla m/s km/h
0
Tišina
1
Lahor
Dim se diže ravno u vis, zastave i lišće se 0,0 - 0,4 ne miču Covek ne oseća, ali dim se više ne diže 0,4 - 1,8 jednoliko, vetrokaz se ne pokreće
2
Povetarac
čv
0,0 - 1,4
0,0 - 0,9
1,4 - 6,5
0,9 - 3,5
Oseća se na licu, lišće počinje treperiti i vetrokaz se pokreće Slab vetar Lišće se neprestano njiše i šušti, lagana zastava se njiše Umereni vjetar S tla se podiže prašina, suvo lišće i papirići, zastava se razvija, njišu se manje grane
1,8 - 3,6
6,5 - 13
3,5 - 7
3,6 - 5,8
13 - 20,9
7 - 11
5,8 - 8,5
20,9 - 30,6
11 - 17
5
Umjereno jaki Njišu se veće lisnate grane, a i mala vetar stabla, ljudima je neugodno, stvaraju se mali talasi
8,5 - 11
30,6 - 39,6
17 - 22
6
Jaki vetar
Zuji na predmetima, žice zvižde, njišu se velike grane, teško je nositi kišobran
11 - 14
39,6 - 50,4
22 - 28
7
Zestoki vetar
14 - 17
50,4 - 61,2
28 - 34
8
Olujni vetar
Neprestano se njiše drveće, talasi se pjenu, otežano je hodanje Njišu se debela drveća, lome se velike grane, onemogućeno je hodanje
17 - 21
61,2 - 75,6
34 - 41
9
Jaki olujni vetar
Pomiču se manji predmeti, pomiču se crepovi, nastaju štete na kućama
21 - 25
75,6 - 90
41 - 48
10
Orkanski vetar Obara se i čupa drveće sa korenjem, nastaju veće štete na zgradama
25 - 29
90 - 104,4
48 - 56
11
Jaki orkanski vetar
29 - 34
104,4 - 122,4
56 - 65
3 4
Velike štete na većem području, razorno delovanje
1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 čv (čvor)
2.2. Pozicioniranje turbine Efekat tunela Prostori između dve zgrade ili između planinskih prolaza predstavljaju suženi prostor kroz koji vetar protiče brže. To se događa zbog toga što se vazduh sabije i na taj način protiče brže kroz uži prolaz. Princip je isti kao kod strujanja fluida kroz uži presek cevi. Tako npr. brzina vetra okoline može biti 6 m/s a u prostoru između planina ili zgrada dostizati i do 9 m/s. Da bi se dobro iskoristio efekat tunela, tunel bi trebao biti “mekano“ smešten u prostoru jer ukoliko su to oštri rubovi može se javiti mnogo turbulencija.
Page | 18
Efekat ubrzanja ili efekat brda Uobičajeni način postavljanja vetroturbina je postavljanje na vrh brda ili na uzvisine koje se izdižu. Prednost je što je moguće širi slobodan prostor u smeru prevladavajućeg smera vetra u tom prostoru. Takođe, na uzvisinama su brzine vetra veće nego u okolnom prostoru. To je zbog toga što vetar biva sabijen s vetrovite strane brda i u trenutku kada dođe do vrha može se ponovo širiti te se spušta dole u područje niskog pritiska u zavetrinu iza brda. Kada vetar prođe kroz turbinu postaje turbulentan i ukoliko okolno područje nije jednoliko može doći do značajne količine turbulencije koja može negativno uticati na iskorišćavanje pogodnog položaja na uzvisini. Vetar na moru Kako je površina vode vrlo glatka (nije hrapava pa je trenje vrlo malo). S povećanjem brzine vetra deo energije otpada na stvaranje talasa pa se hrapavost povećava i tako uz nastanak novih talasa dolazi do neravnomerne hrapavosti kao u slučaju površine prekrivene s više ili manje snega. Takođe se u proračun moraju uvrstiti ostrva, svetionici koji stvaraju otpor. Na otvorenom moru manja je turbulencija jer su razlike u temperaturama na otvorenom moru manje. Prepreke Prepreke na koje vetar nastrujava na putu do vetroturbine ometaju strujanje i time umanjuju vetropotencijal. To su najčešće kuće, drveće i formacije stena. Prepreke uzrokuju turbulenciju u blizini vetroturbina.
Slika 2.11. Uticaj prepreke na strujanja
Page | 19
Dnevni i noćni temperaturni gradijent U većini lokacija na Svetu danju je vetrovitije nego noću. Ta varijacija je uzrokovana time što su temperaturne razlike veće danju nego noću. Vetar je danju turbulentniji i češće menja smer nego noću.
Slika 2.12. Brzine strujanja vetra danju i noću
2.2. Merenje brzine vetra i ruža vetrova Merenje brzine vetra vrši se pomoću anemometra. Anemometar koji se najčešće koristi sastoji se od tri poluloptaste čašice koje se nalaze na vrhu osovine te se okreću u smeru vetra. Broj okretaja registruje se elektronski. Uz anemometar se postavlja i mehanizam koji registruje smer vetra. Tako se dobijaju podatci o brzini i smeru pomoću kojih se izrađuje ruža vetrova određenog područja Prosečna brzina vetra Ruža učestalosti vetrova
Slika 2.13. Ruža vetrova
Page | 20
Ruža vetrova opisuje brzine vetra iz 12 različitih smerova, a izgleda poput kompasa. Svaki od 12 smerova obuhvata 30° horizonta što je standard za europski atlas vetrova. Karakteristike vetrova na nekoj lokaciji mogu se razlikovati iz godine u godinu i do 10%, pa je preporučljivo merenja provesti kroz nekoliko godina.Karta vetrova daje prikaz vetropotencijala za traženu lokaciju. Zbog vrlo zahtevnog postupka merenja cena izrade karte je vrlo velika. Ovakva karta obuhvata i podatke o uticaju terena na brzinu vetra. Atlas Zapadne Evrope izrađen je zbog višegodišnje tradicije merenja brzina vetra na tom području te je prikazan na slici.
Podaci o vetru na 50m iznad zemlje
Slika 2.14. Evropska karta vetrova
Page | 21
3. Konstrukcijski oblici vetroturbina
Vetroturbine spadaju u rotacijske mašine na strujanje jer njihov rotor u kojem se vrši pretvaranje energije vrši rotacijsko pomeranje. Vetroturbina je izložena slobodnoj struji vazduha tj. kinetičkoj energiji vetra iz okolnog vetroenergetskog polja. Ta se energija u kolu turbine pretvara u okretni moment vratila. Vetroturbine su hladne mašine, to znači da se u njima pretvara energija prirodnog fluida koji ima temperaturu okoline. Glavna karakteristika vetra kao pogonskog fluida je njegova obnovljivost. Nakon što vazduh napusti sistem kojem je predao energiju vraća se u okolinu nepromenjenih fizičkih i hemijskih svojstava. Preostala energija fluida na izlazu iz turbine dovoljna je da on napusti sistem.
3.1. Podela vetroturbina Vetroturbine možemo podeliti prema položaju ose okretanja. Uobičajene vetroturbine imaju horizontalno postavljenu osu okretanja i zbog toga se nazivaju Vetroturbine s horizontalnom osom okretanja ili VSHO (eng. HAWT). Manje poznate vetroturbine imaju vertikalnu osu okretanja I nazivaju se Vetroturbine s vertikalnom osom okretanja ili VSVO (eng. VAWT). Da bi se razjasnila razlika između ove dve vrste vetroturbina potrebno ih je detaljnije opisati. 3.1.1. Vetroturbine sa horizontalnom osom okretanja ili VSHO Rotor ovih turbina postavljen je horizontalno na vrhu stuba. Lopatice koje zahvataju vetar moraju biti usmerene u njega. Generator ovih turbina obično se postavlja na vrh stupa u trup zajedno s multiplikatorom ako je on potreban (zavisno od tipa električnog generatora).Multiplikatorom povećavamo brzinu okretanja ukoliko je brzina okretanja lopatica premala za proizvodnju električne energije . Visina stuba vetroturbine iznosi oko 1,5 do 2 promera lopatica zbog toga da bi turbina mogla hvatati vetrove veće brzine na većim visinama. Ove vetroturbine moraju imati mogućnost zakretanja trupa zbog zahvatanja vetra iz različitih smerova pa tako manje verzije imaju jednostavna krilca koja usmeravaju vetroturbinu u pravom smeru dok veće imaju servo motor povezan s senzorom. Postoje dve verzije ovakvih vetroturbina. Jedna verzija je sa stubom iza lopatica dok je druga verzija sa stubom postavljenim ispred njih.Verzija sa stubom ispred lopatica ima prednost jer joj nije potreban mehanizam za zakretanje zbog toga što se trup sam postavlja prema vetru. Za velike turbine ovo nije najbolje rešenje zbog toga što se gornji deo može zakrenuti mnogo puta u istom smeru 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 verzije podnose jače vetrove zbog mogućnosti većeg savijanja lopatica bez opasnosti da će dodirnuti stub. Osim toga ovakva konstrukcija je uglavnom lakša. Glavna mana ove verzije je to Page | 22
što lopatice prolaze kroz turbulenciju nastalu od tornja što pridonosi velikom opterećenju lopatica.
Slika 3.1.Verzija sa stubom ispred lopatica i verzija sa stubom iza lopatica
Verzija sa stubom postavljenim iza lopatica najčešće se koristi. Prednost ovakve verzije je ta što izbegava senku vetra iza stuba. S druge strane postoji malo uticaja od turbulencije oko stuba pa tako pri svakom prolasku lopatice ispred stuba dolazi do laganog pada snage.Glavna mana ove verzije je ta što rotor turbine mora biti izveden kruto i udaljeno od stuba, što povećava troškove verzije.Takođe uređaj za prilagođavanje smeru vetra je obavezan. 3.1.1.1. Broj lopatica Broj lopatica rotora kod horizontalnih vetroturbina ima veliki uticaj na njihove karakteristike.Uobičajena vetroturbina s tri lopatice naziva se klasični Danski koncept. Prema tom konceptu ocenjuju se ostali jer se pokazao kao najbolje rešenje. Te turbine koriste asinhrone generatore. Neparni broj lopatica u odnosu na parni pokazao se kao bolje rešenje zbog uravnoteženosti konstrukcije. Vetroturbina s dve lopatice Uštedom na jednoj lopatici dobijamo potrebu za većom brzinom okretanja da bi dobili jednaku količinu energije kao vetroturbina s tri lopatice. Veće brzine povećavaju razinu buke. Osim toga ovakva verzija zahteva složenije učvršćenje lopatica za trup jer im se mora Page | 23
dopustiti mali ugao okretanja u vertikalnoj osi da bi se izbegla velika naprezanja pri prolasku lopatice ispred stupa. Vetroturbina s jednom lopaticom Uprkos još većoj uštedi zbog smanjenja broja lopatica ovakva verzija nije se pokazala dobrom. Javlja se još veća buka, i potreba za protiv spregom na suprotnoj strani lopatice. Vetroturbina s više lopatica “Američka“ vetroturbina Ovakve se vetroturbine koriste na farmama za pogon pumpi za vodu. Brzina okretanja je mala.Imaju veliki moment pokretanja ali malu ukupnu učinkovitost. Verzija je jednostavna I robusna.
Slika 3.2. “Američka“ vetroturbina
3.1.2. Vetroturbine s vertikalnom osom okretanja ili VSVO Položaj vratila ovakve verzije vetroturbine je vertikalan, zbog toga se generator nalazi u podnožju i time je toranj manje opterećen. Prednost u odnosu na horizontalne vetroturbine je to što se ove vetroturbine ne moraju usmeravati u vetar. U poslednje vreme pojavilo se mnogo verzija ovakvih vetroturbina. 3.1.2.1. Darrieusova vetroturbina Osnovna verzija ove vetroturbine pojavila se 1927. godine. Francuski inženjer vazduhoplovstva Georges Jean Marie Darrieus patentirao je svoju vertikalnu vetroturbinu prema kojoj su kasnije nastale druge verzije.
Slika 3.3. Darrieusova vetroturbina Page | 24
Oko rotirajućeg vratila raspoređene su lopatice aerodinamičnog profila. Ovakva verzija jednako je efikasna, nezavisno od smera duvanja vetra, u odnosu na konvencionalne vetroturbine. Brzina okretanja ove verzije je uglavnom puno veća od brzine vetra. Princip rada Darrieusove turbine je sledeći. Pretpostavlja se da vetar koji nailazi na lopaticu duva ravno. Lopatice se vrte mnogo brže u odnosu na brzinu vetra pa je tako promer brzine vrha lopatice > 3. Slika 3.4. prikazuje vektor brzine lopatice u različitim položajima u odnosu na vetar. S tako visokim promerom lopatice će “rezati“ vetar s malim napadnim uglom. Rezultirajuća sila pogona pokreće rotor, dok je sila otpora uvek suprotnog smera. Sila uzgona pada na nulu s leve strane (na 0° ) a s desne se (na 180° ) lopatica pokreće u smeru vjetra pa je u toj poziciji moment je negativan. Kada je lopatica tačno ispred (na 90° )i odpozadi (na 270° ) komponenta pogona je mnogo veća od komponente otpora pa se proizvodi pozitivan moment. Ukupni moment po obrtaju biti će pozitivan pa će se tako rotor vrteti u pravom smeru. Brzina vetra ispred rotora
Smer okretanja
Slika 3.4. Brzine i sile na preseku lopatica Page | 25
Ovakvoj verziji vetroturbine potrebna je pomoć pri pokretanju jer moraju postići određenu brzinu okretanja pre nego što se počnu same vrteti. Pri malim brzinama Darrieusova turbine ima vrlo mali moment pa se vrlo lako zaustavlja zbog trenja u sistemu. H-tip Jedan od poznatih verzija je H-tip kod kojeg su lopatice postavljene paralelno s obzirom na osu okretanja. U odnosu na uobičajenu Darrieus turbinu ovo je jednostavnija verzija, ali problem je u tome što je masa lopatica pomaknuta u odnosu na simetralu tornja. Iz tog razloga lopatice moraju biti čvršće.
Slika 3.5. H-tip turbine
Page | 26
Cilkoturbine Ova verzija vetroturbine ista je kao H-tip a razlika je u tome što lopatice imaju mogućnost okretanja oko svoje ose. To omogućuje lopaticama postavljanje u položaj tako da uvek imaju neki ugao napada vetra. Glavna karakteristika ovog tipa turbine sa tri ili četiri lopatice je ta što je moment približno konstantan. Zbog sistema okretanja dobija se skoro maksimalni mogući moment što pridonosi povećanju korisnosti ovakve vetroturbine, a to znači da dobijamo više energije. Pozitivna karakteristika je mogućnost samopokretanja okretanjem lopatica u optimalan položaj da bi se generisala dovoljno velika sila pogona za pokretanje. S druge strane, mehanizam za okretanje je kompleksan i zahteva neku vrstu senzora za određivanje smera vetra.
Relativni smer Sila vetra stvara moment
Slika 3.6. Šema sistema za okretanje lopatica Tip sa spiralnim lopaticama Lopatice Darrieusove turbine mogu tvoriti spiralu npr. tri lopatice zakrenute za 60° . Vetar može imati dobar napadni ugao na lopaticu s obe strane turbine nezavisno od položaja u kojem se lopatica nalazi. Razlog tome je upravo spiralni oblik lopatica. Moment je tako ujednačen tokom cielog okreta i nema pulsiranja, a kako se aksijalne sile poništavaju opterećenje na ležajeve je manje u odnosu na ostale tipove Darrieusovih turbina. Ovakav oblik takođe smanjuje otpor rotaciji. Još jedna povoljna karakteristika ovog oblika turbine jeste mogućnost hvatanja turbulentnih struja kakve se pojavljuju iznad krovova objekata. Osim toga problem samopokretanja je otklonjen.
Page | 27
Slika 3.7. Spiralna vetroturbina
Osim vertikalnih verzija postoje i horizontalne verzije Darrieusove vetroturbine što uveliko olakšava i proširuje njihov spektar primene. Prednost je u tome što su ležajevi bolje smešteni na konstrukciji i time su manje aksijalno opterećeni. Ovakvom verzijom konstrukcija se smešta na određenu visinu na kojoj hvata jednoliko raspoređenu brzinu vetra pa je time izbjegnut problem malih brzina na delu turbine koji se nalazi pri tlu. Negativan aspekt ove verzije je nemogućnost hvatanja vetra iz svih smerova (kao i kod VSHO) pa se spektar njihove primene smanjuje.
Slika 3.8. Horizontalne verzije Darrieusovih vetroturbina
Page | 28
3.1.2.2. Savoniusova vetroturbina Ova vetroturbina zamisao je Finskog inženjera Sigurda J. Savoniusa. Ovo je prva verzija vertikalne vetroturbine, a nastala je 1922. godine. Ponekad može imati i tri lopatice.
Slika 3.9. Savoniusova vetroturbina
Ovakav tip vetroturbine radi na principu potisne sile. Gledajući presek, turbina ima oblik slova S. Zbog zaobljenja lopatica ima manji potisak kada se giba protiv vetra s ispupčenim dielom nego kada se giba s vetrom uleknutim dielom (slika 3.10.). Na taj način potisak je uvek jači u jednom smeru i dolazi do rotacije. Zbog ovakvog principa rada ove vetroturbine daju puno manje energije nego pogonske turbine iste veličine. Smer okretanja
Vetar Slika 3.10. Princip rada Savoniusove vetroturbine
Page | 29
Ovakve vetroturbine vrlo su jednostavno izvedene pa se koriste u slučajevima kada su ciena i pouzdanost bitniji od učinka, npr. anemometar. Još jedna upotreba ovog principa pojavljuje se na vrlo poznatom Flettner ventilatoru. On se koristi na krovovima kućaili autobusa i služi ventilaciji prostora, pokreće ga snaga vetra. Takođe se ponekad mogu uočiti reklamne oznake u obliku ove vetroturbine, cilj im je rotacija reklamnog znaka kojom se privlači pažnja. Postoji i verzija ovakve turbine kod koje su lopatice spiralno zakrenute po dužini pa se na taj način dobija ujednačeni moment na vratilu.
Slika 3.11. Spiralna Savoniusova vetroturbina
Page | 30
4. Funkcije rada vetroturbina
4.1. Stepen iskorišćenja vetroturbine Teoretski stepen iskorišćenja pretvaranja energije vetra pokazuje kolika je maksimalna energija koju možemo dobiti pomoću vetroturbine od vetra u slobodnoj struji. Teorija koja definiše maksimalni stepen islorišćenja vetroturbine naziva se Betzov zakon prema Nemačkom fizičaru Albertu Betzu (1885.-1968.) pioniru u istraživanju tehnike vetroturbina.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 delovanja tog rotora on se predstavlja kao disk kroz koji prolazi fluid i predaje mu svoju energiju. Prolaskom kroz disk vetar gubi na brzini. Može se postaviti jednačina: vsr =
1 ( v1 + v2 ) 2
(1)
Gde je: v - srednja brzina v1 - brzina vetra ispred rotora v2 - brzina usporenog vetra iza rotora
Slika 4.1. Šematski prikaz strujanja fluida kroz disk rotora
Page | 31
Maseni protok je:
ρ A ( v1 + v2 ) 2 g m - protok mase u vremenu A - površina diska ρ - gustina fluida g
m = ρ Avsr =
(2)
Razlikom kinetičke energije pre ulaska fluida u rotor i nakon njegovog izlaska dobija se snaga vetroturbine: g
E=
1 g 2 m⋅ (v1 − v2 2 ) 2
(3)
g
E – snaga Ako uvrstimo maseni protok: v 2 v v 3 1 1 2 2 3 E = ρ A ⋅ (v1 + v2 )(v1 − v2 ) = ρ Av1 1 − 2 + 2 − 2 v1 v1 v1 4 4 g
(4)
v2 1 = za datu brzinu vetra v1 i površinu A v1 3 . Kada se vrednost uvrsti u jednačinu (4) dobija se: Maksimum ove funkcije dobija se za
16 1 ⋅ ρ Av13 27 2 Odakle dobijamo koeficijent korisnosti: Pmax =
C p ,max = Cp =
(5)
16 = 0,593 ili 59,3% 27
P Pmax
Page | 32
Slika 4.2. Koeficijent Cp
Stvarni stepen korisnosti uveliko zavisi od konstrukcije vetroturbina i aerodinamičih Funkcija njihovih lopatica.Vetroturbine a u današnje vreme 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 vetroturbine imaju veći stepen iskorišćenja od vertikalnih vetroturbina, no moramo uzeti u obzir činjenicu da vertikalna vetroturbina nema potrebu zakretati se da bi se usmerila u vetar pa tako pri vrlo turbulentnim strujama daje više energije.
4.2. Koeficijent brzohodnosti Koeficijent brzohodnosti λ je mera brzine okretanja vrha lopatice i brzine vetra. Pa je tako:
λ=
rω v
Gde je: r – polprečnik kružnice koju čini vrh lopatice pri rotaciji ω – brzina okretanja vrha lopatice
Idealna vetroturbina
Slika 4.3. Promena koeficijenta korisnosti s promenom koeficijenta brzohodnosti
Uprkos konstrukcijama koje se sve više približavaju gornjoj granici iskoristivosti, horizontalne vetroturbine se suočavaju s vrtlozima koji nastaju na vrhovima i na čeonoj strani lopatica pa je time dobijena energija umanjena, između ostalog, i za te gubitke. Kod vetroturbine s vertikalnom osom okretanja nema pojave vrtloga na vrhovima lopatica.
Page | 33
5. Proizvodnja električne energije Vetroelektrana je postrojenje koje pretvara kinetičku energiju vetra u električnu ili mehaničku energiju. Vetroelektranu činji jedna ili više vetroturbina raspoređenih na nekom prostoru, a da su pritom izložene istom vetru i zajedno spojene na mrežu. Prema instaliranoj snazi dele se na male vetroelektrane i crpne stanice snage do nekoliko desetina kW te velike vetroelektrane s vetroturbinama pojedinačne snage do 3,5 MW. Male vetroelektrane, tj. energija koju proizvode, mogu se koristiti na nekoliko načina: • Kada je potrošač u nemogućnosti spojiti se na električnu mrežu vetroturbina može biti samostalan izvor energije. Ukoliko se proizvede višak energije ona se može pohraniti u akumulator za naknadno korištenje. Kako je vetar kao pojava vrlo nepredvidive prirode može se dogoditi da na datoj lokaciji u određenom vremenskom periodu nema vetra. Iz tog razloga kod ovakvog načina instalacije poželjno je osigurati rezervni sistem napajanja. Rezervni sistem može objediniti nekoliko izvora energije kao npr. solarne kolektore i diesel agregat. Pri korištenju prednost bi se uvek trebala dati obnovljivim izvorima energije. • Drugi način spajanja jeste spajanje vetroturbine na električnu mrežu pa se, ukoliko nema vetra, koristi struja iz mreže. Ukoliko se troši manje energije no što vetroturbina proizvede, višak se predaje mreži. • I poslednji način iskorištavanja energije vetra je pogon vodnih pumpi, punjenje akumulatora na brodovima i sl.
5.1. Generatori električne energije prikladni za rad vetroturbina Uloga električnog generatora u sistemu vetroturbine je pretvaranje mehaničke energije u električnu. Nedostatak vetroturbine kao pogona je fluktuacija okretnog momenta. Takođe zahtijevaju hlađenje koje se vrši vazduhom ili vodom. Generatori koji se koriste kod vetroturbina mogu biti sinhroni i asinhroni: Sinhroni generator Sinhroni generator spada u mašine nizmenične struje. Njegova brzina čvrsto je povezana s frekvencijom napona i brojem pari polova što se može videti iz jednačine:
ωs =
2π f p
ili
ns =
f p
Sinhroni generatori uglavnom se primenjuju kada se znaju uslovi rada pogona tj. kada je brzina okretanja vetroelektrane stalna (to se postiže ugradnjom sistema za zakretanje lopatica kod VSHO). Sinhronim generatorima potreban je pobudni sistem i regulator brzine kojim će se održavati napon i frekvencija. Oni imaju veći stepen delovanja i pouzdani su no pri uslovima kada dolazi do poremećaja brzine okretanja, zbog fluktuacije brzine vetra ili poremećaja u mreži, teško zadržavaju sinhronizam. Page | 34
p
ns za 50 Hz min-1 1 3000 2 1500 3 1000 4 750 5 600 6 500 8 375 Tablica 5.1. Sinhrone brzine okretanja za razne brojeve pari polova
Za primenu kod vetroturbina koje nemaju konstantnu brzinu okretanja potrebno je osigurati statički pretvarač frekvencije. Time se izbegavaju problemi nestabilnosti napona. Ovo je inicijalno skuplja varijanta ali ako je cena isporučene energije visoka dugoročno dobija na isplativosti. Sinhroni generatori prikladni su za otočni način rada uz regulatore napona i frekvencije.Dodatna prednost ovih generatora je sposobnost proizvodnje jalove snage što je poželjno ako su priključeni na naponski slabu mrežu. Asinhroni generator Takođe spadaju u mašine naizmenične struje no njihova je brzina okretanja različita od sinhrone brzine zavisi je od opterećenja. Kod motornog rada ovih mašina priključivanjem na naizmenični simetrični trofazni izvor kroz namotaj statora poteku struje i stvore rotirajuće magnetno polje koje rotira sinhronom brzinom n i pri rotaciji preseca vodiče rotorskog i statorskog namotaja te se u njima indukuje napon.Rotor se okreće u smeru okretanja magnetnog polja. Brzina okretanja rotora uviek je manja od sinhrone brzine i zavisi od opterećenja motora. Različitost brzina okretanja rotora i magnetskog polja izražava se klizanjem s . Ako je brzina okretanja rotora n , klizanje je: s=
ns − n ns
Pomoću ovog izraza može se doći do brzine okretranja motora ako je poznata frekvencija mreže, broj polova motora I klizanje: n = ns (1 − s ) =
f (1 − s) p
U generatorskom načinu rada klizanje mora biti s < 0 a brzina okretanja rotora s Moment je negativan jer moramo dovoditi rad da bi dobili električnu struju.
n > ns . Page | 35
Slika 5.1. Karakteristika momenta asinhrone mašine za jedan smer obrtanja polja
Ovi generatori obično se koriste za spajanje vetroelektrane 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 s mrežom. U uporedjivanjem 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 održivosti sinhronizma mnogo su fleksibilniji. Za potrebe vetroturbina koje imaju promjenjivu brzinu okretanja rotora potrebno je dodati diodni ispravljač u mosnom spoju za regulaciju delatnog otpora rotora i promenu brzina/moment karakteristike asinhronog motora. Ovde napon i frekvencija mreže određuju napon i frekvenciju asinhronog generatora. Maksimalna radna snaga ograničena je najvećom dopuštenom strujom u trajnom radu, a zavisi od dovedene mehaničke snage tj. od brzine okretanja generatora. . Glavni nedostatak je nemogućnost rada bez napona mreže pa je potrebno koristiti samopobudu u obliku kondenzatora. Nije mu potrebna sinhronizacija niti pobudni sistem, ali treba imati uređaj za ograničenje brzine okretanja da ne bi došlo do pobega, tj. do postizanja prevelikih nadsinhronih brzina pri naglom rasterećenju. Lako ih je održavati jer zahtevaju samo povremenu zamenu ležajeva.
Page | 36
Direktan pogon
- jednostavnija verzija celog - velike dimenzije i masa, vetroagregata jer nema problem izrade, transporta i multiplikatora koji se smatra montaže generatora komplikovanim za izradu i održavanje - veća korisnost agregata
Pogon s multiplikatorom
- male dimenzije i masa generatora - standardni generator
- visoka cena, gubitci (2-3)% i problemi održavanja multiplikatora
Tablica 5.3. Prednosti i nedostatci direktnog pogona u odnosu na pogon s multiplikatorom
5.2. Spajanje vetroelektrane u elektroenergetski sistem Da bi se vetroelektrana spojila na mrežu moraju se zadovoljiti osnovni tehnički kriterijumi pa je tako potrebno: • Poznavati najveću dozvoljenu snagu koju vetroelektrana sme uneti u mrežu (to određuje HEP s obzirom na mogućnosti elektroenergetskog sistema (EES) Srbije) • Odrediti raspon frekvencije sistema • Osigurati regulaciju napona • Zadržati stabilnost u stanju kvara, stabilnost ugla i napona • Osigurati kvalitet isporučene električne energije - Emisija flikera (padovi napona koji uzrokuju treptaj na sijalicama) - Fluktuacije napona - promer radne i jalove snage - Kratki spoj Testiranje: • Pokretanje • Zaustavljanje u uslovima velike brzine vetra • Vladanje u uslovima promene frekvencije sistema • Vladanje u uslovima promene napona sistema • Vladanje u uslovima njihanja u sistemu • Provera kvaliteta
Page | 37
Slika 5.2. Priključenje na mrežu
Page | 38
6. Novi konstrukcijski oblici vertikalnih vetroturbina Kako je u današnje vreme energija vetra postala vrlo privlačna, a samim tim i potencijalno unosna tema, na tržištu se pojavilo mnoštvo novih proizvoda koji pretvaraju energiju vetra u električnu energiju. Osim razvoja uobičajenih horizontalnih vetroturbina pojavio se i veliki interes za razvoj vertikalnih vetroturbina.Pretraživanjem internet stranica vrlo se lako mogu pronaći novi inovativni konstrukcijski oblici takvih vetroturbina no njihova učinkovitost i ekonomska isplativost je diskutabilna. U početku ovog rada navedeni su osnovni konstrukcijski oblici vertikalnih vetroturbina a to su Darrieusova i Savoniusova vetroturbina. Ako se razmotre svi konstrukcijski oblici koji će se opisati u ovom delu rada lako se može zaključiti da se svi baziraju na ta dva osnovna oblika. Podatci koji će biti navedeni u ovom poglavlju uzimaju se s velikom rezervom jer se na tržištu vetroturbina, zbog borbe s konkurencijom, mnogo puta navode neistiniti podatci 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, no pitanje njihove iskoristivosti moralo bi se proveriti u laboratorijskim uslovima merenjem.
6.1. Konstrukcijski oblici vetroturbina na tržištu i njihovo uporedjivanje 6.1.1. Helix Wind
Helix Wind vetroturbina konstruirana je i testirana u San Diegu i Las Vegasu. Podatci o performansama dobijeni su merenjima instaliranih vetroturbina i testiranjem u vazdušnom tunelu. Ova vetroturbina daje ujednačeni moment u velikom rasponu brzine vetra i u teškim uslovima rada. Nije potrebno zaustavljanje pri jakom vetru, instalacija je jednostavna i modularna. Pogodna je za korištenje u urbanim sredinama. Zahvata vetar iz svih smerova i pogodna je za turbulentno strujanje vetra. Postoji mogućnost modularne nadogradnje pa je moguće povećati snagu dodavanjem spirala u visinu.
Page | 39
Slika 6.1. Helix Wind vetroturbina
Slika 6.2. Modularna nadogradnja Helix vetroturbine
Page | 40
Specifikacije: • Određena snaga - 2.5 kW • Vršna snaga – 2.81 kW • Dimenzije rotora - 1.21m x 2.65m • Radni prostor - 3.22 m 2 • Konstrukcija rotora – Ultra čvrsta aluminijska legura • Tip – Savoniusova helikoidalna vetroturbina s vertikalnom osom okretanja (VSVO) • Generator - 2.5 kW visoko učinkoviti generator s permanentnim magnetom • Brzina vetra pri kojoj započinje okretanje - 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 vek - 30 godina • Stub – preporučljiva je visina od 4.5m do 6.0m zavisno od okolnih prepreka • Cena - oko 7000 evra • Konstrukcija radi vrlo tiho i proizvodi zvuk niži od 5 decibela iznad okolinskih zvukova • Sigurna je za ptice i šišmiše • Estetski zadovoljava
Fina laminarna struja vetra Turbulentni sloj Vrlo turbulentni sloj
Slika 6.3. Turbulentno strujanje vetra kada nailazi na prepreku
Page | 41
6.1.2. Quiet revolution Britanska kompanija sa sedištem u Pembroke Dock-u u južnom Wales-u bavi se proizvodnjom vertikalnih vetroturbina spiralnog Darrieus tipa.
Slika 6.4. Quiet revolution turbine
Specifikacije: • Dimenzije - 5m visina x 3.1m promer • Generator - istosmerni, generator s permanentnim magnetom • Power control - kontrolom izlazne snage konstantno se optimizuje izlazna snaga za sva područja postavljanja i za sve brzine vetra • Radno područje - Max brzina vetra: 16m/s; Min brzina vetra: 4.5m/s • Životni vek - 25 godina • Materijal – lopatice i trostrani držači su izrađene od karbonskih vlakana I epoksilne smole • Kočnice – Kočenje usled prekoračenja brzine se vrši pri brzini vetra od 14m/s, automatsko gašenje pri velikim brzinama vetra (iznad 16m/s) • Praćenje i pohrana podataka preko PC-a – prosečna brzina vetra i dobijena količina el. energije • Cena turbine 20000 kuna • Cena stuba oko 2500 zavisno od visine I obrade • Cena upravljanja 3700 za jednu turbinu, smanjuje se za spajanje više turbina u niz
Page | 42
6.2. Uporedjivanje navedenih vetroturbina Podatci u tablici uzeti su iz dijagrama koji se nalaze na web stranicama proizvođača I prikazuju snagu pri brzini vetra od 7 m/s.
Tablica 6.1. Uporedjivanje snage i dimenzija vetroturbina Naziv: Snaga u W (7 m/s) Dimenzije m
Helix wind 270 2,64 x 1,2
Quiet revolution 1000 5 x 3,1
Sledeća tablica prikazuje vrednosti za Quiet revolution vetroturbinu manjih dimenzija koje su dobijene preračunavanjem vrednosti snage u odnosu na površinu vetroturbine sledeći raspodelu snage istih dijagrama. Ovde bi se moglo zaključiti kako vetroturbina proizvođača Helix wind daje više snage za istu površinu vetroturbine no taj se podatak mora moći dodatno obrazložiti.
Tablica 6.2. Uporedjivanje snage i dimenzija vetroturbina 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 stepana iskorišćenja i koeficijenta brzohodnosti (slika 4.3.) može se uočiti da Savonius vetroturbina ima dvostruko manji stepen iskorišćenja te zbog toga, teoretski, nije moguće da daje više snage od Darrieusove vetroturbine istih dimenzija no mora se uzeti u obzir i činjenica da Helix vetroturbina ima izmijenjen oblik lopatica u odnosu na klasičan Savonius oblik što pridonosi boljoj iskoristivosti. Točan odgovor na verodostojnost ovih podataka ne može se dati bez ispitivanja. U nemogućnosti za dobivanjem tačnijih podataka uzima se da su ovi podatci tačni.
Page | 43
6.3. Idejni projekti vertikalnih vetroturbina 6.3.1. Wing Japanska kompanija Seabell International, Ltd. utemeljena je 2004. godine i bavi se proizvodnjom inovativnih tehničkih konstrukcija za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora za urbanu sredinu.
Slika 6.5. Wing vetroturbina s solarnim kolektorima
Ovakva konstrukcija kombinuje oba osnovna konstrukcijska oblika i na taj način iskorišćava najbolje od svakog. Kako je problem Darrieusove vetroturbine samopokretanje taj problem rešava se menjanjem oblika lopatica tako da poprime zaobljen oblik Savoniusovog tipa i na principu potisne sile okreću turbinu. Takav oblik postiže se dodavanjem pomičnog krilca konstrukciji. Kada vetroturbina postigne dovoljnu brzinu lopatice se izravnavaju i tvore oblik lopatica Darrieusovog tipa te se turbina pokreće silama uzgona.
Slika 6.6. Pokretanje pri malim brzinama vetra i prilagodjavanje lopatica velikim brzinama vetra
Time se postigla mogućnost pokretanja pri brzini vetra manjoj od 1 m/s što znači da bi se vetroturbina pokretala i pri malom povetarcu. Preoblikovanjem lopatica dobija se iskorišćenje koje odgovara Darrieusovom tipu turbine Page | 44
Aerodinamična svojstva: • Profil lopatica je aerodinamičan • Hvata vetar iz svih smerova • Mala brzina vetra uzrokuje okretanje (ispod 1 m/s) • Visoki zakretni moment čak i pri malim brzinama vetra • Postiže velike brzine vrha lopatica u širokom rasponu brzine vetra i time dobija na iskoristivosti s obzirom na količinu dobijene električne energije • Buka i vibracije su minimalne Konstrukcijska svojstva: • Izrađena je od izdržljivih delova koji podnose opterećenja izazvana rotacijom • Stabilna konstrukcija podnosi ekstremno jake vetrove i grmljavinu Eksterna svojstva: • Zauzima manje prostora u uporedjivanju sa horizontalnom vetroturbinom iste snage • Mogućnost upotrebe u urbanim sredinama • Delovi se mogu reciklirati • Ne šteti pticama 6.3.2. Tesnic Kompanija Tesnic nastala je 2005. u godine u Kanadi s fokusom na iskorišćavanje energije vetra. Ideja je nastala kroz potrebu za dobijanjem energije iz vlastitog izvora u slučaju nestanka struje iz mreže. Vetroturbina kompanije Tesnic temelji se na principu rada Tesline i Darrieusove turbine. Ova vetroturbina spada u skupinu vetroturbina s vertikalnom osom okretanja (VSVO). Sklop rotora sadrži više od 200 diskova naslaganih jedan na drugi s debljinom od ≈2mm. Na obodu diskova nalaze se lopatice aerodinamičnog oblika koje imaju ulogu usmeravanja fluida tangencijalno na površinu diskova.
Slika 6.7. Prikaz slaganja diskova unutar Tesnic vetroturbine
Oko rotora nalazi se sklop statora koji ima ulogu povećanja hvatanja vetra tako što neutrališe turbulenciju na rotor. Raspodela statorskih i rotorskih lopatica je takva da Page | 45
se vetar usmerava tangencijalno na površine diskova nezavisno od smera vetra. Razmeštaj statorskih lopatica takođe onemogućuje prekid rotacije zaklanjajući rotor od turbulencija od vetra iz bilo kojeg smera.
Slika 6.8. Unutrašnjost vetroturbine Tesnic i sklop uređaja
Tesnic turbina koristi energiju vetra na nekoliko načina. Rotorske lopatice zahvataju vetar na klasičan način, pogon. Nakon toga struja vetra ulazi u prostor između diskova gde prijanja uz površinu diskova i na principu Tesline turbine značajno doprinosi rotaciji rotora. Ovakav način iskorišćavanja energije vetra pomoću adhezije u odnosu na klasičan način pokretanja pogonom, omogućuje ovoj vetroturbini da postiže vrlo veliku učinkovitost. Ova vetroturbina ima jednaku učinkovitost pri turbulentnom strujanju vetra zbog toga što spoljne lopatice zaklanjaju rotor. Osim toga te lopatice skrivaju rotor tako da su pokretni delovi jedva vidljivi pa je Tesnic vetroturbina estetski uravnotežena s okolinom. Masa je vrlo mala pa je vrlo pogodna za ugradnju na krov. Tako na primjer 3.6 kilovatna verzija teži manje od 150 kg. Simulacije u vazdušnom tunelu pokazuju učinkovitost ove turbine.
Tablica 6.3. Modeli Tesnic vetroturbina Model turbine
Izmerena snaga Približne dimenzije
T10K T3600 T2K T750
10 kW 3.6 kW 2 kW 750 W
3.3 m visina, 3.3 m promer 2 m visina, 2 m promer 1.5 m visina, 1.5 m promer 0.9 m visina, 0.9 m promer
Približna masa 350 kg 150 kg 85 kg 50 kg
Pokretanje se ostvaruje pri brzini vetra od oko 3 m/s. A značajna ušteda električne energije se osjeća već pri brzini vetra od 5 m/s.
Page | 46
6.3.3. Bri Domestic Wind Turbine Nagrada na BSI Sustainability Design Awards 2007.
Slika 6.9. Konstrukcija Bri Domestic vetroturbine
Ben Storan, student industrijskog dizajna s Royal College of Art UK (RCA) osmislio je dizajn vertikalne vetroturbine. Zbog vertikalne verzije rotacija je sporija te omogućava turbini hvatanje turbulentnog toka vazduha što je uobičajeno u urbanim sredinama. Takođe dobra strana ovakve verzije je tiši rad. Za vetroturbine slične veličine navodi se podatak generiranja 1kW električne energije pri brzini vetra od 12 m/s, no obično proizvode samo 40% navedene snage. Za ovu konstrukciju tvrdi se da bi davala tri puta više što znači 1.2 kW. Koriste se laki materijali što konstrukciji daje stabilnost, omogućuje bolje zahvatanje energije vetra i lakoću ugradnje. Izgled ove vetroturbine podseća na Darrieusovu vetroturbinu. Osnovna razlika je izbor materijala lopatica a samim time oblik lopatica je drugačiji. Materijal lopatica jest platno koje je napeto između baze i gornjih napinjača a oblikovano je tako da stvori profil lopatice. Specifikacije: • Ukupna visina: 4 metra • Promer: 2.5 metra • Masa: <30 kg • Cena: Približno 800 evra • Snaga: 1.2 kW pri brzini vetra 12m/s Page | 47
Dijagram 6.1. Snaga u zavisnosti od brzine vetra i energija dobijena kroz godinu u zavisnosti od prosečne brzine vetra
6.3.4. Magenn MARS Magenn Power je Kanadska kompanija s tradicijom dugom 30 godina. Primarno se bave proučavanjem naprednih materijala i struktura. Istraživanja su započela konstrukcijom Magnus vazdišne letelice sfernog oblika 1978. Fred Ferguson patentirao je letelicu Magnus 1980. godine. Na toj letelici (“Lakša od vazduha”) prvi puta se primenio magnus efekt. Letelica je bila napunjena helijumom i na taj način dobijala je statički pogon. Tokom pravolinijskog gibanja sfera se rotirala i postigao se magnus efekt te se letelica podizala.
Slika 6.10 Letelica “Lakša od vazduha” Page | 48
Princip rada ove letelice primenio se na inovativnu vetroturbinu MARS. MARS je lagana vetroturbina na povodcu koja rotira oko horizontalne ose u odnosu na vetar generišući tako električnu energiju.
Slika 6.11. MARS vetroturbina
Električna energija prenosi se povodcem dugim 300 m i koristi se za potrošnju ili za pohranu u bateriji. Helijum održava MARS i podiže ju na veće visine od tradicionalnih vetroturbina. Zahvata vetar koji se nalazi na visini od 180 do 300 metara i noćne tokove vetrova koji se javljaju na skoro svim područjima zemlje. Rotacija ove vetroturbine generiše i Magnus efekat koji osigurava dodatni pogon te na taj način stabilizuje konstrukciju i pozicionira ju izvan kontroliranog i zabranjenog područja letova aviona. Prednost MARS vetroturbine je to što njena instalacija nije ograničena samo na prostore blizu obale ili na područjima gdje duvaju jaki vetrovi već se može instalirati bliže mreži zbog toga što doseže visinu od 300m gde je vetar ujednačene jačine. Ova turbina je mobilna i može se lako izduvati i preneti bez potrebe za kranom. Sigurna je za ptice i šišmiše i ima malu emisiju buke. Može raditi u velikom rasponu brzine vetra od 1 do više od 28 m/s. MARS turbina može se koristiti na lokacijama kao što su ostrvska područja, farme te zabačena područja. Za svrhu pogona istraživačke opreme, kao pomoćni izvor energije za pumpe za vodu i prirodni gas, za napajanje medicinske opreme u unesrećenim područjima, kao i za velike vetroelektrane. Magenn Power Air Rotor sistem je zatvorena trodimenzionalna konstrukcija (cilindar).Daje veliki moment, počinje se okretati pri maloj brzini vetra i sveukupno ima veću učinkovitost zbog činjenice što se može postaviti na veću visinu. Zatvorena struktura omogućuje proizvodnju ovih turbina u mnogo veličina, od vrlo malih do vrlo velikih i to za iznos mnogo manji no što je to za uobičajene vetroturbine. Page | 49
Slika 6.12. MARS turbine velikih snaga na velikim visinama
Prednosti Magenn Air Rotor sistema: • Jeftiniji je po jedinici dobijene električne energije u odnosu na konkurentske proizvode • Magenn Power Air Rotor sistem će u danom vremenu dati više nazivne energije od uobičajenih konstrukcija. Iskorišćenje Magenn vetroturbine biti će 40 do 50% što je vrlo važno budući da udvostručavanje kapaciteta upola smanjuje cenu dobijene energije po vatu • Vetroelektrane mogu biti smeštene bliže stanici tako da je smanjena potreba za izgradnjom dalekovoda • Uobičajene vetroturbine rade pri brzinama vetra od 3 m/s do 16 m/s, a Magenn Air Rotors rade od 1 m/s do 28 m/s • Magenn Air Rotors mogu se podići više tako da rade na većim visinama iznad površine zemlje. Postiže visine od 180 do 300 m bez potrebe izgradnje visokih stubova ili korišćenja kranova za održavanje • Mobilne su i lako ih je premeštati na druge lokacije zavisno od vetrovitosti područja. Mobilnost je vrlo važna u slučaju nužde ili nepogode
Page | 50
6.3.5. Aerogenerator Razvoj ove vetroturbine podstakla je potreba Velike Britanije za električnom energijom iz obnovljivih izvora. Konstrukciju je osmislio vazduhoplovni inženjer David Sharpe.Visina ove vetroturbine iznosi 144 m i a snaga 9 MW. Testiranje je izvedeno na manjoj konstrukciji nazivne snage 6 kW i rezultati pokazuje da su proračuni relativno tačni za veće verzije. Ovakva verzija zapravo je Darrieusov tip vetroturbine bez gornjeg dela, tzv. V struktura uz dodana krilca na lopaticama. Ovakva verzija eliminiše potrebu za stubom u središnjem delu a centar mase je na dnu što olakšava izradu konstrukcije.
Slika 6.13. Aerogenerator
6.4. Izumi bez podataka o snazi Turbina australskog izumitelja Graeme Atteya
Modularna vetroturbina koja se postavlja na krov kuće. Pet ovakvih turbina proizvodile bi dovoljno struje za domaćinstvo. Radi pri vetru malih brzina. Prednost ovakve konstrukcije je iskorištavanje vazdušnog toka koji se koncentrira oko i preko građevine te povećava svoju brzinu. Negativna strana ove konstrukcije je nemogućnost hvatanja vetra iz svih smerova. Graeme Attey dobio je državnu (Australija) subvenciju od 32000 dolara. Procenjuje se cena od 700 dolara po komadu.
Slika 6.14. Vetroturbina Graemea Atteya Page | 51
Oblik lopatica ove vetroturbine je aerodinamičan te se ona svodi na pojednostavljenu verziju Darrieus-ove vetroturbine H-tipa. Mag – Wind
Ovu konstrukciju razvili su Kanađani Thomas Priest-Brown i Jim Rowan a proizvedena je u Texasu. U postolju ove vetroturbine nalazi se magnetski levitirajući generator s aksijalnim tokom variabilnog otpora namotaja.
Slika 6.15. Mag – Wind vetroturbina
Ova verzija ne opravdava vrednosti navedene od konstruktora jer nije izvršeno pravilno testiranje.
Page | 52
7. Arhitektura u skladu s energijom vetra U svetu je s pojavom pojačane svesti o ekološkim problemima došlo i do pojave sve većeg broja arhitektonskih rešenja koja se baziraju na iskorištavanju potencijalne energetske učinkovitosti samih građevina. Za razliku od pokušaja da se vetroturbine uklope u već postojeće komplekse, nova rešenja daju prednost maksimalnom iskorištavanju energije vetra na način da se građevine svojim oblikom prilagode vetroturbinama. Time se osim estetski zanimljive i funkcionalne građevine, što je i glavni cilj pri njihovoj gradnji, dobija na povećanju iskorišćenja vetroturbina koje se uklapaju u spomenute komplekse. Građevina je energetski isplativa i da time osigurava značajan udeo u snabdevanju potreba za električnom energijom ljudi koji se u njoj nalaze. S obzirom da je cilj građevina ovakvog tipa uglavnom zadovoljiti taštinu čoveka za dostizanjem velikih visina, odmah se nameće odgovor na pitanje zašto su one idealne za iskorišćavanje energije vetra. Kao što je već objašnjeno brzina vetra raste s visinom pa su visoke građevine idealne za podizanje vetroturbina na veću visinu bez potrebe za stubovima. Osim toga oblikom same građevine može se povećati brzina vetra i na taj način dodatno povećati iskoristivost. Raspoloživa energija može se iskoristiti za napajanje rashladnih i ventilacijskih uređaja te rasvete. U kombinaciji s solarnim kolektorima može se postići vrlo visoka iskoristivost obnovljivih izvora energije, a spajanjem na mrežu osigurava izbjegavanje neželjenih problema ukoliko zbog nepredvidljivosti izvora dođe do nedostatka električne energije. Što se tiče ekonomske isplativosti cena ovih uređaja u odnosu na cenu cele konstrukcije su zanemarljivi.
Slika 7.1. Koncept građevine s instaliranim vetroturbinama (1)
Page | 53
Slika 7.12. Koncept građevine s instaliranim vetroturbinama (2)
Slika 7.3. Prva građevina s instaliranim vetroturbinama (3)
Page | 54
8. Potrebe za električnom energijom u domaćinstvu Analiza potrebe za električnom energijom napravljena je za domaćinstvo koje ima dva člana. Električni uređaji koji se koriste u domaćinstvu nabrojani su u tablici zajedno s njihovom maksimalnom potrošnjom u vatima.
Tablica 8.1. Električni uređaji u domaćinstvu Uređaji Rasveta Televizor Frižider Računar Peć Mašina za veš Usisavač Pegla Ukupno
Max W 600 80 120 500 2000 2200 1800 2000 9300
Sati tjedno 42 84 168 84 10.5 6 0.5 1
Postotak 25 50 100 50 6 4 0.3 0.6
S obzirom da se neki uređaju konstantno priključeni na izvor električne energije a neki samo povremeno tablično je prikazano koliko sati nedeljno se koristi određeni električni uređaj. Tako se može videti da je hladnjak priključen na električnu mrežu 24 sata dnevno dok se glačalo koristi svega jedan sat u nedelji. Naravno mora se uzeti u obzir i činjenica da se kompresor hladnjaka uključuje samo kada se temperatura podigne iznad one koja je određena regulatorom. Isti princip rada imaju glačalo i peć, no kod njih se grejači pale kada se temperatura spusti. Perilica rublja električnu energiju koristi za zagrejavanje vode i za pokretanje motora koji okreće bubanj pa se može zaključiti da se nakon što je voda zagrejana počinje trošiti manje el. energije jer se ona troši samo za okretanje motora. Prikupljanjem podataka kroz 30 dana dobiveni su sledeći podaci: Ukupno je potrošeno je 162 kWh uz upotrebu uređaja u vremenskom razdoblju kako je prikazano u tablici. Od toga je 123 kWh potrošeno u višoj tarifi u vremenu od 07-21 sati a 39 kWh u nižoj tarifi od 21-07 sati.
Tablica 8.2. Dnevna potrošnja električne energije u kilovat satima Vreme potrošnje Preko nedelje Vikend
Viša tarifa prosečno kWh 4 5,8
Niža tarifa prosečno kWh 1,5 1
Vrednosti koje su dobijene deljenjem potrošene energije s vremenom u kojem su Page | 55
uređaji korišćeni daju samo prosečni prikaz dnevne potrošnje. Potrošnja više tarife deli se na 13 sati (okvirno vreme od trenutka paljenja prvog električnog uređaja do početka brojenja druge tarife u 21 sati), dok se potrošnja niže tarife deli na 2 sata i dvadeset minuta (vreme od početka brojenja niže tarife do trenutka gašenja zadnjeg električnog uređaja).
Tablica 8.3. Dnevna potrošnja u vatima Vreme potrošnje Preko nedelje Vikend
Viša tarifa prosečno W 307 446
Niža tarifa prosečno W 644 429
S obzirom da je izračunata vrednost potrošnje raspoređena jednoliko na svaki sat ne može se sa sigurnošću reći kolika je maksimalna dnevna potrošnja jer se može dogoditi da se potrošnja naglo poveća uključivanjem nekoliko potrošača velike potrošnje npr. istovremeni rad perilice, peći i glačala. Maksimalna potrošnja događa se istovremenim uključivanjem svih uređaja i radu na nazivnoj snazi. Ta vrednost iznosi 9,3 kW. Za vreme ove analize niti jednom se nije dogodilo da su sva četiri velika potrošača (mašina, pegla, peć, usisavač) uključena u isto vreme, a niti celokupna rasveta, što ukazuje na to da se maksimalna potreba od 9,3 kW ne pojavljuje često. Ako se analizira dnevna potrošnja s obzirom na navike ukućana može se doći do realnih podataka maksimalne potrošnje. Glavnina uređaja koji se koriste istovremeno tokom dana su: - frizider - televizor - računar - rasveta (tri sijalice ukupno 175 W) što daje ukupnu vrednost od 875 W Ako se tome dodaju još dva veća potrošača npr. perilica za rublje i peć dobijamo vrednost od 5075 W. Vrednost maksimalne potrošnje uglavnom neće mnogo odstupati od ove vrednosti pa se tako za maksimalnu dnevnu potrošnju može uzeti vrednost od 5,5 kW.
9. Razvoj proizvoda – vertikalna vetroturbina Page | 56
Da bi pristupili razvoju konkretnog proizvoda potrebno je razmotriti što se zapravo traži od samog razvoja. Odgovor na ovo pitanje daju tehnički upitnik i definicija cilja. Tehničkim upitnikom stvaraju se granice kojima se usmjerava razvoj te se na taj način sprečava mogućnost prevelikog broja mogućih rešenja problema koja nisu korisna. Definicija cilja s druge strane govori da li je takav proizvod zaista potreban tj. da li postoje korisnici koji će ga koristiti. Za vertikalnu vetroelektranu koja je pogodna za kućnu upotrebu tehnički upitnik daje jasan cilj razvoja: TEHNIČKI UPITNIK - za definisanje cilja razvoja proizvoda
1. Što je stvarni problem koji treba rešiti? Smanjiti cenu energenta. 2. Koja implicitna očekivanja i želje je potrebno uključiti u razvoj? Korištenje obnovljivog izvora energije, vetra. Postići što veću korisnost. 3. Da li su pretpostavljene potrebe korisnika, funkcionalni zahtevi i ograničenja zaista realni? Cena energenata raste, a istovremeno i briga za očuvanje okoline. Pretraživanjem internet stranica i anketiranjem može se videti da interes ljudi za ovakvim oblikom proizvodnje el. energije raste. 4. U kojim smerovima postoje mogućnosti za kreativni razvoj i inventivno rešavanje problema? Približavanje teoretskoj granici iskoristivosti VSVO njenim oblikom i smanjenje cene. 5. Ima li limita na kreativnost u razvoju? Energija se mora pretvoriti u električnu. 6. Koje karakteristike/svojstva proizvod nužno mora imati? Sigurnost, pouzdanost, što veću iskoristivost u odnosu na dimenzije rotora i cenu. Jednostavnost primene, instalacije i implementacije u el. energetski sistem. 7. Koje karakteristike/svojstva proizvod sigurno ne sme imati? Ne sme biti prevelik, pretežak i opasan. 8. Koji se aspekti razvoja mogu i trebaju kvantifikovati ovom trenutku? Masa koju može podneti krov ili zid prosečnog objekta. Snaga, profit, analiza tržišta i potrebe kupaca. Geometrijske karakteristike. 9. Da li su razvojni zadaci postavljeni na prikladnom nivou apstrakcije? Page | 57
Cena energenta smanjuje se i ukoliko je samo deo el. energije dobijen od vetroelektrane, nije nužno u potpunosti prekinuti potrošnju el. energije mreže. 10. Koja su tehnička i tehnološka ograničenja nasleđena iz prethodnog iskustva sa sličnim proizvodom? Relativno mala snaga s obzirom na veličinu konstrukcije. Vodeći računa o navedenim ciljevima i pravcima razvoja izrađuje se morfološka matrica koja daje pregled mogućih tehničkih rešenja tržene konstrukcije. Izradom morfološke matrice na temelju obavljenog istraživanja postojećih konstrukcija vertikalnih vetroturbina generirati će se tri koncepta koji će se oceniti prema glavnim potrebama korisnika. Glavne potrebe korisnika dobijene su anketiranjem 70 osoba različitih starosnih dobi.
Tablica 9.1. Glavne potrebe korisnika Ocena važnosti 8 7 6 5 4 3 2 1
Glavne potreba korisnika Količina proizvedene električne energije Cena nabave takvog uređaja Sigurnost Cena održavanja Buka ne sme biti visoka Mogućnost dobijanja naknade od HEP-a Mora biti sigurna za ptice Estetika
Iz tablice se može zaključiti kako je iskorišćenje vetroturbine najvažniji faktor, nadalje vrlo je važna cena nabave takvog uređaja dok je treća najbitnija stvar sigurnost.Ovakvi rezultati ankete su vrlo logični s obzirom da je svrha uređaja proizvodnja električne energije, tj. to je osnovna funkcija proizvoda. Cena je danas neupitan faktor pa tako uvek ima mesto na vrhu lestvice zahteva. Potreba za sigurnošću se podrazumeva i vezana je uz svaki proizvod koji se plasira na tržište. Ne tako mali uiecaj na to koji će proizvod neko odabrati a drugi neće je cena održavanja, naime inicijalni izdatci su samo početak ulaganja, dok se održavanje može pokazati vrlo nezahvalnim ukoliko proizvod nema lako izmjenjive, dostupne i cenom prihvatljive rezervne delove. Buka je nešto što se direktno povezuje s ovakvim uređajima te se uglavnom javlja osećaj nelagode na pomisao da će ovakav uređaj biti postavljen na stambeni objekt, zbog toga je buka faktor na koji se mora obratiti pažnja
Page | 58
Tablica 9.2. Morfološka matrica Rotaciju u Generator el. energiju pretvoriti Buku Izolirano kućište prigušiti Vibracije prigušiti
Prigušivač
Spoj vijcima
Spoj zakovicama
Ulazni signal
Ručica
Pritisak na gumb
Touch screen
Pričvršći- Pričvršćivanje na krov objekta vanje na objekt
Pričvršćivanje na zid objekta
Ostale potrebe navode se kao poželjne, a to su mogućnost dobijanja naknade za električnu energiju predanu mreži što je zapravo omogućeno jer HEP ugrađuje brojilo između uređaja i mreže pa se tako vrši umanjenje računa za struju. Sigurnost za ptice ogleda se u obliku lopatica vetroturbine i brzini okretanja (što je brzina manja vetroturbina je bezopasnija). Estetika je faktor koji je uvek poželjan no uglavnom nije presudan za odabir. Da bi se izradila morfološka matrica potrebno je znati sve funkcije proizvoda. Funkcije proizvoda određuju se pomoću funkcijske dekompozicije. Osnovne funkcije proizvoda su: • Prihvatiti energiju vetra • Pretvoriti energiju vetra u meh. energiju (rotaciju) • Dovesti struju u mrežu Pomoću osnovnih funkcija potrebno je definisati među funkcije koje ih povezuju. Time se dobiva jasan tok energije, (materijala).
Koncept 1 Vrsta lopatica za prihvaćanje vetra: - lopatice zavarene na vratilo - vertikalan položaj vratila - kruti spoj motora i turbine - uležištenje samo s donje strane Sigurnosni sistem: - digitalni merač brzine - kočnica Pretvaranje energije vetra u meh. energiju: - Lopatice vezane za vratilo varom uz Page | 59
dodatne delove Slika 9.2. Koncept 1 – lopatice
Prednosti: - Mali broj delova - Jednostavna verzija - Mala masa - Iskorišćenje nezaviano od smera duvanja vetra - Napadni ugao na jednu lopaticu s obe strane vetroturbine - Ujednačen moment tokom celog okreta, nema vibracija - Manje opterećenje na ležajeve zbog poništavanja aksijalnih sila - Ovakav oblik lopatice smanjuje otpor rotaciji - Hvatanje turbulentnih struja iznad krovova - Samopokretanje Nedostatci: - Lopatice moraju imati aerodinamični profil i trodimenzionalno su zakrivljene - Velike brzine okretanja
Koncept 2 Vrsta lopatica za prihvatanje vetra: - lopatice zavarene na vratilo - vertikalan položaj vratila - kruti spoj motora i turbine - uležištenje samo s donje strane
Page | 60
Slika 9.3. Koncept 2 – lopatice
Sigurnosni sistem: - digitalni merač brzine - kočnica Pretvaranje energije vetra u meh. energiju: - Lopatice vezane za vratilo varom uz dodatne delove Prednosti: - Savijene lopatice mogu biti izrađene od lakog materijala jer su učvršćene na dva mesta - Učinkovitost nezavisno od smera duvanja vetra - Hvatanje turbulentnih struja iznad krovova - Kombinacija H-verzije i osnovne Darrieus-ove verzije povećava učinkovitost ove verzije - Samopokretanje Nedostatci: - Lopatice moraju imati aerodinamični profil - Veliki broj delova - Napadni ugao na lopaticu samo kada je ona u povoljnom položaju u odnosu na vetar (nemiran rad zbog ravnih lopatica) - Komplikovana verzija mehanizma za samopokretanje (zakretanje yadnjeg dela lopatica ) - Zbog velikog broja lopatica jedna lopatica može stvarati zavetrinu onoj iza sebe
Koncept 3
Page | 61
Vrsta lopatica za prihvatanje vetra: - lopatice zavarene na vratilo - vertikalan položaj vratila - kruti spoj motora i turbine - uležištenje samo s donje strane Sigurnosni sistem: - digitalni merač brzine - kočnica Pretvaranje energije vetra u meh. energiju: - Lopatice vezane za vratilo varom uz dodatne delove Slika 9.4. Koncept 3 – lopatice
Prednosti: - Učinkovitost nezavisna od smera duvanja vetra - Napadni ugao na jednu lopaticu s obe strane vetroturbine - Ujednačen moment tokom celog okreta, nema vibracija - Manje opterećenje na ležajeve zbog poništavanja radijalnih sila - Ovakav oblik lopatice smanjuje otpor rotaciji - Hvatanje turbulentnih struja iznad krovova - Samopokretanje pri vrlo malim brzinama vetra pa je učinkovitost veća na području manjih vetropotencijala - Brzina okretana nije jako velika Nedostatci: - Nešto manja snaga
Odabir najboljeg koncepta Tablica 9.3. Oenjivanje koncepata Potrebe korisnika Korisnost Cena Sigurnost Održavanje Buka Sigurna za ptice Estetika
Koncept 1 9 3 6 3 8 8 3
Koncept 2 9 3 4 2 6 5 1
Koncept 3 9 10 8 9 9 10 3
Umnožak ocena važnosti s ocenom koncepta svake potrebe daje vrednost prema kojoj se odabire koncept: Koncept 1 – 195 Koncept 2 – 162 Koncept 3 – 294 Page | 62
Odabira se koncept 3 kao najbolji s obzirom na potrebe korisnika. Ovaj koncept najviše konkurira ostalima kada se u pitanje dovede cena. Naime cena ovog uređaja znatno pada kada se usporede lopatice sva tri koncepta. Lopatice nisu aerodinamičnog oblika i kao takve vrlo su jednostavne za izradu. Tu je takođe važan i broj delova koji je kod koncepta 3 relativno velik jer se lopatice modularno slažu jedna na drugu, no s obzirom da je oblik svih lopatica i njihovih delova identičan te su svi delovi izuzetno jednostavni za izradu, to ne povećava troškove. Održavanje je zbog modularnosti jednostavno jer su delovi lako izmjenjivi a zbog jednostavnosti su lako dostupni jer ne zahtevaju komplikovanu izradu. Zbog nešto manje brzine okretanja ovaj koncept je sigurniji, a i buka je manja.
12. Prikaz 3D modela Model je izrađen pomoću programa Pro ENGINEER 3.0. Detaljno su prikazni svi delovi konstrukcije izuzev motora čiji je model izrađen samo zbog gabarita koji su potrebni za dimenzionisanje konstrukcije. Odabrani motor je GL-PMG-500A proizvođača GINLONG koji se bavi isključivo proizvodnjom delova za male vetroturbine. Cijene sličnih generatora kreću se između 1500 – 2500 kn ovisno o proizvođaču. Cena ovog generator 150 evra
Slika 12.1. Generator GL-PMG-500A
Elektronski uređaji kao što su pretvarači, kontroleri te uređaji za spajanje na mrežu nisu tema razmatranja ovog seminarskog rada tako da su izostavljeni. Mehanički Page | 63
delovi koji su korićteni mogu se naći na tržištu po relativno niskim cenama. • Cevi - 4.79kn/kg – ukupno 64 evra • Lim svih debljina - 21.38 kn/kg – ukupno 11 evra • Vijci, matice, podložne pločice – ukupno 10 evra • Ležajevi – 18,5 evra Ukupna cena konstrukcije je: 103,5 evra Model sklopa vetroelektrane vidi se na slici. Nosač vetroturbine pričvršćen je za bočni zid kuće vijcima. Stub nosača pričvršćen je nosačima na dva mesta. Za donji nosač varom, a za bočni okovom i gumenim prstenom koji eliminiše pojavu vibracija. Ispod nosača okova nalazi se gumena podloga koja onemogućava oštećenje fasade.
Slika 12.2. 3D model sklopa vetroelektrane
Vetroturbina je za nosač pričvršćena prirubnicom preko kućišta u kojem se nalazi generator.Vratilo je direktno povezano s generatorom te je tako uležišteno na jednoj strani, dok je drugo uležištenje na gornjem delu kućišta. Lopatice se na vratilo slažu modularno tj. sklop lopatica sa slike 12.3. sa svakim sledećim modulom zakreće se za 22.5 stepena.
Page | 64
Slika 12.3. 3D model modula lopatica
Zaključak
Vertikalne vetroelektrane, globalno, predstavljaju veliki neiskorišćen potencijal u području vetroeneretike, a razlozi su neznanje i veliki monopol horizontalnih vetroelektrana na tržištu.Ono što ove vetroelektrane stavlja bok uz bok horizontalnima je neznatno manja snaga, a ono što im daje prednost na velikom broju potencijalnih lokacija je mogućnost hvatanja vetra iz svih smerova i što je još važnije otpornost na udare vetra i nagle promene smerova.U svakom slučaju kada se razmatra mogućnost postavljanja vetroturbine na krov objekta mnogo je povoljnije odlučiti se za vertikalnu verziju jer su vetrovi na nižim visinama uglavnom nestalni, brzo menjaju smer, a zbog objekta kao prepreke javljaju se i turbulentne struje. Negativan aspekt nabave ovakve vetroturbine u svakom je slučaju vrlo velika cena pa se time cena energenta ne smanjuje nego mnogostruko povećava. U slučaju da se cena smanji, a to bi zahtevalo masovnu proizvodnju vertikalnih vetroelektrana, ovakav način proizvodnje energije bio bi isplativiji. Još jedan problem koji se javlja je pohrana ovako dobijene energije jer ni vetar, a ni naša potrošnja nisu predvidivi.Ovaj se problem može rešiti na dva načina, jedan je kupovina vrlo skupih baterija koje nemaju dug vek trajanja, a drugi je priključivanje na mrežu. Priključivanje na mrežu stvara novi problem jer nije jednostavno, a ukoliko bi se na mrežu spojilo mnoštvo ovakvih potrošača – proizvođača mreža bi postala nestabilna. Rešenje ovih problema zapravo ne zavisi od samog proizvoda već o sekundarnim činiocima pa je vrlo verovatno da će ovakav način proizvodnje energije morati Page | 65
pričekati dok se ne reši problem skladištenja energije. Što se tiče samoodrživih objekata koji nemaju mogućnost spajanja na mrežu ovakav izvor električne energije predstavlja dobar izbor.U kombinaciji sa solarnim kolektorima i agregatom koji se pogoni biodizelom moguće je dobiti zadovoljavajuću količinu el. energije. Konstrukcijska verzija ovakvog proizvoda nije sporna pa se tako na tržištu pojavljuje sve više proizvođača koji u svom asortimanu nude ovakve uređaje. Odgovor na pitanje da li je ovakva investicija opravdana daje trenutna cena el. energije koja je još uvek dovoljno niska da bi se investiralo u ovakav uređaj. Konstrukcija proizvoda izrađena u ovom radu cenom je vrlo konkurentna no potrebno je testiranje kojim bi se odredila tačna snaga. Nakon testiranja bilo bi moguće odrediti da li je ova vetroturbina isplativa.
Literatura
[1] Pilić – Rabadan Lj., Vodne turbine i pumpe, vetroturbine, Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Split, 2000. [2] Mihetec M., Diplomski rad, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2006. [3] Greenwell D., A Brief Introduction to Wind Turbines, School of Engineering & Mathematical Sciences City University, London, 2008. [4] Danish Wind Industry Association, http://www.windpower.org, 2003. [5] Wikipedia, http://www.wikipedia.org [6] Dizdarević N., Majstorović M., Bajs D., Majstorović G., Mrežna pravila za vjetroelektrane, Energetski institut Hrvoje Požar [7] Energija vetra – prezentacija, http://www.etfbl.net, Elektrotehnički fakultet, banja Luka Page | 66
[8] Knežević S.,Izlaganje - Tehnologije vetroelektrana, http://www.hep.hr, HEP – obnovljivi izvori energije d.o.o. [9] Helix Wind, http://www.helixwind.com/en [10] Quiet Revolution, www.quietrevolution.co.uk [11] Ginlong, http://www.ginlong.com
.
Page | 67
