UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET
MEHATRONIČKI MODULI KOD VJETROELEKTRANA Seminarski rad
Predmet:
Mehatronika u energetici
Ime i prezime:
Nešad Ahmetbegović
Broj indeksa:
III-24/13
Odsjek:
Mehatronika Tuzla, April 2016.
Sažetak U ovom seminaru ćemo se upoznati sa vjetroelektranama, njihovim komponentama i principom rada. Zatim ćemo se upoznati sa pojmom monitoringa vjetrelektrana, koje se komponente prate, na koji način i u koju svrhu. Te način priključka na elektroenergetski sistem
Ključne riječi: Vjetroelektrana, vjetroagregat, monitoring 2
Sadržaj 1. Uvod 1.1. Historija vjetroelektrana 1.2. Vjetroelektrane u svijetu 1.2.1. Vjetroelektrane u Bosni i Hercegovini 1.3. Izbor položaja vjetroelektrane 1.4. Vrste vjetroelektrana 1.4.1. Kopnene vjetroelektrane 1.4.2. Priobalne vjetroelektrane 1.4.3. Plutajuće vjetroelektrane 1.4.4. Visinske vjetroelektrane 1.5. Energija vjetra 1.5.1. Raspodjela brzine vjetra 1.5.2. Faktro preopterećenja 1.5.3. Nepredvidivost vjetra 1.5.4. Uticaj vjetra na okolinu 1.5.4.1. Pozitivan uticaj na okolinu 1.5.4.2. Negativan uticaj na okolinu 1.6. Ograničenje izlazne snage i zaštita od preopterećenja 1.6.1. Metoda smanjenja brzine 1.6.2. Metoda promijene ugla lopatice 1.7. Dijelovi vjetroelektrane 1.7.1. Vjetroagregat 1.7.1.1. Vjetroagregat sa okomitom (vertikalnom) osom rotacije 1.7.1.2. Vjetroagregat sa vodoravnom (horizontalnom) osom rotacije 1.7.2. Električni generator 2. Monitoring vjetroelektrana 2.1. Monitoring brzine vjetra 2.2. Metereološki monitoring 2.3. Monitoring u svrhu otkrivanja kvara vjetroagregata, monitoring stanja sistema 2.3.1. Analiza rezultata dobijenih monitoringom stanja sistema 2.3.1.1. Analiza vibracija 2.3.1.2. Analiza ulja 2.3.1.3. Ultrazvučno mjerenje 2.3.1.4. Termoviziska mjerenja 2.3.1.5. Praćenje temperature 3. Priključak na elektroenergetski sistem 4. Zaključak Literatura
Popis slika Slika 1 - Svjetski nivo proizvodnje el. energije pomoću vjetroelektrana (1996-2012).....6 Slika 2.2. – Evropsko tržište energijom vjetra 3
Slika 31 – Izbor položaja vjetroagregata sa obzirom na tok sturjanja vjetra Slika 43.1 – Pribalna vjetroelktrana Slika 51.1– Raspodjela brzine vjetra Slika 63.1 – Dijelovanje sila na lopatice Slika 71.1 – Dijelovi vjetroagregata Slika 81.1.1 – Vrste vjetroagregata sa okomitom osom Slika 91.2.1 – Vjetroagregat sa vodoravnom osom rotacije Slika 102.1 – Vjetroagregat Slika 2.1.1 – SODAR Slika 2.1.2 – LIDAR Slika 2.2.1 – Meterološko praćenje Slika 2.3.1 –Usporedba korektivnogi preventivnog održavanja Slika 2.3.2 –Održavanje sa obzirom na cijenu i traženje optimuma Slika 2.3.3 –SCADA sistem za praćenje vjetroagregata Slika 2.3.1.1.1 –Analiza vibracija rotirajućih elemenata Slika 2.3.1.5.1 –Ultrazvučno mjerenje Slika 2.3.1.4.1 –Termovizisko mjerenje Slika 3.1 - Asinhroni generator sa konstantnom brzinom vrtnje Slika 3.2 - Sinhroni generator sa promjenjivom brzinom vrtnje
Popis tabela Tabela 11.1.1. – Vjetroelektrane u BiH, paniranei i izgrađene Tabela 2.3.1.1 –Klasifikacija kvarova
4
1. Uvod Vjetroelektrane su niz blisko smještenih vjetroagregata, najčešće istog tipa, izloženih istom vjetru i priključenih preko zajedničkog rasklopnog uređaja na elektroenergetski sistem. Vjetroagregat je rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor električnog generatora nalaze na istom vratilu. Vjetroelektana je obnovljivi izvor električne energije pokrenut kinetičkom energijom vjetra. 5
Vjetroelektrane se nazivaju još i vjetroparkovima, vjetrofarmama ili vjetropoljima. Na taj način se klasifikacijom pokušava reći da se ne radi o „pravim“ elektranama. Dakle, vjetroelektrana jest elektrana i to ona koja kao gorivo za proizvodnju električne energije koristi vjetar. Ona se kao i svaka druga elektrana sastoji od nekoliko dijelova, uključujući vjetroagregate (turbina + generator),transformatorske stanice, kablova i vodova, te ostali pripadajuće objekte. Na taj način postiže se sistem davanja imena objekata za proizvodnju električne energije (hidroelektrana, termoelektrana, nuklearna elektrana, itd.) i nedvojbeno se iskazuje da je vjetroelektrana elektroenergetski objekt, a ne element krajobraznog ili poljoprivrednog karaktera. Snaga vjetra u atmosferi je mnogo veća od sadašnje svjetske potrošnje. Najiscrpnija istraživanja kažu da je ukupna snaga vjetra na kopnu i blizu obale 72 TW, što je ekvivalentno 54 milijarde tona nafte godišnje ili pet puta više nego što svijet trenutno troši u bilo kojem obliku.
Slika 12. - Svjetski nivo proizvodnje el. energije pomoću vjetroelektrana (1996-2012)
Prednosti vjetroelektrana su: -
ne troše gorivo, tj. energija vjetra je u uvjetno rečeno "besplatna";
-
vjetroelektrane su poželjan oblik obnovljivog izvora energije nasuprot elektranama na fosilna goriva, jer hemijski i biološki ne zagađuju okoliš;
-
vjetroelektrana može imati umjeren pozitivan utjecaj na smanjenje snage vjetra u područjima koja su inače izložena suviše jakim vjetrovima; 6
-
pomažu u borbi protiv globalnog zatopljenja;
-
vjetroelektrane su energetska postrojenja bez štetnih emisija (staklenički plinovi);
-
smanjuje se nacionalna ovisnost o uvozu fosilnih goriva;
Nedostaci vjetroelektrana su: -
povremenost rad, zavisno o meteorološkim karakteristikama područja primjene. Nije rješeno učinkovito akumuliranje većih količina energije za razdoblje bez vjetra, pa bi se stoga vjetroelektrane trebale vezati na elektroenergetski sistem regije i s njim razmjenjivati energiju. Prikladnim se čini kombinacija hidroelektrana i vjetroelektrana, koja u razdoblju jačeg vjetra štedi hidro-akumulaciju, a u razdoblju bez vjetra energiju daje hidroelektrana. Kod sitnih vjetroelektrana akumulaciju mogu osiguravati jedino akumulatori, koji ne mogu zadovoljiti potrebe u područjima s manje vjetrovitih dana, ali mogu štediti klasičnu energiju u vjetrovitom razdoblju;
-
jake promjene u snazi vjetra relativno su teže tehnički savladive. Tehnička rješenja moraju spriječiti oštećenje vjetrenjače pri olujnoj snazi i izvlačiti maksimalnu snagu pri slabom vjetru, što poskupljuje ta rješenja;
-
za usklađivanje broja okretaja vjetroturbine s brojem okretaja ugrađenog generatora potreban je multiplikator s automatskom regulacijom brzina generatora, što također poskupljuje tehničku izvedbu;
-
troškovi održavanja znaju činiti značajnu stavku u cijeni dobivene energije vjetra, budući da je u slučaju velikih vjetroelektrana broj uređaja relativno velik, tj. snaga po jednom uređaju je daleko manja nego kod klasičnih elektrana na fosilna goriva;
-
prisutno je izvjesno "estetsko zagađenje" u slučaju velikih vjetroelektrana, što međutim nema većeg značaja ako se takva vjetroelektrana ugradi na nenapučenim prostorima.
-
1.1 Historija vjetroelektrana Povijest vjetroelektrana i korištenja energije vjetra seže u doba kada su ljudi prvi puta postavili jedra na brodove i time omogućili daleka putovanja i isto tako odlučili svoje živote povjeriti u ruke tog nepredvidljivog obnovljivog izvora energije. Može se reći da je na neki način vjetar bio taj koji je pokrenuo eru istraživanja i omogućio prijenos robe i dobara u neograničenim količinama na velike udaljenosti. Dugo vremena nakon prvih jedara uslijedilo je korištenje energije vjetra za obavljanjemehaničkog rada u mlinovima i za pokretanje vodenih pumpi (posebice u Nizozemskoj, na srednjem zapadu SAD-a i u zabačenim dijelovima Australije). 7
U modernim vremenima s dolaskom i izumom električne energije počinju se upotrebljvati u svrhu proizvodnje iste, no tek u zadnja dva desetljeća zbog sve većeg zagađenja okoliša počinju svoj značajan uzlet, da bi danas to bio jedan od glavnih izvora energije za blisku budućnost.
1.2 Vjetroelektrane u svijetu
Slika 13.1. – Proizvodnja energije od vjetra po regijama svijeta
Njemačka je trenutni lider u proizvodnji električne energije iz vjetra sa 8750 MW, a to je više od jedne trećine ukupnoinstalirane snage vjetrenjača u svijetu. Toliko instaliranih vjetrenjača u Njemačkoj rezultat je politike njemačke vlade koja poticajnim mjerama pomaže instalaciju novih kapaciteta. Zbog toga u 2001. godini ukupno instalirana snaga povećala se za 43.7%. U Španjolskoj, Danskoj i Italiji također raste instalirani kapacitet. Od sveukupne proizvodnje električne energije Danska dobiva 14% od vjetra i dalje ubrzanim tempom gradi nove kapacitete. Namjera Danske je da takvim pristupom do 2030. godine 50% energetskih potreba kućanstava zadovolji iskorištavanjem energije vjetra. U SAD-u je trenutno instalirano 6.374 MW vjetrenjača. Tako mala instalirana snaga u gospodarski najjačoj zemlji svijeta rezultat je tradicionalnog američkog oslanjanja na fosilna goriva.
Slika 14.2. – Evropsko tržište energijom vjetra
1.2.1 Vjetroelektrane u Bosni i Hercegovini 8
Naziv Planirane VE Relaks VE Trusina VE Mesihovina VE Debelo Brdo VE Orlovača VE Baljci VE Mučevača VE Ivovik VE Derale VE Podveležje VE Vlašić VE Gradina Izgrađene VE Moštre 1.
Lokacija
Snaga [MW ]
Oštrc, Posušje Trusina, Nevesinje Mesihovina, Tomislavgrad Debelo Brdo, Livno Orlovača, Livno Tomislavgrad Livno Tomislavgrad Bosansko Grahovo Podveležje, Mostar Vlašić, Travnik Gradina, Tomislav grad
30 51 55 54 42 48 63 84 87 48 50 70
Visoko
0,3
Vjetroagregati
13 22
16 35 1
Tabela 15.1.1. – Vjetroelektrane u BiH, paniranei i izgrađene
1.3 Izbor položaja vjetroelektrane Iako je vjetropotencijal najvažna stavka za izbor položaja vjetroelektrane, postoji i niz drugih stavki koji se moraju zadovoljiti. Izbor položaja provodi se u dva koraka. Najprije se određuju područja koja su nepogodna za izgradnju zbog sljedećih razloga: -
područje ima izuzetno mali vjetropotencijal;
-
područje zaštićeno zbog iznimnih prirodnih ili kulturnih ljepota (park prirode, arheološko nalazište);
-
područje namijenjeno za izgradnju stambenih ili gospodarskih objekata;
-
područje vrlo zahtjevnog reljefa s obzirom na mogućnost izgradnje.
U drugom koraku provodi se vrednovanje makrolokacije na temelju kriterija kao što su: -
srednja godišnja brzina vjetra;
-
veličina lokacije, odnosno broj vjetroagregatskih jedinica koje je na tom položaju moguće postaviti;
-
udaljenost lokacije od prometnica;
-
udaljenost lokacije od postojeće električne mreže;
-
mogućnost održavanja i nadzora nad vjetroelektranom; 9
-
značajke terena (šumovitost, pogodnost za poljodjelstvo i drugo);
-
utjecaj na životinjski svijet (migracijski putovi ptica selica, zaštićena staništa i drugo)
-
položaj lokacija s obzirom na turistička područja.
Unutar odabranih makrolokacija izdvajaju se mikrolokacije. Za vredovanje i izbor najpovoljnije mikrolokacije može se primijeniti načelo slično izboru za makrolokaciju. Nakon izbora mikrolokacije kreće se s mjerenjem karakteristika vjetra (brzina, smjer i drugo). Na temelju analize izmjerenih podataka u određenom vremensko razdoblju (minimalno 1 godina) izrađuje se studija izvodljivosti u kojoj će se odrediti veličina i broj vjetroagregata, odnosno optimalni kapacitet lokacije. Prema navedenim čimbenicima, idealna vjetroelektrana je ona koja je smještena na mjestu koje ima povoljan vjetropotencijal, nalazi se blizu električne mreže, ima dobar cestovni pristup, a njezina gradnja je u skladu s namjenom prostora i s uvjetima zaštite okoliša. Slika 161 – Izbor položaja vjetroagregata sa obzirom na tok sturjanja vjetra
1.4 Vrste vjetroelektrana Vjetroelektane se mogu podijeliti na: -
Kopnene vjetroelektrane;
-
Priobalne vjetroelektrane;
-
Plutajuće vjetroelektrane;
-
Visinske vjetroelektrane.
1.4.1 Kopnene vjetroelektane Kopnene vjetroelektane se grade na čvrstom tlu i najčešći su oblik vjetroelektrana. Najveće kopnene vjetroelektane u svijetu su: -
Jaisalmer, Indija 1064 MW;
-
Roscoe, SAD 781,5 MW; 10
-
Horse Hollow, SAD 735,5 MW;
-
Alta, SAD 720 MW itd.
1.4.2 Priobalne vjetroelektrane Priobalna vjetroelektrana (engl. Offshore wind park) je vrsta vjetroelektrane s čvrstim temeljima koja se gradi na moru (ima planova gradnje i najezerima), uglavnom u priobalnom području, gdje je dubina vode obično manja od 60 metara (udaljenost od obale do najviše 50 kilometara), za razliku od plutajućih vjetroelektrana, koje se grade na pučini. Činjenica da voda (a posebice duboka voda) ima manju površinsku "hrapavost" od kopna jako utječe na brzine vjetra, koje su mnogo veće na moru. Faktori snage su mnogo veći kod takvih instalacija. Kod lokacija s produženim plićacima (kao primjerice u Danskoj), vjetroelektrane je lako sagraditi. Općenito govoreći, morske instalacije vjetroagregata su načelno skuplje od kopnenih. To je zbog toga što su im tornjevi viši kada se uračuna dio ispod vode i što je sama izgradnja skuplja. Proizvedena električna energija se do kopna prenosi putem podmorskog kalova. Održavanje je također skuplje, a mora se paziti i na zaštitu od korozije, zbog čega se često dodaju dodatni premazi i katodna zaštita. Takve turbine su najveće turbine u pogonu i predviđa se da će njihova veličina (i insalirana snaga) i dalje rasti (preko 6 MW). Vjetroelektrane smještene na moru znaju imati i više od 100 vjetroagregata.
Slika 173.1 – Pribalna vjetroelktrana
1.4.3 Plutajuće vjetroelektrane Plutajuća vjetroelektrana ili pučinska vjetroelektrana je vrsta vjetroelektrane koja se postavlja na plutajuću strukturu u dubljem moru, gdje nije moguće postaviti priobalnu vjetroelektranu. Plutajuće vjetroelektrane su složene i zahtijevaju veće početne troškove, ali su nove studije pokazale je da zbog njihovih mogućnosti da pristupe snažnijim vjetrovima dalje na moru imaju isplativost primjene. Obično se više plutajućih vjetroagregata povezuju zajedno u vjetroelektranu, kako bi se koristio zajednički podvodni kabal za prijenos električne struje. 11
1.4.4 Visinske vjetroelektrane Koncept visinskih vjetroelektrana se zasniva na iskorištenju energije vjetra u višim slojevima atmosfere. One predstavljaju dizajnirani koncept vjetroelektrana koji su na različite načine podignuti u visinu bez potpore tornja. Možemo ih podijeliti u dvije skupine: one za iskorištavanje vjetra na nižim visinama te na one koje to mogu na višim visinama. Tijekom posljednjih 20 godina napravljeno je nekoliko desetaka projekata i koncepata od kojih se istaknula nekolicina koje imaju šanse za realizaciju. Zajedničko im je to što su predviđene za iskorištavanje vjetra na visinama većim nego što to mogu vjetroelektrane montirane na tlu, mogućnost montaže na bilo kojoj lokaciji na svijetu te su u potpunosti ekološki prihvatljive, budući da ne ispuštaju stakleničke plinove. Visinske vjetroelektrane na taj način mogu proizvoditi električnu energiju 90% vremena, dok bi one na zemlji to činile maksimalno 35% vremena. To bi rezultiralo pojeftinjenjem električne energije i zahtjevalo bi manje vjetroelektrana za istu količinu električne energije.
1.5 Energija vjetra Energija vjetra je u stvari oblik sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim pritiscima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za izjednačavanjem pritisaka zraka. Postoje dijelovi Zemlje na kojima puše tzv. stalni (planetarni) vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Dobri položaji su obale mora i oceana (priobalna vjetroelektrana), te pučina mora (plutajuća vjetroelektrana). Pučina se ističe kao najbolji položaj zbog stalnosti vjetrova, ali cijene ugradnje i prijevoza energije usporavaju takva ulaganja. Kod pretvaranja kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju (okretanje osovine generatora) iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao je još davne 1919. zakon energije vjetra, poznat kao Betzov zakon. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti samo manje od 16/27 ili 59% kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar. 59% predstavlja teoretski maksimum, ali u primjeni se može pretvoriti između 35% i 45% energije vjetra zbog raznih gubitaka u sistemu. Energija vjetra je kinetička energija (ovisi o kvadratu brzine vjetra): 1 W = · m· v2 (1.5 .1) 2 Vjetroturbina dobiva ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na elise rotora. Količina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji čini rotor u vrtnji, brzini vjetra, gustoći zraka i aerodinamici lopatica. Ukupna teorijska energija vjetra:
12
1 1 1 2 2 3 3 W = mv = ρ V v = ρ A v ; W =0,625· A v (1.5 .2) 2 2 2 Gdje je: ρ - gustoća zraka (približno 1,25 kg/m3) A - površina rotora vjetroelektrane (volumen V = A・v) v – brzina vjetra Gustoća zraka se povećava se povećanjem vlažnosti. Također vrijedi da je zrak gušći kada je hladniji nego kad je topliji. Na visokim nadmorskim visinama pritisak zraka je niži, pa je zrak rjeđi. Maksimalna energija vjetroturbine: Maksimalna energija koja se teorijski može dobiti zračnom turbinom je 16/27 (0.59259) ukupne energije vjetra. Zrak mora strujati i nakon turbine da napravi mjesta zraku koji nadolazi. Vjetroturbina iskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar dođe do elisa rotora. To znači da ne može iskoristiti svu energiju iz vjetra. ƞtmax
zračne turbine je 0.65
ƞ gmax generatora 0.8
pa za max. energiju vjetroelektrane vrijedi: W=
16 ·0,65 · 0,8 ·0,625 · A · v 3 1\* MERGEFORMAT () 27
W =0,193· A · v
3
2\* MERGEFORMAT ()
Podložno promjenama ovisno o brzini vjetra i brzini okretanja lopatica stepen djelovanja vjetroelektrana oko 31% - kinetičke energije vjetra za proizvodnju električne energije.
1.5.1 Raspodjela brzine vjetra Vjetar jako varira i srednja vrijednost brzine za danu lokaciju nam ne može reći koju količinu energije naš vjetroagregat može proizvesti. Ipak, kod predviđanja ponašanja vjetra na određenom mjestu, držimo se podataka koje su nam dala mjerenja. Dovoljna je i manja promjena lokacije da bi imali velike promjene u brzini vjetra. Brzinu vjetra mjerimo i aproksimiramo Rayleigh raspodjelom.
Slika 181.1– Raspodjela brzine vjetra
Kako se velika količina energije dobiva pri većim brzinama vjetra, dosta nam energije dolazi u kraćim intervalima, odnosno na mahove, kao i vjetar. Posljedica toga je da vjetroelektrane nemaju stalnu snagu na izlazu kao sto to imaju npr. termoelektrane, te postrojenja koja napajaj vjetroagregati moraju imati osiguranu proizvodnju 13
električne energije i iz nekog drugog izvora. Stalnost snage kod vjetroelektrana bi nam mogao osigurati napredak u tehnologijama koje se bave spremanjem energije tako da možemo koristiti energiju koju smo dobili za jačeg vjetra onda kada ga nema.
1.5.2 Faktro opterećenja Kako je brzina vjetra promjenjiva, godišnja proizvodnja jedne vjetroelektrane nikako nije zbir umnožaka nazivne snage generatora i broja sati u godini. Odnos stvarno proizvedene i teorijski najveće moguće proizvedene energije naziva se faktor opterećenja. Faktor opterećenja uglavnom iznosi 20 do 40% u najboljim slučajevima. Za razliku od termoelektrana kod kojih na faktor opterećenja najviše utiče cijena goriva i zanemarivo vrijeme za remont, kod vjetroelektrana faktor opterećenja ovisi o nepromjenjivom svojstvu vjetra, njegovoj prisutnosti. Što se tiče nuklearnih elektrana, cijena goriva je izuzetno niska tako da faktor opterećenja doseže, pa i prelazi 90%.
1.5.3 Nepredvidivost vjetra Električna energija dobivena iz energije vjetra varira iz sata u sat, dnevno i sezonski. Postoje i godišnje varijacije, ali nisu toliko značajne. S obzirom na to može se kratkoročno predvidjeti količina energije koju možemo dobiti. Poput drugih izvora električne energije, energija vjetra mora biti prema određenom rasporedu potrošnje. Zbog toga se koriste metode prognoziranja snage vjetra, ali predviđanje iznosa dobijene energije iz vjetra nije uvijek najpouzdanija metoda. Proizvodnja i potrošnja električne energije moraju biti podjednake kako bi mreža ostala jednoliko opterećena. Ova varijabilnosti može predstavljati izazov pri spajanju električne energije proizvedene vjetrom u mrežu. Intermitentnost i nepredvidiva priroda vjetra povećavaju troškove za regulaciju, podižu radnu zalihu, a pri visokoj prodornosti mogla bi dovesti do povećanja količine električne energije u sustavu što može prouzročiti probleme s preopterećenjem. Rješenje bi bilo skladištenje ili povezivanje mreže izmjenične struje visokonaponskim kablovima izmjenične struje. Energija vjetra može se zamijeniti drugim elektranama u razdobljima slabog vjetra. Mreže za prijenos energije već sada se moraju nositi sa zastojima proizvodnje i dnevnim promjenama električne potražnje. Sistemi s velikim kapacitetom za energiju vjetra bi trebali imati više rezerve (energenati koji rade na manje od maksimalnog opterećenja). Reverzibilne hidroelektrane ili drugi oblici skladištenja energije u mreži mogu pohraniti energiju dobivenu za vrijeme jakih vjetrova i pustiti ju kada je to potrebno. Pohranjena energija povećava ekonomsku vrijednost energije vjetra jer može zamijeniti velike troškove proizvodnje tijekom najveće potražnje. Potencijalni prihod može premašiti troškove i gubitke u pohrani. Trošak skladištenja može dodati 25% na cijenu pohranjene energije vjetra, ali nije predviđeno da se primjenjuje na veliki udio dobivene energije vjetra. Korisnosti od 75% i visoka cijena izgradnje takvih elektrana nisu problem jer je cijena za rad tih elektrana niska i mogućnost smanjenja bazne potrošnje može smanjiti cijenu goriva i ukupne troškove generiranja električne energije. U nekim regijama, max brzina vjetra ne može se poklopiti s vrhom potražnje električne energije. U državama kao što su: SAD-e, Kalifornija i Teksas, za vrijeme vrućih ljetnih dana brzine vjetra su niske, a potražnja električne energije visoka zbog masivnog korištenja klima uređaja. Neke komunalne tvrtke subvencioniraju kupnju geotermalnih toplinskih 14
pumpi svojim korisnicima, u svrhu smanjenja potrošnje električne energije tokom ljetnih mjeseci čineći korištenje klima uređaja i do 70% učinkovitijim. Druga mogućnost je da se međusobno raširena područja povežu u tzv. „Supermrežu“ visokovoltažnih kablovima za istosmjernu struju. U Velikoj Britaniji, potražnja za električnom energijom viša je zimi nego ljeti, proporcionalno brzini vjetra. Solarna energija teži da bude komplementarna energiji vjetra. Područja visokog tlaka zraka donose vedro nebo i slabije površinske vjetrove, dok su dani s nižim tlakom zraka pretežito vjetroviti i oblačni. To znači da je solarne energije obično najviše ljeti, dok je energije vjetra najviše zimi, te se tako dobijanje vjetra i sunčeva energija međusobno poništavaju. Kao i kod drugih izvora i proizvodnja električne energije iz vjetroelektrana mora biti isplanirana, no priroda vjetra to nikako ne omogućava, usprkos pomoći meteorologije.
1.5.4 Uticaj vjetra na okolinu Vjetroelektrane ne zahtijevaju potrošnju goriva za kontinuiran rad, nemaju nikakvu emisiju direktno vezanu uz proizvodnju struje. Vjetroelektrane ne proizvode ugljični dioksid, sumporov dioksid, živu, čestice, i mnoge druge vrste zagađenja zraka, kao što stvaraju fosilna goriva. Vjetroelektrane troše resurse samo u proizvodnji i izgradnji. Tjekom proizvodnje vjetroelektrane, čelik, beton, aluminij te drugi materijali, moraju se proizvesti i transportirati koristeći procese koji zahtijevaju mnogo energije. Pri tim procesima koriste fosilne izvore energije. Proizvođač vjetroelektrana Vestas, tvrdi da se početna emisija ugljičnog dioksida isplati u roku od otprilike devet mjeseci rada vjetroelektrana u blizini obale. Studija iz 2006. zaključila je da je emisija ugljikovog dioksida CO2 od vjetrovne energije između 14 do 33 tona po GWh proizvedene energije. Većina emisije CO2 dolazi od proizvodnje betona za temelje vjetroturbine. Studija Irske nacionalne mreže govori da "Proizvodnja električne energije iz vjetra smanjuje potrošnju fosilnih goriva te time smanjuje emisiju CO2", uočili su smanjenje u emisiji CO2 u razini od 0,33 do 0,59 tona CO2 po MWh. Studija UKERC-a o intermitentnosti također zaključuje da vjetrovna energija može zamijeniti proizvodnju baziranu na fosilnim gorivima, smanjujući i potrošnju goriva i emisiju ugljičnog dioksida. Ispitivanja pokazuju da vjetroelektrane imaju sve veću podršku medu ljudima. Tako 71% kućanstva u Europskoj Uniji daje svoju podršku za gradnju vjetroelektrana. Postotak potpore vjetroelektranama je još veći kod dijela kućanstva koje u blizini svog životnog prostora ima izgrađene vjetroelektrane. Vjetroelektrane su također odraz razvoja i brige neke zemlje za svoj okoliš, zrak, zdravlje i hranu, te kao takve stvaraju pozitivnu sliku o regiji u kojoj se nalaze.
1.5.4.1
Pozitivan uticaj 15
Prilikom rada vjetroenergetskih postrojenja ne dolazi ni do kakvih emisija ispušnih plinova ili krutih čestica, niti postoje drugi oblici zagađivanja okoliša koji karakteriziraju konvencionalne energetske objekte i nuklearne elektrane. Instaliranjem vjetroelektrana umjesto termoelektrana na fosilna goriva, sprječava se emisija ugljikovog dioksida CO2. Poznato je da su ugljikov dioksid CO2 i sumporov dioksid SO2 jedni od najvećih zagađivača našeg planeta koji stvaraju ozonske rupe, stakleničke plinove, kisele kiše, zagađuju vodu, povećavaju globalno zatopljenje i drugo. Ispod stubova vjetroelektrane mogu se obavljati poljoprivredni, stočarski i slični radovi kao i ispod visokonaponske mreže. Prednost vjetroelektrana je i u tome što se mogu smjestiti podjednako na neobradivim površinama, mor skoj pučini ili poljoprivrednom zemljištu, a posebnost što se prostor između stubova generatora i dalje može koristiti.
1.5.4.2
Negativan uticaj
Jedan od najvećeg problema je buka koju stvaraju vjetroelektrane prilikom vrtnje propelera i pogonskog mehanizma generatora koji je smješten u gondoli. Danas buka, sa sve savršenijim tehnološkim rješenjima zvučne izolacije je smanjena kao problem. Neki smatraju da visina stupova stvara ružan ugođaj i tako narušava izgled postojećeg okoliša gdje je smještena sama vjetroelektrana. U mnogim zemljama vjetroelektrane su turistička atrakcija, te se prema stepenu uređenosti i čistoće mogu mjeriti s nacionalnim parkovima. Samo jednu vjetroelektranu u Škotskoj (Vjetroelektrana Scroby Sands) godišnje posjeti preko 35 000 turista, a 90% ispitanih turista koji su posjetili tu škotsku vjetroelektranu izjavilo je kako su bili veoma zadovoljni izletom. Opasnost za ptice često je glavna zamjerka protiv gradnje vjetroelektrana. Međutim, studije procjenjuju da su vjetroelektrane odgovorne za 0,3 do 0,4 pogibelji ptica po gigawat-satu (GWh) struje, dok su elektrane na fosilna goriva odgovorne za oko 5,2 pogibelji po GWh.
1.6 Ograničenje izlazne snage i zaštita od preopterećenja Energija koja može biti preuzeta od vjetra ovisi o brzini vjetra. Poslje dostizanja nominalne snage, snaga vjetroagregata bi trebala ostati konstantna kod svih brzina vjetra večih od nominalne brzine zbog toga jer turbina i generator ne mogu podnjeti više energije. Zbog toga, vjetroelektrana mora limitirati snagu pomoću jedne od dvaju sljedećih metoda:
Metoda smanjenja brzine;
Metoda promjene ugla lopatica rotora.
1.6.1 Metoda smanjena brzine Metoda smanjenja brzine (engl. stall control) se bazira na efektu stvaranja vrtložnih struja, a time i smanjuje brzine kod velikih upadnih uglova koji se sami povećavaju pri povećanju brzine vjetra. Ovaj efekt uništava uzgon na površini zahvaćenoj ovim efektom, te na taj način limitira snagu koju vjetar prenosi na lopatice rotora. Kod ovoga načina zaštite 16
vjetrogeneratora lopatice rotora se ne pomiču, te ugao pod kojim su postavljene uvijek ostaje konstantan. Ovakav način zaštite vjetrogeneratora se realizira samom konstrukcijom rotora, te ne zahtjeva napredne tehničke sisteme za njezin rad. Negativna strana ovakvog načina zaštite vjetrogeneratora je u tome što ne omogućava nikakvo naknadno upravljanje zbog toga što je ovaj način zaštite isključivo pasivan. Maksimalnu snagu novodizajniranog rotora nije lako procijeniti zbog kompliciranog matematičkog proračuna strujanja fluida. Nakon dosizanja maksimalne snage, izlazna snaga generatora zaštićenog ovom metodom opada. Ovako zaštićeni sistemi moraju imati još dodatne aerodinamičke kočnice koje pomažu vjetrogeneratorima s ovakvim načinom zaštite da prežive oluje.
1.6.2 Metoda promijene ugla lopatica rotora Metoda promjene ugla lopatica rotora (engl. pitch control) se zasniva na zaštiti svojih vjetroagregata pomoću promjenjivog ugla lopatica rotora, iako je ovu metodu zaštite tehnički puno teže izvesti. Budući da je ova metoda zaštite aktivna metoda, ona se može prilagoditi različitim slovima. Zaštita metodom promjene ugla lopatica rotora automatski prilagođava ugao lopatica rotora, a samim time i upadni ugao, smanjujući ga ili povećavajući, ovisno o potrebama. Lopatice rotora se okreću u vjetar prilikom većih brzina vjetra, smanjujući upadni ugao i tako se aktivno smanjuje ulazna snaga na lopaticama rotora. Izrada ovako zaštićenih i kontroliranih vjetroagregata je složenija, zato jer lopatice rotora moraju biti pomično učvršćene na vrh osovine, i mora postojati još dodatni motor koji bi upravljao nagibom lopatica. Manji sistemi uobičajeno koriste mehanički kontroliran mehanizam promjene ugla lopatica rotora oslanjajući se nacentrifugalnu silu. Ako je vjetrogenerator kompletno isključen zbog zaštite od oluje i ako ima mogućnost zakretanja ugla lopatica rotora, mogu mu se lopatice rotora okrenuti u položaj pera (najmanja moguća silueta koja stoji na putu vjetra), te se tako smanjuje njegov otpor vjetru i mogućnost oštećenja. Sistem za praćenje vjetra (engl. yawing) može se svrstati u sisteme za povećanje iskoristivosti vjetrogeneratora i sisteme za zaštitu vjetroagregata s vodoravnom osi. Ovaj sistem radi na principu vodoravnog zakretanja vjetrogeneratora. Vjetroagregati s vodoravnom osom, za razliku od vjetroagregata s okomitom osom, moraju uvijek svojom orijentacijom pratiti smjer vjetra. Orijentacija lopatica rotora uvijek mora biti tako namještena da su lopatice rotora okrenute prema vjetru pod optimalnim uglom. Ovo može biti problem za vjetrogeneratore s promijenjivim uglom lopatica rotora ako su postavljene na mjestu gdje dolazi do vrlo brze promjene smjera vjetra zbog toga što može doći do velikih promjena u snazi o čemu se mora voditi računa prilikom vodoravnog zakretanja vjetroagregata i prema tome se korigovati brzina rotora. Za zakretanje vjetroagregata u vodoravnom smjeru cijelo kućište vjetrogeneratora s rotorom, prijenosom i generatorom mora biti pomično postavljeno na vrhu stuba. Sistem za mjerenje vjetra smješten na kućištu mjeri i izračunava brzinu i smjer vjetra i prema tim podatcima upravljački sistem odlučuje kada, za koliko i u kojem smijeru zaokrenuti kućište i rotor vjetrogeneratora. Kada kućište i rotor dođu u optimalni položaj pokreće se 17
vodoravna kočnica koja drži vjetrogenerator u tom položaju. U stvarnosti postoji uvijek malo odstupanje od smjera vjetra i optimalnog položaja rotora. To odstupanje uobičajno iznosi oko 5%. Slika 193.1 – Dijelovanje sila na lopatice
1.7 Dijelovi vjetroelektrane Svaka vjetroelektrana sastoji se od sljedećih dijelova: -
Vjetroagragat (jednog ili više); Transformator; Kontrolna soba; Energetska mreža.
1.7.1 Vjetroagregat Vjetroagregat je, kako je već navedeno, rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor električnog generatora nalaze na istom vratilu. Vjetroagregati koriste energiju vjetra, koja se ubraja u obnovljive izvore energije. Dijelovi vjetroagregata su: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Temelji; Priključak na elektroenergetski sistem; Stub; Ljestve za pristup; Zakretnik; Kućište stroja; Električni generator; Anemometar; Kočioni sistem; Slika 201.1 – Dijelovi vjetroagregata
10. Prijenosnik snage; 11. Lopatice rotora; 12. Sistem zakretanja lopatica; 13. Glavčina rotora. Postoji čitav niz podjela vjetroagregata, pa ih tako u ovisnosti prema nekim konstrukcijskim i radnim značajkama razvrstavamo po: -
položaju osa turbinskog kola: vjetroagregati s vodoravnom osi i okomitom osi; 18
-
omjeru brzine najudaljenije točke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne;
-
broju lopatica: višelopatične, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom;
-
veličini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne;
-
načinu pokretanja: samokretne i nesamokretne;
-
učinkovitosti pretvaranja energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko učinkovite;
-
načinu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.
-
1.7.1.1
Vjetroagregati sa okomitom (vertikalnom) osom rotacije
Vjetroagregati s okomitom osi su najstariji sistemi za iskorištavanje energije vjetra. Danas također postoje koncepti modernih vjetroagregata koji imaju okomit položaj osa. Negativna strana ove vrste vjetroagregata je manja iskoristivost od vjetroagregata u odnosu na one sa vodoravnom osom, a pozitivne strane su: -
vjetroagregat nema usmjerenja, ne mora biti usmjerena prema vjetru, pa ne trebaju dodatni uređaji za praćenje vjetra i okretanje vjetroturbine;
-
potreban je slabiji vjetar za njihov rad;
-
uređaji za kontrolu vjetroagregata i pretvorbu energije mogu biti smješteni na razini zemlje zbog okomite osi rotora;
-
jednostavnija struktura što olakšava i samo postavljanje.
Vrste vjetroagregata s okoitom osom su: -
Savoniusov rotor,
-
Darrieusov rotor,
-
H rotor,
-
Vjetrenjača s rotirajućim jedrima, itd.
19
Slika 211.1.1 – Vrste vjetroagregata sa okomitom osom
Savoniusov rotor radi na principu otpornog djelovanja koji kombinira s potiskom. Sastoji se od dvaju polucilindričnih lopatica koje su otvorene na suprotnim stranama. Blizu osi, lopatice se preklapaju tako da preusmjereni vjetar može strujati iz jedne lopatice u drugu. Ova vrsta rotora ima veću iskoristivost od rotora baziranih samo na otpornom djelovanju, ali manju od rotora primarno baziranih na potisku. Ovaj tip rotora ima prednost koja se bazira na tome da se mogu početi vrtjeti na malim brzinama vjetra, dok im je loša strana u tome što je potrebno puno materijala za njihovu izradu. Darrieusov rotor je 1929. konstruirao Francuz Georges Darrieus. Ova vrsta rotora se sastoji od dvije ili tri lopatice koje imaju oblik parabole. Profil rotorskih lopatica oblikom odgovara radu na principu potiska. Iskoristivost ovih rotora je puno veća od iskoristivosti Savonius-ovih rotora. Glavni nedostatak Darrieus-ovog rotora je u tome što ne može sam započeti rotaciju te zbog toga uvijek zahtjeva pomočni uređaj za pokretanje. Daljnjim razvojem Darrieusovog rotora razvijen je H rotor ili H – Darrieus-ov rotor. Ovaj rotor se još naziva i Heidelberg rotor po tvrtki Heidelberg Motor. Generator s permanentnim magnetom je integriran u samu strukturu rotora i ne zahtjeva sistem prijenosa.
20
1.7.1.2
Vjetroagregati s vodoravnom (horizontalnom) osom
Vjetroagregati s vodoravnom osi su danas najzastupljeniji tip vjetroturbina. Vjetroagregati su došli do vrlo visokog stepena tehničke razvijenosti i dosežu snage od nekolikomegawata, dok su vjetroagregati u 1980-tim godinama bili u rangu snage ispod 100 kW.
Slika 221.2.1 – Vjetroagregat sa vodoravnom osom rotacije
1.7.2 Električni generatori Turbinski dio vjetrenjače s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, čija je osnovna funkcija pogon generatora. Za pravilan i siguran rad vjetroagregata,generator mora ispunjavati određene zahtjeve kao što su: -
visok stepen iskoristivosti 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;
-
uležištenje generatora na način da osiguraju dugotrajnost.
Uzimajući u obzir nepogodne i promjenjive uvijete rada (povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i dr.) pred generatore se također postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. 21
Slika 232.1 – Vjetroagregat
Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. Tako se prema načinu rada generatori mogu podijeliti na generatore za: -
paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom;
-
samostalni rad;
-
spregnuti rad s drugim izvorima.
Prema vrsti električne struje koju generatori generiraju, generatori mogu biti: -
generatori istosmjerne struje (generatori istosmjerne struje se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju);
-
generatori izmjenične struje.
Prema načinu okretanja generatori mogu biti: -
generatori s promjenjivom brzinom okretanja i
-
generatori s nepromjenjivom brzinom okretanja.
Također postoji podjela prema veličini tj. snazi. Generatori s promjenjivom brzinom okretanja su: -
sinhroni ili asinhroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu;
-
asinhroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem; 22
-
asinhroni generator s nadsinhronom ili podsinhronom pretvaračkom kaskadom.
Generatori s nepromjenjivom brzinom okretanja su: -
vjetroturbina s asinhronim generatorom. Asinhroni generatori se najčešće priključuju na krute električne mreže. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska stabilnost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priključni uređaj kako bi se omogućilo početnu sinkronizaciju s mrežom;
-
vjetroturbina sa sinkronim generatorom. Upotrebljevaju se za spajanje na ne tako krute električne mreže, npr. kod spajanja na otočni električni sustav. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji će održavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu. Kod vjetroturbina nazivnih snaga većih od 500 kW naročito je izražena potreba za uključivanjem sustava za regulaciju ugla zakretanja elise propelera, što inače nije slučaj, pa tako da se spomenuti sustav ne izvodi u svim jedinicama.
-
2. Monitoring vjetroelektrana Monitoring je engleska riječ koja znači praćenje, kontrolisanje, mjerenje i te pojmove ćemo sretati u nastavku. Potreba za monitoring je višestruka, jer nam on omogućava da uvidimo stanje sistema, odkrijemo kvar, predvidimo količinu energije koju ćemo proizvesti, uticaj na okoliš i dr.
2.1 Monitoring brzine vjetra Poznavanje brzine i statistike vjetra ima osnovnu važnost za ocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra se povećava sa visinom iznad tla. Ukoliko vidimo da imamo velike, olujne, brzine onda pristupamo jednoj od metoda zaštite od preopterećenja navedenih u polavlju 1.6. Brzinu vjetra možemo računati pomeću SODAR-a i LIDAR-a. SODAR (engl. Sonic Detection And Ranging) radi na principu Dopplerovog efekta. SODAR omogućava mjerenje sve tri komponente vjetra do visine do 200m sa visinskom rezolucijom od 5 do 10 metara. Njegovo korištenje je od velike koristi prilikom određivanja vertikalnog profila vjetra i procjene vjetropotencijala pogotovo na kompleksnim terenima. Koristi se u kombinaciji sa mjernom opremom na 23
stubu u blizini. To je iz razloga što je često broj nedostajućih podataka kod SODAR-a i do15%. Zavisno od temperaturnog polja broj nedostajućih podataka brzo raste sa visinom, što je naročito izraženo kod brzina većih od 15m/s. Kao nedostaci se još mogu izdvojiti i velika potrošnja Slika 2.1.1 – SODAR energije kao i oštećenje prilikom transporta. SODAR također može da proizvodi zvukove koji nekada mogu da imaju negativan utjecaj na okolinu. LIDAR (engl. Light Detection And Ranging) radi na principu sličnom SODAR-u, sa razlikom što koristi svjetlosne zrake. Veoma je pogodan za određivanje vertikalnog profila vjetra, pogotovo na složenim konfiguracijama do visine 150m sa velikom tačnošću. Njegova osnovna prednost je velika preciznost, . Slika 2.1.2 – LIDAR dostupnost podataka, lagan transport i instalacija, ne troši puno energije kao i to da nema neželjenih utjecaja na okolinu. Nedostaci su mu što ne registruje vjetrove ispod 2 m/s, veoma je sporo downloadovanje podataka i visoka cijena.
2.2 Metereološki monitoring. Meteorologija ima veliki značaj u praćenju i planiranju rada vjetroelektrane. Sa metereologijom može u naprijed nekoliko dana, sedmica, pa čak i mjeseci procijeniti dobijanje električne energije i pripremiti naš elektro energetski sistem, u smislu zaštte od preopterećenja sistema. Ova metoda praćenja govori nam dali će doći do velikih oluja, koje dovode do preopterećenja vjetroagregata, tako da Slika 2.2.1 – Meterološko praćenje se može pistupiti mjerama zaštite od preopterećenja. Takođe nam omogućava planiranje radova na održavanju vjetroelektrane, odnosno vjetroagregata.
2.3 Monitoring u svrhu odkrivanja kvara na vjetroagregatu Kao u svim tehničkim industrijama, održavanje vjetroelektrane se može svrstati u tri veće grupe (s cijenama održavanja u dolarima po instaliranoj snazi izraženoj u kilovatima u jednoj godini): -
korekcijsko održavanje (rad do kvara) – 23 $/kW/god
-
preventivno održavanje (na osnovu vremena) – 17 $/kW/god
-
prediktivno održavanje (na osnovu stanja sustava) – 12 $/kW/god 24
Slika 2.3.1 –Usporedba korektivnogi preventivnog održavanja
Slika 2.3.2 –Održavanje sa obzirom na Cijenu i traženje optimuma
Praćenje stanja sistema je postupak u kojem se prati jedan ili više parametara i trend tokom vremena. Ti parametri moraju imati direktan odnos sa stanjem promatrane opreme. Na temelju nekih graničnih vrijednosti, utvrđenih analizom ili iskustvom, oprema će biti popravljena ili zamijenjena prije bilo kakvog stvarnog kvara. Najgori kvarovi u sistemima vjetroelektrana su oni koji su povezani s pokretnim dijelovima elektrane. Kvarovi na tim dijelovima najčešće uzrokuju i probleme pri radu ostalih komponenti sistema. Upravo iz tog razloga najčešći oblik održavanja praćenjem sistema je mjerenje vibracija pokretnih dijelova. Pod pokretne dijelove vjetroelektrane podrazumijeva se mehanički pogon, odnosno glavna osovina, prijenosnik, spojnik s generatorom i sam generator. Promatranjem amplituda vibracija, odnosno njihovih promjena, kod širokog spektra frekvencija, a i pojedinih frekvencija, iskusni analitičar može odrediti što se događa s elektranom. Za dodatne izvore podataka koriste se tehnologije za ispitivanje nivoa čestica u uzorku ulja te termografsko mjerenje temperature. Posljednji napredak tehnologije vezane za vjetroelektrane uključuju mjerenja naprezanja ugrađena u strukturalne elemente kao što su lopatice i stup, što omogućuje promatranje promjena u strukturalnim dinamičkim odzivima. U posljednje vrijeme proizvođači vjetroelektrana i opreme za vjetroelektrane ugrađuju sisteme za praćenje parametara koji se koriste za održavanje posmatranjem stanja sistema te ih povezuju sa SCADA-om i omogućavaju online praćenje. Sistemi za online praćenje omogućuje stalno praćenje nad ležajevima i prijenosnikom čime se trošenja i oštećenja detektiraju i lokaliziraju vrlo brzo. Uz kombinaciju s ugrađenim sistemom praćenja od strane proizvođača vjetroelektrane, ovakav sistem služi kao osnova za dugoročno upravljanje održavanjem. S profesionalnim analiziranjem podataka i procjenom sistema, održavanje se može planirati prema vjetrovitosti i zastojima, kao rezultat se ostvaruje smanjeno trošenje dijelova, cijena održavanja se također smanjuje te se postiže optimalna dostupnost sistema.
25
Slika 2.3.3 –SCADA sistem za praćenje vjetroagregata
Proces kojim sistem za posmatranje stanja pretvara fizikalna mjerenja u preporuku za djelovanje se razlikuje od proizvođača do proizvođača, postoji šest opštih stepeni procesa koje sistem slijedi, a to su: -
Prikupljanje podataka – pretvaranje fizikalnih veličina u analogna mjerenja koja se naknadno pretvaraju u digitalni format.
-
Obrada podataka – pretvaranje digitaliziranih mjerenja u indikatore koji nešto znače za „zdravlje“ promatranog elementa.
-
Detekcija – klasifikacija stanja indikatora kao „normalno“ ili „poremećaj“.
-
Dijagnoza – potvrđivanje kvara i traženje njegove lokacije i ozbiljnosti.
-
Prognoza – procjena koliko će pokvareni element izdržati prije nego ga treba zamijenit.
-
Preporuka.
Ovakav sistem praćenja se koristi zbog prednosti koje omogućuje: -
Povećava se raspoloživost vjetroelektrana jer su neplanirana gašenja izbjegnuta.
-
Veća kontrola vremena za servisiranje i popravke. Predviđanje kvarova omogućuje planiranje održavateljskih aktivnosti i naručivanje rezervnih dijelova. Također se održavanje može isplanirati za vrijeme malih vjetrova. 26
-
Smanjuje se cijena održavanja jer su izbjegnuti veliki kvarovi (ušteda u dijelovima,vremenu popravka i radnoj snazi ).
-
Dijagnoze su podržane prikupljenim podacima. U nekim slučajevima moguće je dijagnosticirati kvar samo analiziranjem podataka.
-
Osiguravajuće kuće nude povlaštene mogućnosti osiguranja gdje se koristi ova vrsta održavanja.
2.3.1. Analiza rezutata dobijenih monitoringom stanja sistema Kod analize podataka dobivenih posmatranjem stanja sistema treba voditi računa da nisu svi podaci jednako relevantni, nego postoji tzv. prioritet rizika. Prioritet rizika se određuje na temelju vremena zastoja u slučaju kvara i vjerojatnosti da će kvar nastupiti unatoč predviđanjima podataka. Svaki element ima različit vijek trajanja nakon predviđanja kvara, odnosno, ako podaci pokažu za dva elementa da postoji trošenje, neće oba elementa istovremeno otkazati. Stoga se s provodi analiza održavanja, određuje se koje elemente prvo sanirati. Tablica 2.3.1.1. prikazuje elemente elektrane s obzirom na vrijeme zastoja, vjerojatnost kvarova i prioritet rizika.
Lopatice elise
Kvar – potrebna zamjena
Vrlo velik (> 120h)
Vjerovatnost (kvarova po godini) Umjerena (> 0.1)
Zračna kočnica
Kvar
Vrlo mali (< 30h)
Vrlo mala (< 0.05)
Mehanička kočnica Glavna osovina / ležajevi
Kvar Kvar
Vrlo mali (< 30h) Velik (> 60h)
Umjerena (> 0.1) Mala (>0.05)
Umjeren
Prijenosnik
Kvar
Vrlo velik (> 120h)
Umjerena (> 0.1)
Visok
Generator
Kvar
Vrlo velik (> 120h)
Umjerena (> 0.1)
Visok
Zakretni sistem
Kvar
Mali (< 30h)
Umjerena (> 0.1)
Nizak
Elektronska kontrola
Kvar
Mali (< 30h)
Velika (> 0.4)
Umjeren
Hidraulika
Kvar
Vrlo mali (< 30h)
Umjerena (> 0.1)
Nizak
Elektroenergetski sisitem
Kvar
Vrlo velik (> 120h)
Vrlo velika (> 0.5)
Vrlo visok
Dijelovi vjetroelektrane
Rizik
Uticaj (vrijeme zastoja)
Prioritet rizika Visok Nizak Nizak
27
Sistem kontrole nagiba
Kvar
Vrlo mali (< 30h)
Umjerena (> 0.1)
Nizak
Tabela 2.3.1.1 –Klasifikacija kvarova
2.3.1.1. Analiza vibracija Analiza vibracija je najraširenija, dobro poznata, tehnologija za rotirajuće elemente praćene sistema održavanja. Također je i najučinkovitija metoda za rano otkrivanje i predviđanje kvarova u mehaničkoj opremi. Senzori se odabiru tako da se uzima u obzir frekvencijski raspon i radni uvjeti. Koriste se senzori položaja, brzine, akcelerometri, senzori emisije spektralne energije. Koristi se brza Fourierova transformacija za pretvanje signala iz vremenske domene u frekvencijsku. Budući da je riječ o tehnologiji za praćenje podsistema vjetroelektrane, koristi se na određenim elementima i njihovim sistemima elektrane, kao što su osovine, ležajevi, prijenosnici i lopatice. Ova tehnologija je podložna anomalijama i krivim informacijama zbog utjecaja okolnih vjetroagregataa u vjetroelektrani stoga je razvijen algoritam za automatsku provjeru signala vibracija u distribuiranom sistemu praćenja vjetroparka. Tehnologije za analizu vibracija se vrlo lako implementiraju u postojeće sisteme i opremu, a pružaju mogućnosti lakog otkrivanja pokvarenih komponenti.
Slika 2.3.1.1.1 –Analiza vibracija rotirajućih elemenata
2.3.1.2 Analiza ulja Analiza čestica u ulju pokazala se održiva u sistemima praćenja sistema za ranu detekciju kvarova i praćenja stanja u ležajevima i zupčanicima u prijenosniku vjetroelektrane. 80% problema u prijenosniku može se pripisati ležajevima koji postupno vode oštećenju zupčanika. Najčešće se ulje pumpa kroz elemente u zatvorenom sustavu, čestice od oštećenih zupčanika i ležajeva se zadržavaju u filteru. Količina krhotina i vrsta metala pokazuju stanje pojedine komponente sistema. Analiza ulja ima tri glavne svrhe: praćenje podmazivanja, praćenje kvalitete ulja i čuvanje komponenti sistema. U procesu analize ulja postoje šest testova koji se općenito koriste: -
Analiza viskoznosti;
-
Analiza oksidacija; 28
-
Analiza količine vode ili kiselina;
-
Analiza količine čestica;
-
Analiza trošenja elemenata;
-
Temperatura ulja.
Analiza ulja se provodi na dva načina: za vrijeme rada vjetroelektrane provodi se kontinuirano praćenje u realnom vremenu, a u vrijeme zastoja provodi se analiza uzorka ulja. Iako je analiza ulja jedina metoda za određivanje krhotina u prijenosniku ta metoda ima dva ograničenja. Prva je visoka cijena praćenja za vrijeme rada, a druga je nemogućnost praćenja kvarova izvan prijenosnika.
2.3.1.3 Ultrazvučna metoda Ultrazvučne metode se intezivno koriste za strukturale provjere stubova i lopatica vjetroelektrane. Koriste se tri različite metode: metoda odjeka (eng. puls-echo), metoda prozvučavanja ili transmisije (eng. through transmission), metoda rezonancije (eng. pitch- catch). Za ugrađivanje ovakve vrste praćenja treba provesti mjerenja sljedećih veličina: vrijeme kašnjenja, dužine, frekvencije, faznog ugla, amplitude, akustične impedancije i ugla refleksije vala. Ultrazvučno ispitivanje omogućuje određivanje lokacije i prirode kvara i ne ovisi o temperaturi i vlažnosti zraka što je velika prednost. Slika 2.3.1.3.1 –Ultrazvučno mjerenj
2.3.1.4 Termoviziska mjerenja Termovizijska mjerenja pružaju velike mogućnosti za dijagnostiku i aplikacije za praćenje u različitim opremama i mašinama, npr. ležajevi, prijenosnik, pogon, generator itd. Infracrvena termografija je prepoznata kao jedna od najraznolikijih i efektivniji alata za održavanje praćenjem sistema u vjetroelektranama. Ova tehnologija se zasniva na pretpostavci da svi radni dijelovi elektrane emitiraju toplinu, ako komponenta ne radi kako treba, njena temperatura poraste iznad nominalnih vrijednosti. Kao pobuda se koriste izvori infracrvenog zračenja i infracrvene kamere visoke rezolucije, a rezultati se u većini slučajeva predstavljaju grafički. Ova 29
tehnologija se danas koristi za periodične ručne preglede, a vrlo slabo u kontinuiranim praćenjima jer se temperatura polako povećava i ne može se koristiti Slika 2.3.1.4.1 – Termovizisko mjerenje u svrhe predviđanja stanja. Aktivna termovizija pripada ne destruktivnim metodama ispitivanja materijala.
2.3.1.5 Praćenje temperature Praćenje temperature pojedinih komponenti sistema je vrlo česta metoda praćenja stanja sistema. Kod vjetroelektrana, najčešće se prati temperatura ležajeva, ulja, namota generatora, itd. Na osnovu temperature kvarovi se mogu relativno lako otkriti, jer svaki element ima ograničenja temperature, odnosno temperaturno područje u kojem je dozvoljen rad. Ali, kao što je navedeno kod termografskih mjerenja, temperatura raste postupno i sporo, što često nije prihvatljivo za brzo određivanje kvarova. Također okolni elementi mogu uticati na temperaturu posmatranog elementa što umanjuje kvalitetu ove vrste praćenja, odnosno nije pametno koristiti praćenje temperature kao primarni izvor informacija za održavanje sistema
3.0 Priključak na elektroenergetski sistem S obzirom na priključak na elektroenergetski sistem vjetroelektrane mogu biti: - vjetroelektrane direktno priključene na mrežu i u izvedbi sa stalnom brzinom obrtanja - vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom ili djelomično promjenjivom brzinom obrtanja Vjetroelektrane direktno priključene na mrežu i u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje, mogu imati: - asinhroni generator - sinhroni generator
Slika 3.1 - Asinhroni generator sa konstantnom brzinom vrtnje
Asinhroni generatori se najčešće koriste kada je vjetroelektrana priključena na krutu mrežu. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska krutost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priključni uređaj kako bi se omogućilo početnu sinhronizaciju s mrežom. 30
Sinhroni generatori se najčešće primjenjuju za pretpostavljene uslova otočnog (samostalnog) pogona. Ovdje su potrebni uzbudni sistem i regulator brzine, koji će održavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu. Kod vjetroturbina nazivnih snaga većih od 500 kW naročito je izražena potreba za uključivanjem sistema za regulaciju ugla okretanja lopatica, što inače nije slučaj, tako da se spomenuti sistem ne izvodi u svim jedinicama.
Slika 3.2 - Sinhroni generator sa promjenjivom brzinom vrtnje
Vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom ili djelomično promjenjivom brzinom vrtnje mogu imati: -sinhroni ili asinhroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu -asinhroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem -asinhroni generator s nadsinhronom ili podsinhronom pretvaračkom kaskadom Svaki od navedenih sistema može, ali i ne mora, imati sistem za regulaciju ugla okretanja lopatica. U odnosu na vjetroelektrane u izvedbi sa stalnom brzinom okretanja, koje karakterizira jednostavnost i jeftinoća, vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom brzinom okretanja pružaju mogućnost veće proizvodnje električne energije, manjih mehaničkih naprezanja mehaničkih dijelova i ravnomjernije proizvodnje, manje ovisne o promjenama vjetra i njihanjima sistema. Vjetroelektrane s vjetroturbinama čiji je raspon nazivnih snaga između 50 kW i 1500 kW, najčešće su izvedene s asinkronim generatorom izravno priključenim na mrežu, dok je priključak sinkronog generatora na mrežu korišten kod nekih malih vjetroelektrana, koje su uglavnom u samostojećim sistemima.
31
4. ZAKLJUČAK Vjetroelektrane su izvor energije budućnosti. Razvijenije zemlje svijeta su shvatile njihov značaj i teže ka povećaju postotka električne energije dobijene energijom vjetra, a smanjenju postotak energije dobije fosilnim gorivima. Monitoring, praćenje vjetroelektrana je vrlo važna stavka pri radu jedne vjetroelektrane, stoga se toj oblasti pristupa sa velikom ozbiljnošći. Svaka vjetroelektrana ima kontrolnu sobu sa smjenskim inženjerima, koji vršte nepresta nadzor nad komponentama vjetroelektrane. Time smanjujemo mogućnos nepredviđenog kvara vjetroagrefata i zaštitu od preopterećenja. Zahvaljući razvoju tenologije sav monitoring se može obaviti iz jedne prostorije. Prikljuak na elektroenergetski sistem je vrlo važna stavka pri konstruisanju vjetroelektra. Izbor pravog tip priključka može osigurati stabilnu elektroenergetsku mrežu.
32
LITERATURA 1. https://hr.wikipedia.org 2. http://powerlab.fsb.hr/ 3. ''Održavanje vjetroelektrana na temelju promatranja stanja sustava''Stanislav Vezmar, Danijel Topić i Lajos Jozsa 4. http://www.cin.ba
33
