VETAR

Mašinski fakultet Beograd - DIPLOMSKI BSC

Vetroturbine


Diplomski rad iz Web projektovanja u mašinstvu

Tema: Vetroturbine

Mentor: Prof. Časlav Mitrović Student: Aleksandar Josifović 203/07

1


Vetroturbine

SADRŽAJ 1. Uvod 2. Princip konverzije energije vetra u električnu 3. Vetroturbina 4. Koncepti konverzije energije vetra u električnu 6. Izbor lokacije za postavljanje vetroagregata 7. Zaključak

3 5 7 17 23 28

Literatura

31

2


Vetroturbine

UVOD

Vetroturbine,poznatije kao vetrenjače koriste se već oko 1000 godina. Tokom 19. veka masovno su korišćene za pokretanje mlinova, strugara ili pumpi za vodu posebno u Holandji, Danskoj i SAD. Za njih je karakteristično da pretvaraju energiju kretanja vetra u energiju obrtnog kretanja, pa je neposredan ishod njihove funkcije vratilo koje se obrće i može pokretati neki radni uređaj. Koeficijent korisnog dejstva ovih mašina (tj. količnik energije proizvedene na obrtnom vratilu i energije koju vetar utroši na to obrtanje) ne može preći Betz-ovu teoretsku granicu od 16/27 ili u procentima 59,3%. Prema uzajamnom položaju obrtne ose rotora i pravca vetra koji ga pokreće, vetroturbine se dele na aksijalne (osa rotora uglavnom paralelna sa podlogom, tj. pravac vetra duž te ose) i radijalne (osa rotora uglavnom upravna na podlogu, tj. pravac vetra upravan na tu osu). Vetar predstavlja neiscrpan ekološki izvor energije čiji globalni potencijal višestruko prevazilazi svetske potrebe za električnom energijom. Oko 2% dozračene sunčeve energije se pretvori u vetar. Korišćenje energije vetra u proizvodnji električne energije je počelo da se razvija tridesetih godina dvadesetog veka i tada je počela izgradnja prvih vetroelektrana – postrojenja za elektromehaničku konverziju energije vetra. Proizvodnja električne energije iz vetra u to vreme je bila neefikasna, nepouzdana i skupa. Sa razvojem velikih hidroelektrana i termoelektrana vetroelektrane su brzo pale u zaborav. Velika energetska kriza sedamdesetih godina prošlog veka, a kasnije i sve ozbiljniji globalni ekološki problemi su doveli do renesanse vetroelektrana. Danas vetroenergetika predstavlja granu energetike koja se najbrže razvija, kako u pogledu tehnologije, tako i u pogledu porasta instalisanih vetroelektrana u svetu. Najveći doprinos razvoju moderne vetroenergetike dala je Danska u kojoj je industrija vetrogeneratora postala jedna od vodećih industrija.

3


Vetroturbine

VETAR Odakle dolazi energija vetra? Svi obnovljivi izvori energije (osim plime i geotermalne energije), pa ak i energije u fosilnim gorivima, na kraju dolazi od sunca. Sunce zrači 174.423.000.000.000 kilovat-časova energije na zemlju na sat. Drugim rečima, zemlja dobija 1,74 x 10 na 17ti vati snage. Oko 1 do 2 odsto energije koja dolazi od sunca se pretvara u energiju vetra. To je oko 50 do 100 puta više od energije koja se pretvara u biomase svih biljaka na Zemlji. Globalni i lokalni vetrovi Vetar kao oblik sunčeve energije predstavlja usmereno kretanje vazdušnih masa. Nastaje kao posledica razlika u atmosferskim pritiscima, koje su uzrokovane nejednakim zagrevanjem vazdušnih masa. Razlikuju se globalni i lokalni vetrovi. Globalni vetrovi su visinski. Nastaju kao posledica nejednakih zagrevanja vazdušnih masa u zemljinoj atmosferi. U zonama oko ekvatora vazduh se intenzivnije zagreva nego na polovima, gde je solarno zračenje manje zbog manjeg upadnog ugla. Ove razlike u temperaturi generišu vetrove. Topao vazduh sa ekvatora se diže uvis i struji ka severnom i južnom polu. Zato se u zonama oko ekvatora smanjuje atmosferski pritisak, te hladniji vazduh sa severa i juga struji ka ekvatoru, naravno na manjoj visini u odnosu na topli vazduh. Ovo kretanje vazdušnih masa se odvija na visinama od 1 km do 10 km i predstavlja globalne vetrove. Kada Zemlja ne bi rotirala, tople vazdušne mase, koje se uzdižu sa ekvatora bi stizale do severnog i južnog pola gde bi se hladile, ponirale i vraćale nazad. Međutim, zbog Zemljine rotacije, pri kretanju vazdušnih masa ka polovima na njih deluje i Koriolisova sila koja utiče na smerove strujanja vazduha. Osim toga ova sila na različitim geografskim širinama formira zone sa visokim i niskim vazdušnim pritiskom koje predstavljaju izvore i ponore globalnih vetrova. S obzirom da su globalni vetrovi visinski oni se ne mogu koristiti za pogon vetrogeneratora, ali ih treba poznavati jer utiču na vetrove u nižim slojevima atmosfere. Lokalni vetrovi predstavljaju kretanje vazdušnih masa u prizemnom sloju atmosfere. Nastaju zbog lokalnih razlika u atmosferskim pritiscima. Tipični lokalni vetrovi su morski i planinski vetrovi. Morski vetrovi nastaju usled razlike u temperaturama mora i kopna. Kopno se danju brže greje od mora, pa se topliji vazduh iznad kopna diže i stvara nizak pritisak iznad tla. Time se pokreće hladniji vazduh iznad mora ka kopnu. Noću, zbog bržeg hlađenja kopna, more postaje toplije, pa se menja smer vetra od kopna ka moru. U planinama, kao posledica zagrevanja sunčanih strana planine, nastaju strujanja koja su preko dana usmerena uz planinu, a noću menjaju smer. Na lokalne vetrove veliki uticaj ima reljef terena. S tim u vezi javlja se niz efekata lokalnog povećanja brzine vetra. Na primer, vetar je intenzivniji na vrhu brda nego u podnožju. Tunel efekat je ubrzavanje vetra između dva brda koja na vetar deluju kao prirodni levak. Efekat brda i efekat tunela mogu lokalno povećati brzinu vetra i do 30%, što višestruko povećava njegovu snagu. Osim ovih pozitivnih efekata, u graničnom površinskom sloju postoje različite prirodne i veštačke prepreke koje uzrokuju i negativne efekte smanjenja brzine vetra i pojavu turbulencija, što znatno utiče na kvalitet vetra kao primarnog energenta. 4


Vetroturbine

PRINCIP KONVERZIJE ENERGIJE VETRA U ELEKTRIČNU

Za vetroenergetiku su od posebnog interesa površinski vetrovi u prizemnom sloju atmosfere do visine od 200 m. U tom sloju se na pogodnim lokacijama postavljaju vetroagregati koji vrše konverziju energije vetra u električnu. Električna energija se isporučuje EES-u ili izolovanim potrošačima. Principska šema konverzije energije vetra u električnu u vetroagregatima, koji su priključeni na mrežu prikazana je na slici

Kinetička energija vetra se transformiše u mehaničku energiju pomoću vetroturbine. Brzinu obrtanja vetroturbine (koja iznosi nekoliko desetina obrtaja u minutu) obično je potrebno prilagoditi zahtevanoj brzini generatora. Zato se koristi mehanički reduktor. Električni generator (u daljem tekstu koristiće se termin vetrogenerator, po analogiji sa hidrogeneratorom i turbogeneratorom) može biti sinhroni ili indukcioni (asinhroni), pri čemu može raditi sa fiksnom ili promenljivom brzinom obrtanja. Generator se naponski prilagođava EES-u pomoću energetskog transformatora. šta pokreće rotor? Odgovor izgleda očigledan - vetar. Ali zapravo, to je malo komplikovanije nego da samo molekuli gasova iz vazduhu udaraju prednji deo sečiva rotora. Moderna tehnologija vetroturbina pozajmljuje tehnologiju iz aviona i helikoptera, kao i nekoliko naprednih trikova, jer vetroturbine zapravo rade u potpuno drugačijem okruženju, sa promenom brzine vetra i promenom pravca vetra.

Razlog zašto avion može da

leti

5


Vetroturbine

da je vazduh klizi duž gornje površine krila i kreće se brže nego na površini niže.To znači da će pritisak biti najniži na gornjoj površini. Ovo stvara podizanje, odnosno sila vuče na gore i omogućava avionu da leti.Podizanje je normalno na pravac vetra.

Aerodinamika vetroturbine: Usporenje brzine leta Aerodinamički profil smanjenja brzine, šta se dešava ako se avion nagne unazad u pokušaju da se popne brzo u nebo? Podizanje krila će se zaista povećati, i krilo će se unazad nagnuti, ali na slici možete videti da se sve iznenada na gornjoj površini lepi na površinu krila. Umesto vazduha oko kovitlaca u nepravilnim virovima (uslov koji je takođe poznat i kao turbulencije). Odjednom podizanje iz oblasti niskog pritiska na gornjoj površini krila nestaje.

Krilo aviona će naići na usporenje brzine, ako oblik krila sužava isključenje prebrzo, kako vazduh kreće duž glavnog pravca kretanja. (Samo krilo, naravno, ne menja svoj oblik, ali je ugao krila u odnosu na glavni pravac protoka vazduha (takođe poznat kao napadni ugao) .Primetiti da turbulencija nastaje na zadnjoj strani krila u odnosu na vazdušne struje. Usporenje može biti izazvano ako površina krila aviona - ili oštrice rotora vetroturbine nije potpuno glatka. Udubljenje u krilu ili oštici rotora, komad samolepljive trake može biti dovoljno da počne turbulencija na zadnjoj strani, čak i ako napadni ugao prilično mali.Dizajneri aviona očigledno pokušavaju da izbegnu prepreku po svaku cenu, jer avion bez aerodinamičnosti iz krila će pasti kao stena.

6


Vetroturbine

VETROTURBINA

Betroturbinа je mаšinа zа konverziju kinetičke energije vetrа u mehаničku energiju. Postoje rаzličite konstrukcije vetroturbinа. Cilj je dа se postigne što veći stepen iskorišćenjа i stаbilаn rаd u što širem opsegu brzinа. Postoje vetroturbine sа: 

vertikаlnom osovinom



horizontаlnom osovinom

Kod vetroturbina sa vertikalnom osovinom vetar struji normalno na osu rotacije, pa se one ne moraju usmeravati prema smeru duvanja vetra. Kod njih se generator postavlja u podnožje turbine, te nisu potrebni jaki tornjevi. Vertikalno vratilo ima Darriusova turbina. Ime je dobila po inženjeru George Darrius-u (patent iz 1931. god). Darrius-ova turbina se obično gradi sa dva ili tri luka. Vetroturbine sa vertikalnom osovinom generalno imaju nizak stepen iskorišćenja, pa se iz tog razloga danas praktično ne koriste za vetroagregate većih snaga. Vetroturbine sa horizontalnom osovinom mogu biti postavljene uz i niz vetar. Vetroturbine postavljene niz vetar se same prilagođavaju smeru vetra. Nedostatak im je što lopatice pri rotaciji prolaze kroz zavetrinu stuba, čime se stvaraju mehaničke vibracije i buka. Osim toga stub stvara i turbulencije što smanjuje efikasnost vetroturbine, pa se ovaj koncept ne koristi za veće snage. Moderne vetroturbine se grade sa horizontalnom osovinom koja ima sistem za zakretanje osovine u horizontalnoj ravni za praćenje promene smera vetra. Mogu imati različit broj lopatica, ali se za veće snage najčešće koriste tri lopatice jer daju najveći stepen iskorišćenja. Prečnik rotora (radnog kola ili elise) ovih turbina zavisi od snage i kreće se od 30 m za snagu od 300 kNJ do 115 m za snagu od 5 MW. vetroturbina se postavlja na vertikalni stub koji, u zavisnosti od prečnika rotora turbine, može biti visok i preko 100 m. Stub se najčešće gradi kao čelični konusni, a ređe kao čelično-rešetkasti. Horizontalne vetroturbine Većina tehnologije opisane na ovim stranicama se odnosi na horizontalne vetroturbine (HAVT, Horizontal Axis Wind Turbines).Razlog je jednostavan: sve mrežno povezane komercijalne vetroturbine danas su izgrađena sa propelerom rotora na horizontalnoj osi (tj. glavna horizontalna osovina).Svrha rotora, naravno, da konvertujete linearno kretanje vetra u rotacionu energiju koja se može koristiti za pogon generatora. Isti osnovni princip 7


Vetroturbine

se koristi u modernim vodenim turbinama, gde je protok vode paralelan sa osom rotacije sečiva turbine.

Vertikalne vetroturbine Kod klasičnih vodenica voda stiže pod pravim uglom (vertikalno) u odnosu na rotacionu osu (vratilo) vode točka. Vertikalne vetroturbine (VAVT, Vertical Axis Wind Turbines) su nešto kao vodenice u tom smislu. Samo jedna vertikalna vetroturbina koja nikada nije komercijalno proizvedena je Darrieus mašina, nazvana po francuskom inženjer Žorž Darrieus koji joj je patentirao dizajn u 1931. Darrieus Mašina odlikuje C-oblik lopatica rotora koje izgledaju pomalo kao žica za mućenje jaja. Najčešće je pravljena sa dve ili tri lopatice. Osnovne teorijske prednosti vertikalnih vetroturbina su: 

Možete postaviti generator, menjač itd na zemlju, toranj vam nije potreban



Nije potreban obrtni mehanizam za skretanje rotora u odnosu na vetar

Osnovni nedostaci su: 

Brzina vetra su veoma male blizu nivoa tla, tako da iako možete izbeći kulu, brzinama vetra će biti veoma male na donjem delu vašeg rotora



Ukupna efikasnost vertikalne vetroturbine nije impresivna



Mašina ne poseduje karakteristiku samo-pokretanja (npr. za Darrieus mašinu je potrebna početna sila pre nego što krene. Ovo je samo manji nedostatak za mrežu povezanih turbina, pošto, možete da koristite generator kao motora koji pokreće)



Mašine moraju imati žičanu podršku, a to je vrlo nepraktično u oblastima gusto rasporedjenih turbina



Zamena glavnog nosećeg ležaja rotora zahteva uklanjanje rotora i na horizontalno i na vertikalno osnim mašina. U slučaju ovog drugog, to znači kidanje cele mašine. (To je razlog zašto EOLE 4 na slici gore stoji neaktivan).

8


Vetroturbine

Tornjevi vetroturbina Kule od Cevastog čelika Većina velikih turbina na vetar se isporučuju u obliku tornjeva cevastog čelika, koji su proizvedeni u delovima 20-30 metara, sa prirubnicama na oba kraja, i postavlja se na mestu. Kule su konusne (tj. sa povećanjem prečnika ka bazi) u cilju povećanja snage očuvanja materijala u isto vreme.

Rešetkasta kula Nordek rešetkaste kule su proizvedene korišćenjem zavarenih čeličnih profila. Osnovna prednost rešetkaste kula je cena, jer rešetke kula zahteva upola manje materijala od cevastog tornja sa sličnim krutostima. Osnovna mana rešetke kula je njihov vizuelni izgled, (iako je to pitanje sporno). Bilo kako bilo, iz estetskih razloga rešetkaste kule su skoro nestali iz upotrebe za velike, moderne turbine na vetar.

Mnoge male vetroturbine se grade sa uskim polom kule koje podržavaju vrhovi kablova. Prednost je ušteda, a time i troškove. Nedostaci su otežan pristup oko kule što ih čini manje pogodnim u oblastima oko farmi. Konačno, ova vrsta kula je sklonija vandalizmu, i tako ugrožava opštu bezbednost. 9


Vetroturbine

Mehanička karakteristika vetroturbine Konverzija kinetičke energije vetra u obrtno kretanje turbine se vrši zahvaljujući aerodinamičkom profilu lopatica vetroturbine. Na slici prikazan je poprečni profil lopatice vetroturbine i označene su sile koje deluju na nju. Kao kod avionskih krila, lopatica turbine ima aerodinamički profil, te vazduh sa zadnje strane lopatice struji brže od vazduha sa prednje strane, gledano u smeru vetra. Usled razlike u brzinama strujanja vazduha javlja se razlika u pritiscima sa zadnje i prednje starne lopatice turbine, što uzrokuje uzgonsku silu, čija projekcija na ravan rotacije generiše obrtni moment. Pored ove sile, deluje i sila direktnog pritiska vetra na lopaticu ali je njen uticaj na obrtni moment mnogo manji. S obzirom da lopatica rotira, za sile koje deluju na lopaticu merodavna je brzina vetra (v) i obimna brzina (vt) posmatranog segmenta lopatice, odnosno relativna brzina vetra u odnosu na lopaticu turbine (vektorska suma obimne brzine lopatice sa (-) predznakom i brzine vetra). Svaki segment lopatice ima različitu brzinu (segmenti dalji od ose rotacije imaju veću obimnu brzinu), te se i relativna brzina vetra menja duž lopatice.

Idući od ose rotacije ka periferiji lopatice relativna brzina vetra se povećava a njen napadni ugao u odnosu na osu rotacije se smanjuje. Zato su lopatice vetroturbina uvijene duž aksijalne ose. Segmenti lopatice bliski osi rotacije imaju veliki ugao u odnosu na ravan rotacije, dok periferni segmenti imaju mali ugao u odnosu na ravan rotacije. Kada bi svi segmenti lopatice turbine imali isti i veliki ugao u odnosu na ravan rotacije, na perifernim delovima lopatice stvarao bi se negativan (kočioni) moment. Ovaj efekat se koristi za aerodinamičko kočenje vetroturbina pri velikim brzinama vetra, o čemu će biti reči kasnije. Na efikasnost vetroturbine utiču: laminarnost strujanja vetra, stanje površine lopatica, gustina, vlažnost i temperatura vazduha i drugi faktori. Zato se za oblikovanje lopatica vetroturbina koriste složeni matematički modeli a verifikacija 10


Vetroturbine

proračuna vrši se na fizičkim modelima u aerodinamičkim tunelima. Pri prolasku vetra kroz vetroturbinu jedan deo njegove kinetičke energije se predaje rotoru. Makroskopski gledano vetroturbina usporava vetar. Količina vazduha koja ulazi u vetroturbinu u stacionarnom režimu jednaka je količini vazduha koja iz nje izlazi. Izlazna brzina vazduha je manja od ulazne, te vazduh koji izlazi iz turbine zahvata presek većeg

prečnika. Ovaj efekat se naziva prelamanje vetra slika. U realnosti prelamanje vetra nastupa pre nego što vetar dođe do vetroturbine. Kako vetar prilazi vetroturbini pritisak ispred nje postepeno raste, jer se ona ponaša kao barijera koja je na putanji vetra. Strujnice vazduha usled toga počinju da se zakreću (prelamaju) težeći da ″obiđu″ vetroturbinu. Usled takvog opstrujavanja pritisak iza turbine naglo opada, a zatim postepeno raste do vrednosti koja odgovara atmosferskom pritisku. Energetski posmatrano vetroturbina oduzima energiju vetru koja je srazmerna razlici kinetičkih energija vetra pre i nakon prolaska kroz turbinu. Snaga kojom se vrši konverzija energije vetra, odnosno mehanička snaga Pmeh koju razvija vetroturbina na svom vratilu je:

Kod realnih vetroturbina maksimalan stepen iskorišćenja kreće se od 40 do 45%. Interesantno je uporediti stepen iskorišćenja snage Cp vetroturbine sa koeficijentom iskorišćenja hemijske energije uglja u termoelektranama, koji iznosi (30 — 40)%. Pri nekoj brzini vetra, promenom brzine obrtanja vetroturbine menja se upadni ugao relativne brzine vetra, te se menja sila uzgona i stepen iskorišćenja Cp. Obično se daje stepen iskorišćenja snage Cp u, koji predstavlja odnos obimne brzine vrha lopatice i brzine vetra (tip - speed – ratio). 11


Vetroturbine

Može se zaključiti da za neku brzinu vetra v postoji optimalna brzina obrtanja turbine pri kojoj je stepen iskorišćenja maksimalan. Odnosno, za svaku brzinu vetra postoji optimalna brzina obrtanja vetroturbine pri kojoj je stepen iskorišćenja najveći. Povezivanjem ovih maksimuma dobija se mehanička karakteristika vetroturbine. Pri promeni brzine vetra potrebno je menjati brzinu obrtanja rotora vetroturbine da bi se postigao režim sa najvećim stepenom iskorišćenja. Zato savremeni vetroagregati velikih snaga rade sa promenljivom brzinom obrtanja. Kada vetroturbina pokreće vetrogenerator kome se brzina ne može menjati, brzina obrtanja turbine se bira tako da stepen iskorišćenja bude najveći pri dominantnoj brzini vetra na mestu instalisanja vetroagregata. Zato vetroturbine vetroagregata manje snage imaju veću brzinu obrtanja. Optimalna vrednost parametra generalno je veća ako je broj lopatica turbine manji. Zato dvokraka i jednokraka turbina sa kontrategom imaju znatno veće radne brzine obrtanja u odnosu na trokraku turbinu iste nominalne snage, što nije dobro zbog većih mehaničkih naprezanja rotora i generisanja buke pri radu. Na slici dat je dijagram specifične snage vetra, vetroturbine i vetroagregata u funkciji brzine vetra. Dijagram odgovara principskoj šemi sa slike Na ordinati je specifična snaga po jedinici površine vetroturbine. Dijagram sa slici nije uzeo u obzir ograničenja po maksimalnoj snazi vetroagregata. Realni vetroagregati imaju ograničenja po maksimalnoj snazi, pa se dijagram snage realne vetroturbine samo u određenom opsegu brzina vetra poklapa sa datim dijagramom.

12


Vetroturbine

Sa slike vidi se da je specifična snaga vetra za najčešće brzine vetra relativno mala. Zato se grade velike vetroturbine da bi se postigle snage reda nekoliko MW. Najveća komercijalna vetroturbina razvija snagu od 5 MW. Prečnik rotora je 115 m. Veličina vetroturbina ograničava snagu vetroagregata. Stohastičnost vetra i mala gustina snage su najveće mane vetra kao primarnog izvora energije.

Upravljanje vetroturbinom Nije ekonomično projektovati vetroturbinu koja bi pri svim brzinama vetra imala maksimalan stepen iskorišćenja, jer se vetrovi velikih brzina (iznad 14 m/s) retko javljaju, pa bi vetroturbina za najčešće vetrove bila predimenzionisana. Pri velikim brzinama vetra (iznad 25 m/s) vetroturbina se iz sigurnosnih razloga zaustavlja. Projektovati vetroturbinu za rad pri velikim brzinama vetra je tehnički moguće ali je neekonomično. Vetroturbina ima i minimalnu radnu brzinu, jer pri malim brzinama vetra njen rad postaje neefikasan i nestabilan. Dakle, vetroagregat normalno radi u određenom opsegu brzine vetra. Taj opseg je definisan sa tri karakteristične brzine vetra za svaki vetroagregat:  minimalna radna brzina vetra vmin (cut-in wind speed) je brzina vetra pri kojoj vetroagregat počinje proizvodnju električne energije. Za brzine vetra vetroturbina je ukočena. Tipična vrednost brzine uključenja kod trokrakih vetroturbina je vmin = (2,5 - 3,5) m/s;  nominalna radna brzina vetra vn (nominal wind speed) je minimalna brzina vetra pri kojoj vetroagregat dostiže svoju nominalnu snagu. Nominalna brzina kod vetroagregata za manje vetrovite lokacije je vn = (10 - 13) m/s, a za vetrovite lokacije je vn = (14 - 17) m/s; 13


Vetroturbine

 maksimalna radna brzina vetra vmax (cut-out wind speed) je brzina vetra pri kojoj se vetroturbina zaustavlja. Brzina isključenja je obično vmax =25 m/s, mada postoje vetroagregati sa vmax 30 m/s. Vetroturbina je mehanički projektovana da u ukočenom stanju izdrži i ekstremno velike brzine vetra (survival wind speed) od (60 - 70) m/s.

S obzirom na oblik karakteristika snage naziva sekrivom vetroagregata. Ona je najvažnija karakteristika za korisnika vetroagregata, jer pokazuje koliku aktivnu snagu vetroagregat može razviti pri različitim brzinama vetra merenim na nivou osovine vetroturbine. Kriva vetroagregata je od strane proizvođača data za određenu gustinu, pritisak, temperaturu vazduha i nivo turbulentnosti vetra. Smatra se da vetar duva normalno na ravan rotacije rotora. Sa aspekta upravljanja vetroturbinom na karakteristici snage razlikuju se dve suštinski različite radne oblasti. U opsegu brzina vetra kod vetroturbina sa promenljivom brzinom obrtanja aktivna je upravljačka kontura. Pomoću anemometra meri se brzina vetra v i proračunava se optimalna brzina obrtanja turbine tako da stepen iskorišćenja turbine bude maksimalan. U opsegu brzina vmin vetroagregat prati krivu maksimalne snage turbine Pmehmax , slika . Promena brzine obrtanja turbine se vrši upravljanjem elektromagnetskim momentom vetrogeneratora kojeg pogoni vetroturbina. Problem kod ovakvog upravljanja je promena parametara vetra (gustina vazduha, turbulentnost, ...) koji menjaju mehaničku karakteristiku turbine i otežavaju pronalaženje optimalne brzine obrtanja turbine.

Razvijeni su algoritmi za numeričko određivanje optimalne brzine obrtanja turbine. Kada brzina vetra postane generator dostiže svoju nominalnu snagu. Pri daljem povećanju brzine vetra potrebno je smanjivati stepen iskorišćenja vetroturbine da se generator ne bi preopteretio. U ovom opsegu brzina vetra osnovni zahtev je smanjiti stepen iskorišćenja vetroturbine tako da joj snaga ostane bliska nominalnoj vrednosti. Realizacija kontrole u opsegu brzina vetra vrši se u okviru upravljačko — kontrolne petlje Pel – Pmeh. Na mrežnim priključcima vetrogeneratora meri se aktivna (Pel) i reaktivna snaga vetrogeneratora. Ako je Pel >Pn (uz pretpostavku da je faktor snage cosϕ =1) treba smanjiti stepen iskorišćenja 14


Vetroturbine

vetroturbine tako da snaga bude nominalna.

Postoje različiti načini regulacije snage vetroturbine: 





Konstrukcijom lopatica (Stall kontrola). Ovo je pasivni sistem regulacije snage vetroturbine. Postiže se konstrukcijom lopatica vetroturbine. Lopatice su tako konstruisane da pri brzinama vetra bliskim nominalnoj brzini vn napadni ugao vetra na određenom delu lopatica postane relativno veliki. Pri tom napadnom uglu struja vazduha se odvajaju od profila lopatice i započinje turbulencija, te sila uzgona slabi. Ovo se naziva stall efekat. Sa porastom brzine vetra, stall efekat postaje izraženiji i zahvata sve veći deo lopatice. Turbulencija smanjuje uzgonsku silu i snagu vetroturbine. Mana ovog načina regulacije snage je što on nije u potpunosti kontrolabilan, a karakteriše ga opadanje snage turbine ispod nominalne vrednosti nakon pojave stall efekta. Stall efekat se može pojaviti i pri nižim brzinama vetra od nominalne ako su lopatice vetroturbine zaprljane ili oštećene. Prednost ovog načina kontrole je jednostavnost i niska cena. Koristi se uglavnom kod vetroturbina sa konstantnom brzinom obrtanja. Zakretanjem lopatica (Pitch regulacija). Koristi se za vetroagregate veće snage sa promenljivom brzinom obrtanja. Lopatice vetroturbine zakreću se pomoću hidrauličnog servo motora. Opseg promene ugla lopatice ( pitch angle) je 0 do 35. Zakretanjem lopatica menja se napadni ugao vetra, te se menja uzgonska sila odnosno snaga vetroturbine. Zakretanje lopatica vetroturbine je analogno zakretanju lopatica obrtnog kola kod Kaplanovih hidroturbina. Zakretanjem lopatica pri pokretanju vetroturbine podešava se napadni ugao vetra tako da se ostigne najveći polazni moment. Prednost ovakve regulacije je ontrolabilnost a mana jesložen mehanizam i visoka cena. Zakretanjem i konstrukcijom lopatica (aktivna stall regulacija). Ovo je kombinacija prethodna dva načina regulacije pa se naziva Combi Stall regulacija. Kod ovog sistema opseg promene ugla zakretanja je mali. Cilj je da se eliminišu negativni efekti stall regulacije. Ovaj i prethodni sistem regulacije štiti vetroagregat u slučajevima neplaniranog isključenja sa mreže ili kratkog spoja u mreži pri jakom vetru. U takvim slučajevima dolazi do rasterećenja vetrogeneratora i povećanja brzine obrtanja vetroagregata. Usled velikih centrifugalnih sila može doći do havarije.

Pri brzinama vetra većim od maksimalne radne vetroagregat se iz siguronosnih razloga zaustavlja i održava u zakočenom stanju pomoću hidraulične disk kočnice koja je smeštena na visokobrzinskoj (generatorskoj) osovini.

15


Konstrukcija vetroagregata

16

Vetroturbine


Vetroturbine

KONCEPTI KONVERZIJE ENERGIJE VETRA U ELEKTRIČNU Osnovni problem pri konverziji energije vetra u električnu je obezbeđenje pouzdanog i efikasnog rada vetrogeneratora pri promenljivoj snazi vetra. Efikasan rad vetroagregata zahteva prilagođavanje vetroturbine brzini vetra tako da se ostvari maksimalan stepen iskorišćenja uz zadovoljenje električnih i mehaničkih ograničenja. Pri velikim varijacijama brzine vetra, javlja se problem nestabilnog rada vetroagregata ali i električnih veličina koje on generiše (naponski flikeri - propadi napona, nivo harmonika i slično). Zato se u vetroagregatima ne mogu koristiti standardni sinhroni generatori i standardni sistemi upravljanja i regulacije kakvi se primenjuju u hidro i termoelektranama gde je moguće planirati snagu agregata. Kod savremenih vetroagregata koristi se više vrsta vetrogeneratora. Vetrogeneratori mogu biti sa stalnom ili promenljivom brzinom obrtanja. Takođe mogu biti direktno priključeni na mrežu ili preko AC-DC-AC konvertora. Vetrogenerator sa stalnom brzinom obrtanja je indukcioni (asinhroni) generator sa kratkospojenim rotorom. Vetrogenerator sa promenljivom brzinom obrtanja je dvostrano napajan indukcioni (asinhroni) generator ili sinhroni mnogopolni (sporohodni) generator sa stalnim magnetima. Vetroagregat sa indukcionim kaveznim vetrogeneratorom

Kod vetroagregata sa asinhronim kaveznim vetrogeneratorom nije moguće menjati brzinu obrtanja vetroturbine, što je mana ovih agregata. Zbog krutosti karakteristike (moment-brzina) asinhrone mašine, radi se sa brzinama koje se neznatno razlikuju od sinhrone brzine koju diktira mreža na koju je vetrogenerator priključen. Ovaj nedostatak delimično se ublažava izradom dvostrukog statorskog namotaja (kao kod motora za veš mašinu). Namot projektovan za manju snagu ima veći broj pari polova (3 ili 4). Namot za 17


Vetroturbine

nominalnu snagu ima manji broj pari polova (tipično 2 ili 3). Na ovaj način se povećava stepen iskorišćenja vetroagregata. Na priključke statora vezuje se uređaj za ograničenje polazne struje i momenta indukcione mašine, tzv. soft starter. On štiti turbinu i reduktor od udarnog momenta i ograničava struju polaska pri priključenju vetrogeneratora na mrežu. Nakon postizanja radne brzine soft starter se kratko prespaja i generator radi direktno povezan na mrežu. Kavezna asinhrona mašina troši reaktivnu energiju, pa se kod ovakvih vetrogeneratora vrši kompenzacija reaktivne energije pomoću baterija kondenzatora. Vetroagregat sa asinhronim kaveznim vetrogeneratorom nije pogodan za lokacije sa udarnim vetrovima, jer se zbog krutosti mehaničke karakteristike vetrogeneratora obrtni moment vetroturbine oštro prenosi na vratilo te može doći do oštećenja zupčanika u reduktoru. Takođe, u slučaju kvara u električnoj mreži, vetrogenerator lako gubi stabilnost zbog povećanja brzine obrtanja iznad prevalne. Ovakav vetroagregat nije pogodan za priključak na slabu distributivnu mrežu zbog velikih varijacija snage koje uzrokoju pojavu naponskih flikera. Prednost ovog vetroagregata je u ceni, jer se koristi jeftina i robusna indukciona mašina koja se direktno vezuje na mrežu. Vetroturbina se kod ovakvih vetroagregata reguliše oblikovanjem lopatica ili kombinacijom zakretanja i oblikovanja lopatica. Regulacija samo zakretanjem lopatica nije uobičajena. Ovaj tip vetroagregata zastupljen je kod danskih proizvođača. Koristi se za nazivne snage do 2 MW i naziva se ″Danski koncept″. Vetroagregat sa vetrogeneratorom

indukcionom

mašinom

sa

namotanim

rotorom

kao

Ovakav vetroagregat je sličan ″Danskom konceptu″. Razlika je u primeni namotanog rotora i rotorskog otpornika koji se napaja preko kontrolisane trofazne usmerače. Na ovaj način može se u užem opsegu menjati brzina asinhronog generatora promenom karakteristike moment-brzina. Ovakav vetroagregat spada u grupu sa delimično promenljivom brzinom obrtanja.

18


Vetroturbine

Pomoću regulisane usmerače vrši se dinamička promena otpornosti u rotorskom kolu, čime se menja nagib mehaničke karakteristike, odnosno radon klizanje asinhrone mašine. Nominalna snaga ovakvih vetroagregata ne prelazi 1¸8 WJ, a vetroturbina se reguliše zakretanjem lopatica. Nedostatak je velika disipacija snage u rotorskom otporniku i mali opseg promene brzine. I u ovom slučaju je potrebna kompenzacija reaktivne energije. Vetroagregat sa vetrogeneratorom-dvostrano napajanom indukcionom mašinom Ovakav vetrogenerator najčešće se koristi kod vetroagregata velike snage. Omogućava promenu brzine agregata u širokom opsegu oko sinhrone brzine, te obezbeđuje visok stepen iskorišćenja vetroturbine u širokom opsegu brzina vetra. Opseg promene brzine vetroturbine je od 10 do 25 obr/min, pa je za prilagođenje brzini obrtanja generatora, kao i u prethodnim slučajevima potreban mehanički reduktor. Principska šema vetroagregata sa vetrogeneratorom-dvostrano napajanom indukcionom mašinom data je na slici

19


Vetroturbine

Statorski namot je direktno priključen na mrežu, a rotorski namot je preko kliznih prstenova, pretvaračke grupe invertor-ispravljač i transformatora priključen na mrežu. Promena aktivne i reaktivne snage generatora vrši se promenom frekvencije i faze struje kojom se napaja rotorski namotaj. Mašina može raditi u širokom opsegu brzina i u nadsinhronom i u podsinhronom režimu, što omogućava potpuno prilagođavanje brzine obrtanja vetroagregata brzini vetra. Kada mašina radi u nadsinhronom režimu i rotor i stator odaju aktivnu snagu mreži, dok je u podsinhronom režimu tok aktivne snage u rotorskom kolu od mreže ka rotoru. Snaga koja se prenosi kroz invertor je proporcionalna odstupanju brzine od sinhrone brzine (koju diktira mreža). Snaga pretvarača je obično oko (20-30)% nominalne snage vetrogeneratora. Dvostrano napajana indukciona mašina može generisati i reaktivnu energiju, ali je obično vetrogenerator projektovan da radi sa faktorom snage cosϕ =1, jer generisanje reaktivne energije dodatno strujno opterećuje konvertor u rotorskom kolu. Ipak, u koliko je potrebno stabilisati napone u distributivnoj mreži, vetrogenerator može na račun smanjenja aktivne snage generisati reaktivnu snagu, odnosno raditi u kapacitivnom režimu. Dvostrano napajana indukciona mašina se ugrađuje u vetroagregate najvećih snaga, u one koji su projektovani za rad na kopnu ( onshore), tako i u modele za priobalne morske pojase (offshore). Najveću offshore vetroelektranu Horns Rev na zapadnoj obali Danske čini 80 vetroagregata snage 2 MW sa dvostrano napajanim indukcionim mašinama. Ovakvi vetroagregati imaju veći stepen iskorišćenja, mogu generisati reaktivnu snagu, manja su im udarna mehanička naprezanja, jer je karakteristika generatora adaptivna, rade stabilnije i generišu manju buku. Nedostaci su: relativno visoka cena zbog energetske elektronike, osetljiviji su na atmosferske prenapone (IGBT tranzistori), povećani gubici u generatoru, generišu više harmonike. Ograničavajući faktor kod vetroagregata najvećih snaga je reduktor koji trpi velika naprezanja. Eksperimentiše se sa dvostrano napajanom indukcionom mašinom sa dvostrukim namotom na statoru i kratkospojenim rotorom ( Doubly Fed Twin Stator Induction Machine). Jedan namot služi za upravljanje, a preko drugog namota se generiše aktivna i reaktivna snaga. Prednost ovakve mašine je robusnost, jer ne postoje klizni prstenovi na rotoru. Međutim, ovaj concept je još uvek u fazi razvoja. 20


Vetroagregat sa vetrogeneratorom-mnogopolnom permanentnim magnetima

Vetroturbine

sinhronom

mašinom sa

Osnovni nedostatak do sada prikazanih vetroagregata je korišćenje reduktora između turbine i generatora. Ova mana je izbegnuta kod koncepta sa sporohodnim višepolnim sinhronim generatorom sa permanentnim magnetima koji se direktno povezuje sa vetroturbinom. Principska šema ovog vetroagregata prikazana je na slici

Vetrogenerator radi sa promenljivim brzinama, te mora biti frekvencijski raspregnut od mreže, što se postiže AC-DC-AC pretvaračima. Snaga i brzina vetroturbine reguliše se zakretanjem lopatica rotora. AC- DC-AC pretvarači moraju imati snagu vetrogeneratora, što je mana ovog koncepta. Zbog ograničenja snage konvertora, vetrogenerator je projektovan da radi sa nominalnom snagom uz faktor snage cosϕ =1, ali je moguće na račun smanjenja aktivne snage generisati reaktivnu snagu kada je to potrebno. Vetroagregati sa sporohodnim sinhronim vetrogeneratorima koriste se i za agregate malih snaga (300 kW), ali i za vetroagregate najvećih snaga. Nemački proizvođač vetroturbina Enercon proizvodi vetroagregate sa sporohodnim sinhronim vetrogeneratorima. Ovaj proizvođač nudi vetroagregat nominalne snage 4,5 MW, sa vetroturbinom prečnika 114 m i nosećim stubom visine 124 m. Radni opseg brzina vetra za ovu turbinu je (2,5 do 34)m/s. Brzina obrtanja rotora vetroturbine je (8 do 13) obr./min, pri čemu periferna brzina vrha lopatice dostiže brzinu od 270 km/h. Vetroagregat sa sporohodnim sinhronim vetrogeneratorom ima slične karakteristike kao vetroagregat sa vetrogeneratorom-dvostrano napajanom indukcionom 21


Vetroturbine

mašinom. Mana mu je visoka cena, zbog korišćenja nestandardne mašine i konvertora velike snage. Zbog velikog broja polova, generator ima veliku masu i prečnik. Prednost u odnosu na prethodna rešenja je direktno sprezanje vetrogeneratora sa vetroturbinom, odnosno nema reduktora. Poređenje karakteristika različitih vrsta vetroagregata u realnim uslovima Radi poređenja karakteristika generisanja aktivne snage različitih tipova vetrogeneratora, u uslovima stohastičke promene brzine vetra, na slici. su dati rezultati simulacije rada vetroturbine koja pogoni različite vetrogeneratore.

Oznake na slici se odnose na:  Vetrogenerator-indukcioni generator sa kratkospojenim rotorom direktno priključen na mrežu. Turbina regulisana konstrukcijom (stall regulacija).  Vetrogenerator-dvostrano napajani indukcioni generator sa promenljivom brzinom obrtanja.Turbina regulisana zakretanjem lopatica (pitch regulacija).  Vetrogenerator-sinhroni sporohodni generator sa permanentnim magnetima. Turbina regulisana zakretanjem lopatica Vidi se da vetroagregati sa promenljivom brzinom obrtanja i zakretanjem lopatica vetroturbine generišu manje promenljivu aktivnu snagu nego vetroagregati sa indukcionom mašinom sa kratkospojenim rotorom. 22


Vetroturbine

IZBOR LOKACIJE ZA POSTAVLJANJE VETROAGREGATA

Izbor lokacije za postavljanje vetroagregata je najvažnija faza pri planiranju izgradnje vetroelektrane. Najbitniji parametar pri analizi pogodnosti lokacije za postavljanje vetroagregata je brzina vetra. U početnoj fazi određivanja lokacije najčešće se raspolaže samo sa meteorološkim podacima. Na osnovu tih podataka, odnosno srednjih godišnjih brzina vetra, potrebno je izdvojiti regione u kojima postoje potencijalno pogodne mikrolokacije za postavljanje vetroagregata. Od interesa su lokacije u kojima je srednja godišnja brzina vetra merena na 10 m iznad tla (standardna visina na koju se postavljaju anemometri u hidrometeorološkim stanicama) vsr≥ 5 m/s. Na osnovu konfiguracije terena, preliminarnih merenja i konsultacija sa meteorolozima treba odabrati mikrolokacije na kojima se moraju izvršiti namenska merenja parametara vetra. Na osnovu ovih merenja, sa odgovarajućom opremom, jedino se mogu pouzdano proceniti energetski resursi vetra. Postoje različiti sistemi za merenje relevantnih parametara za estimaciju resursa vetra. Na slici prikazana je konfiguracija sistema za merenje resursa vetra radi procene pogodnosti lokacije za postavljanje vetroagregata. Broj anemometara i merača pravca vetra zavisi od visine mernog stuba, minimalan broj je 2. NJihova kalibracija i montiranje na merni stub je definisano IEC standardom 61400-12. Od velike važnosti je da instrumenti budu pouzdani i da imaju veliku klasu tačnosti. Greška od 10% u merenju brzine vetra se, shodno relaciji odražava sa greškom od preko 30% u proračunu snage vetra. Merenje se mora sprovoditi kontinualno najmanje jednu godinu. Poželjno je da se sprovede veći broj celih godina. Uz merni sistem koristi se softver za obradu merenih veličina. Na osnovu izmerenih veličina za svaku visinu anemometra daje se za posmatrani interval vremena grafički prikaz pravca, brzine i snage vetra u vidu tzv. ruže vetrova. Ruža vetrova se najčešće crta u polarnom koordinatnom sistemu. Ceo horizont od (360) podeli se na 12 sektora od 30. Za svaki sektor se nanosi procentualna učestanost pojavljivanja vetra određene brzine (procenti su definisani u odnosu na posmatrani vremenski interval za koji se crta ruža vetrova). Osim toga, za svaki sektor se crta i proizvod srednje brzine vetra i procentualne učestanosti pojavljivanja vetra u tom segmentu. Na karaju se za svaki sector grafički prikazuje koliko procentualnao od ukupne energije vetra je sadržano u vetrovima čiji smer pripada datom segmentu. Najpogodnije su lokacije koje imaju izražen dominantan pravac brzine vetra (ruža vetrova je spljoštena). 23


Vetroturbine

Ako se softveru zada i karakteristika snage i visina stuba vetroagregata on estimira i histogram električne energije koju bi proizveo odabrani vetroagregat na toj lokaciji. Većina softvera podrazumeva laminarno strujanje vazduha. Ukoliko postoje vrtlozi, ili izražena rafalnost vetra, za pouzdanu estimaciju proizvodnje električne energije potrebno je konsultovati proizvođača vetroagregata. Većim brojem anemometara i merača pravca na različitim visinama utvrđuje se eventualno vrtložno strujanje i visinski profil brzine vetra. Usled trenja vazduha o tlo i unutrašnjeg viskoznog trenja, brzina vetra raste sa povećanjem visine. Na profil brzine vetra utiče hrapavost terena, prisustvo prirodnih i veštačkih prepreka kao i drugi elementi reljefa. Ovi parametri se razlikuju od lokacije do lokacije, te je i profil brzine različit za različite lokacije. Hrapavost terena se razlikuje za različite pravce duvanja vetra pa je potrebno za svaki segment ruže vetrova definisati hrapavost, odnosno ružu hrapavosti. Postoji više modela koji opisuju visinski profil brzine vetra. Najčešće se koristi logaritamska zavisnost brzine vetra od visine, data relacijom:

24


Vetroturbine

Dakle, uticaj hrapavosti terena na visinski profil brzine vetra se definiše parametrom z0. Parametar z0 predstavlja visinu na kojoj je brzina vetra jednaka 0. Parametar z0 se za određeni teren određuje na osnovu klase hrapavosti terena. U tabeli je prikazana najčešće korišćena klasifikacija terena prema klasi hrapavosti. Parametar hrapavosti se najpouzdanije može odrediti ako za datu lokaciju postoje merenja na različitim visinama, z1 i z2. Tada se, prema slici, z0 može odrediti računski:

Ako se na analiziranoj lokaciji planira gradnja veće vetroelektrane moraju se vršiti merenja u više tačaka. Broj mernih tačaka zavisi od složenosti konfiguracije terena. Izmereni podaci i odgovarajuće ruže hrapavosti se obrađuju u posebnom softveru, koji određuje optimalne pozicije vetroagregata u okviru vetroelektrane.

25


Vetroturbine

Ako je za neku lokaciju poznata samo srednja godišnja brzina vetra, raspodela učestanosti pojavljivanja vetra neke brzine podleže Weibull-ovoj raspodeli. Koristeći Weibull-ovu raspodelu brzina vetra i karakteristike vetroagregata, može se pomoću jednačine grubo proceniti električna energije E koju na godišnjem nivou može proizvesti vetroagregat po jedinici površine vetroturbine.

Električna energija proizvedena u vetroagregatu po ceni je konkurentna energiji iz konvencionalnih elektrana ako je godišnja proizvodnja po jedinici površine vetroturbine 1100 kWh/m2/god, što prema relaciji jednačine odgovara srednjoj godišnjoj brzini vetra vsr = 7 m/s. Prosečan vetroagregat u Evropi proizvodi oko (900-1000) kWh/m2/god, pa je cena električne energije iz prosečnog vetroagregata za (20 do 30)% veća u odnosu na cenu električne energije iz prosečne konvencionalne elektrane. Pored vetrovitosti, pri izboru lokacije vetroagregata mora se voditi računa i o drugim bitnim elementima, kao što su postojeća elektroenergetska, putna i telekomunokaciona mreža. Treba voditi računa i o vizuelnom uklapanju vetroagregata i buci koju oni stvaraju pri radu, što je bitno kada je lokacija u blizini naselja. U Srbiji nisu izvršena sistematska merenja i istraživanja vetroenergetskog potencijala, tako da se o perspektivama razvoja vetroenergetike u našoj zemlji može govoriti tek nakon pouzdanog utvrđivanja resursa vetra.

Sredinom osаmdesetih, bilo je više istrаživаčkih projekаtа u oblаsti novih i obnovljivih izvorа energije. Među njimа i vetroenergetike. Septembrа 1987, nа sаvetovаnju o proizvodnji električne energije u okviru strаtegije rаzvojа energetike, dostа pаžnje bilo je posvećeno аlternаtivnim izvorimа.

26


Vetroturbine

Poznаto je dа su u nаšoj zemlji potencionаlni lokаliteti zа rаzvoj vetroenergetike plаninski venci istočne Srbije, Bojvodinа, plаninske zаrаvni u centrаlnoj Srbiji i doline Dunаvа, Sаve i Morаve. Ovа područijа su ideаlno mesto zа izgrаdnju vetro pаrkovа, jer prosečnа brzinа vetrа prelаzi 6 m/s, а kvаlitet istog spаdа među nаjbolje u Evropi, što je premа iskustvimа zemаljа (Holаndijа, Nemаčkа, Špаnijа, Portugаl, itd.) kojа se bаve već duže od 20 godinа ovom oblаšću, više nego dobrа investicijа. Trenutno se vrše sistemаtskа merenjа vetroenergetskih potencijаlа nа više lokаcijа u Vojvodini, nа desnim obаlаmа Sаve i Dunаvа, а nаjdаlje se otišlo sа merenjimа u Bаnаtu, Blаsini, Stаroj plаinini i Crnom Vrhu.

27


Vetroturbine

WEB INTERPRETACIJA

Kao postavljen zadatak bio je proračun optimalnosti postavljanja vetroturbina na lokalitetima u okviru Evrope. Izabran je odredjen broj lokacija i odredjeni broj vetroturbina. Kao glavni zadatak je pokazivanje izlazne energije i izlazne energije na godišnjem nivou. Iz datih rezultata se vrši proračun o ekonomskoj isplativosti ulaganja u postavljenje vetroagregata na dato mesto. Program se nalazi na sajtu www.aleksandardiplomski.comeze.com. Na sajtu postoji i prijava korisnika. Za ovaj rad dati su probno korisničko ime i šifra.

28


Vetroturbine

Nakon prijave korisnika otvara se sledeća stranica. Sa leve se strane se nalazi meni, pogledati sliku ispod.

Na linku dokumentacija možete naci sve informacije i programe korišćene u izradi ovog rada. To su : XAMPP, CMS - Joomla, Skripte i Literatura.

29


Vetroturbine

Baza radi na sledećem principu, lokacija i turbina se biraju iz padajućih menija, slika ispod.

Klikom na dugme Search dobijamo tražene rezultate, i to:    

Izlazna snaga [W/m2] Izlazna energija [kWh/m2/god] Izlazna energija [kWh/god] Faktor kapaciteta

PRIMER Za primer možemo uzeti kao lokaciju Berlin i turbinu Neg Micon 2000/72 :

30

Mašinski fakultet Beograd - DIPLOMSKI BSC Ulazni podaci za turbine su:     

Snaga [kW] Min radna brzina [m/s ] Max radna brzina [m/s ] Prečnik [m] Visina glavčine [m]

Ulazni podaci za lokaciju su:      

Temperatura [°C] Pritisak [kPa] Weibul parametar Brzina vetra [m/s] Srednja vrednost Weibull Visina [m]

Izlazni rezultati za lokaciju Berlin i turbinu Neg Micon 2000/72 :

31

Vetroturbine


Vetroturbine

Za izradu ovog sajta korišćeni su sledeće web lokacije:

Dodatne o resursima korišćenim u izradi ovog sajta možete naći u odeljku Dokumentacija. U ovom odeljku se takodje nalazi i poslednja verzija ovog Diplomskog rada.

32


Vetroturbine

Na sajtu se takodje nalazi i kontakt strana koja je namenjena za sva pitanja korisnika ove web lokacije.

33


Vetroturbine

ZAKLJUČAK

Vetar je besplatan i neiscrpan energetski resurs. Koristi se od davnina. Do industrijske revolucije vetar je uz drvo bio najveći izvor energije. Koristio se za pokretanje brodova, mlinova i pumpi za vodu. Proizvodnja električne energije iz vetra počela se razvijati tridesetih godina prošlog veka. Tada je počela izgradnja prvih vetroagregata za konverziju energije vetra u električnu. Razvojem velikih hidro, termo i nuklearnih elektrana vetroagregati, ekonomski i tehnički nekonkurentni, su pali u zaborav. Međutim, iscrpivost rezervi fosilnih goriva i ekološki problemi izazvani njihovom eksploatacijom, doveli su početkom devedesetih godina prošlog veka do vaskrsa vetroagregata. Vetroenergetika je mlada grana energetike koja se intenzivno razvija u pogledu tehnološkog razvoja vetroagregata, ali i u pogledu njihove izgrađene instalisane snage. Slika daje porast instalisanih kapaciteta vetroagregata u Evropi i svetu u poslednjih 10 godina.

34


Vetroturbine

Oko 80% svih svetskih vetroagregata instalirano je u zemljama Evropske Unije (EU). EU iz instaliranih 28440 MW (decembar 2003.) podmiruje oko 2,5% ukupnih potreba za električnom energijom. Predviđa se da će vetroagregati u budućnosti bitno povećati učešće u proizvodnji ukupne električne energije. Ovakva predviđanja se baziraju na činjenici da je vetar obnovljivi ekološki izvor i da su njegovi tehnički iskoristivi resursi višestruko veći od ukupne trenutne potrošnje električne energije. Međutim, vetar kao primarni energent ima i niz nedostataka, pa se o perspektivi vetroagregata još uvek ne može pouzdano govoriti. Cilj ovog odeljka je da izloži osnovne principe i probleme vezane za vetroagregate, pri čemu je pažnja posvećena vetroagregatima koji se vezuju na distributivnu mrežu, te su sastavni deo elektroenergetskog sistema (EES). Prikazani su različiti tipovi vetroagregata koji su do sada razvijeni. Cena jenog vetroagregata snage 1MW je oko jedan milion eura, koliko košta i instalacija 1MW u prosečnoj termoelektrani na ugalj. Za razliku od termo i hidroelektrana vetroelektrane se grade veoma brzo -- za svega nekoliko meseci. Nemačka je, na primer, u poslednje četiri godine izgradila preko 8000 MW vetrogeneratora, što odgovara snazi svih hidro i termo elektrana u Srbiji. Vek trajanja vetroelektrane je oko 25 god. Ipak, cena proizvedene električne energije iz prosečnog vetroagregata je još uvek skuplja od cene kWh iz konvencionalnih eleketrana. Prosečan vetroagregat od 1MW instalisane snage proizvede električne energije na godišnjem nivou duplo manje nego 1MW instalisane snage u hidroelektrani, odnosno oko tri puta manje nego u prosečnoj termoelektrani i oko 3,5 puta manje nego ista instalisana snaga u nuklearnoj elektrani. Osim toga, proizvodnju vetroelektrane diktira vetar, dok u akumulacionim hidroelektranama upravljanje proizvodnjom se vrši na osnovu zahteva tržišta. Na primer, preko noći se puni akumulacija i proizvodnja drži na minimumu, a preko dana kada je 1kWh najskuplji elektrana radi punim kapacitetom i proizvodi najskuplju “struju” . Na jako vetrovitim lokacijama, čija je srednja godišnja brzina veća od 7m/s, vetroelektrane mogu biti i ekonomičnije od komercijalnih izvora ali su takve povoljne lokacije relativno retke. Smatra se da će vetroelektrane po ceni proizvedenog kNJh biti u potpunosti konkurentne konvencionalnim izvorima kada se u cenu proizvodnje električne energije uključi i uticaj na životnu sredinu. Za proizvodnju 1kWh u prosečnoj termoelektrani na lignit se potroši oko 1,5 do 2 kg uglja pri čemu se u atmosferu oslobodi oko 1kg ugljen-dioksida (CO2) i oslobodi oko 2kWh toplotne energije koja se rasipa u okolinu i lokalno zagreva reku i atmosferu. CO2 je uz vodenu paru najveći uzročnik globalnog zagrevanja (efekta staklene bašte). Prema sporazumu iz Kjota svaki kilogram CO2 koji se emituje u atmosferu ima svoju cenu i ti takozvani eksterni troškovi mogu povećati troškove proizvodnje 1kWh električne energije u termoelektranama i do 200%. 35


Vetroturbine

Razvoj tehnologije vetroelektrana je intenzivan u svim elementima. Pre svega je usmeren na dalje povećavanje snage koju daju pojedinačni vetroagregati. Na postojećem nivou komercijalno su dostupni vetroagregati snage do 5 MW, a do 2010. planira se razvoj vetroagregata snage 8 – 10 MW. Posebna pažnja se posvećuje daljem razvoju vetroagregata za rad u planinskim lokacijama sa otežanim klimatskim uslovima i turbulentnim vetrovima. Neki proizvođači već su uspešno instalirali komercijalne turbine za ekstremne planinske uslove. Prognoze razvoja vetroenergetike su vrlo optimističke i u svim varijantama predstavljaju vetroelektrane kao vrlo bitan izvor električne energije u budućnosti. Takve prognoze su realne jer je vetar neiscrpan energent, a njegov potencijal višestruko prevazilazi globalne potrebe za električnom energijom. Ipak, vetar će, zbog svoje nepredvidive (stohastičke) prirode imati ograničen udeo u ukupnoj proizvodnji električne energije. Prema studiji izvodljivosti Wind Force 12, koju je finansirala i sprovela Evropska Unija, učešće vetroelektrana u globalnoj svetskoj proizvodnji električne energije u 2020. godini se procenjuje na 12%.

36


Vetroturbine

Literatura      

Balkan Energy Solution Team, www.balkanenergy.com Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, ”Wind Energy Handbook”, Wiley 2001. Danish Wind industry association Wayne C. Turner, ”Energy Management Handbook”, CRC Press 2006. Vetar ? Alternativni izvor električne energije, Željko Đurišić Vetroenergetika u Srbiji, Green energy invest

37

VETAR

Recommend Documents