Share to Facebook 
Share to Twitter 
Share to Linkedin 
PGT SocialWeb - Copyright © 2010 by pagit.eu

Energija vjetra

Moderni vjetroagregati i pretvorba energije E-mail
Autor Leo Jerki?   

Energija iz vjetra se koristi konverzijom iste u korisni oblik energije koji može biti korištenje vjetroagregata za proizvodnju elektri?ne energije, korištenje mlinova na vjetar za proizvodnju mehani?ke snage, pumpe na vjetar za pumpanje vode ili korištenje jedara za pogon brodova.

U današnje vrijeme su izuzetno interesantni i aktualni upravo vjetroagregati kojih je sve ve?i broj priklju?en na elektroenergetsku mrežu.

Osnove pretvorbe energije vjetra koje koriste vjetroagregati za proizvodnju elektri?ne energije polaze od fizikalnih osnova vjetra, koje su detaljnije izložene u ?lanku "Što je vjetar i kako nastaje".

Osnove pretvorbe energije u vjetroagregatu

Pretvorba kineti?ke energije vjetra u kineti?ku energiju vrtnje vratila se odvija pomo?u lopatica rotora vjetroagregata.

Specifi?na snaga vjetra pri tome je jednaka

vjetar

gdje je Pvj specifi?na snaga vjetra, koje ovisi o gusto?i zraka ? i kubu brzine vjetra v3.

U op?em slu?aju brzina vjetra nije konstantna pa je prosje?na specifi?na snaga jednaka

vjetar

Na razini mora se za specifi?nu snagu vjetra može uzeti

vjetar

Kineti?ka energija vjetra dobiva se množenjem snage s vremenom

vjetar

gdje je Ek,vj kineti?ka energija vjetra.

Nažalost, dio ukupne kineti?ke energije vjetra je neiskoristiv jer vjetar mora nastaviti strujanje kako bi omogu?io dolazak vjetru iza sebe. To je tzv. Betzov zakon, a matemati?ki se prikazuje stupnjem aerodinami?ke pretvorbe koji je jednak omjeru snage na vratilu vjetroagregata i raspoložive snage u slobodnoj struji vjetra:

vjetar

gdje je cp stupanj aerodinami?ke pretvorbe (?0,45 za moderne vjetroturbine, a na nekim turbinama ide sve do 0,50), a Pt je transformirana snaga.

Najve?i mogu?i stupanj aerodinami?ke pretvorbe je tzv. Betzova granica i ona iznosi 0,593. Nijedan trenutno dostupan moderni vjetroagregat ne može imati u?inkovitost ve?u od

vjetar

Zbog dodatnih gubitaka pri petvorbi energije do dobivanja elektri?ne energije proizlazi da se manje od pola kineti?ke energije vjetra može iskoristiti kao korisna elektri?na energija.


Odre?ivanje vjetropotencijala na lokaciji vjetroelektrane

Zbog jake ovisnosti prinosa energije (a samim time i ekonomske isplativosti) o brzini vjetra (ovisnost energije vjetra o kubu brzine vjetra), potrebna su to?na mjerenja vjetra na samoj lokaciji. Mjerenja se obavljaju pomo?u anemometara koji su pri?vrš?eni na stupove, približno na visini osi na kojoj ?e se nalaziti vjetroagregati (iako se zadnjih godina bilježi rast tzv. udaljenih mjerenja pomo?u LIDAR-a). Obi?no treba postaviti više stupova na lokaciji u vremenu od barem šest mjeseci, a preporu?a se da to vrijeme mjerenja bude nekoliko godina. Brzina vjetra je osnovni parametar od kojega se kre?e pri projektiranju svih vjetroagregata koji ?e se nalaziti na lokaciji,  njihovog broja i prostornog razmještaja. Brzina vjetra tako?er služi kao polazna to?ka za sve prora?une o ekonomskoj isplativosti i proizvodnji energije. Osjetljivost doprinosa energije o brzini vjetra ovisi i o brzini samog vjetra kao što možemo vidjeti na slici 1. Zbog toga je posebno  važno to?no mjeriti brzine vjetra na lokacijama gdje je ta brzina manja.

vjetar
Slika 1: Osjetljivost proizvodnje energije o brzini vjetra

Za odre?enu lokaciju bitno je poznavati i smjerove iz kojih puše vjetar (ruža vjetrova), da bi se odredio najoptimalniji raspored vjetroagregata kako bi maksimalno iskoristili vjetar iz svih smjerova. Druga najvažnija karakteristika vjetra, osim srednje brzine, je i raspodjela brzine vjetra. Npr. neka postoje dvije lokacije, jedna sa srednjom brzinom vjetra od 9 m/s, gdje konstantno puše 9 m/s (cijelo vrijeme), a da na drugoj lokaciji puše 1/3 vremena 4 m/s  (grani?na brzina za rad vjetroagregata), 1/3 26 m/s (iznad grani?ne brzine za rad), i 1/3 9 m/s. Na drugoj lokaciji je prosjek ?ak 13 m/s, unato? tome što je proizvedeno 3 puta manje energije nego na prvoj lokaciji gdje je prosjek dosta manjih 9 m/s. Weibullova krivulja je alat koji nam služi za realisti?nu raspodjelu brzine vjetra. Tri godine mjerenja zna?ajno smanjuje odstupanja brzine vjetra u odnosu na dugogodišnje oscilacije vjetra, na 3% u brzini vjetra i oko 4% u proizvodnji energije. Ostali bitniji podatci o vjetru su dugoro?na gusto?a zraka na lokaciji i intenzitet turbulencije vjetra na lokaciji. Sami po sebi ne utje?u na proizvodnju energije iz vjetra, ali utje?u pri odre?ivanju optere?enja na lopatice rotora i na o?ekivani vijek trajanja samog vjetroagregata.

Koriste se dvije metode za dugoro?no predvi?anje vjetropotencijala na lokaciji:

1.) podaci s lokacije se uspore?uju sa dugoro?no skupljenim podacima sa referentnih meteoroloških postaja

2.) korištenje podataka mjerenja isklju?ivo s lokacije


Osnovni dijelovi i karakteristike vjetroagregata

Postoje dva osnovna tipa konstrukcije vjetroagregata: vjetroagregat s horizontalnom osi vrtnje rotora (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine) i vjetroagregat s vertikalnom osi rotora (VAWT - Vertical Axis WindTurbine). VAWT su danas rijetko zastupljeni zbog slabije iskoristivosti i zbog preslabe brzine vjetra pri tlu (gradili su se bez stupa, a konstrukcija je primjenjiva i prakti?na kod izvedbe malih vjetroagregata). VAWT vjetroagregati bi mogli svoju primjenu na?i i u budu?im pu?inskim/plutaju?im vjetroelektranama.

Savonius
Savonius vjetroagregat

Postoje i podvrste vjetroagregata kao što su Savoniusov vjetroagregat, Giromill i Darrieusov vjetroagregat. Darrieusov vjetroagregat ima dobru efikasnost, ali malu pouzdanost zbog velikih mehani?kih naprezanja. Giromill je sli?an Darrieusovom vjetroagregatu, a glavna razlika je što su lopatice ravne u odnosu na zakrivljene kod Darrieusovog agregata ?ime vjetroagregati postaju pouzdaniji i efikasniji. Savoniusov je VAWT tip vjetroagregata koji energiju vjetra pretvara u moment na rotiraju?em trupu, te nisu toliko efikasne ali su jako pouzdane.

Darrieus
Darrieusov vjetroagregat

Postoje i potpuno novi oblici iskorištavanja energije vjetra koji još nisu postali komercijalni kao što su Windbelt, o kojem smo ve? pisali i koji radi na osnovi vibracija koje nastaju gibanjem vjetra, piezoelektri?ni vjetroagregati za korištenje s malim elektroni?kim ure?ajima, zra?ni vjetroagregati koji rade na principu kiteova i “lete” zrakom na visokim nadmorskim visinama, i mnogi drugi.

Giromill
Giromill

Kod HAWT vjetroagregata postoje dvije izvedbe lopatice rotora i to sa zavjetrinske, odnosno s privjetrinske strane stupa. Smještaj sa zavjetrinske strane stupa ima puno više nedostataka (najve?e je uvijanje elektri?nih kabela), tako da se koristi u puno manjoj mjeri i to samo za jedinice manjih snaga. Broj lopatica kod privjetrinske izvedbe je ?eš?e neparan zbog ve?e stabilnosti u takvoj konfiguraciji. U zadnje vrijeme se ponovno razvijaju privjetrinski vjetroagregati sa dvije lopatice ?ija je glavna prednost da su 20-25% jeftiniji i da imaju ve?u pouzdanost, te se lakše postavljaju. S druge strane oni proizvode manje elektri?ne energije i nisu toliko efikasni.

Postoji i podjela s obzirom na mjesto korištenja vjetroagregata i to na kopnene, priobalne i pu?inske vjetroagregate. Kopneni se najduže koriste, te ih ima uvjerljivo najviše. Priobalni se ozbiljno razvijaju zadnjih par godina, te su op?enito ve?i od kopnenih i s vremenom ?e ih biti sve više, a pu?inski odnosno plutaju?i koji bi se nalazili na otvorenom moru zasada tek postoje kao pilot projekti. Tri osnovne cjeline vjetroagregata s privjetrinske strane su: vjetroturbina, kabina i stup. U nastavku teksta ?e se obraditi dijelovi jednog standardnog op?eg vjetroagregata.

priobalna vjetroelektrana


Vjetroturbina

Lopatice rotora su u današnje vrijeme oblikovane poput avionskog krila. Njih pokre?e aerodinami?ki uzgon, i imaju prili?no visok stupanj pretvorbe energije vjetra u mehani?ki rad. Koriste se tri lopatice jer je to najprakti?nija i najisplativija konfiguracija, te je s vremenom postala uobi?ajena za gotovo sve velike proizvo?a?e vjetroagregata. Kod dvije (a pogotovo jedne) lopatice brzina vrtnje je znatno ve?a, što ima mnogo negativnih posljedica u smislu u?inkovitosti i op?e prihva?enosti vjetroagregata.

Broj okretaja rotora se regulira aerodinami?kim ko?enjem. Takvo ko?enje se ostvaruje odabirom odgovaraju?eg kuta lopatice s obzirom na vjetar. Postoji i radna disk ko?nica koja laganim ko?enjem regulira broj okretaja rotora kao ispomo? aerodinami?kom ko?enju.

Kabina

Kabina se nalazi na vrhu stupa. Njezini najbitniji dijelovi za jedan op?i vjetroagregat, uz odre?ene specifi?nosti ovisno o proizvo?a?u i modelu su: ku?ište, elementi za uležištenje sporohodnog vratila, zup?ani?ki prijenosnik, brzohodno vratilo s disk ko?nicom, generator, kontrolna jedinica, rashladni sustav, motorni pogon za zakretanje kabine s ko?nicom i hidrauli?ki pogon. Zup?ani?ki prijenosnik pove?ava brzinu vrtnje prijenosnim omjerom 30-60 puta. Iz njega izlazi brzohodno vratilo koje pokre?e generator. Kod nekih tipova vjetroagregata generator je direktno spojen na rotor bez prijenosnika. Elektroni?ki kontrolni sustav uz pomo? podataka s kontrolne jedinice (koja mjeri podatke o brzini i smjeru vjetra) prati uvjete rada vjetroagregata.

vjetroagregat

Stup

Stup je naj?eš?e cijevaste izvedbe, makar u nekim slu?ajevima može biti i rešetkasti. Unutar cijevastog stupa se nalaze stube, a kod ve?ih se ponekad ugra?uje i dizalo. U podnožju se nalazi transformator koji povezuje vjetroagregat sa srednjenaponskom mrežom, te kontrolna i mjerna jedinica. Transformator se ponekad nalazi i u zasebnoj gra?evini u podnožju stupa.

Generator

Generatori za vjetroagregate su posebne konstrukcije, jer moraju raditi sa snagom koja je jako varijabilna. Za sve ja?e vjetroagregate koriste se generatori izmjeni?nog napona, koji se hlade zrakom (puno rje?e vodom). Ugra?uju se sinkroni ili asinkroni generatori, i to naj?eš?e sinkroni za slabu ili prijenosnu mrežu, a asinkroni za jaku distribucijsku mrežu. U najnovijim izvedbama vjetroagregata sve se više koriste sinkroni generatori s permanentnim magnetima i direktnim pogonom zbog svoje kompaktne izvedbe i dobrih karakteristika rada.

Osnovne tehni?ke krivulje vjetroagregata

Krivulja izlazne elektri?ne snage prikazuje ovisnost proizvedene elektri?ne snage o brzini vjetra. Uobi?ajeno je da vjetroagregati po?inju raditi pri brzinama od 3-5 m/s, nazivna snaga im je na 12-15 m/s, a obustava rada nastupa pri brzini vjetra izme?u 20 i 25 m/s zbog mogu?nosti mehani?kih ošte?enja kao što se vidi na slici broj 2.

vjetar
Slika 2: Krivulja ovisnosti snage vjetroturbine o brzini vjetra

Krivulja stupnja djelovanja vjetroagregata prikazuje promjenu pretvorbe energije vjetra u elektri?nu energiju s obzirom na brzinu vjetra. Ona se dobiva dijeljenjem izlazne elektri?ne snage i ulazne energije vjetra. Slika 3 nam prikazuje tipi?ni danski vjetroagregat ?ija je iskoristivost oko 20%.

vjetar
Slika 3: Krivulja stupnja djelovanja

Krivulja godišnje proizvodnje elektri?ne energije vjetroagregata prikazuje ovisnost proizvedene elektri?ne energije o srednjoj godišnjoj brzini vjetra. Slika 4 nam prikazuje tu kirvulju za danski vjetroagregat DeWind od 600 kW sa Weibullovim koeficijentima od 1,5, 2 i 2,5.

vjetar
Slika 4: Krivulja godišnje proizvodnje elektri?ne energije

Krivulja emisije buke u ovisnosti o udaljenosti od vjetroagregata prikazuje da se pove?anjem udaljenosti razina buke vjetroagregata smanjuje po kvadratnoj funkciji.


Stanje u svijetu danas

Krajem 2010. na svijetu je bilo instalirano oko 197 GW vjetroagregata, a godišnji prirast je bio oko 35 - 40 GW (37.642 MW 2010.). Kina je preuzela vode?e mjesto u godišnjoj koli?ini instalacija sa udjelom ve?im od 50%, a i vode?e mjesto u ukupno instaliranoj snazi, gdje je obišla SAD. U Europi prva dva mjesta drže Njema?ka i Španjolska.

Sektor vjetra u svijetu je tokom 2010. napravio prometa 40 milijardi eura, a u industriji vjetra je bilo zaposleno oko 670.000 ljudi. Najve?i udio energije vjetra u ukupnoj proizvodnji je u Danskoj (21%), Portugalu (18%) i Španjolskoj (16%).

Najve?i svjetski proizvo?a? vjetroagregata je trenuta?no danski Vestas, drugi je kineski Sinovel, a prate ih ameri?ki GE, i kineski Goldwind. Na petom mjestu je njema?ki Enercon.

Treba napomenuti da su moderni vjetroagregati napravljeni potpuno u skladu s zahtjevima elektri?nih prijenosnih i distribucijskih mreža, odnosno prema pravilima funkcioniranja istih, te gotovo po svemu imaju osobine klasi?nih elektrana. Jedina iznimka je intermitentnost samog izvore energije.

Tags:     vjetroagregat      vjetroagregati      moderni vjetroagregati      pretvorba energije      energija vjetra      vjetar      generator      turbina      elektri?na energija
Vezane vijesti
Index ÄŤlanka
Moderni vjetroagregati i pretvorba energije
Odre?ivanje vjetropotencijala na lokaciji vjetroelektrane
Osnovni dijelovi i karakteristike vjetroagregata
Osnovni dijelovi i karakteristike vjetroagregata #2
Stanje u svijeti danas
Sve stranice
 

Vjetroelektrane za po?etnike

VE u regiji

Nove tehnologije

Podržavate li izgradnju vjetroelektrana u vašoj regiji?