Energija iz vjetra se koristi konverzijom iste u korisni oblik energije koji može biti korištenje vjetroagregata za proizvodnju električne energije, korištenje mlinova na vjetar za proizvodnju mehaničke 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 veći broj priključen na elektroenergetsku mrežu.

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

Osnove pretvorbe energije u vjetroagregatu

Pretvorba kinetičke energije vjetra u kinetičku energiju vrtnje vratila se odvija pomoću lopatica rotora vjetroagregata.

Specifična snaga vjetra pri tome je jednaka

gdje je P_vj specifična snaga vjetra, koje ovisi o gustoći zraka ρ i kubu brzine vjetra v³.

U općem slučaju brzina vjetra nije konstantna pa je prosječna specifična snaga jednaka

Na razini mora se za specifičnu snagu vjetra može uzeti

Kinetička energija vjetra dobiva se množenjem snage s vremenom

gdje je E_k,vj kinetička energija vjetra.

Nažalost, dio ukupne kinetičke energije vjetra je neiskoristiv jer vjetar mora nastaviti strujanje kako bi omogućio dolazak vjetru iza sebe. To je tzv. Betzov zakon, a matematički se prikazuje stupnjem aerodinamičke pretvorbe koji je jednak omjeru snage na vratilu vjetroagregata i raspoložive snage u slobodnoj struji vjetra:

gdje je c_p stupanj aerodinamičke pretvorbe (≈0,45 za moderne vjetroturbine, a na nekim turbinama ide sve do 0,50), a P_t je transformirana snaga.

Najveći mogući stupanj aerodinamičke pretvorbe je tzv. Betzova granica i ona iznosi 0,593. Nijedan trenutno dostupan moderni vjetroagregat ne može imati učinkovitost veću od

Zbog dodatnih gubitaka pri petvorbi energije do dobivanja električne energije proizlazi da se manje od pola kinetičke energije vjetra može iskoristiti kao korisna električna energija.

Određivanje 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 točna mjerenja vjetra na samoj lokaciji. Mjerenja se obavljaju pomoću anemometara koji su pričvršćeni na stupove, približno na visini osi na kojoj će se nalaziti vjetroagregati (iako se zadnjih godina bilježi rast tzv. udaljenih mjerenja pomoću LIDAR-a). Obično treba postaviti više stupova na lokaciji u vremenu od barem šest mjeseci, a preporuča se da to vrijeme mjerenja bude nekoliko godina. Brzina vjetra je osnovni parametar od kojega se kreće pri projektiranju svih vjetroagregata koji će se nalaziti na lokaciji,  njihovog broja i prostornog razmještaja. Brzina vjetra također služi kao polazna točka za sve proračune 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 točno mjeriti brzine vjetra na lokacijama gdje je ta brzina manja.

Slika 1: Osjetljivost proizvodnje energije o brzini vjetra

Za određenu 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  (granična brzina za rad vjetroagregata), 1/3 26 m/s (iznad granične brzine za rad), i 1/3 9 m/s. Na drugoj lokaciji je prosjek čak 13 m/s, unatoč 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 realističnu raspodjelu brzine vjetra. Tri godine mjerenja značajno 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 dugoročna gustoća zraka na lokaciji i intenzitet turbulencije vjetra na lokaciji. Sami po sebi ne utječu na proizvodnju energije iz vjetra, ali utječu pri određivanju opterećenja na lopatice rotora i na očekivani vijek trajanja samog vjetroagregata.

Koriste se dvije metode za dugoročno predviđanje vjetropotencijala na lokaciji:

1.) podaci s lokacije se uspoređuju sa dugoročno skupljenim podacima sa referentnih meteoroloških postaja

2.) korištenje podataka mjerenja isključivo 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 praktična kod izvedbe malih vjetroagregata). VAWT vjetroagregati bi mogli svoju primjenu naći i u budućim pučinskim/plutajućim vjetroelektranama.

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 mehaničkih naprezanja. Giromill je sličan Darrieusovom vjetroagregatu, a glavna razlika je što su lopatice ravne u odnosu na zakrivljene kod Darrieusovog agregata čime vjetroagregati postaju pouzdaniji i efikasniji. Savoniusov je VAWT tip vjetroagregata koji energiju vjetra pretvara u moment na rotirajućem trupu, te nisu toliko efikasne ali su jako pouzdane.

Darrieusov vjetroagregat

Postoje i potpuno novi oblici iskorištavanja energije vjetra koji još nisu postali komercijalni kao što su Windbelt, o kojem smo već pisali i koji radi na osnovi vibracija koje nastaju gibanjem vjetra, piezoelektrični vjetroagregati za korištenje s malim elektroničkim uređajima, zračni vjetroagregati koji rade na principu kiteova i “lete” zrakom na visokim nadmorskim visinama, i mnogi drugi.

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 (najveće je uvijanje električnih kabela), tako da se koristi u puno manjoj mjeri i to samo za jedinice manjih snaga. Broj lopatica kod privjetrinske izvedbe je češće neparan zbog veće stabilnosti u takvoj konfiguraciji. U zadnje vrijeme se ponovno razvijaju privjetrinski vjetroagregati sa dvije lopatice čija je glavna prednost da su 20-25% jeftiniji i da imaju veću pouzdanost, te se lakše postavljaju. S druge strane oni proizvode manje električne energije i nisu toliko efikasni.

Postoji i podjela s obzirom na mjesto korištenja vjetroagregata i to na kopnene, priobalne i pučinske vjetroagregate. Kopneni se najduže koriste, te ih ima uvjerljivo najviše. Priobalni se ozbiljno razvijaju zadnjih par godina, te su općenito veći od kopnenih i s vremenom će ih biti sve više, a pučinski odnosno plutajući 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 će se obraditi dijelovi jednog standardnog općeg vjetroagregata.

Vjetroturbina

Lopatice rotora su u današnje vrijeme oblikovane poput avionskog krila. Njih pokreće aerodinamički uzgon, i imaju prilično visok stupanj pretvorbe energije vjetra u mehanički rad. Koriste se tri lopatice jer je to najpraktičnija i najisplativija konfiguracija, te je s vremenom postala uobičajena za gotovo sve velike proizvođače vjetroagregata. Kod dvije (a pogotovo jedne) lopatice brzina vrtnje je znatno veća, što ima mnogo negativnih posljedica u smislu učinkovitosti i opće prihvaćenosti vjetroagregata.

Broj okretaja rotora se regulira aerodinamičkim kočenjem. Takvo kočenje se ostvaruje odabirom odgovarajućeg kuta lopatice s obzirom na vjetar. Postoji i radna disk kočnica koja laganim kočenjem regulira broj okretaja rotora kao ispomoć aerodinamičkom kočenju.

Kabina

Kabina se nalazi na vrhu stupa. Njezini najbitniji dijelovi za jedan opći vjetroagregat, uz određene specifičnosti ovisno o proizvođaču i modelu su: kućište, elementi za uležištenje sporohodnog vratila, zupčanički prijenosnik, brzohodno vratilo s disk kočnicom, generator, kontrolna jedinica, rashladni sustav, motorni pogon za zakretanje kabine s kočnicom i hidraulički pogon. Zupčanički prijenosnik povećava brzinu vrtnje prijenosnim omjerom 30-60 puta. Iz njega izlazi brzohodno vratilo koje pokreće generator. Kod nekih tipova vjetroagregata generator je direktno spojen na rotor bez prijenosnika. Elektronički kontrolni sustav uz pomoć podataka s kontrolne jedinice (koja mjeri podatke o brzini i smjeru vjetra) prati uvjete rada vjetroagregata.

Stup

Stup je najčešće cijevaste izvedbe, makar u nekim slučajevima može biti i rešetkasti. Unutar cijevastog stupa se nalaze stube, a kod većih se ponekad ugrađuje 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 građevini u podnožju stupa.

Generator

Generatori za vjetroagregate su posebne konstrukcije, jer moraju raditi sa snagom koja je jako varijabilna. Za sve jače vjetroagregate koriste se generatori izmjeničnog napona, koji se hlade zrakom (puno rjeđe vodom). Ugrađuju se sinkroni ili asinkroni generatori, i to najčešće 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 tehničke krivulje vjetroagregata

Krivulja izlazne električne snage prikazuje ovisnost proizvedene električne snage o brzini vjetra. Uobičajeno je da vjetroagregati počinju raditi pri brzinama od 3-5 m/s, nazivna snaga im je na 12-15 m/s, a obustava rada nastupa pri brzini vjetra između 20 i 25 m/s zbog mogućnosti mehaničkih oštećenja kao što se vidi na slici broj 2.

Slika 2: Krivulja ovisnosti snage vjetroturbine o brzini vjetra

Krivulja stupnja djelovanja vjetroagregata prikazuje promjenu pretvorbe energije vjetra u električnu energiju s obzirom na brzinu vjetra. Ona se dobiva dijeljenjem izlazne električne snage i ulazne energije vjetra. Slika 3 nam prikazuje tipični danski vjetroagregat čija je iskoristivost oko 20%.

Slika 3: Krivulja stupnja djelovanja

Krivulja godišnje proizvodnje električne energije vjetroagregata prikazuje ovisnost proizvedene električne 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.

Slika 4: Krivulja godišnje proizvodnje električne energije

Krivulja emisije buke u ovisnosti o udaljenosti od vjetroagregata prikazuje da se povećanjem 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 vodeće mjesto u godišnjoj količini instalacija sa udjelom većim od 50%, a i vodeće mjesto u ukupno instaliranoj snazi, gdje je obišla SAD. U Europi prva dva mjesta drže Njemačka 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. Najveći udio energije vjetra u ukupnoj proizvodnji je u Danskoj (21%), Portugalu (18%) i Španjolskoj (16%).

Najveći svjetski proizvođač vjetroagregata je trenutačno danski Vestas, drugi je kineski Sinovel, a prate ih američki GE, i kineski Goldwind. Na petom mjestu je njemački Enercon.

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