1.1. Brzina vjetra

Strujanje vjetra najčešće je nestacionarno, zbog čega je neophodno obrađivati anemografske podatke (srednje satne vrijednosti) pomoću kojih se dobiva vjerojatnost pojave određene brzine vjetra. Zato je određivanje razdiobe učestalosti brzina vjetra od velikog značenja za obradu podataka mjerenja. Od postojećih teoretskih razdioba opće je usvojena Weibullova razdioba brzine vjetra, prihvaćena kao dobra metoda za procjenu vjerovatnosti pojave vjetra određene brzine na datoj lokaciji. Osnovni oblik dvoparametarske Weibullove raspodjele pokazuje sljedeća jednadžba

f ( v )= kc( vc)k−1

e−( vc )

k

(1.1)

C – m/s - parametar mjere

K - parametar oblika

Funkcija razdiobe za sve brzine ima oblik

F ( v )=1−e−( vk)k

(1.2)

Na slici 1.1. i 1.2. prikazane su krivulje učestalosti brzina vjetrova za dane c i k vrijed-nosti određenih lokacija.

Anemografski podaci brzine vjetra koji bilježe srednje satne ili deset minutne vrijednosti brzine vjetra statistički se obrađuju u srednje mjesečne, sezonske i srednje godišnje vrijednosti. Izračunavanje srednje brzine vjetra za neko razdoblje provodi se prema formuli (1.3)

Prema navedenoj literaturi autora ove knjige, uveden je pojam srednje energetske brzine vjetra o čemu će bit riječi kod projektiranja VT, a definicija se prikazuje u poglavlju 1.3. Pomoću eksponencijalnih zakona određuje se promjena brzine vjetra s visinom, prema izrazu

U (Z 2 )=U (Z 1)( Z2Z1

)p¿¿

(1.4)

gdje su Z1 i Z2 visine nad tlom u m, U͞8 srednje brzine vjetra, a eksponent p određuje se izrazom

p= 1

ln√Z 1 · Z 2Z 0

(1.5)

U͞ (1.5) Zo je parametar hrapavosti tla [m], koji se mijenja u skladu s vrstom terena. Tako se prema navedenoj literaturi vrijednosti za Z0 kreću od 0,0001 za površinu mirnog

mora, Z0 = 0.35-0.5 za pošumljen teren, do Z0 =1,1-3 |m| za vrlo brdovit teren. U͞ tabeli 1.1. prikazane su te vrijednosti prema danskim izvorima navedene literature, a na slici 1.4, njihov utjecaj na promjenu brzine vjetra.

Po logaritamskom zakonu brzina vjetra U͞2 na visini Z2 izračunava se pomoću poznate U͞1 na visini Z1, za hrapavost Z0 prema formuli

U 2=U 1 ·ln( Z 2Z 0 )ln( Z 1Z 0 )

(1.6)

Tabela 1.1.

Iz podataka za hrapavost za dati teren može se napraviti proračun i za planinska područja do 10 km dužine. Na brdovitim terenima, gdje vrhovi planina uvjetuju poremećaje pritiska i do polovice troposfere (ako se protežu više od 10 km u horizontali), stvaraju se složeni sistemi vjetrova. Za takve prilike postavljaju se matematički modeli kojima se opisuju složene konfiguracije i njihov utjecaj na poremećaje strujanja vjetrova. Dobiva se digitalizirana slika terena koja se koristi za numeričko modeliranje izračunavanja polja strujanja vjetrova.

Slika 1.3 prikazuje primjer takve obrade za područje otočja Cape Verde.

1.2. Snaga vjetra

Prema metodi srednje brzine vjetra, koju bi vjetar mogao predati jedinici površine diska turbine, izračunava se prema izrazu

P=12ρ v3 [W/m2]

U͞ izrazu je p gustoća zraka |kgm_3|, a v/ms-1 srednja brzina vjetra.

Specifična snaga vjetra je, dakle ovisna o trećoj potenciji srednje brzine. Izračunavanje snage vjetra moguće je i pomoću teoretskih raspodjela te tabela kontigencije, odnosno trajanja brzina vjetra a prema jednadžbi

P=12ρ c3 Γ (1+ 3k ) [W/m2] (1.8)

gdje je Γ - gama funkcija distribucije. Gustoća zraka određuje se na temelju sezonskih i godišnjih vrijednosti apsolutne temperature T° |K| i pritiska zraka p |Pa| prema izrazu

ρ=0,3484pT

[kg/m¸3]

Teškoća u određivanju potencijala vjetra na nekoj zadatoj lokaciji i visini, ako tu nisu obavljena višegodišnja mjerenja, svodi se na upotrebu metoda interpolacije na temelju podataka meteorološke stanice i korekcija za dati teren i visinu. Te se metode mogu koristiti ako nisu velike razlike terena zadanog mjesta i položaja meteorološke stanice. U͞ Europi se koriste tzv »Insovent« mape u kojima se na bazi tih lokalnih podataka (slika 1.4) ucrtavaju crte, krivulje jednakih brzina vjetrova na visini od 10 m te unose brzine vjetrova na udaljenostima i po više kilometara. Kako vrsta terena utječe na pad brzine vjetra, odnosno omjera energije vjetra, može se vidjeti iz literature i slike 1.4. navedene literature.

Tabela 2. Potencijali vjetra označenih mjesta na visini od 10 m

Za usporedbu iz koje je vidljivo da potencijali u okviru poznatog u Hrvatskoj ne zaostaju za srednjim europskim, pokazuje karta vjetrova Europe obrađena za EZ.

1.3. Energija vjetra

Trajanje snage vjetra izračunava se pomoću vremena trajanja svake pojedine brzine vjetra vi u intervalima ti.

U͞kupna godišnja specifična energija vjetra određene lokacije dobiva se zbrajanjem pojedinih energija svih brzina vjetrova prema izrazu

E=12ρ∑ v3 t [Wh/m2] (1.10)

Ako se pojedinačno za svaku brzinu, odnosno njezinu godišnju srednju vrijednost, izračuna pripadna specifična energija |kWh/m2| i podijeli s iznosom brzine |m/s|, površina ispod krivulje na si. 1.5. prikazuje specifičnu gustoću energije po sezonama za označenu lokaciju.

1/2 ρVsr 3∑ ti=1/2 ρ∑ v3 ti

Vsr=[∑ v3t

∑ ti ]13

Srednja energetska brzina spomenuta i 1.2. izračunava se pomoću jednakosti energije

Pomoću prije prikazanih podloga mogu se načiniti karte potencijala energije vjetra u kWh/m2, a za određene visine nad tlom (si. 1.6) i (si. 1.7). Karta specifične snage vjetra |W/m2| za Europsku zajednicu također je izrađena, gdje su unesene i srednje godišnje brzine vjetrova. U͞ tabeli 2. prikazani su podaci za sedam mjesta najviših do sada izmjerenih potencijala vjetra Jadranske obale i otoka.

Iznose specifične energije vjetra na kontinentima pokazuje si. 1.7.

Kriteriji izbora mjesta rada vjetroelektrane i uvjeti priključenja na mrežu

Prema iskustvima europskog laboratorija Riso, koji je s drugim istraživačkim centrima za program EZ-a utvrdila kriterije odabira mjesta VE, u nastavku se iznose uvjeti odabira mjesta postavljanja vjetroagregata, razrađeni u okviru četiriju glavnih tačaka.

1. Kriterij energetskih potencijala vjetra

Glavni je odabir mjesta prema kriteriju dostupnog iznosa energetskih potencijala vjetra. U͞spoređuju se energetske značajke vjetrova na više različitih mjesta: golo tlo, bez vegetacije; tlo s niskom vegetacijom i vodne površine te tlo pokriveno visokim raslinjem, čiji su utjecaji hrapavosti na energiju vjetra izneseni u poglavlju 1. - područja uz morsku obalu. Biraju se mjesta najvećih potencijala. Konačan izbor ovisi i o ostalim potrebama i ekonomskim kriterijima otkupa i uređenja tla i morske površine.

2. Kriterij odabira zemljišta s gledišta ostalih potreba prema grupama. Zaštićene su zone: površine određene za urbana područja (turistička i druga naselja), aerodromi, odmarališta

3.

ptica i vojni objekti, rezervati životinja, poljoprivredne plantaže, zone radija i TV. U͞daljenost VE od urbanog područja ne smije biti manja od 200 i 300 m.

3. Kriterij gustoće broja agregata na jedinici površine zemlje uključuje udaljenost između agregata koja se određuje prema produktu 7 x DT, što čini nužnu udaljenost na kojoj je zanemariv utjecaj međusobnih smetnji (DT - promjer radnog kola turbine).

U͞ svrhu većeg korištenja površine zemlje, lokacije dobrih potencijala vjetra, stavljaju se agregati vodoravnog stroja na 2-3 različite visine od tla kada se studijom sustrujanja u ovisnosti o veličini i tipu turbine te obliku tla određuju udaljenosti između njih i visinskih razina postavljanja vjetroagregata.

4. U͞vjeti izgradnje VE na morskoj površini

Nasute morske površine isturene uz obalu (mola) prikladna su mjesta za VE, jer ne zadiru u imovinske, najčešće privatne interese, što je također važno. Postavljanje vjetroagregata na morske dokove zahtijeva dubine mora veće od 10 m (za dok dubine gaza do 6 m). Za te lokacije na moru potreban je dogovor s poduzećem za plovne putove, ribolovnim orga-nizacijama, telekomunikacijama te vladom, zbog navigacije i ostalih razloga u nadležnosti vladinih organa. Proučavajući mogućnosti postavljanja vjetroagregata na morskim dokovima, Danci su npr. utvrdili 20 lokacija za 3 300 vjetroturbina s godišnjom proizvodnjom od 21 TWh/god na svom morskom prostoru.

U͞vjeti priključenja vjetroturbinskih agregata na mrežu energetskog sustava prema danim propisima

Tehnički i opći uvjeti priključenja

- Dijelovi za priključenje i ostala oprema za povezivanje s mrežom mora se odabrati i koristiti prema propisima elektroprivrednih i distributerskih organizacija, jer oni preuzimaju nadzor i održavanje, najčešće i financiranje izgradnje elektrana na vjetar.

- Dijelovi opreme moraju sadržavati automatsku sklopku za potrebe isključenja iz mreže, bilo zbog funkcije mreže ili lošeg rada opreme.

- Električna oprema vjetrosistema ne smije biti uzrokom poremećaja u mreži.

- Osoblje elektrane na vjetar koje rukuje priključnom opremom mora biti stručno radi sporazumijevanja sa stručnim radnicima elektrodistribucije, odnosno elektroprivrede.

- Odgovorne tehničke osobe imaju pravo isključiti iz mreže VE sistem u slučaju potrebe rekonstrukcije i rada na mreži.

- Prava investitora (potrošača) u VE sisteme, ako to nije Elektroprivreda, jesu olakšice, od investicijskih kredita do cijene električne energije koju kupuje, odnosno prodaje mreži.

- -Vjetroturbina - elektrogenerator vezuje se na mrežu pri sinhronoj brzini (pri dostatnoj brzini vjetra) a automatski se isključuje ako počne apsorbirati snagu iz mreže, a vlasnik VE, ako je i potrošač, prebacuje se automatski na mrežu.

- Posebnim električnim uređajima sprečava se nagli tok električne struje kako ne bi došlo do poremećaja.

- Promjena napona određena je međunarodnim standardima a ograničava se tiristorskom opremom.

- Indukcijski generatori, koji rade pomoću mreže, redovito se ugrađuju u VT agregate.

- Zaštita frekvencije nalaže toleranciju od 50 ± 1 Hz.

- Preko naponska zaštita propisuje razinu prijelaza napona koje elektrogeneratori ne smiju prijeći.

- Simetrija faza može se poremetiti ako je jedna od njih isključena više od 10-20 sek. Zato postoje automatski priključivači.

- Na otocima mora, gdje su veliki potencijali vjetra, zatvorena električna mreža napajana iz elektrane na vjetar može rasteretiti elektroenergetski sistem zemlje.

- Prema danskim iskustvima otočne su mreže kombinirani VE-Dresel elektrosustavi koji uštede 50% tekućeg goriva, a za isti iznos i električnu energiju iz integralnog sustava.

Na slikama 6.1, 6.2.16.3. prikazani su sustavi VE u Europi.

SI. 6.2. Vjetroelektrana od 10 MW Zeebrugge, Belgija

SI. 6.3. Grupa suvremenih turbina u radu