Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Arnel BABIĆ
ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE
ELEKTRARNE
Velenje, maj 2012
I
Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje
ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE
ELEKTRARNE
Študent: Arnel BABIĆ
Študijski program
Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Energetika
Mentor: doc. dr. Peter VIRTIČ
Somentor: Jan ŠLAMBERGER, asistent
Velenje, maj 2012
II
III
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Petru Virtiču in
somentorju Janu Šlambergerju za pomoč in vodenje
pri opravljanju diplomskega dela.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili
študij, sestri in Marijani za podporo.
IV
ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE ELEKTRARNE
Ključne besede: energija, vetrna turbina, generator
UDK: 621.311.245:621.548.4(043.2)
Povzetek
Električni generatorji so naprave, ki pretvarjajo mehansko delo v električno energijo.
Električne generatorje delimo glede na obliko napetosti na sponkah na izmenične in
enosmerne.
S pomočjo programskega paketa Matlab/Simulink smo analizirali izmenični asinhronski
generator v sklopu vetrne elektrarne priključene na omrežje, ki nam je zagotavljalo jalovo
moč potrebno za vzpostavitev magnetnega polja v generatorju. Pri analizi smo kot
spremenljivko uporabili hitrost vetra, opazovali pa smo naslednje parametre: delovno,
jalovo in navidezno moč generatorja, hitrost rotorja, električni in mehanski vrtilni moment,
električno napetost, električni tok, ter spreminjanje kota lopatic vetrne turbine.
V
WIND TURBINE GENERATORS
Key words: energy, wind turbine, generator
UDK: 621.311.245:621.548.4(043.2)
Abstract:
Electric generators are devices that convert mechanical work into electricity. According to
the form of voltage at the terminals electric generators are divided into the AC and DC
generators.
By using Matlab/Simulink, we analyzed the AC induction generator within the wind farm
that is connected to the network, which provide the necessary reactive power for excitation
of the generator. In the analysis the wind speed was used as a independent variable, and
we observed the following parameters: real, reactive and apparent power of the generator,
rotor speed, electrical and mechanical torque, electrical voltage, electrical current and
changing the angle of wind turbine blades.
VI
KAZALO
1 UVOD ............................................................................................................................ 1 2 KLASIČNI IN ALTERNATIVNI VIRI ENERGIJE .................................................... 3 3 VETRNE ELEKTRARNE ............................................................................................ 8 4 RAZDELITEV IN ZGRADBA VETRNIH ELEKTRARN ....................................... 11
5 PREDNOSTI IN SLABOSTI VETRNE ELEKTRARNE .......................................... 17 6 ELEKTRIČNI GENERATORJI.................................................................................. 18
6.1 Prednosti in slabosti posameznih vrst generatorjev .............................................. 18 6.2 Asinhronski stroj ................................................................................................... 19
7 ANALIZA MODELA VETRNE ELEKTRARNE Z ASINHRONSKIM
GENERATORJEM ............................................................................................................. 23 7.1 Opis programske opreme Matlab/Simulink .......................................................... 23 7.2 Simulacijski model vetrne elektrarne v Matlab/Simulink-u ................................. 23
7.3 Rezultati ................................................................................................................ 29 8 ZAKLJUČEK .............................................................................................................. 37 9 LITERATURA IN VIRI .............................................................................................. 38 10 PRILOGE .................................................................................................................... 40
10.1 Seznam slik ....................................................................................................... 40 10.2 Seznam preglednic ............................................................................................ 40
10.3 Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije diplomskega dela in objavi
osebnih podatkov avtorja ................................................................................................. 41
VII
UPORABLJENI SIMBOLI
A - mehansko delo
A0 - začetno mehansko delo
AC - izmenični tok
Cp - faktor izkoristka
DC - enosmerni tok
dm - odvod mase
dt - odvod časa
dW - odvod energije
EJ - 1018
J
f - frekvenca
Hz - Herz, enota za frekvenco
I - električni tok
J - Joule, enota za energijo
kW - kilovat, enota za moč (103 W)
m - masa
MW - megavat, enota za moč (106 W)
n - število vrtljajev
p - polovi pari
P - delovna moč
pu - na enoto (»per unit«)
S - navidezna moč
S0 - površina
Sn - nazivna navidezna moč
Te - električni navor
Tm - mehanski navor
U - napetost
Un - nazivna medfazna napetost
V - Volt, enota za električno napetost
v0 - začetna hitrost vetra
W - Watt, enota za moč
VIII
Wk/ Wkin - kinetična energija
wr - hitrost rotorja generatorja
Q - jalova moč
η - izkoristek
ρ - gostota zraka
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
Danes je v svetu prisotno veliko zanimanje za »zelene« obnovljive vire energije, še posebej
zaradi dejstva, da zaloge fosilnih goriv oz. tradicionalnih virov energije upadajo, s tem pa
ustrezno naraščajo njihove cene. Posledice uporabe tradicionalnih virov energije, ki danes
zadovoljujejo približno 85 % svetovnih potreb po energiji, so danes vidne že v veliki meri. Ne
moremo si zatiskati oči pred problemi onesnaževanja, pa naj gre za učinek tople grede,
ozonske luknje ali kisli dež. Dandanes najbolj poznani obnovljivi viri energije so notranja
energija Zemlje ali geotermalna energija (vroči izviri vode), potencialna energija vode,
kinetična energija vetra in sončna energija.
Pri vetrnih elektrarnah izkoriščamo kinetično energijo vetra, ki jo lahko pretvorimo v
mehansko delo, ki se nadalje s pomočjo generatorjev pretvori v električno energijo [1].
Električni generatorji so naprave, ki pretvarjajo mehansko delo v električno energijo, potrebno
mehansko delo pa vetrnim elektrarnam zagotavljajo vrteče se turbine vetrnic.
Generatorje delimo glede na obliko napetosti na sponkah na:
- izmenične (asinhronski in sinhronski generatorji) in
- enosmerne (vzbujanje z elektromagneti ali s trajnimi magneti)
Delovanje generatorjev je v splošnem ravno obratno, kot delovanje elektromotorjev.
Vsi generatorji delujejo na principu elektromagnetne indukcije, kjer nastane električna
napetost, ko tokovodnik seka silnice magnetnega polja. Magnetno polje pri manjših
generatorjih zagotavljajo trajni magneti, pri večjih enotah pa so bolj pogosti elektromagneti,
ki pa potrebujejo dodaten vir toka za vzbujanje. Pri modernih izmeničnih generatorjih
(sinhronski generatorji) vzbujalni tok zagotavlja ločen zunanji vir (enosmerni generator ali
usmernik), pri enosmernih generatorjih pa je na vzbujalni tokokrog lahko spojeno tudi navitje
kotve (t.j. navitje, v katerem se inducira napetost). Ker je vzbujalni tok precej manjši od toka
kotve, je vzbujalni tokokrog pri sinhronskih generatorjih navadno nameščen na rotor
generatorja, saj drsni obroči niso primerni za prevajanje velikega toka. Nasprotno je pri
generatorju enosmerne napetosti, kjer komutator, nameščen na rotorju zagotavlja pretvorbo
izmeničnega v enosmerni tok, vzbujalno navitje nameščeno na statorju, navitje kotve pa na
rotorju [2].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
Namen mojega diplomskega dela je pregled generatorjev, ki se lahko uporabljajo v vetrnih
aplikacijah, navedbe primerov uporabe, opredelitve prednosti in slabosti posameznih vrst
generatorjev ter prikaz načina izbire vetrnih generatorjev glede na uporabljeno vetrno turbino.
Cilj diplomskega dela je analiza modela v obliki blokovne sheme s pomočjo programskega
paketa Matlab/Simulink za izbran testni generator.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
2 KLASIČNI IN ALTERNATIVNI VIRI ENERGIJE
Energijo lahko razdelimo na različne načine. V vsakdanjem življenju delimo energijo glede na
vir. Tako govorimo o sončni energiji, električni energiji, toploti, kemični energiji in podobno.
V tehniški praksi pa dogovorno oblike energije označujemo kot:
- primarna energija - je energija, shranjena v nosilcih energije (primarnih
energetskih virih), kot se pojavljajo v naravi. Pojavlja se v naslednjih glavnih
primarnih energetskih oblikah:
- kemična energija (trdna, kapljevinasta, plinasta fosilna ali bio goriva),
- jedrska energija,
- potencialna in kinetična energija (voda, veter ...),
- sevalna energija (sonce),
- geotermalna energija.
Primarne energetske vire delimo na obnovljive oz. alternativne in neobnovljive oz. klasične.
K obnovljivim spadajo kemična energija iz biomase, potencialna energija rek in jezer,
kinetična energija vetra, potencialna in kinetična energija morij, sevalna energija sonca in
geotermalna energija;
- sekundarna energija - je energija, ki smo jo dobili s pretvorbo iz primarne energije
s pomočjo energetskega postroja, pri čemer so upoštevane izgube, ki spremljajo
pretvorbo. Primer sekundarne energije je električna energija, ki jo pridobivamo iz
jedrske energije v jedrski elektrarni;
- končna energija - je energija, ki jo dobi in uporabi porabnik. Pri tem so upoštevane
tudi izgube prenosa energije;
- koristna energija - je energija za zadovoljevanje potreb uporabnika, npr. toplota na
električni kuhalni plošči. Upoštevane so izgube pri pretvorbi električne energije v
toplotno [3].
Mnogi razpoložljivi naravni energijski viri ponujajo energijo, ki jo ob pomoči strojev in
naprav zelo pogosto pretvorimo v toploto, to pa nadalje v mehansko delo. Pri teh pretvorbah
energij pa se pogosto ni mogoče izogniti škodljivim vplivom na okolje. Škodljivi vplivi na
okolje so v veliki meri odvisni tudi od uporabljenega vira energije [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
Glavni vir energije za življenje na Zemlji so jedrske reakcije, ki potekajo na Soncu, iz Sonca
pa ta energija prihaja na Zemljo v obliki sevanja. Vse preostale oblike energije na Zemlji,
razen geotermalne in jedrske energije, so akumulirane oblike sončne energije iz preteklosti.
Primarne oblike energije so energije, ki se pojavijo v naravi brez človekovega posredovanja.
Le nekatere primarne oblike energije se lahko koristijo v svoji naravni obliki. Neposredno se
lahko izkoriščajo le vroči izviri (gejzirji) na primer za segrevanje prostora. V vseh drugih
primerih je treba primarno obliko energije pretvoriti v neko drugo primernejšo obliko
energije.
Kemično energijo goriva, jedrsko energijo jedrskega goriva in energijo sevanja Sonca lahko
pretvorimo v toploto. Potencialno energijo vodne sile, plime in oseke ter kinetično energijo
vetra lahko pretvorimo v mehansko delo. Sončno energijo lahko pretvorimo tudi neposredno v
električno. Vsekakor pa lahko toploto pretvorimo tudi v mehansko delo, to pa v električno
energijo. Pretvorbe primarnih energij so prikazane na sliki 9, pri čemer seveda energija ne
izginja, temveč se samo pretvarja iz ene oblike v drugo (Slika 2.1) [5].
Pogosto je naš končni cilj pretvoriti primarne oblike energije v eno izmed naslednjih
uporabnih oblik energije:
- toplota – notranja energija (npr. ogrevanje stanovanj),
- mehansko delo (npr. premikanje prometnih sredstev) in
- električna energija (razsvetljevanje, pogon električnih strojev in naprav …
Pretvorbe primarnih energij v koristno obliko energij potekajo po različnih procesih pretvorbe
v različnih strojih in napravah [1]. Ne glede na uporabljen vir energije v posameznih
postrojenjih (npr. hidroelektrarne, termoelektrarne, toplotni pogonski stroji) so pri pretvorbah
energij vedno prisotni vplivi na okolje.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
Slika 2.1: Energijski viri in možne pretvorbe energij [1]
Svetovni inštitut za naravne vire navaja, da fosilna goriva zadovoljujejo približno 85%
svetovnih potreb po energiji in sicer največji delež k svetovni oskrbi z energijo prispeva nafta
s 37%, sledita pa ji premog s 25% in zemeljski plin s približno 23%, ostalih 15% potreb po
energiji prispevajo jedrska energija, biomasa in voda ter v zelo majhnih količinah sončna
toplota, veter, geotermalna energija, biogoriva in sončna svetloba (Slika 2.2) [4].
Slika 2.2: Prikaz zastopanosti energetskih virov za proizvodnjo energije [1]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
Svet se v zadnjih desetletjih sooča s povečano gospodarsko rastjo nekoč revnih in nerazvitih
držav, kot sta Kitajska in Indija v Aziji ter Brazilija v Južni Ameriki, ki, da bi ujele razvite
države zahodne Evrope, Amerike, Japonske in Avstralije, potrebujejo vse večje zaloge
surovin in vse več energije. Nagle rasti porabe energije zato prizadevanja le nekaterih razvitih
držav, ki se jim vsaj načeloma pridružuje večji del ostalega sveta, ne morejo zaustaviti.
Posledice tega so večplastne. Prva, ki jo vsi najbolj občutimo, je povečevanje cen energentov,
še posebej fosilnih goriv. Druga, ki pa se zaenkrat le nakazuje, so okoljske spremembe, ki jih
povzroča kopičenje CO2 v atmosferi in s tem povezan učinek tople grede. Potreba po zajezitvi
teh trendov se zdi vsakomur nujna, ukrepi, ki jih sprejemamo na globalni in lokalni ravni, pa
tega največkrat ne potrjujejo. Vsekakor je rast porabe energentov fosilnega izvora oz.
klasičnih virov energije potrebno omejiti, saj so zaloge omejene in jih bomo že pri sedanji
intenzivnosti izkoriščanja skoraj povsem izčrpali v nekaj desetletjih (nafta) oziroma stoletjih
(premog).
Rešitev problema vsekakor ni enostavna in zahteva v prvi vrsti zaustavitev današnjih trendov
rasti porabe energije, kar lahko dosežemo le s smotrnejšo rabo energije. Hkrati je potrebno
začeti z intenzivnejšo rabo alternativnih virov in z razvojem novih tehnologij pridobivanja
energije. Prav tu se kaže velika priložnost obnovljivih virov energije, saj so »neizčrpni«,
njihov vpliv na okolje pa neprimerno manjši, kot je vpliv fosilnih goriv, ki so zaznamovala
dvajseto stoletje v katerem so človeštvu uspeli izredni tehnološki podvigi, ki so žal pustili tudi
neprijetne okoljske posledice, s katerimi se že spopadamo in se bomo vse bolj [3].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
Preglednica 2.1: Razpoložljiva srednja letna energija in svetovne zaloge različnih obnovljivih
virov in fosilnih goriv [6]
VIR OBLIKA
ENERGIJE
RAZPOLOŽLJIVA
ENERGIJA
(EJ/leto)
ZALOGE (EJ)
sonce
sevanje na kopnem 850.000 0
sevanje na morju 1.670.000 0
skupno sevanje 2.250.000 0
veter kinetična energija -
kopno 3.150 0
valovi kinetična energija –
morje 6.300 0
biomasa fotosinteza 950 24.000
bibavica gravitacijske sile 95 95
hidro uparjalna toplota 1.260.000 2,55 x 106
geotermalna
-hidrotermalna
-magma
-vroče kamenine
konvekcija
prevod toplote
80
950
5,4 x 106
105 x 106
vsa fosilna goriva toplota kemijskih
reakcij 320 11,6 x 10
6
V Preglednici 2.1, so predstavljeni podatki o srednji letni razpoložljivi energiji posameznih
obnovljivih energetskih virov in njihovih svetovnih zalog. Pri tem je podana srednja letna
moč. Za primerjavo je podana ocena stanja na področju fosilnih goriv. Če upoštevamo
današnjo letno porabo energije, ki znaša 400 EJ (400 x 1018
J), ugotovimo, da lahko te potrebe
pokrijejo mnogi obnovljivi viri, prav tako pa še vrsto prihodnjih let vsa fosilna goriva [6].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
3 VETRNE ELEKTRARNE
Veter je naravno gibanje zraka, ki ga povzroči porušeno razmerje med zračnima pritiskoma
nad hladnim in toplim (segretim) delom površja. Veter na Zemlji nastaja zaradi delovanja
Sonca. Ko se Zemlja vrti okoli svoje osi, Sonce ogreva različne dele zemeljske površine.
Površina pa se ne segreva enakomerno. Če na nebu ni oblakov, se površje Zemlje segreva
hitreje. Na območjih, ki so trenutno prikriti z oblaki, je segrevanje počasnejše, ker se del
sončne energije odbije od oblakov nazaj v vesolje. Zemlja se segreva hitreje kot morje, ker se
voda nenehno pretaka in odnaša toploto drugam. Topli zrak se dviga in na njegovo mesto
mora pri tleh odtekati zrak okoliških hladnejših območjih. To gibanje zraka imenujemo veter.
Glavni vzrok razlikam in gibanju v zračnem – baričnem reliefu je termična razlika v ozračju.
V manjših dimenzijah nastajajo te razlike med gozdom in poljem, med kopnim in morjem ter
v širših dimenzijah med ekvatorialnimi in polarnimi področji [7].
Glede na njihovo pojavljanje ločimo več vrst vetrov [8]:
- globalni, lokalni, krajevni;
- stalni, periodični, dnevni;
- turbulentni, enakomerni.
Slika 3.1: Pretvorba kinetične energije vetra v električno energijo [1]
Vetrno energijo pridobivamo preko sile vetra, ki vrti lopatice vetrnic (slika 3.1) – princip
delovanja vetrnic je pretvorba kinetične energije vetra Wk (zraka z maso m, ki se pred vetrnico
giblje s hitrostjo v0) v mehansko delo A0 (enačba 3.1).
(3.1)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
Vetrnica zajema zrak po namišljenem krogu s površino S0, moč, ki se pri tem lahko na vetrnici
sprošča, je:
(3.2)
Hitrosti, pri katerih začnejo vetrne elektrarne delovati, so od naprave do naprave različne, v
splošnem pa vetrne elektrarne začnejo delovati pri hitrostih vetra, ki so večje od 4 m/s –
hitrost zagona, pri 10 m/s pa začnejo delovati z optimalno delovno, nazivno močjo, ki je
pogojena z vetrovnimi razmerami. Pri hitrostih vetra preko 25 m/s pride do zaustavitve vetrne
elektrarne, zaradi možnosti poškodb rotorja in generatorja. To hitrost imenujemo izhodna
hitrost in je vrednost, pri kateri je presežena največja dopustna hitrost vetra (slika 3.2). Hitrost
vetra z oddaljenostjo od tal narašča, zato je primernejša postavitev vetrnic na visokih stebrih
in višje ležečih krajih [3].
Slika 3.2: Karakteristika delovanja vetrne turbine [3]
Proizvedena moč vetrne turbine je odvisna od površine (premera na kvadrat) rotorja in hitrosti
vetra na tretjo potenco, kar se izkaže kot velika pomanjkljivost tovrstnih naprav. Odvisnost od
hitrosti vetra pomeni, da že manjše spremembe v hitrosti vetra, ki so ves čas prisotne,
pomenijo veliko spremembo v izhodni moči. Za primer, zmanjšanje hitrosti za 20% povzroči
padec moči za nekaj manj kot polovico, medtem ko padec hitrosti za približno polovico
nazivne hitrosti (46,4%) povzroči padec moči za 90%, če predpostavimo konstanten
izkoristek. Dejansko se pojavijo večje izgube moči zaradi tega, ker izgube niso odvisne samo
od hitrosti vetra, temveč tudi od trenja in izkoristka, kar se pokaže v povečanju izgub, ko se
hitrost vetra zmanjša. Maksimalni izkoristek vetrnice je tako dosegljiv samo v ozkem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
območju moči in ga definiramo kot razmerje med delom A, ki ga oddaja vetrnica in kinetično
energijo vetra (enačba 3.3)
(3.3)
Pogoste spremembe moči vetrne turbine zaradi spreminjajoče se hitrosti vetra so v
proizvodnji električne energije nezaželene, saj povzročajo nihanja moči v električnem
omrežju in nihanja mehanskih napetosti. Zaradi tega in tudi iz povsem ekonomskega vidika
izkoriščenosti opreme so vetrne turbine projektirane za moči obratovanja nižje od maksimalno
dosegljivih. Uporabljene so torej turbine in generatorji manjših moči, ki pri hitrostih vetra nad
nazivno vrednostjo ne uspejo predelati celotne razpoložljive energije vetra, vendar pa, kar je
pomembno s stališča zanesljivosti obratovanja, delujejo večji del časa v področju konstantne
nazivne moči. Takšen način obratovanja imenujemo znižana kapaciteta. Prikazuje ga slika
3.2. S črtkano linijo je prikazana klasična karakteristika vetrne turbine, pri kateri moč narašča
s tretjo potenco hitrosti vetra. Ta karakteristika je v področju nizkih moči odrezana (turbina
pod startno vrednostjo hitrosti vetra ne obratuje), nato sledi klasični karakteristiki do nazivne
moči, nad njo pa se ne povzpne in ostaja kljub povečevanju hitrosti vetra konstantna, kar
dosežemo s spreminjanjem kota lopatic. Ko je presežena maksimalna dopustna hitrost vetra,
se delovanje turbine zaustavi [3].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
4 RAZDELITEV IN ZGRADBA VETRNIH ELEKTRARN
Vetrne elektrarne lahko razdelimo glede na smer vrtenja rotorja v naprave z vrtenjem okoli
vertikalne oz. navpične osi in naprave z vrtenjem okoli horizontalne oz. vodoravne osi. Nekaj
takšnih naprav prikazuje slika 4.1 [3]. Tipične vetrnice z navpično osjo vrtenja so Darieusova,
Savoniusova in Fletterjeva vetrnica. Vetrnica, ki se najpogosteje uporablja, je trilistna vetrnica
z vodoravno osjo.
Slika 4.1: Različne izvedbe rotorjev vetrnic z vrtenjem okoli navpične in vodoravne osi [3]
Glavni elementi, ki sestavljajo vetrno turbino so vetrnica oz. rotor, menjalnik tj. prenos,
generator, gibljiva čeljust ter regulacijski sistem. Zgradba je lepo vidna na prečnem prerezu
tipične vetrne turbine.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
Slika 4.2: Vetrna turbina [17]
Rotor
Običajne vetrne turbine, ki imajo dva ali tri krake vetrnice normalno obratujejo pri obodni
hitrosti 50 do 70 m/s. Pri teh vrednosti dajejo trikraki propelerji najboljše izkoristke. Čeprav
imajo dvokraki propelerji le 2-3% slabši izkoristek raje uporabljamo trikrake, saj so sile, ki
delujejo na rotor bolj enakomerno razporejene; pa tudi estetično delujejo najbolj prijetno.
Rotor sam oziroma lopatice propelerja so največkrat narejene iz steklenih vlaken in poliestra,
lesa ali lesenega laminata, karbonskih vlaken ali pa iz aluminija. Izbira materiala je odvisna
predvsem od zahtevnosti izdelave, namembnosti (teža, modul elastičnosti) in cene. Seveda pa
se pri izdelavi stremi po čim bolj kakovostnih lopaticah:
- Visoko razmerje aerodinamičnih sil dviga/upora za večji izkoristek v celotnem
območju delovanja;
- Čim boljša mehanska vzdržljivost, žilavost;
- Majhna teža;
- Nizka produkcija zvoka.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
Moč vetrnih turbin lahko reguliramo na več načinov:
- moč vetrne turbine spreminjamo s faktorjem izkoristka Cp (pitch control) [9]. To
storimo tako, da lopaticam med obratovanjem spremenimo vpadni kot vetra. Tako
zmanjšamo aerodinamično silo dviga in povečamo silo upora lopatic. Rezultat je
zmanjšanje Cp, kar se manifestira v manjši moči vetrne turbine tj. manjši hitrosti.
Seveda pa gre spreminjanje le do nekih meja, zato se takega načina regulacije moči ne
poslužujemo več.
- moč vetrne turbine reguliramo z navorom generatorja (stall control); Največje število
vetrnih turbin v razredu od 50 do 500 kW, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne
energije za omrežje, uporablja ta tip regulacije. Običajno so elektrarne tega tipa
opremljene z asinhronskim generatorjem. V normalnem obratovanju je okoli lopatic,
ki so nastavljene na kar najbolj optimalen vpadni kot vetra, zagotovljeno laminarno
gibanje zraka. Tako je aerodinamičen izkoristek vetrnice kar se da velik. Ko pa nastopi
hitrost vetra, pri kateri generator doseže svojo nazivno moč (mejna vrednost) pa
moramo nadaljnje naraščanje navora na rotor preprečiti. Ker je elektrarna priklopljena
na togo omrežje se asinhronski generator s svojim vrtilnim momentom upira
nadsinhronski hitrosti, kar povzroči praktično konstantno hitrost propelerja. Če hitrost
vetra še narašča, se posledično spremeni tudi vpadni kot vetra na lopatice, ki se še
vedno vrtijo s konstantno hitrostjo. Laminaren tok vetra se na zadnjem delu
lopatice »odlepi« kar se posledično manifestira kot turbulenten tok zraka okoli lopatic.
Ta povzroči da se sila upora napram aerodinamični sili dviga (efekt letalskega krila,
slika 4.3) močno poveča, posledica česar je poslabšanje faktorja Cp oziroma
zmanjšanje moči vetrne turbine.
- moč vetrne turbine reguliramo z obračanjem vetrne turbine iz smeri vetra (yaw
control); Le v redkih primerih lahko zasledimo tak tip regulacije. Vetrno turbino, ki je
preobremenjena enostavno z čeljustnim mehanizmom obrnemo iz smeri vetra [9].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
Slika 4.3: Efekt letalskega krila [18]
Mehanski prenos
Mehanska moč, ki jo generira propeler se preko mehanskega prenosa prenese na os
generatorja. Mehanski prenos je navadno sestavljen iz menjalnika, sklopke in zavornega
sistema. Menjalnik je namenjen zvišanju vrtljajev rotorske gredi na nivo, ki ustreza dotičnemu
generatorju. Cel mehanski prenos mora biti dimenzioniran tako, da vzdrži visoke dinamične
sile, ki nastopajo med obratovanjem naprave. Nekateri konstrukterji zato poleg menjalnika
vključijo še vztrajnik, ki na take sile deluje kot dušilni člen [9].
Generator
Elise pretvorijo kinetično energijo v energijo vrtenja, ta se prenese na gred generatorja,
generator pa pretvori mehansko energijo v električno energijo. Generatorji, ki se uporabljajo v
vetrnih aplikacijah, delujejo na principu elektromagnetne indukcije, ki nastane zaradi
premikanja vodnika po magnetnem polju. Poznamo sinhronske in asinhronske generatorje. Pri
vetrnih elektrarnah s konstantno hitrostjo vrtenja se skoraj izključno uporablja asinhronske
generatorje. Asinhronski generatorji so zasnovani tako, da obratujejo z omrežjem. Pri hitrostih
vrtenja rotorja, ki so enake ali večje od sinhronske, frekvenca proizvedenega električnega toka
ni nikoli večja od frekvence v omrežju (50 Hz) [9].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
Zavorni sistem
Ker je moč vetra sorazmerna tretji potenci hitrosti vetra se ob visokih hitrostih vetra
pojavljajo sile znatnih velikosti. Zato v vsaki vetrni elektrarni obstajata najmanj dva
medsebojno neodvisna zavorna sistema, ki imata sposobnost popolne zaustavitve propelerja
ali pa le njegovo zmanjšanje hitrosti. Zavorni sistem pride v uporabo predvsem pri močnih
vetrovih, kjer je potrebno zmanjšati vrtljaje ali pa med vzdrževalnimi deli, ki zahtevajo
mirujoč sistem. Tudi izpad električnega omrežja ter s tem izguba nasprotujočega električnega
bremenskega momenta lahko hitro privede do nevarnih hitrosti rotorja.
Pri regulaciji z uravnavanjem Cp (pitch control), kjer spreminjamo naklonski kot lopatic nam
zasuk vpadnega kota vetra na 0° ali celo v negativno stran povzroči upočasnitev propelerja.
Kjer uporabljamo drugačno regulacijo (stall control) nimamo možnosti rotiranja lopatic
rotorja. Zato imajo navadno na koncu propelerskih lopatic vgrajene zavorne lopute, ki se ob
aktivaciji postavijo v položaj največjega zračnega upora.
Za popolno zaustavitev rotorja pa uporabljamo mehanske zavore, ki se po navadi zaradi
manjših zavornih momentov nahajajo za menjalnikom, čeprav taka postavitev slednjega
močno obremenjuje. Pri projektiranju zavor je posebno pomembno,da je sistem kljub kakšni
okvari varen [9].
Čeljustni sistem
Horizontalno-osne turbine imajo čeljustni sitem, ki jim omogoča obračanje propelerja proti
vetru. Na okrovu turbine se nahaja merilec hitrosti (anemometer) in smeri vetra. Ta nato svoje
podatke posreduje regulacijskemu sistemu, ki nato z motornim pogonom obrača čeljustni
sistem tako, da je smer vetra pravokotna na propelersko ploščino [9].
Stolp
Naloga stolpa je držanje horizontalno-osne vetrne turbine skupaj z generatorjem na neki
višini, ter zagotavljati dobro stabilnost in s tem nemoteno delovanje. Stolpi so lahko betonske
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
ali pa železne konstrukcijske izvedbe, pri čemer je betonska različica dražja. Večji betonski
stolpi so navadno votli, v njih pa se lahko povzpnemo do turbine oz. generatorja. Stolpi
morajo biti postavljeni na resnično masivne temelje, ki pogostokrat dosežejo globino tudi 50
m. Pri prelahkih temeljih se pojavi tudi problem resonančnih frekvenc, ki lahko nastopijo ob
določenih vrtljajih propelerja [9].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
5 PREDNOSTI IN SLABOSTI VETRNE ELEKTRARNE
Prednosti:
- čista energija (proizvodnja električne energije z vetrno elektrarno ne povzroča
emisij in s tem zmanjšuje onesnaževanje zraka),
- raba vetrne energije zmanjšuje rabo fosilnih goriv (nafta, zemeljski plin, premog
itd.),
- za delovanje niso potrebni zunanji viri napajanja ali goriv, saj izkorišča izključno
energijo vetra,
- hitra gradnja,
- nova delovna mesta,
- gospodarski razvoj regije,
- nizki stroški obratovanja [10].
Slabosti:
- spremenjen videz okolice zaradi visokih vetrnic ( potrebujejo veliko prostora),
- neprijeten hrup v bližini vetrnic, primerljiv z delovanjem motocikla,
- negativen vpliv na ptice,
- slab izkoristek saj veter ne piha ves čas z optimalno hitrostjo.
- vetrne turbine proizvedejo malo elektrike (Nemčija - slabih 6% celotne električne
energije), onesnaževanje pa povzroča promet in gradnja ter razgradnja gradbenih
konstrukcij in industrija, ki proizvaja komponente za vetrne turbine,
- vetrne elektrarne delujejo v presledkih, zato morajo ostale elektrarne na fosilna
goriva biti vedno v pripravljenosti,
- vetrne elektrarne vplivajo tudi na telefonske storitve, televizijo ter
mikrokomunikacijo, prihaja do mikrokomunikacijskih motenj (interferenc),
- vetrne elektrarne potrebujejo za delovanje, hlajenje in mazanje od 200 do 370
litrov sintetičnega olja, ki se nahaja na vrhu vetrne turbine, 55 kW vetrna turbina
potrebuje 31 litrov, 2000 kW pa 370 litrov olja,
- vetrne elektrarne motijo tok svetlobe – kraji izza vetrnih elektrarn postavljeni v
migotanje svetlobe, kar povzroča dezorientacijo, glavobole in migreno,
- nekatere vetrne turbine so ponoči osvetljene, kar še dodatno moti okolico (t. i.
svetlobno onesnaženje nočnega neba) [11].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
6 ELEKTRIČNI GENERATORJI
Električni generator je električni stroj, ki pretvarja mehansko moč v električno in obratno.
Osnovni trije tipi generatorjev v vetrnih elektrarnah so sledeči:
- asinhronski generator s kratkostično kletko na rotorju. Priklop na omrežje je v tem
primeru neposreden na togo omrežje, ki generatorju vsili napetost in frekvenco;
- asinhronski generator z dvojnim napajanjem. V tem primeru je poleg statorja tudi
rotor preko AC/DC/AC pretvornika priključen na omrežje. Boljša izvedba v
primerjavi z generatorjem s kratkostično kletko, saj dobimo večji izkoristek pri
enaki hitrosti vetra;
- sinhronski generator, priključen na omrežje preko AC/DC/AC pretvornika.
Običajno pri močeh elektrarne nad 2 MW [12].
6.1 Prednosti in slabosti posameznih vrst generatorjev
Asinhronski generator s kratkosklenjenimi rotorskimi sponkami oz. s kratkostično kletko na
rotorju:
- primeren za uporabo v elektrarnah manjših moči, saj brez regulacije na rotorski
strani dosežemo slab izkoristek, frekvenca in napetost pa sta ustrezni zgolj zato,
ker ju generatorju vsili togo omrežje. Njegova prednost pa je v tem, da ne
potrebuje sorazmerno dragih naprav za regulacijo, kot jih imamo pri sinhronskih
generatorjih.
Asinhronski generator z dvojnim napajanjem:
- mnogo boljše delovanje glede na predhodni generator, vendar je izvedba
zahtevnejša. V tem primeru s pomočjo stikalnega pretvornika vsilimo na rotorska
navitja ustrezne napetosti, s katerimi reguliramo kotno hitrost gredi. Namen
regulacije hitrosti pa je postaviti pogonski stroj v najboljšo možno obratovalno
točko pri določeni hitrosti vetra.
Sinhronski generator:
- uporablja se v primeru velikih moči. Sinhronski generatorji morajo obratovati pri
povsem konstantni hitrosti vrtenja, kar pri vetrnih turbinah ni lahko zagotoviti,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
zato se ne uporabljajo prav pogosto. Pred sinhronizacijo z omrežjem se mora rotor
vrteti s sinhronsko hitrostjo.
Pri vetrnih elektrarnah s konstantno hitrostjo vrtenja se skoraj izključno uporablja asinhronske
generatorje. Eden od razlogov za to izbiro je, da se pri vetrnih elektrarnah s sinhronskim
generatorjem lahko pojavi nezaželena resonanca, ki jo lahko povzroči sinhronski generator s
svojo konstantno frekvenco ter turbina s svojim pulzirajočim navorom na gredi generatorja.
Ta problem učinkovito odpravlja asinhronski generator, ki take pulzirajoče spremembe navora
elegantno absorbira s svojim slipom. Generatorji v takšnih elektrarnah običajno obratujejo na
napetostnem nivoju 690 V. Slabe lastnosti asinhronskih generatorjev, kot je velik zagonski
tok, rešujemo z mehkim zagonom s pomočjo tiristorjev. Nekoliko slabši cos pa
popravljamo s kondenzatorskimi baterijami, ki so locirane ob vznožju stolpa.
Za vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja se uporabljajo tako sinhronski kot
asinhronski generatorji. Nadaljnji razvoj pa gre v smeri generatorjev, ki ne bi potrebovali
menjalnika med propelerjem in generatorsko osjo. Velika pozornost pa se posveča tudi
pretvornikom, kjer bi glavno vlogo preklapljanja tokov imeli močnostni tranzistorji, žal pa
imajo pri velikih močeh precejšnje toplotne izgube [9].
6.2 Asinhronski stroj
Asinhronski stroj lahko deluje kot motor, kadar se rotor vrti počasneje od sinhronizma, vendar
v isto smer kot njegovo vrtilno magnetno polje. Če asinhronski stroj poženemo preko
sinhronizma, da se vrti hitreje kot vrtilno magnetno polje, vendar v isto smer, postane
asinhronski generator.
Asinhronski stroj je eden najpogosteje uporabljenih električnih pogonskih strojev. Razširjena
uporaba je povezana predvsem z enostavno konstrukcijo in veliko obratovalno zanesljivostjo
stroja. Asinhronski stroj ima več navitij na statorju in na rotorju. Statorska navitja so
porazdeljena po obodu statorja v statorskih utorih, rotorska navitja pa po obodu rotorja v
rotorskih utorih. Asinhronski stroj deluje na osnovi vrtilnega magnetnega polja. Najpogosteje
srečamo trifazno izvedbo asinhronskega stroja, kjer vrtilno magnetno polje ustvarjajo tri
navitja na statorju in tri na rotorju. Na enakem principu vrtilnega magnetnega polja deluje tudi
dvofazni asinhronski stroj, vendar te srečamo redkeje. Tudi enofazni asinhronski stroj je
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
dvofazen z dvema navitjema na statorju, vendar je eno od navitij aktivno samo ob zagonu,
zato se imenuje pomožno ali zagonsko. Ob zaganjanju stroja pomožno navitje ustvari vrtilno
magnetno polje, ko pa stroj steče, pride do izklopa pomožnega navitja in asinhronski stroj v
nadaljevanju obratuje na osnovi pulzirajočega magnetnega polja kot enofazni z enim samim
priključenim navitjem na statorju [14].
Asinhronski stroj lahko ustvari vrtilno magnetno polje, če ima na statorju in rotorju vsaj dvoje
ali več navitij. Omenjena navitja morajo biti ustrezno krajevno premaknjena in primerno
napajana [14].
Asinhronski stroj deluje tako, da vrtilno magnetno polje inducira v rotorskem navitju gibalno
napetost. Rotorsko navitje je zaključen tokokrog. Tako rotorska inducirana napetost požene
po istem rotorskem navitju rotorski tok. Skupaj z vrtilnim magnetnim poljem daje rotorski tok
silo na tokovodnik v magnetnem polju. Ker so rotorski vodniki nameščeni na obodu rotorja,
tvorijo te sile navor, ki deluje na rotor.
Stranice statorskega navitja so v utorih statorja in tako v istem vrtilnem magnetnem polju,
zato se poleg inducirane napetosti na statorju pojavi tudi navor. Ta je po velikosti enak, po
smeri pa nasproten kot tisti na rotorju. Zato mora biti stator dobro pričvrščen na temelje, da ga
ta navor ne premakne ali celo zavrti.
Na rotorju asinhronskega stroja potrebujemo navitje, ki bo pri določeni inducirani napetosti
dalo čim večji tok. Zato so rotorska navitja asinhronskih strojev navadno v kratkem stiku.
Samo v posebnih primerih uporabljamo navitja, ki omogočijo vključevanje dodatnih naprav v
rotorski tokokrog.
Pri asinhronskem stroju sta v uporabi dve tipični izvedbi rotorskega navitja: kratkostična
kletka in trifazno navitje z drsnimi obroči [14].
Rotor s kratkostično kletko
Kratkostična kletka je shematično prikazana na sliki 6.1. Poleg skice kratkostične kletke so še
nekatere oblike prerezov palic kratkostičnih kletk. Različne oblike palic v kratkostični kletki
asinhronskega stroja povzročijo, da ima ta različne lastnosti.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
Slika 6.1: Skica kratkostične kletke in oblike palic [12]
Rotor s kratkostično kletko je navadno izdelan tako, da se gole bakrene palice vložijo v utore
brez izolacije [12]. Na obeh koncih rotorja na palice nataknemo kratkostična obroča in ju
privarimo na palice. Pri manjših strojih je pogosto celotna kratkostična kletka z ventilatorjem
vred vlita iz zlitine aluminija in silicija. Takšna kletka drži rotor čvrsto skupaj, kateri zato ne
potrebuje posebnih opor za stiskanje pločevinskega paketa. Na sliki 6.2 vidimo dva
najpogostejša načina, kako spojimo palice s kratkostičnima obročema.
Slika 6.2: Način spajanja palic s kratkostičnima obročema [12]
Rotor s kratkostično kletko je najrobustnejši in najcenejši rotor z navitjem pri električnih
strojih. Mehansko je zelo trden in odporen na sunke in tresljaje. Tudi toplotno je zelo
neobčutljiv, saj nima nobene izolacije, da bi se starala. Izdelava vlite kletke s tlačnim
vlivanjem aluminija je tudi razmeroma poceni. Varjena kletka je nekaj dražja, ker zahteva več
delavnega časa za vlaganje palic in varjenje kratkostičnega obroča. Omogoča pa večjo izbiro
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
materialov pri rotorjih za posebne namene. Večina asinhronskih strojev je zato opremljena s
kratkostično kletko. Edina pomanjkljivost kratkostične kletke je v tem, da ne omogoča
vključevanje dodatnih naprav v rotorski tokokrog [12].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
7 ANALIZA MODELA VETRNE ELEKTRARNE Z
ASINHRONSKIM GENERATORJEM
7.1 Opis programske opreme Matlab/Simulink
Matlab je programski paket, namenjen numeričnemu računanju, kot so aritmetične operacije
skalarjev, vektorjev, matrik, diferencialnih enačb, diferenčnih enačb in prikazovanju
rezultatov. Svoj osnovni namen je presegel z razširitvami v obliki dodatnih knjižnic
(»toolbox«). Tako je njegova uporaba nepogrešljiva pri simulacijah regulacijskih prog,
načrtovanju regulatorjev, načrtovanju filtrov in splošnih matematičnih problemov. Ena od
najbolj razširjenih in uporabljenih orodjarn v Matlabu je Simulink.
Simulink je programsko orodje in podsistem Matlab-a. Je grafični vmesnik, kjer s pomočjo
blokov sestavimo želeno regulacijsko progo in preverimo njeno delovanje. Bloke sestavljamo
po sistemu »drag and drop« in jih med sabo ustrezno povežemo. Na voljo so tudi izvori
različnih oblik vhodnih signalov (generator sinusne, pravokotne, trikotne oblike, časovnik,
itd). Signale na izhodu iz regulacijske proge lahko opazujemo s pomočjo prikazovalnika
(Scope) ali pa jih prenesemo v delovni prostor (To Workspace), kjer lahko dodatno
manipuliramo z njimi (npr. skaliranje, izris več signalov na eno časovno os). Zaženemo ga
lahko v Matlab-ovem okolju z ukazom ››simulink‹‹ ali s pomočjo ikone v Matlab-ovi orodni
vrstici [15].
7.2 Simulacijski model vetrne elektrarne v Matlab/Simulink-u
Simulacijski model vetrne elektrarne (slika 7.1) je sestavljen v programskem paketu
Matlab/Simulink. Model je sestavljen iz:
- omrežja in
- vetrne turbine z asinhronskim generatorjem.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
Slika 7.1: Poenostavljen simulacijski model vetrne elektrarne
Omrežje (slika 7.2) ima izvor napetosti 120 kV ter frekvenco 50 Hz, za izvorom napetosti
imamo vezan blok, ki izvaja tri fazno impedanco z medsebojno sklopitvijo med fazami. V
omrežju so trije transformatorji - prvi zniža izhodiščno napetost 120 kV/25 kV, drugi z 25
kV/380 V, tretji pa je ozemljitveni. Za prenos električne energije nam služita dva daljnovoda,
prvi z dolžino 25 km in drugi z dolžino 1 km. Na omrežje je priključeno tudi kapacitivno
breme moči 200 kvar.
Omrežje nam zagotavlja jalovo moč, ki je potrebna za vzbujanje asinhronskega generatorja,
sprejema pa proizvedeno delovno moč.
Slika 7.2: Shema omrežja
Vetrna turbina (slika 7.3) je bila izbrana iz Matlab/Simulink knjižnice. Uporabili smo takšno z
asinhronskim generatorjem s kratkostično kletko. Maksimalna moč turbine, ki je hkrati tudi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
nazivna moč (v pu vrednostih od nazivne mehanske moči), je dosežena pri bazni hitrosti vetra
9 m/s in kotu lopatic 0° (slika 7.5).
Slika 7.3: Vetrna turbina
Na sliki 7.4 so prikazani nazivni parametri turbine in sicer:
- nazivna mehanska moč turbine (izhodna moč): 1,5 MW
- bazna hitrost vetra: 9 m/s
- maksimalni kot lopatic: 45°
Slika 7.4: Nazivni parametri turbine
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
Na sliki 7.5 je prikazana karakteristika izhodne moči vetrne turbine v odvisnosti od hitrosti
turbine.
Slika 7.5: Karakteristika izhodne moči turbine v odvisnosti od hitrosti vrtenja turbine
(v pu vrednosti od nazivne hitrosti vrtenja generatorja)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1 pu
Max. moč pri bazni hitrost vetra (9 m/s) in kotu lopatic 0°
4 m/s
5 m/s
6 m/s
7 m/s
8 m/s
9 m/s
10 m/s
Hitrost turbine (pu)
Izh
od
na
mo
č t
urb
ine (
pu
)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
Za generator smo uporabili asinhronski stroj s kratkostično kletko in nazivnimi podatki (slika
7.6):
- nazivna navidezna moč Sn = 1,67 MVA,
- nazivna medfazna napetost Un = 380 V,
- nazivna frekvenca f = 50 Hz,
- število parov polov p = 3.
Slika 7.6: Nazivni parametri generatorja
Na sliki 7.7 sta prikazana vetrna turbina in asinhronski generator. Statorsko navitje je direktno
povezano na omrežje, rotor pa je gnan s strani vetrne turbine. Asinhronski generator pretvori
mehansko moč, ki jo dobimo z gredi vetrne turbine, v električno moč in jo pošilja v omrežje
preko statorskega navitja. Pri visokih hitrostih vetra, s spreminjanjem kota lopatic, omejimo
električno moč generatorja na nazivno mehansko moč (slika 7.8). Kadar je izmerjena
električna moč pod nazivno vrednostjo, je kot lopatic enak 0°, ko električna moč preseže
nazivno vrednost, se kot lopatic spremeni, da bi izmerjeno električno moč zmanjšali na
nazivno vrednost [16].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
Da bi asinhronski stroj deloval kot generator mora obratovati z nadsinhronskimi vrtljaji.
Jalovo moč, ki jo sprejme asinhronski generator, dobimo iz omrežja.
Slika 7.7: Vetrna turbina in asinhronski generator [16]
Slika 7.8: Regulacijski sistem za spreminjanje kota lopatic [16]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
7.3 Rezultati
S programskim orodjem Matlab/Simulink smo opravili analizo vetrne turbine z asihnronskim
generatorjem, ki je priključen na elektroenergetsko omrežje, ki je predstavljeno na spodnji
sliki (slika 7.9). Analiza je izvedena s pomočjo simulacije modela vetrne turbine z
asinhronskim generatorjem (slika 7.9), pri čemer smo opazovali časovni potek posameznih
veličin.
Slika 7.9: Simulacijski model
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
Slika 7.10: Proizvedena električna delovna moč
Na sliki 7.10 vidimo potek delovne električne moči, ki jo asinhronski generator oddaja v
omrežje. Vzponi in padci, ki so vidni na sliki, so posledica spreminjanja hitrosti vetra. Za
omejitev električne moči na nazivno si pomagamo s spreminjanjem kota lopatic vetrne
turbine.
Slika 7.11: Prikaz delovne (P), jalove (Q) in navidezne moči (S)
0 5 10 15 20 25 30-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
t [s]
P [
MW
]
0 5 10 15 20 25 30-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
t [s]
P [MW]
Q [Mvar]
S [MVA]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
Slika 7.12: Hitrost vetra
Slika 7.12 nam prikazuje spremembo vetra oz. spremembo njegove hitrosti v m/s. Minimalna
vrednost je 6 m/s, maksimalna pa 11 m/s.
Slika 7.13: Prikaz odvisnosti moči od hitrosti vetra
Na sliki 7.13 je prikazano kako se spreminja izhodna moč generatorja glede na hitrost vetra. V
našem primeru začnemo proizvajati električno energijo pri hitrostih nad 6 m/s, nazivna
0 5 10 15 20 25 302
4
6
8
10
12
14
t [s]
vete
r [
m/s
]
0 5 10 15 20 25 30-2
0
2
4
6
8
10
12
t [s]
P [MW]
veter [m/s]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
delovna moč generatorja pa je dosežena pri bazni hitrosti vetra, ki za našo turbino znaša 9
m/s.
Slika 7.14: Prikaz delovne in jalove moči pri spremembi hitrosti vetra
Slika 7.15: Hitrost rotorja generatorja (število parov polov: 3)
Slika 7.15 nam prikazuje spremembo števila vrtljajev asinhronskega 6 polnega (3 polovi pari)
generatorja. Za 6 polni asinhronski stroj je definirano število vrtljajev n = 1000 min-1
, ker pa
0 5 10 15 20 25 30-2
0
2
4
6
8
10
12
t [s]
P [MW]
Q [Mvar]
veter [m/s]
0 5 10 15 20 25 30996
998
1000
1002
1004
1006
1008
1010
1012
t [s]
wr [
min
-1]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
33
naš stroj deluje kot generator so ti malenkost višji, kar je razvidno tudi iz zgornje slike.
Vzponi in padci krivulje so posledica spreminjanja hitrosti vetra.
Slika 7.16: Mehanski (Tm) in električni (Te) vrtilni moment generatorja v odvisnosti od časa
Slika 7.17: Regulacija kota lopatic glede na hitrost vetra
0 5 10 15 20 25 300
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
t [s]
Tm [pu]
Te [pu]
0 5 10 15 20 25 300
2
4
6
8
10
12
t [s]
veter [m/s]
kot lopatic [°]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
34
Slika 7.18: Delovna moč, hitrost vetra in regulacija kota lopatic
Na sliki 7.18 vidimo, da se kot lopatic spreminja z večanjem hitrosti vetra preko bazne
vrednosti hitrosti, ki za našo turbino znaša 9 m/s. Kot lopatic se spreminja, da bi omejili
električno moč generatorja na nazivno mehansko moč turbine.
Slika 7.19: Izhodna napetost generatorja
0 5 10 15 20 25 30-2
0
2
4
6
8
10
12
t [s]
veter [m/s]
P [MW]
kot lopatic [°]
0 5 10 15 20 25 300.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
t [s]
U [
pu
]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
35
Slika 7.20: Napetost generatorja v odvisnosti od hitrost vetra
Na slikah 7.19 in 7.20 vidimo, da je izhodna napetost generatorja konstantna ne glede na
spremembo hitrosti vetra. Napetost je konstantna zato, ker je generator priklopljen neposredno
na togo omrežje, ki nam vsili napetost in frekvenco.
Slika 7.21: Tok generatorja
0 5 10 15 20 25 300
2
4
6
8
10
12
t [s]
U [pu]
Veter [m/s]
0 5 10 15 20 25 300
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
t [s]
I [p
u]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
36
Slika 7.22: Tok generatorja v odvisnosti od hitrosti vetra
Na slikah 7.21 in 7.22 opazimo, da električni tok, v nasprotju z napetostjo, ni konstanten in se
spreminja glede na hitrost vetra. Iz slike 7.21 je lepo razvidno, da ima začetni električni tok
skoraj petkratno vrednost nominalnega električnega toka.
0 5 10 15 20 25 300
2
4
6
8
10
12
t [s]
I [pu]
Veter [m/s]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
37
8 ZAKLJUČEK
V uvodu diplomskega dela smo predstavili problematiko izkoriščanja fosilnih goriv ter se
osredotočili na pridobivanje električne energije s pomočjo obnovljivega vira – vetra.
Predstavili smo zgradbo vetrne elektrarne, njeno delovanje, prednosti in slabosti ter
generatorje, ki se uporabljajo v vetrnih aplikacijah.
V diplomskem delu smo naredili analizo modela asinhronskega generatorja s kratkostično
kletko nazivne navidezne moči 1,67 MVA, nazivne medfazne napetosti 380 V, nazivne
frekvence 50 Hz s tremi pari polov. Ta generator smo izbrali zato, ker je v primerjavi z
ostalimi generatorji, predstavljenimi v teoretičnem delu, primernejši in najpogosteje
uporabljen za uporabo v vetrnih aplikacijah manjših moči. Blokovno shemo vetrne elektrarne
priključene na omrežje smo sestavili v programskem paketu Matlab/Simulink. Spreminjali
smo vhodno hitrost vetra in opazovali kaj se dogaja z našo vetrno elektrarno. Za vzbujanje
asinhronskega generatorja smo uporabili jalovo moč, ki nam jo je zagotovilo omrežje, vanj pa
smo oddajali proizvedeno delovno moč. Opazovali smo razmere pri spremembi kota lopatic
vetrne turbine ter naslednje parametre asinhronskega generatorja:
- delovno moč,
- jalovo moč,
- navidezno moč,
- hitrost rotorja,
- električni navor,
- mehanski navor,
- električno napetost in
- električni tok.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
38
9 LITERATURA IN VIRI
[1] Kegl, B., Goriva za trajnostni razvoj – zapiski predavanj, Univerza v Mariboru,
Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2010.
[2] Dostopno na svetovnem spletu:
<http://sl.wikipedia.org/wiki/Elektri%C4%8Dni_generator> [citirano: 2. 8.
2011]
[3] Hribernik, A., Obnovljivi viri energije, Univerza v Mariboru, Fakulteta za
strojništvo, Maribor, 2010.
[4] Kegl, B., Ekološka problematika motorjev in vozil - univerzitetni učbenik,
Univerza v Mariboru. Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2009.
[5] Kegl, T., Pretvorba toplote pri majhnih temperaturnih razlikah v mehanično delo -
raziskovalna naloga, Mladi za napredek Maribora, Maribor, 2010.
[6] Tester, J. W. in soavtorji, Sustainable Energy, The MIT Press, 2005.
[7] Graham, I., Energija vetra – energija prihodnosti. Tehniška založba Slovenije,
Ljubljana, 2000.
[8] Mikelj, Š., Izkoriščanje vetra v Sloveniji nekoč in danes – vpliv na vidne
kakovosti okolja, Ljubljana, 2006.
[9] Graham, I., Energija vetra, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 2000.
[10] Vetrna energija, http://www.lea-ptuj.si/vetrna_energija.html
[11] Novak, P., Medved, S., Energija in okolje - Izbira virov in tehnologij za manjše
obremenjevanje okolja, Svet za varstvo okolja Republike Slovenije, Ljubljana,
2000.
[12] Miljavec, D., Jereb, P., Električni stroji – temeljna znanja, samozaložba,
Ljubljana, 2005.
[13] Dostopno na svetovnem spletu: <http://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina>
[citirano: 20. 8. 2011]
[14] Dolinar, D., Štumberger, G., Modeliranje in vodenje elektromehanskih
sistemov, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in
informatiko, Maribor 2006.
[15] Dostopno na svetovnem spletu: < http://www.mathworks.com/>
[16] Matlab R2011b – Simulink/HELP
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
39
[17] Dostopno na svetovnem spletu: <http://www.instalater.si/clanek/233/Kaj-pa-
vetrna-energija>
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
40
10 PRILOGE
10.1 Seznam slik
Slika 2.1: Energijski viri in možne pretvorbe energij [1] ........................................................... 5
Slika 2.2: Prikaz zastopanosti energetskih virov za proizvodnjo energije [1]............................ 5
Slika 3.1: Pretvorba kinetične energije vetra v električno energijo [1] ...................................... 8
Slika 3.2: Karakteristika delovanja vetrne turbine [3] ................................................................ 9
Slika 4.1: Različne izvedbe rotorjev vetrnic z vrtenjem okoli navpične in vodoravne osi [3] . 11
Slika 4.2: Vetrna turbina ........................................................................................................... 12
Slika 4.3: Efekt letalskega krila [18] ........................................................................................ 14
Slika 6.1: Skica kratkostične kletke in oblike palic [12] .......................................................... 21
Slika 6.2: Način spajanja palic s kratkostičnima obročema [12] .............................................. 21
Slika 7.1: Poenostavljen simulacijski model vetrne elektrarne ................................................ 24
Slika 7.2: Shema omrežja ......................................................................................................... 24
Slika 7.3: Vetrna turbina ........................................................................................................... 25
Slika 7.4: Nazivni parametri turbine ........................................................................................ 25
Slika 7.5: Karakteristika izhodne moči turbine v odvisnosti od hitrosti vrtenja turbine
(v pu vrednosti od nazivne hitrosti vrtenja generatorja) ................................................... 26
Slika 7.6: Nazivni parametri generatorja .................................................................................. 27
Slika 7.7: Vetrna turbina in asinhronski generator [16] ........................................................... 28
Slika 7.8: Regulacijski sistem za spreminjanje kota lopatic [16] ............................................. 28
Slika 7.9: Simulacijski model ................................................................................................... 29
Slika 7.10: Proizvedena električna delovna moč ...................................................................... 30
Slika 7.11: Prikaz delovne (P), jalove (Q) in navidezne moči (S)............................................ 30
Slika 7.12: Hitrost vetra ............................................................................................................ 31
Slika 7.13: Prikaz odvisnosti moči od hitrosti vetra ................................................................. 31
Slika 7.14: Prikaz delovne in jalove moči pri spremembi hitrosti vetra................................... 32
Slika 7.15: Hitrost rotorja generatorja (število parov polov: 3) ............................................... 32
Slika 7.16: Mehanski (Tm) in električni (Te) vrtilni moment generatorja v odvisnosti od časa 33
Slika 7.17: Regulacija kota lopatic glede na hitrost vetra ........................................................ 33
Slika 7.18: Delovna moč, hitrost vetra in regulacija kota lopatic............................................. 34
Slika 7.19: Izhodna napetost generatorja .................................................................................. 34
Slika 7.20: Napetost generatorja v odvisnosti od hitrost vetra ................................................. 35
Slika 7.21: Tok generatorja ...................................................................................................... 35
Slika 7.22: Tok generatorja v odvisnosti od hitrosti vetra ........................................................ 36
10.2 Seznam preglednic
Preglednica 2.1: Razpoložljiva srednja letna energija in svetovne zaloge različnih obnovljivih
virov in fosilnih goriv [6] ....................................................................................................................... 7
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
41
10.3 Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije diplomskega dela
in objavi osebnih podatkov avtorja