51
Arnel BABIĆ ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE ELEKTRARNE Velenje, maj 2012

ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

Arnel BABIĆ

ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

ELEKTRARNE

Velenje, maj 2012

Page 2: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE
Page 3: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 4: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

II

Page 5: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 6: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 7: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 8: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 9: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 10: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

VIII

Wk/ Wkin - kinetična energija

wr - hitrost rotorja generatorja

Q - jalova moč

η - izkoristek

ρ - gostota zraka

Page 11: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 12: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 13: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 14: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 15: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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]

Page 16: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 17: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 18: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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)

Page 19: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 20: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 21: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 22: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 23: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 24: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 25: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 26: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 27: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 28: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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,

Page 29: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 30: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 31: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 32: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 33: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 34: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 35: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 36: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

)

Page 37: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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].

Page 38: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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]

Page 39: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 40: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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]

Page 41: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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]

Page 42: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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]

Page 43: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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 [°]

Page 44: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

]

Page 45: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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]

Page 46: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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]

Page 47: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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.

Page 48: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 49: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

39

[17] Dostopno na svetovnem spletu: <http://www.instalater.si/clanek/233/Kaj-pa-

vetrna-energija>

Page 50: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

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

Page 51: ELEKTRIČNI GENERATORJI ZA VETRNE

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

41

10.3 Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije diplomskega dela

in objavi osebnih podatkov avtorja