Energija vjetra - MINGORPoie.mingo.hr/UserDocsImages/Vjetar prezentacija.pdf · • Pi d lktiProizvedena električna energijij j t l kt ia u vjetroelektrani ... (Siemens)(Siemens

Energija vjetraEnergija vjetraKoritenje energije vjetra za proizvodnju el. energijeProf.dr.sc. Zdenko imiFER [email protected]

SadrajSadrajSadrajSadraj

Uvod

Snaga i energija vjetra

Elektrina snaga vjetroagregata

P i d l kt i ij j t l kt i Proizvedena elektrina energija u vjetroelektrani

Posebnosti proizvodnje elektrine energije u Posebnosti proizvodnje elektrine energije u

vjetroelektrani

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 22

Uvod: Povijest koritenja energije vjetraUvod: Povijest koritenja energije vjetraPovijest koritenja energije vjetraPovijest koritenja energije vjetra jedrenje u Egiptu - prije 4500 g. pumpanje vode u Indiji i pumpanje vode u Indiji i

mljevenje itarica u Kini - prije 2400 g.

f Perzija, Afganistan, Europa i drugi sve do industrijske revolucije za pumpanje vode i mljevenje itarica

krajem 19. st. prve el. VE u Danskoj i SADDanskoj i SAD

1941. u SAD vjetroelektrana za proizvodnju el. en. snage 1 25 MW1,25 MW

1980-te u SAD zadnjih 15 godina u Europi i ire

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetraZdenko imi - Energija vjetra 3

zadnjih 15 godina u Europi i ire

Mlin na vjetar Afghanistan (900 god )Mlin na vjetar Afghanistan (900 god )

Vjetrenjae Europa (srednji vijek)

Vjetrenjae Europa (srednji vijek)Afghanistan (900. god.)Afghanistan (900. god.) Europa (srednji vijek)Europa (srednji vijek)

Wi d ill k d C d C i t

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra

Windmills kod Campo de Criptana,La Mancha (panjolska)

Prvi vjetroagregati - Europa i SAD (kraj 19. st.)Prvi vjetroagregati - Europa i SAD (kraj 19. st.) Novi poetak

California 1985Novi poetak

California 1985California 1985.California 1985.

Boone, NC 2 MW Mod-1

SAD -Charles

Bush 1890

Altamonte Pass 4000 x 40 kW

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetraDanska - La Cours

testni vjetroagregat 1897

Danas energija vjetra dio rjeenjaDanas energija vjetra dio rjeenja

10 10 x x 2,3 MW Bonus2,3 MW Bonus (Siemens)(Siemens) VAVAvisina stupa 61 m, dubina vode 15 mvisina stupa 61 m, dubina vode 15 m

41x1 MW Mitsubishi MWT-1000A, 55 m stup,29.5 m lopatice, Combine Hills projekt u NE Oregon

Energijske tehnologijehttp://www.samsohavvind.dk/windfarm/

Stanje do 2009.Stanje do 2009.jj

GWEC izvjetaj Global Wind 2009 nahttp://www.gwec.net/index.php?id=167

Kumulativno instaliranoGodinje instalirano

Energijske tehnologije2010. 7

Energija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetra energija mase zraka je

k d j t i 2

2vmEk

kinetika: masu zraka odreuje gustoa, povrina

kroz koju struji, brzina i vrijeme: m=Avt

snaga vjetra:

2

tvAEk

2

3

snaga vjetra: derivacija energije po vremenu, dE/dt:

gustoa zraka:

2

2

3vAPvjetra

gustoa zraka: ovisi o temperaturi, tlaku i vlanosti za standardne uvjete na moru

1 225 k / 3 (101 3 kP i 15 C)

2

=1,225 kg/m3 (101,3 kPa i 15 C) mogue je koristiti standardnu gustou uz

korekciju faktorom odstupanja (prosjeka) stvarnog tlaka i temperature:

vA

d=vttlaka i temperature:

unutar uobiajenih promjena temperature i tlaka gustoa varira do 10%

b i k

3,101pcH

TcT

1,288

Energijske tehnologijeEnergija vjetra 8

brzina zraka: raste s visinom i vrlo je promjenjiva

T

Teorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraIskoritena snaga ovisi o brzini kojom vjetar

dolazi (v) i brzini kojom odlazi (w):dolazi (v) i brzini kojom odlazi (w): posebno odvajamo masu jer ovisi o prosjeku brzina:

neka omjer brzina w/v bude x

v w

j

222

)(2

wvwvAP 23 12

)1(2

xxvAP

pcvAP 3

2

21)1( xxc

cp

12

xcp za x= w/v=1/3 , cp ima

maksimalnu vrijednost cp.max :16/27 59 3%cp.Betz=16/27=59,3%

- stvarni stupanj djelovanja je uvijek manji od maksimalnog

Energijske tehnologijeEnergija vjetra 9

x

j j g

Elektrina snaga vjetroagregataElektrina snaga vjetroagregataSnaga vjetra proporcionalna je :

gustoi zraka gustoi zraka treoj potenciji brzine vjetra

D bi i j t d j b i j t i Dobivena snaga iz vjetra odreena je brzinom vjetra i karakteristikom vjetroagregata: el snagael. snaga

1. startna brzina2. promjenjiva snaga i

3Pb p j j g

efikasnost3. nazivna snaga

(promjenjiva efikasnost)2Pa

b

(promjenjiva efikasnost)4. maksimalna brzina

1 4

Pa


brzina vjetrava vb

Ovisnost snage VA o brzini vjetraOvisnost snage VA o brzini vjetrag jg j Svaki VA ima

karakteristiku snage ukarakteristiku snage u ovisnosti o brzini vjetra

Karakteristika snage ovisi Karakteristika snage ovisi o tehnikoj izvedbi pasivna samoregulacija (stall) aktivna regulacija (pitch)

Energijske tehnologije11

Koeficijent c ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent c ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent cp ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent cp ovisi o izvedbi vjetroagregata

Moderni VA sa tri lopatice

Energijske tehnologije12 omjer vrne linearne brzine lopatica i brzine vjetra

Energija vjetra brzinaEnergija vjetra brzina

Vjetar je masa zraka u pokretu: uzrokuje ga razlika tlakova

(rezultat razlike temperatura)( e u tat a e te pe atu a) posljedica Suneve energije (1 do 2 %)

j tj j t ij Z lj i k fi ij tl znaajan utjecaj rotacije Zemlje i konfiguracije tla


Varijabilnost brzine vjetra u prostoruVarijabilnost brzine vjetra u prostoruj j pj j p

meteorologija 100 k

Kratkotrajne varijacije brzine vjetra na dvije lokacije mogu biti korisne za

vrsta tlatopografija

~ 10 km

~ 100 kmsmanjivanje ukupne varijabilnosti proizvedene energije.Primjer za dvije lokacije udaljene 90 m:

prepreke

Varijabilnost brzina vjetra u vremenu: satno dnevno mjesenoVarijabilnost brzina vjetra u vremenu: satno dnevno mjeseno

3

4

5 Jan

satno, dnevno, mjesenosatno, dnevno, mjeseno

10

12

14

(m/s

)

Wind Speed

0 6 12 18 240

1

2

Prikaz stvarnih mjerenja u Dubrovniku:

10W ind S pe e d

1 2 3 4 5 6 70

2

4

6

8

Win

d Sp

eed

(j j

4

6

8

d Sp

eed

(m/s

)

January

Jan Feb Mar A pr May Jun Jul A ug Sep Oc t Nov Dec0

2

4

Win

Wind Speed m/s

18

24Wind Speed

8.4

9.8

11.2

12.6

14.0m/s

6

12

Hou

r of D

ay

2.8

4.2

5.6

7.0


Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0

Day of Year

0.0

1.4

Brzina vjetra prikazana statistikiBrzina vjetra prikazana statistikiBrzina vjetra prikazana statistikiBrzina vjetra prikazana statistiki16

18Wind Speed PDF

kkk 1Weibull raspodjela

f(v) funkcija gustoe vjerojatnosti pojavljivanja brzine v

10

12

14

uenc

y (%

)

kk

cv

cv

ckvf exp)(

1Weibull raspodjelac faktor skale [m/s]k faktor oblika

4

6

8

Freq

u

22

Rayleigh raspodjelaza k = 2 u Weibullovojfi frekvencija brzine vi

0 2 4 6 8 10 12 140

2

Value (m/s)Wind speed data Best-f it Weibull (k=1.43, c=3.36 m/s)

1 4W in d S p e e d D u r a t io n C u r v e

2 exp

2)(cv

cvvf

1 0

1 2

)

Krivulja trajanja brzine vjetra

4

6

8

Valu

e (m

/s)


0 2 ,0 0 0 4 ,0 0 0 6 ,0 0 0 8 ,0 0 00

2

H o u r s E q u a le d o r E x c e e d e d

Brzina vjetra u ovisnosti o visiniBrzina vjetra u ovisnosti o visini

Brzina se vjetrapoveava s visinompoveava s visinom to ovisi o konfiguraciji

tla, temperaturi i tlaku vano za procjenu

brzine na raznimbrzine na raznim visinama jer odreuje snagu i naprezanje VA

Jednostavan model Varijacija brzine vjetra [m/s] s visinom [m] ovisno o preko koeficijenta terena : mirna voda i glatko i

j j j [ / ] [ ]dobu dana i godinjem dobu (sijeanj crno i srpanj crveno). (B. Srensen: Renewable Energy).

4 4 / (16 k /h)g

tvrdo tlo: =0,10 visoka trava =0,15 umovito =0,25

d l k

=0,4450

300

4,4 m/s (16 km/h)

4,4 m/s

Visina grad s velikim zgradama =0,40

H

=0,28

=0,16

300

150

4,4 m/s

3,12,2

Visina

[m]


00 H

HvvH 30,,

1,4

Srednje godinje brzine vjetraSrednje godinje brzine vjetra

na 10 m visine

( )(1992-2001.)

DHMZ

d 1 d >6 / od 1 do >6 m/s

Zadatak:Kolika je brzine na 80 m visine za80 m visine za visoku travu na tlu i brzinu od 5 m/s?

15,0

80 10805

v


v80 = 6,8 m/s

Atlas vjetra i potencijal energijeAtlas vjetra i potencijal energijepotencijal energijepotencijal energije

Europa TWh/god.

kopno 500kopno 500puina 2000

potronja (1) 3000

Svijet TWh/god.

potencijal (2) 25000t j (1) 15000

(1) Priblino za 2003.potronja (1) 15000 (2) Samo kopno.


Kako dobiti statistiku vjetra za lokaciju?Kako dobiti statistiku vjetra za lokaciju?

Problem: Rjeenje:

podaci s ostalih l k ij

ostale lokacije ne odgovaraju

Problem: Rjeenje:

koreliranje(tlo prepreke)

Korelacioni atlas vjetra

lokacija odgovaraju (tlo, prepreke)j

dva pristupa

k li j d i Predvianje lokalna mjerenja kratko vrijeme (brzina, smjer i

temperatura)

koreliranje s drugim lokacijama gdje je due mjereno

Predvianje koreliranjem

mjerenja


p )mjerenja

Dostupnost dugoronih podatakaDostupnost dugoronih podataka

i l i t t j j b i j tgdje?

nacionalni sustav meteo mjerenja brzine vjetra posebne namjene (nautika, avijacija, poljoprivreda) koritenje vjetra od ranih 80-ih

d ? preciznost anemometara pohrana i obrada podatakapouzdano?

reprezen

pohrana i obrada podataka konzistentnost i povijest lokacije

k t tlreprezen-tativno?

prepreke, vrsta tla primjena korekcija

korisno? format podataka: samo godinji prosjeci ili duge vremenske serije dugotrajno mjerenje


dugotrajno mjerenje

Procjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visine

Irska: na 50 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50, 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50, 75 i 100 m; 75x150 km


15

20

25

30

d Sp

eed

(m/s

)

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0

5

10Win

d

Power Curve

1,000

1,500

2,000

Pow

er (k

W)

Power Curve

1 500

0 5 10 15 20 250

500P

Wind Speed (m/s)

500

1,000

1,500

Pow

er (k

W)

16 Scaled data PDFJan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

0

50 Vestas V82 Power Output PDF

4

8

12

Freq

uenc

y (%

)

20

30

40

eque

ncy

(%)

Energijske tehnologije0 5 10 15 20 25 30 35

0

4F

Value (m/s)Wind speed data Best-f it Weibull (k=1.42, c=7.63 m/s)

0 500 1,000 1,500 2,0000

10

Fre

Value (kW)

Procjena proizvodnje ukupne godinje elektrine energijeProcjena proizvodnje ukupne godinje elektrine energijeelektrine energijeelektrine energijeWgod. procijenjena godinja proizvodnja el. en.

T 365 24 8760 h dfPTWmv

)()(Tgod. = 36524 = 8760 hr raspoloivost (0,9 ili vie)

vp vm poetna i maksimalna brzina vjetra

dvvfvPrTWpv

godgod )()(..

vp, vm poetna i maksimalna brzina vjetra

P(v) snaga VA pri brzini v

f(v) funkcija gustoe vjerojatnosti pojavljivanja brzine v m

p

v

vgod dvvfvPrW )()(8760.

Za utjecaj tlaka i temperature treba ukljuiti

korekciju cH i cT.mv

Za diskretnu raspodjelu frekvencije brzine

vjetra kroz godinu:

m

pi

v

vviigod fPrW 8760.

fi frekvencija brzine vi

ti trajanje brzine vi

m

pi

v

vviigod tPrW .

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra

- broj diskretnih koraka odreuje preciznost

24

pi

Procjena proizvodnje ukupne godinje elektrine energije - primjerProcjena proizvodnje ukupne godinje elektrine energije - primjerelektrine energije primjerelektrine energije primjer

W = W3-11 + W11-25 = t3-11P3-11 + t11-25P11-25 = 59540,543 + 23551,500 = 6766 [MWh]


Varijacija proizvodnje vjetroelektranaVarijacija proizvodnje vjetroelektranaSatne dnevne sezonske i godinje varijacije brzine vjetra

80

90

100

Satne, dnevne, sezonske i godinje varijacije brzine vjetra

80

90

Dnevne varijacije vee blizu obale i tijekom ljeta.

40

50

60

70

atna

sna

ga V

E(M

W)

40

50

60

70

80

naga

VE

(M

W)

0

10

20

30

1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721

Sa

0

10

20

30

40

Dne

vna

sn

LB

1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721

Sat (Listopad 2000)

90

100

)

LB

1 8 15 22 29

Dan (Listopad 2000)

50

60

70

80

o m

jese

cim

a (M

W)

Prosjek

Maksimum

10

20

30

40

Snag

a VE

po

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 26(www.windpower.org) LB

0

10

Utjecaj vjetroelektrane na EE sustavUtjecaj vjetroelektrane na EE sustav

dij l jiti velika varijabilnost

moe se dijelom smanjiti npr. ukljuivanjem VE na irokom

d jvarijabilnost podruju

mala predvidljivost

koritenje poboljanih metoda predvianja vjetra (vremena)

koritenje modernih VE s kontrolom upravljivost

jnagiba lopatica i varijabilnom brzinom


Zadatak 4. Proizvedena el. energija iz vjetraZadatak 4. Proizvedena el. energija iz vjetraProizvedena el. energija iz vjetraProizvedena el. energija iz vjetraOdrediti proizvedenu el. energiju VA

prema podatcima:prema podatcima:poetna brzina vjetra vp = 4 m/s;

nazivna brzina vjetra vn = 10 m/s;

k d b i j 25 /maks. radna brzina vj. vmax = 25 m/s;

trajanje vjetra izmeu vp i vn tp-n= 3000 h;

trajanje vjetra izmeu vn i vmax tn= 1500 h;

Rjeenje:W = Wp-n + Wn

(P t +P t )prosjena snaga do nazivne Pp-n = 0,4 MW;nazivna snaga Pn = 1 MW;

raspoloivost r = 90%

= r(Pp-ntp-n +Pntn)

= 0,9(0,43000+11500)= 0,9(1200+1500) raspoloivost r 90%

W

( )= 0,92700= 2430 [MWh]

Za vjebu:Odrediti faktor optereenja VA.Rj : 28 %

mv

tPrW


Rj.: 28 %

pi vv

iigod tPrW .

Tehnologija: veliineTehnologija: veliinemale

1 ~ 100 kWsrednje i velike

100 ~ 1500 kW(puina )

> 1500 kW1 100 kW 100 1500 kW > 1500 kW

Daleka izolirana mjestaRaznolikost rjeenja

Na mreiSamostalne i u grupi1000 kW posve

Na puini (stotine MW)Razvija se

pkomercijalne (velike serije)

Mikro Vrlo male Male Srednje Velike


Mikro Vrlo male Male Srednje Velike1 10 100 750 [kW]1 10 100 750 [kW]

Tehnologija: osnovne komponenteTehnologija: osnovne komponente

Lopatice rotoraLopatice rotora

pozicioniranje(prijenos)generatorkontrolakuite

t jtoranj

temeljiHAWTHAWT temelji

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 30Energija vjetra 30

Lopatice, prijenos, generator i kontrolagenerator i kontrola

IndireIndirekkttnini pogon: pogon: asinkroni asinkroni ggeneratorenerator

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 31Energija vjetra 31DireDirekkttnini pogon:pogon:

sisinnkkronronii ggeneratorenerator

Vjetroelektrana(VE)

Vjetroelektrana(VE)(VE)(VE)

Energijske tehnologije

TrendoviTrendovi

Jedinice od 2 MW i vie sve vanije od 2002.Poboljana efikasnost Poboljana efikasnost Odabir lokacije Bolja oprema

Airbus A380 ima raspon krila 80 m

j p Porast efikasnosti

2-3% godinje

Stalni pad Stalni pad cijene proizvedeneproizvedene energije Cijena inst.

isnage varira:1100-1700 $/kW


Lokacije VE: efekt vie VA u bliziniLokacije VE: efekt vie VA u blizini

reduciranje brzine

Slabljenje vjetra turbine niz vjetar: manje brzine: manje snage vee turbulencije: vie optereenja

pov turbulencije

p j vei broj VA u VE poveava gubitke

pov. turbulencije

optimiranje pozicioniranja za snagu i troenje (raunalni programi za simulacije i mjerenje)k d i t j d 4 d 9 j


razmak u dominantnom smjeru od 4 do 9 promjera - gubitci od 5 do > 60%, za manji (2x2) ili vei (10x10) broj VA u VE

Prikljuak na mreu i viak vjetraPrikljuak na mreu i viak vjetraPrikljuak na mreu i viak vjetraPrikljuak na mreu i viak vjetra

Odbacivanje energije iz vjetroelektrana za snagu koja prelazi j g j j g j poptereenje minus bazna proizvodnja

Provodi se na nivou regionalne interkonekcije Promjenjivo za sve periode

3000K i lj t j j t j

1000 MW nazivni kapacitet vjetra36% faktor optereenja

Promjenjivo za sve periode

2000

2500 Krivulja trajanja optereenja

ViakI k i ti ij j t

36% faktor optereenja

1000

1500MW

Viakvjetra

Iskoristiva energija vjetra

0

500 Elektrane koje moraju raditi cijelo

Konstantno optereenje

Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 35Energija vjetra 35

0 2000 4000 6000 8000 10000

sati

UkratkoUkratkoUkratkoUkratko

I k i ti iI k i ti i P d i j b iP d i j b i Iskoristiva snaga i Iskoristiva snaga i energija vjetra energija vjetra ograniena je teorijskiograniena je teorijski

Predvianje brzine Predvianje brzine vjetra vano za vjetra vano za planiranjeplaniranjeograniena je teorijski ograniena je teorijski

i praktinoi praktino Pokraj velike brzinePokraj velike brzine

planiranje planiranje Vjetar isplativ na Vjetar isplativ na

najboljim lokacijamanajboljim lokacijamaPokraj velike brzine Pokraj velike brzine vana stalnost i pristup vana stalnost i pristup el. en. mreiel. en. mrei

najboljim lokacijamanajboljim lokacijama Za koritenje vana Za koritenje vana

politika, planiranje i politika, planiranje i p , p jp , p jffinanciinanciranjeranje


Koliko je vjetroagregat visok?Koliko je vjetroagregat visok?j j g gj j g g

33 m


Empire Eiffel 1.5 MW 250 kW 100 kWState Tower FER VA VA VA 381 m 301 m C zgrada 109 m 65 m 43 m

Eksperimentalni mali vjetroagregat na FER-uEksperimentalni mali vjetroagregat na FER-u

vjetroagregat na FER-uvjetroagregat na FER-u

Mjerni ureaji: Mali vjetroagregat (50 W) Smjer vjetra Horizontalna i vertikalna

brzina vjetrabrzina vjetra Temperatura i vlanost

NamjenaNamjena Karakteriziranje

Energije vjetra u g j jurbanim uvjetima

Malih vjetroagregata

Energijske tehnologije38

Zdenko imi - Energija vjetra

Documents

Energija vjetra - MINGORPoie.mingo.hr/UserDocsImages/Vjetar prezentacija.pdf · • Pi d lktiProizvedena električna energijij j t l kt ia u vjetroelektrani ... (Siemens)(Siemens