1

OPĆA ENERGETIKA 1

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

brzina vjetra na visini osi rotora vjetrogeneratora, m/s

električna snaga, kW

Energija vjetra

k – konstanta, ovisna o konstrukciji vjetroelektrane (lopatica)S – površina lopaticav – brzina vjetra

• Energija vjetra kinetička energija, ovisi o kvadratu brzine. • Snaga vjetroelektrane proporcionalna površini lopatica i trećoj potenciji brzine vjetra: (P ~ k*S*v3)• Prethodno vrijedi za brzine vjetra veće minimalne radne brzine (npr. 4 m/s), a manje od

brzine vjetra pri kojoj se dostiže nazivna snaga turbine/generatora (npr. 12 m/s)• Za veće brzine vjetra, snaga se održava približno konstantna (postoje različiti načini

regulacije), sve do maksimalne brzine vjetra (npr. 22 m/s) pri kojoj se vjetroelektranaisključuje

OPĆA ENERGETIKA 2

Pretvorba kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju: zračne turbine (vjetroturbine)- s horizontalnom osovinom (dvije ili tri lopatice)- s vertikalnom osovinom

2

OPĆA ENERGETIKA 3

OPĆA ENERGETIKA 4

Instalirana snaga vjetroelektrana u Evropi• Prosječna stopa rasta instalirane

snage VE u svijetu (1993-2003): 31%

• Godišnja vrijednost industrije vjetroenergetike: cca. 7x109 EUR

• Dominantnu poziciju u proizvodnji vjetroelektrana imaju Njemačka, Danska i Španjolska (više od 85%)

• Krajem 2004. godine instalirana snaga vjetroelektrana:

– 47 GW u svijetu– 34 GW u EU (podmiruje oko 2%

ukupnih potreba za el.en.)(usporedba: ukupno Hrvatska ima

3.7 GW snage u svim elektranama)

• Procjenjuje se da će 30-35% investicija u nove elektrane u slijedećih 10-15 godina odlaziti u vjetroelektrane

3

OPĆA ENERGETIKA 5

U pretvorbi kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju stvarno se iskorištava samo razlika brzine vjetra na ulazu i izlazu iz rotorskog područja vjetroturbine.Teoretski maksimum je 59%, a praktično se kreće od 35% do 45%. 100%

55-65%

Na osovinu vjetroturbine je vezan generator:- indirektno preko prijenosnika- direktno

Generator može biti:- asinhroni (češće): jeftiniji- sinhroni: skuplji ali bolji s obzirom na

pogonske karakteristike

OPĆA ENERGETIKA 6

Varijante s asinhronim generatorom: Varijante sa sinhronim generatorom:

4

OPĆA ENERGETIKA 7

Djelovi vjetroelektrane (primjer sa sinhronim generatorom):

1

2

34

15

11 5 6 7 8

9 10 12 13 141 G la v n i n o s a c2 P o g o n z a k r e t a n ja g o n d o le3 O s o v in s k i r u k a v a c4 G e n e r a to r 5 R o to r6 A d a p te r lo p a t ic e7 P o g o n z a k r e t a n ja lo p a t ic e8 L o p a t ic a9 O p la ta g o n d o le1 0 T o p b o x1 1 H u b b o x1 2 M je r n a s ta n ic a z a v je ta r1 3 D iz a l ic a1 4 V e n t i la to r1 5 T o r a n j

OPĆA ENERGETIKA 8

Vjetroelektrane se grade u rasponu snaga od nekoliko kW do nekoliko MW

Mogu se smjestiti na:- kopnu- moru (tzv. off-shore)

Vjetroelektrane se mogu instalirati:- nezavisno od električne mreže, redovito u kombinaciji s nekim drugim izvorom električne energije (npr. dizel generator) ili sa akumulatorskim baterijama- u većem broju kao vjetropark, međusobno električki povezane, te preko transformatora spojene na električnu mrežu Generatorski

prekidač

Vjetrogenerator

SNMREŽA

Prekidač za odvajanje iobračunskomjerno mjesto

kWh

kvarh

AG

SN

0,4 kV

VJETROELEKTRANA

Kompenzacija

Glavniprekidač

kompenzacije Trošila

SN VOD

Priključak vjetroelektrane na električnu mrežu:

5

OPĆA ENERGETIKA 9

Općenita shema vjetroelektrane priključene na električnu mrežu:

•Obični asinhroni•Double-fed asinhroni•Sinhroni

•DA•NERegulacija

•stall•pitch

OPĆA ENERGETIKA 10

Priključak vjetroparka na električnu mrežu:

VG VG VG VG

VG VG VG VG

VG VG VG VG

.

.

.

.

.

.

.

.

Kabel 10 kVVjetroelektrana

Prekidac/rastavljac

Transformator110/10 kV

Dalekovod110 kV

Trafostanica110/10 kV

kWhkVArh

Mjerenjeenergije

Mjenjackakutija ~

Generator (690 V) Blok trafo 0,69/10 kV Mreža 110 kV

6

OPĆA ENERGETIKA 11

Male vjetroelektrane (do nekoliko desetaka kW) mogu se koristiti za “kućnu” upotrebu, u slijedećim varijantama:- kao dodatni izvor, uz primarno napajanje iz električne mreže ili kućnog agregata- kao autonomni izvor, sa sustavom rezervnog napajanja iz baterija koje se pune iz viška proizvodnje vjetroelektraneKoristi se isključivo asinhroni generator.

OPĆA ENERGETIKA 12

Zračna turbina+generator

(400 W-100 kW)

Stup(15-50 m)

Prekidač

Inverter

Brojilo

Razvodna ploča

7

OPĆA ENERGETIKA 13

Dobre strane:- nema troškova za gorivo- visoka pouzdanost rada postrojenja- nema zagađivanja okoline

Loše strane:- još uvjek visoki troškovi izgradnje- promjenjivost (nestalnost) brzine, a time i nepouzdanost proizvodnje ne može se garantirati snaga- niski godišnji faktor angažiranja (oko 0,2%)

Razvoj tehnologije vjetroelektrana

8760PW

.a.fmax

god

⋅=

Wgod – godišnja proizvodnjaPmax – maksimalna snaga

OPĆA ENERGETIKA 14

Energija sunčeva zračenjaSolarna konstanta: ukupna energija sunčeva zračenja na vanjski rub atmosfere, prosječno 1,37 kW/m2

Pod optimalnim uvjetima, na površini Zemlje se može dobiti 1 kW/m2, a stvarna vrijednost ovisi o lokaciji, godišnjem dobu, dobu dana, vremenskim uvjetima itd.U Hrvatskoj, prosječna vrijednost dnevne insolacije na horizontalnu plohu je 3-4,5 kWh/m2

Najčešća primjena: pretvorba sunčeve energije u toplinsku energiju (tzv. niskotemperaturno područje), za pripremu tople vode i eventualno grijanje

Problemi:- mala gustoća energetskog toka- velika oscilacija intenziteta zračenja- veliki investicijski troškovi neekonomično u usporedbi s klasičnim izvorima energije (trenutno)

Malo povijesti: tiskara na sunčev pogon (1878.g.)A – solarni kolektorB – parni strojC - kotao

8

OPĆA ENERGETIKA 15

Vrste solarnih energetskih sustava:

1. Niskotemperaturni aktivni solarni sustavi- kolektori i toplinske crpke, toplisko područje 20-200oC- priprema tople/vruće vode i pare- stupanj korisnosti: 25-50%- visoki stupanj tehničke zrelosti, a uglavnom i komercijalne

2. Pasivni solarni sustavi- prirodno grijanje prostora, npr. staklenici

3. Solarne termoelektrane-toplane- tehnološki kompletno rješeno, ali daleko od komercijalne primjene- efikasnost: 15-30%

4. Fotonaponski sustavi- realiziraju se preko fotonaponskih pretvornika koji pretvaraju sunčevo zračenje u električnu energiju (direktna pretvorba)- modularna izvedba, široki dijapazon primjene, nizak stupanj efikasnosti (do 10% za jeftine izvedbe s amorfnim silicijem, do 25% za skuplje izvedbe )- još uvijek ekonomski nerentabilni- mogu se koristiti kao autonomni izvori el. energije (iako rijetko), u kombinaciji s nekim drugim izvorom energije ili priključeni na električnu mrežu

OPĆA ENERGETIKA 16

3. Aluminijsko kućište elektrostatski plastificirano 7. Direktno ubrizgana poliuretanska izolacija 8. Aluminijska ploča 0.3 mm 9. Sigurnosno kaljeno staklo 4 mm 10. Bakrene cijevi 11. Sabirna bakrena cijev 12. Mineralna vuna s aluminijskom folijom 13. Aluminijski absorber premazan specijalnim premazom

Solarni kolektor

9

OPĆA ENERGETIKA 17

Solarno grijanje i priprema tople vode (uz dogrijavanje)

OPĆA ENERGETIKA 18

Solarna elektrana

10

OPĆA ENERGETIKA 19

Fotonaponske (solarne) ćelije

Fotoni

A) StakloB) Antirefleksijski sloj C) Gornji kontaktD) N-tip SiE) P-tip SiF) Donji kontakt

Cijena solarnih panela (USA, jedinice 50W)

~6000$/kW

OPĆA ENERGETIKA 20

Autonomni sustav opskrbe el. energijom iz solarnih ćelija

Istosmjerni potrošači

Izmjenični potrošačiInverter

BaterijePunjač

Solarne ćelije

11

OPĆA ENERGETIKA 21

Primjer: koliko treba m2 solarnih panela da bi se jedno kućanstvo potpuno opskrbilo električnom energijom?Pretpostavke:Autonomni sustav4 sata insolacije 1000 W/m2

4 sata insolacije 600 W/m2

4 sata insolacije 200 W/m2

Prosječne dnevne potrebe: 15 kWhKorisnost solarnih ćelija: 10%

Rješenje:Prosječna insolacija: (1000*4+600*4+200*4)/12 = 600 W/m2

Dobivena električna snaga: 10% * 600 W/m2 = 60 W/m2

Dobivena električna energija: 60 W/m2 * 12h = 720 Wh/m2

Potrebna površina: 15000 Wh / 720 Wh/m2 = 20,83 m2

Napomena:- kompletni troškovi instalacije autonomnog sustava snage 3 kW (koji bi mogao podmiriti ovakvu potrošnju) su ~ 30.000 $

OPĆA ENERGETIKA 22

Energija vodika (gorivne ćelije)

Gorivne ćelije:

Proizvodnja:- električne energije- topline (vruća voda)

Problemi:- treba proizvesti vodik (prilično skupo! – npr. elektrolizom)- visoka cijena uređaja

12

OPĆA ENERGETIKA 23

• U principu, goriva ćelija radi slično kao baterija, samo što se ne prazni, i netreba ju nadopunjavati. Ona će proizvoditi energiju u obliku električne struje i topline dok je osiguran dotok goriva

• Gorivne ćelije (gorivni elementi) su uređaji u kojima se kemijska energijaneposredno pretvara u električnu, a sastoje se od dvaju elektroda uronjenihelektrolit

• Gorivo je kemijski element ili spoj visokog sadržaja unutarnje energije(najčešće vodik) koje se dovodi na anodu gdje oksidira, a rezultat oksidacije jeoslobađanje elektrona koji putem vanjskog strujnog kruga (vodiči i trošila) dolaze na katodu. Tako dobijemo korisnu električnu energiju.

• Pozitivni vodikovi ioni putuju kroz elektrolit do katode. Na katodu se dovodi oksidacijsko sredstvo (kisik) koji se spaja s ionima vodika i elektronima koji su prošli kroz strujni krug. Tako nastaje voda, a usput se s katode oslobađa toplina.

• Vodikova gorivna ćelija je napona samo oko 1 V. Da bi dobili veću snagu, a veliki broj ovakvih sklopova anoda-membrana-katoda se slažu jedna do druge da bi dobili veći napon/snagu.

• Teoretski stupanj djelovanja je blizu 100%, a u praksi 60-80% (pada s povećanjem temperature)

• Primjena: stacionarni izvor el.en. & vozila

OPĆA ENERGETIKA 24