MJEOVITA SREDNJA KOLA

MJEOVITA SREDNJA OKLA

ELEKTROTEHNIKA KOLA

MAGLAJ

MATURSKI RAD

ELEKTROENERGETSKA POSTROJENJA

(VJETROELEKTRANE) Maglaj, maj 2013. Kandidat:Halilovi Elzin Mentor d:ipl.ing.erimagi DinoVJETROELEKTRANE SADRAJUvod.....................................................................................................3Osnovni dijelovi elektrane na vjetar....................................................4Podjela elektrana na vjetar............................................................ ......5Izbor generatora u vjetroelektrani................................................. ......8Karakteristike turbina na vjetar..................................................... ......10Turbine na vjetar u sklopu EES-a.................................................. .....12Analiza rada elektrana na vjetar na rad cjelokupnog EES-a.......... .....14Energetski proraun turbina na vjetar............................................ .....15Ekonomska opravdanost elektrana na vjetar.................................. .....17Sadanjost i budunost elektrana na vjetar..................................... .....18Zakljuak........................................................................................ .... 20Koritena literatura........................................................................,. ....21VJETROELEKTRANEUVOD Elektrane na vjetar koriste snagu vjetra za pretvaranje u mehaniki rad,a zatim mehaniki rad pomou turbine i generatora pretvaraju u elektrinu enegriju.Vjetar je varijabilan izvor energije,pa zbog toga postoje problemi pri konvertovanju u elektrinu energiju.Princip elektrana na vjetar je veoma jednostavan:mehanika energija fluida(struja zraka)prenosi se na energiju obrtanja rotora turbine,odnosno na glavnu osovinu turbine.Sila obrtanja prenosi se na mjenja brzine koji preko prenosnika odrava odgovoarajuu brzinu generatora u skladu sa snagom vjetra.Generator je obino indukcionog tipa.Ovakav generator je dobar zbog mogunosti uzbude iz vanjske mree,a mana mu je to zahtijeva preciznu kontrolu brzine rotoroa kod startanja.Vaan dio turbine na vjetar je kontroler koji podeava izlaz generatora turbine na vjetar prema trenutnom vjetru i zahtijevima potroaa i koji podeava orijentaciju turbine preko odgovarajueg upravljaa zbog podeenja turbine prema pravcu vjetra.Takoer,postoje i konice u obliku diska ija je uloga ogranienja brzine obrtanja rotora zbog toga da ne bi dolo do kidanja elemenata zbog prevelika brzine.Preciznija podjela dijelova elektrane na vjetar i njihov nain rada bie opisan u daljem dijelu teksta.VJETROELEKTRANE1.OSNOVNI DIJELOVI ELEKTRANA NA VJETAR Elektrana na vjetar se sastoji od dva istaknuta dijela:tornja i rotora.Tornjevi

se izrauju od eljezno-reetkaste konstrukcije(starije izvedbe). Turbina,

generator,konice i svi upravljaki elementi ismjeteni su u jednoj kapsuli koja

je smjetena na vrhu tornja na savijanje.Temelji moraju dobro biti konstruisani

i izvedeni,jer moraju izdrati naprezanje na savijanje zbog optereenja uporita

rotora,ali isto i optereenja prouzroena vibracijama rotiranja.

Slika 1. Turbina na vjetar

VJETROELEKTRANE 1.1 PODJELA ELEKTRANA NA VJETAR

Najistaknutiji dio svake vjetrenjae jeste njezin rotor.Zadatak rotora je da

konvertuje fluidnu mehaniku u rotacijsku energiju glavne osovine.

Modernije izvedbe vjetrenjaa rade na principu aerodinamikog podizanja

(uzgona) od strane zranih struja. Princip je isti kao i kod krila aviona,

Odnosno,stvarajui silu potiska prema gore. Proizvedena aerodinamika Sila proporcionalna je kvadratu brzine zraka.S obzirom na poloaj ose

rotora,postoje turbine na vjetar sa:

horizontalnom osom

vertikalnom osom

Slika 2. Konfiguracija turbine na vjetar sa horizontalnom i vertikalnom osomVJETROELEKTRANE Kod vjetrenjaa sa horizontalnom osom rotora,osovina rotora paralelna je

pravcu vjetra , a ugao upada vjetra za datu brzinu vjetra , gotovo je

konstantan na bilo koju taku lopatice turbine.Dobivena potisna sila proporcionalna je uglu upada vjetr.Sila koju proizvodi vjetar ,koji struji oko lopatice turbine vjetrenjae sastoji se od dvije komponente:

sile u smjeru relativne brzine lopatice prema vjetru,tj.vektorske razlike brzina vjetra i lopatice;

sile okomite na smjer vjetra tj.sile aerodinamikog uzgona.

Kod vjetrenjaa sa vertikalnom osom rotiranja,osa rotora postavljena je

vertikalno na strujanje vjetra.Ugao upada struje vjetra na neku taku lopatice rotora varira sa vremenom ,tako da su nestabilni ,kako aerodinamiki uzgon,tako i optereenje rotora.Ovakva vrsta turbine ima jednu prednost u odnosu na turbinu sa horizontalnom osom rotiranja,jer ne trai naknadna podeavanja rotora i lopatica sa promjenom pravca vjetra.Postoji i podjela prema poloaju generatora u vjetrenjai.

VJETROELEKTRANE Slika 3. Na slici je prikazano postrojenje elektrane vjetrenjae, kod koje je

generator zupanikim prenosom vezan za vratilo elise. Stepen

iskoritenja je dosta dobar,ali izvjesnu potekou predstavlja podizanje generatora na vee visine.VJETROELEKTRANE1.2. IZBOR GENERATORA U VJETROELEKTRANI

Elektrane na vjetar se uobiajeno dijela prema slijedeim osobinama agregata:

stalna brzina vrtnje,konstanta frekvencije;

promjenjiva brzina vrtnje,konstantna frekvencija;

promjenjiva brzina vrtnje,promjenjiva frekvencija

Proizvodne jedinice u elektranama na vjetar su obino sinhroni ili asinhronigeneratori.Zbog problema s pouzdanosti,istosmjerni generatori se rijetko

primjenjuju. Elektrane na vjetar sa stalnom brzinom vrtnje i konstantom

frekvencijom koriste mehaniko-hidrauliki sustav regulacije i brzine vrtnje

pomou kojeg upravljaju elisama propelera turbine. U ovim elektranama generator moe biti asinhroni ili sinhroni.Sinhroni generator ima vei faktor efikasnosti i pouzdanosti, ali tee zadrava sinhronizam u uvjetima poremeaja brzine vrtnje.Sposobnost proizvodnje jalove snage dodatna je prednost asinhronog generatora ako se elektrana prikljui na naponski slabu mreu. U sluaju prikljuenja na ve izgraenu mreu dobre infrastrukture asinhroni generator je u prednosti jer je znatno jeftiniji i robusniji,a ima i jednostavniji sistem upravljanja.Osim toga uvjeti odrivosti sinhronizma znatno su fleksibilniji u usporedbi sa sinhronim generatorom.

VJETROELEKTRANEIzvedba vjetrenjae sa stalnom brzinom vrtnje i konstantom frekvencijom ima optimalni pogon samo za jedan omjer izmeu brzine vrha elise propelera i brzine vjetra.To znai da se samo pri jednom omjeru postie

maksimalna djelatna snaga generatora. U sluaju da omjer odstupa od optimalnog,djelatna snaga generatora manja je od maksimalne .U sluaju primjene sinhronog generatora izvedba ovakve vrste vjetrenjae ukljuujui diodni upravlja u mostnom spoju za regulaaciju otpora rotora i primjenu brzine karakteristike asinhronog stroja.Kombinirana primjena generatora s promjenjivom brzinom vrtnje i statikog pretvaraa frekvencije je takoer jedna od mogunosti. Iznenadna promjena brzine vjetra vie ne uzrokuje promjenu dobivene snage vjetroelektrane . Razlika snage na rotirajuoj osovini pohranjuje se unutar kombinirane inercije agregata u obliku kinetike energije.Drugim rijeima agregat ubrzava ilili usporava kako vjetar ubrzava ili usporava.

Slika 4. Upravljaka ema vjetroelektrane prikljuene na elektrinu mreu

VJETROELEKTRANE

2. KARAKTERISTIKE TURBINA NA VJETAR

Snaga turbine proporcionalna je povrini kruga koji opisuje rotor.Najveasnaga koja se moe dobiti koritenjem turbina na vjetar je oko 500W po

kvadratnom metru opisanog kruga.Prenik opisanog kruga utie na veliinu

nazivne snage turbine.Veliine nazivnih snaga turbina sa prenikom kruga koji opisuje rotor turbine kreu se od 6 m,pa do nazivne snage od 3MW sa

prenikom kruga od 6m.Takoer broj i povrina lopatica turbine odreuju osobine turbine na vjetar.Omjer povrine lopatica prema povrini kruga koji opisuju lopatice turbine naziva se krutost rotora turbine.Krutost turbine

najmanja je za rotore sa dvije lopatice.Za dvije lopatice na rotoru turbine ,

zrak lake prolazi i prenesena snaga vjetra na turbinu je manja.Ako je broj

lopatica vei,vea snaga se moe postii i pri manjim brzinama vrtnje.

Brzina rotiranja prilino je inverzno proporcionalna preniku rotora.Brzina rotiranja se kree od 50 m/s za manje turbine na vjetar su slijedee:

omjer turbine R predstavlja omjer brzina oboda vrha lopatica turbine Vt i vjetra Vvj.Poto je obodna brzina jednaka proizvodu poluprenika rotora i ugaone brzine vrtnje,omjer turbine R je:

R=r* /Vvj

veliina omjera R u sebi sublimira tehnike karakteristike turbine i karakteristiku prirode(brzine vjetra).Da bi se ostvarila optimalna veza izmeu tih parametara,potrebno je da turbina sa dvije lopatice,imaju veliinu omjera R izmeu 6 i 9,za turbine sa 3 lopatice,izmeu 4 i 5 za 4 lopatice.Izmeu 2 i 3 i tako dalje. - zakretni moment se definira kao :

VJETROELEKTRANE

Zm=Czm* *S*v2*R/2

Gdje je :

Czm-koeficijent zakretnog momenta

-gustoa zraka kg/m3

S-povrina kruga koji opisuje lopatice rotora turbine.

snaga turbine P (MW) se definira kao :

P=Zm* Iz navedenih karakteristika moglo se zakljuiti:

-turbine sa vie lopatica ostvaruju veliki poetni,zakretni moment.

- turbine sa manjim brojem lopatica dobre su za vrtnju elektrinih

generatora , kod njih je potrebno ostvariti veliki broj obrtaja u jedinici vremena .

due lopatice turbine daju vei zakretni moment

vea obodna brzina daje vei i zakretni moment i veu snagu turbine

VJETROELEKTRANE 2.1 TURBINE NA VJETAR U SKLOPU ELEKTRO-ENERGETSKOG SISTEMA

Turbine na vjetar koje su spojene na generator esto se nazivaju Vjetroelektrane ili Elektrane na vjetar.

Elektrane na vjetar prema snazi mogu se podijeliti u tri osnovne grupe:

male snage,od 10 do 200 KW;

srednje snage,od 200-1000 KW;

velike snage,od 1-4 MW. Slika 4.

Male vjetroelektrane (do nekoliko kW) mogu se koristiti za kunu upotrebu,u slijedeim varijantama:

- kao dodatni izvor,uz primarno napajanje iz elektrine mree ili kunog agregata

- kao autonomni izvor,sa sistemom rezervnog napajanja iz baterija koje se pune iz vika proizvodnje vjetroelektrane.

VJETROELEKTRANE

Elektrane na vjetar male i srednje snage pogodne su za napajanje farmi,relejnih stanica planinskih morskih kua.Elektrane na vjetar velike snagePogodne su za ukljuenje u elektro-energetski sistem.Zbog problema sinhronizacije,elektrane na vjetar koriste indukcione generatore,tj.asinhrone generatore kod kojih klizane negativno,takoer mogu se koristiti I generatori istosmjernog napona,a za male vjetrenjae koriste se i alternatori sa permanentnim magnetima.U svakom sluaju elektrane na vjetar se mogu smatrati negativnim optereenjem ,to smanjuje neto optereenje EES-a.

Prema tome,vjetrenjae dovode do utede primarnog energenta u konvencionalnim elektranama.Poto je i samo optereenje veoma varijabilno za neke EES-e,nego za lokalno napajanje.Mali sistemi elektrana na jednom geografskom podruju mogu praviti probleme za potroae koji su oslonjeni na njih.U takvim sluajevima koritenje dizel agregata I plinskih turbina bi bilo neophodno ,to dovodi do poveanja radnih trokova I cijene elektrine energije. Kod velikih EES-a u radu je veliki broj termo I hidroelektrana koje imaju odreen broj agregata koji rade u denazivnom radu. Na taj nain oni obezbjeuju neophodnu rotirajuu rezervu ako doe do zastoja u proizvodnji elektrine energije iz elektrana na vjetar. Isto tako,takvi EES-I raspolau sa

odgovarajuim brojem agregata za brzo djelovanje,kao to su hidroagregati,

plinske turbine, i dizel agregati,koji su u dejstvu sa rotirajuom rezervom mogu

nadoknaditi nedostatak Vjetroelektrana ,a koje su bile ukljuene u dijagram

predvienog optereenja.Vjetroelektrane se vrlo rijetko prikljuuju kao samostalni izvori na potroae.Daleko pogodniji nain na prikljuenje na EES je kao vjetropark. Vjetropark u kojem je vjetroelektrana elektrini povezana ,te preko transformatora spojena na elektrinu mreu ima daleko veu snagu nego pojedinana vjetroelektrana, te ona moe podmiriti izuzetno zahtijevne potroae.VJETROELEKTRANE2.2 ANALIZA RADA VJETROELEKTRANA CJELOKUPNOG EES-A

Postoji nekoliko naina analize uticaja varijabilnih izvora energije,pa samim time i elektrana na vjetar, na rad cjelokupnog elektroenergetskog sistema.Mogu

se podijeliti u slijedee grupe :

simulacijski,

analitiki,

Simulacijski nain podrazumijeva graenje modela sistema kroz vrijeme koje je

podijeljeno na manje vremenske intervale obino pola sata ili cijeli sat. Za svaki

od tih vremenskih intervala potrebno je poznavati veliinu optereenja EES-a igeneratorske jedinice koja tako optereenje treba da zadovolji(pokriju).U model

su ukljuena ogranienja tipa jednakosti i nejednakosti, vezana za limite

optereenja generatorskih jedinica.Prednost ovakve analize u prilino dobroj

tanosti,a nedostatak je to zahtijeva veliki broj informacija, te je veoma sloen

postupak i izraena je potreba za deterministikom logikom. Meutim,

simulacijski pristup moe se poboljati uvoenjem stohastike tehnike koja hvata prirodu promjena relevantnih varijabli. Takva tehnika jeste Monte Carlosimulacijska tehnika.Analitiki nain analize daje procjenu radnih trokova na temelju angairanja termalnih generatorskih jedinicauzimajui u obzir statiku

analizu trajanja optereenja I ispade generatorskih jedinica. Koristei moderne tehnike teorije odluivanja , analitiki pristup o uticaju vjetroelektrana na cjelokupan EES danas uglavnom preovladava. Posebno je to izraeno kod izraunavanja pouzdanosti takvog sistema.

VJETROELEKTRANE2.3 ENERGETSKI PRORAUN TURBINA NA VJETAR

Vjetar se opisuje onom vrstom varijabli koje e ga najbolje opisati , a to su

stohastike varijable.Tako,pojavljivanje odreenih srednjih veliina brzina vjetra najee se opisuje Royleigh-ovom ili Weibull-ovom raspodjelom.

Maksimalna snaga turbine Ptmax moe se ostvariti maksimalnim koritenjem ralika kinetikih energija vjetra na ulazu i izlazu turbine. S tim uvezi,

koeficijent kv koji maksimira snagu turbine Pt dobiva se iz vjetra:

Prema Rayleigh-ovoj raspodjeli,definiranom kao:

P(v)=2/c* v/c * e -(v/c)2Vjerovatnost pojavljivanja odreene brzine vjetra v vee od neke brzine v Opisuje se slijedeom fukcijom:

P( v > v)= p( V )d v= e

Gdje je:

V - Prosjena brzina vjetra u razmatranom periodu vremena

C konstanta ovisna od prosjene brzine vjetra istog vremenskog perioda

Ukoliko derivaciju vjerovatnosti prema jednaini 2 izjednaeno sa nulom

Dobivamo brzinu maksimalne vjerovatnosti pojavljivanja Vmv , tj.

Vmv= 0,8* V

gdje se prosjena brzina vjetra V rauna kao

V= P(v)*vdv / p(v)*dv=c /2

VJETROELEKTRANE Weibull-ova raspodjela brzina opisana je slijedeom jednadbom

P(v)?k / c[ v/ c ]* e [v/c]I za k=2 prelazi u Rayleigh-ovu formulu raspodjele.

Konstanta c zavisi od prosjene brzine vjetra V koja se definira kao:

V= P(v)*vdv / p(V)* dv =c* [1+1/k]Gdje je -gama-funkcija definirana slijedeim integralom:

(z)= e-t t z-1 dt , z>0Vjerovatnost da je brzina vjetra v iznad neke brzine v je:

P(v > v )= p(V) dv= e -[v/c]kBrzina vjetra Vmv sa maksimalnom vjerovatnosti pojavljivanja odreuje se izjednaavanjem jednaine 8 sa 0, pa slijedi :

Vmv = c [k+2/k]1/kVJETROELEKTRANE 3. EKONOMSKA OPRAVDANOST VJETROELEKTRANA

Jedan od glavnih uvjeta pri izgradnji elektrane na vjetar jeste njena

ekonomska isplativost. Pri izgradnji elektrane na vjetar moramo voditi rauna na to da li je njena prozvedena energija ekonomski isplativa. Ekonomska isplativost zavisi od mnogo uslova:

koliko treba platiti kompanijama koje konstruiu elektranu na vjetar

kolika cijena elektrine energije iz takve vrste izvora bi bila adekvatna

da li je elektrana na vjetar izmjetena od potroaa I da li e imati

potroae.

To nam predstavlja promjenu trokova proizvedene elektrine energije

Izvedene u zavisnost od relativinih faktora . Analiza britanske grupe za

obnovljive izvore pokazala je da su kapitalni trokovi elektrana na vjetar

linearno proporcionalne prosjenoj brzini vjetra na mjestu izgradnje

(poloaja) elektrane.

VJETROELEKTRANE

4. SADANJOST I BUDUNOST VJETROELEKTRANA

Moda najvaniji argument za izgradnju ovih elektrana jeste besplatni

Primarni energent (vjetar).Samostalna elektrana na vjetar ima veoma malu snagu,zato se one grupiu u vjetropark.Tako, u Velikoj Britaniji i Irskoj , danas postoji preko 30 polja vjetra,koje ine izvore instalirane snage od 200 GW .

Jedan od bitnijih razloga ukljuivanja varijabilnih energija u EES-u jeste obavezno plaanje ugljine takse na proizveden i kwh energije u termalnim proizvodnim postrojenjima. Takoer, jedan od razloga izgradnje elektrane na vjetar jeste i njeno lahko startanje.Jedna termoelektrana snage 1000MW treba

130000 D M za svoje startanje.Vjetroelektrane ne mogi biti razne elektrane za pokrivanje dijagrama dnevnog optereenja ,ali mogu biti efikasni energetski izvor za rjee i manje angairanje termalnih agregata za pokrivanje vrhova optereenja.To direktno dovodi do manjih trokova rada EES-a. U tom konteksu svoje mjesto zauzima i tzv. zelena elektrina energija . Ovaj termin podrazumijeva upravo dobijanje elektrine energije iz ovakve vrste izvora , kao to su vjetroelektrane.Sem toga to proizvode elektrinu energiju na ekoloki ist nain ovakvi izvori predstavljaju I jedan znaajan segment ostvarivanja dobre pouzdanosti rada elektroenergetskog sistema. VJETROELEKTRANE

Na slici vidimo poveanje broja vjetroelektrana u periodu od 1996-2005 god, kada je i njihova instalirana snaga najvie porasla.Takoer injenica da je 1997 godine odjel za energiju kongresa SAD-a podrao finanskijski dva istraivaka projekta sa po 20 000 000 $ za razvoj domae industrije za iskoritavanje vjetra,pokazuje dovoljno o oekivanju naspram energije vjetra.

VJETROELEKTRANE ZAKLJUAK

Iako vjetroelektrane pripadaju nekonvencionalnim izvorima energije ,vidjeli smo da su sve zastupljenije u razvijenim zemljama.Potekoe u izgradnji polagano postaju sve manji problem,jer se vjetroelektrane izrauju od modernih elino -reetkastih konstrukcija koje se lako prenose i mogu se montirati i na nepristupanim terenima.Ipak,postoje potekoe pri proraunu i takoe,jedna od najveih mana elektrana na vjetar jeste mala koncentracija snage.Jedna vjetroelektrana ,na izdvojenom podruju moe stvarati velike probleme potroaima koje ona snabdjeva.

Sama injenica da je u proteklih nekoliko godina broj vjetroelektrana u svijetu i njihova instalirana snaga mnogostruko poveana,jasno govori o budunosti ovih elektrana.Sigurno je da e energija dobivena iz elektrana na vjetar,koja je ista

i ekonomski isplativa nai svoje mjesto u globalnom EES-u. VJETROELEKTRANE

LITERATURA

1. Suad Halilevi : Upravljanje energijom ;

2. Internet

http://www.vjetroelektrane.com/index.php http://www.hrastovic-inzenjering.hr/elektricna-energija/vjetro- elektrane.htmlVJETROELEKTRANE

VJETROELEKTRANE

VJETROELEKTRANE

PAGE 4