UNIVERZITET U TUZLIMAŠINSKI FAKULTETMEHATRONIKA

SEMINARSKI RAD- Mehatronički moduli u vjetroelektrani -

Predmet: Energetika u mehatronici

Studenti: Profesor:Ahmetović Ajdin III-357/12 Dr.sc.Sandira Eljšan,van.profAgić Nermin III-285/12

Tuzla, april 2015.

SADRŽAJ:

1. UVOD 32. POJAM VJETROELEKTRANE 43. ENERGIJA VJETRA 64. POLOŽAJ VJETROELEKTRANE 84.1. Vjetropotencijal 84.2. Izbor položaja vjetroelektrana 105. VRSTE VJETROELEKTRANA 115.1. Kopnene vjetroelektane 115.2. Priobalne vjetroelektrane 125.3. Plutajuće vjetroelektrane 145.4. Visinske vjetroelektrane 156. DIJELOVI VJETROELEKTRANA 186.1. Vjetroagregat 186.1.1.Izvedbe vjetroagregata 186.1.2.Dijelovi vjetroagregata 216.1.3.Podjela vjetroagregata 307. AUTOMATIZACIJA VJETROELEKTRANE 308. SNAGA VJETROELEKTRANE 358. VJETROELEKTRANE U BIH 369. ZAKLJUČAK 3810. LITERATURA 39

1

POPIS SLIKA:

Slika 1.1. Vjetrenjača 3Slika 1.2. Charles Brush-ova vjetrenjača 4Slika 2.1. Vjetroelektrana 4Slika 2.2. Vjetroagregat 5Slika 3.1. Nastanak vjetra 7Slika 4.1. Nastanak vjetra 9Slika 4.2.1. Rayleigh raspodjela 11Slika 5.1.1. Kopnena vjetroelektrana 12Slika 5.2.1. Priobalna vjetroelektrana 12Slika 5.2.2. Priobalna vjetroelektrana u Danskoj 13Slika 5.3.1. Plutajuća (pučinska) vjetroelektrana 14Slika 5.3.2. Sistem usidrenja plutajućeg vjetroagregata Blue H 15Slika 5.4.1. MARS sistem 17Slika 5.4.2. KWG projekt 17Slika 6.1.1. Savoniusov rotor 19Slika 6.1.2. Darrieusov rotor 20Slika 6.1.3. razvoj horizontalnih vjetroagregata 20Slika 6.1.2.1. Dijelovi vjetroagregata 21Slika 6.1.2.2. Dijelovi vjetroagregata 2 22Slika 6.1.2.3. Lopatice vjetroagregata 23Slika 6.1.2.4. Gondola vjetroagregata 26Slika 6.1.2.5. Asinhroni generator sa konstantnom brzinom vrtnje 28Slika 6.1.2.6.Sinhroni generator sa promjenjivom brzinom vrtnje 28Slika 7.1. Vjetroelektrana marke KONČAR 30Slika 7.2. Rotor vjetroagregata 32Slika 7.3. PROZA NET SCADA interface 33Slika 7.4. Sustav zakretanja gondole 34Slika 8.1. Stub zraka s označenim brzinama pri prolasku kroz turbinu 35Slika 9.1. Vjetroelektrana Suša Commerce, općina Visoko 37

2

1. UVOD

Prvi uređaji koji su pokretani vjetrom stvoreni su da bi automatizirali i olaksali proces pumpanja vode ili mljevenja pšenice (slika 1.1.). Prvi takvi uređaji pojavili su se u Persiji i oni su imali vertikalnu osovinu i 6-12 jedara pokrivenih trskom ili platnom. Oko 1200. godine, rasprostranjene su na širem području i pojavljuju se i u Evropi gdje su koristile u istu svrhu sve do 19.st.

Slika 1.1. Vjetrenjača

Po otkriću elektromotora i električnog generatora u 19.st., počeli su eksperimenti sa proizvodnjom električne energije, gdje su se pojavili prvi modeli vjetrogeneratora.

Smatra se da je prvi vjetrogenerator napravio u Clevlandu, SAD, Charles Brush 1888. godine (slika 1.2.). Već 1908. godine u SAD-u su postojala 72 vjetrogeneratora snage od 5 do 25 kilovata. U vrijeme Prvog svjetskog rata, 100.000 manjih vjetrenjača za farme je proizvedeno svake godine u SAD-u, uglavnom za pumpanje vode. Do 1930 godine manji vjetrogeneratori su postajali sve češći na farmama, obezbjeđujući struju za nekoliko sijalica, radio i druge manje potrošače.Poslije 1930 godine.počela je elektrifikacija ruralnih dijelova SAD, i vjetrogeneratori su uglavnom napušteni zbog jeftinije struje iz razvijene električne mreže.

3

U Evropi, elektrifikacija je svuda bila centralizirana na državnom nivou, i vjetrogeneratori su postojali samo kao eksperimenti do 1973. godine.Poslije naftne krize 1973, a pogotovo poslije 2000, razvoj se sve više ubrzava. Cijena energije iz vjetrogeneratora polako pada, a cijena energije iz klasičnih neobnovljivih izvora energije raste. Sve je ovo doprinijelo da je količina proizvedene električne energije iz vjetrogeneratora porasla 5 puta u periodu od 2000. do 2007. godine.

Slika 1.2. Charles Brush-ova vjetrenjača

2. POJAM VJETROELEKTRANE

Vjetroelektana (slika 2.1.) je niz blisko smještenih vjetroagregata, najčešće istog tipa, izloženih istom vjetru i priključenih posredstvom zajedničkog rasklopnog uređaja na elektroenergetski sistem. Vjetroelektana je obnovljivi izvor električne energije pokretan kinetičkom energijom vjetra.

4

Slika 2.1. VjetroelektranaVjetroagregat (slika 2.2.) je rotirajuća mašina koja pretvara

kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor električnog generatora se nalaze na istom vratilu, dakle Vjetroelektana je obnovljivi izvor električne energije pokretan kinetičkom energijom vjetra.

Slika 2.2. Vjetroagregat

Vjetroelektrane se često nazivaju vjetroparkovima, vjetrofarmama ili vjetropoljima, što implicira da se ne radi o „pravim“ elektranama. Ipak, vjetroelektrana jest elektrana, koja kao gorivo za proizvodnju električne energije koristi vjetar.

Prednosti vjetroelektrana su:

5

- ne troše gorivo, tj. energija vjetra je "besplatna",

- vjetroelektrane su poželjan oblik obnovljivog izvora energije nasuprot elektranama na fosilna goriva, jer hemijski i biološki ne zagađuju okoliš,

- vjetroelektrana može imati umjeren pozitivan utjecaj na smanjenje snage vjetra u područjima koja su inače izložena suviše jakim vjetrovima,

- borba protiv globalnog zatopljenja (Protokol iz Kyota),vjetroelektrane su energetska postrojenja bez štetnih emisija (staklenički plinovi),

- smanjuje se nacionalna ovisnost o uvozu fosilnih goriva.Nedostaci vjetroelektrana su:

- povremenost pogona, zavisno o meteorološkim karakteristikama područja primjene,

- jake promjene u snazi vjetra relativno su teže tehnički savladive, jer tehnička rješenja moraju spriječiti oštećenje vjetrenjače pri olujnoj snazi i izvlačiti maksimalnu snagu pri slabom vjetru (što poskupljuje ta rješenja),

- za usklađivanje broja okretaja vjetroturbine s brojem okretaja ugrađenog generatora, potreban je multiplikator s automatskom regulacijom brzine generatora, što također poskupljuje tehničku izvedbu,

- troškovi održavanja znaju činiti značajnu stavku u cijeni dobivene energije vjetra, budući da je u slučaju velikih vjetroelektrana broj uređaja relativno velik, tj. snaga po jednom uređaju je daleko manja nego kod klasičnih elektrana na fosilna goriva,

- prisutno je izvjesno "estetsko zagađenje" u slučaju velikih vjetroelektrana, što međutim nema većeg značaja, ako se takva vjetroelektrana ugradi na nenapučenim prostorima.

Iz navedenih nedostataka i prednosti proizlazi, da je gradnja vjetroelektrana smislena u područjima sa stalnim i manje-više ujednačenim vjetrom, te za osiguranje manjih količina energije na lokacijama bez priključka na druge izvore energije.

6

Sistemi ("farme") vjetroelektrana trebali bi biti vezani na regionalni elektroenergetski sistem, kome bi elastičnost kapaciteta trebale osigurati priključene hidroelektrane ili energija iz međunarodne razmjene.

3. ENERGIJA VJETRA

Vjetar je bogat, obnovljiv, lako dostupan i čist izvor energije. Vjetar u širem smislu predstavlja horizontalno strujanje zraka. Vjetar, u užem smislu, možemo opisati kao strujanje zračnih masa, koje nastaje uslijed razlike temperatura, odnosno, pritisaka.

Energija vjetra zapravo predstavlja indirektan oblik sunčeve energije.

Svakog sata Sunce emitira na Zemlju 1014 kWh energije. Oko 1 do 2% energije koju emitira Sunce pretvara se u energiju vjetra. To je 50 do 100 puta više nego što se pretvori u biomasu.

Poznato je da Sunce neravnomjerno zagrijava različite dijelove Zemlje. Uslijed nejednakog zagrijavanja Zemljine površine, dolazi do nejednakog zagrijavanja zračnih masa i nejednakih pritisaka na različitim dijelovima Zemlje. Topli zrak se diže na oko 10km u ekvatorijalnom pojasu, te se usmjerava prema polovima i zakreće pod uticajem Zemljine rotacije, odnosno, Coriolisove sile. Hladni zrak teži ka tome da popunjava nastale praznine i tako dolazi do stalnog strujanja zraka. Strujanjem zraka dolazi do trenja, odnosno gubitaka kinetičke energije u doticaju sa čvrstom podlogom, što rezultira razlikama u brzini strujanja u prostoru i vremenu (slika 3.1.) Predviđanja govore da je 72 TW energije vjetra iskoristivo u komercijalne svrhe. Treba napomenuti da ni teoretski ni praktično nije iskoristiva sva snaga vjetra.

Slika 3.1. Nastanak vjetra

Vjetar je određen:- brzinom,- smjerom i

7

- jačinom

Vjetar vrlo rijetko puše stalnom brzinom, tj. uobičajeno mijenja jačinu. Izuzetak čine monsuni, vjetrovi koji na određenim geografskim područjima tokom određenog dijela godine pušu stalnim smjerom, brzinom i jačinom.

Brzina vjetra mjeri se pomoću anemometra, a izražava se uobičajenim jedinicama za brzinu (metrima u sekundi, kilometrima na sat, čvorovima) ili specijaliziranom jedinicom - beaufort ("bofor"). Beaufort se kreće u vrijednostima 0 - 17 (4 – 216 km/h).

Na jačinu vjetra, uz odnos pritisaka u atmosferi utiče i konfiguracija reljefa, prisustvo prirodnih i umjetnih prepreka i obraslost terena (trenje). Naravno i mikroklima ima svoj uticaj, posebice u područjima uz more.

Postoje dijelovi Zemlje na kojima pušu tzv. stalni (planetarni) vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije.Dvije trećine energije vjetra dostupno je tokom zimskih mjeseci. Zato se vjetroelektrane savršeno nadopunjuju s hidroelektranama, koje su manje produktivne zimi i vrhunce proizvodnje dostižu u ljeto.

4. POLOŽAJ VJETROELEKTRANE4.1. Vjetropotencijal

Vjetropotencijal je najvažniji faktor za izbor položaja vjetroelektrane. To su zapravo karakteristike vjetra na pojedinoj lokaciji.

Najvažnija karakteristika je srednja godišnja brzina vjetra na određenoj visini iznad tla. Naime, vjetrogenerator se pokreće kada brzina vjetra poraste iznad otprilike 3 m/s. Pri toj brzini proizvodnja električne energije je vrlo mala, porastom brzine, količina električne energije se povećava do maksimalne, koja se postiže na brzini vjetra od oko 12 m/s. Daljnjim porastom brzine vjetra količina proizvedene energije se više ne povećava. Kada brzina poraste preko 25 do 30 m/s, vjetroagregat se isključuje, jer ne može podnijeti mehanička opterećenja koja uzrokuju tako velike brzine vjetra. Iz opisanog načina rada vjetrogeneratora možemo zaključiti da je za idealnu proizvodnju električne energije potrebna brzina vjetra od oko 12 m/s.To je samo prvi korak u određivanju vjetropotencijala.

Potrebno je potom razmotriti kako je brzina vjetra raspoređena tokom godine. Npr. u godišnjem prosjeku može biti sadržan velik broj sati s brzinom vjetra iznad 30 m/s ili ispod 3 m/s, što zapravo nije pogodno za

8

iskorištavanje. Možemo zaključiti da je za energetsko iskorištavanje optimalan vjetar do srednje jakosti, bez velikih oscilacija, i koji ima što veću učestalost. Zbog jake ovisnosti prinosa energije (a samim time i ekonomske isplativosti) o brzini vjetra (ovisnost energije vjetra o kubu brzine vjetra), potrebna su točna mjerenja vjetra na samoj lokaciji.

Brzina vjetra je osnovni faktor od kojega se kreće pri projektiranju svih vjetroagregata koji će se nalaziti na lokaciji, njihovog broja i prostornog razmještaja. Brzina vjetra također služi kao polazna točka za sve proračune o ekonomskoj isplativosti i proizvodnji energije. Osjetljivost doprinosa energije o brzini vjetra ovisi i o brzini samog vjetra. Zbog toga je posebno važno točno mjeriti brzine vjetra na lokacijama gdje je ta brzina manja.

Za određenu lokaciju bitno je poznavati i smjerove iz kojih puše vjetar, da bi se odredio najoptimalniji raspored vjetroagregata kako bi maksimalno iskoristili vjetar iz svih smjerova.

Ostali bitniji podaci o vjetru su dugoročna gustoća zraka na lokaciji i intenzitet turbulencije vjetra na lokaciji. Sami po sebi ne utječu na proizvodnju energije iz vjetra, ali utječu pri određivanju opterećenja na lopatice rotora i na očekivani vijek trajanja samog vjetroagregata.

Mjerna stanica za mjerenje vjetropotencijala (slika 4.1.) sastoji se od mjernog stuba na kojem se nalaze:

- Anemometar(i),- Pokazivač smjera,- Kućište (kabina),- Uređaj za prikupljanje i pohranjivanje podataka (eng. data logger),- GSM /GPRS modem,- Senzor za mjerenje atmosferskog pritiska zraka,- Senzor za mjerenje temperature i vlažnosti zraka,- Solarni panel.

9

Slika 4.1. Nastanak vjetra

4.2. Izbor položaja vjetroelektrana

Najvažniji faktor za izbor položaja vjetroelektrane je, svakako, vjetropotencijal. Ipak, pored vjetropotencijala, postoji i niz drugih faktora koji utiču na izbor položaja vjetroelektrane.

Izbor položaja se provodi u dva koraka: 1. Najprije se određuju područja koja su nepogodna za izgradnju zbog sljedećih razloga:

- područje ima izuzetno mali vjetropotencijal, - područje zaštićeno zbog iznimnih prirodnih ili kulturnih ljepota , - područje namijenjeno za izgradnju stambenih ili privrednih objekata, - područje vrlo zahtjevnog reljefa.

2. U drugom koraku provodi se vrednovanje makrolokacije na temelju kriterija, kao što su:

- srednja godišnja brzina vjetra,

10

- veličina lokacije, odnosno, broj vjetroagregatskih jedinica, koje je na t om položaju moguće postaviti, - udaljenost lokacije od prometnica, - udaljenost lokacije od postojeće električne mreže, - mogućnost održavanja i nadzora nad vjetroelektranom, - karakteristike terena, - uticaj na životinjski svijet (migracijski putevi ptica selica, zaštićena staništa i dr.), - položaj lokacija s obzirom na turistička područja.

Unutar odabranih makrolokacija izdvajaju se mikrolokacije. Za vredovanje i izbor najpovoljnije mikrolokacije može se primijeniti načelo slično izboru za makrolokaciju.

Nakon izbora mikrolokacije kreće se s mjerenjem karakteristika vjetra (brzina, smjer i dr.). Na temelju analize izmjerenih podataka u određenom vremensko razdoblju (minimalno 1 godina) izrađuje se studija izvodljivosti u kojoj će se odrediti veličina i broj vjetroagregata, odnosno najoptimalniji kapacitet lokacije.

Vjetar jako varira i srednja vrijednost brzine za danu lokaciju nam ne može reći koju količinu energije naš vjetroagregat može proizvesti. Ipak, kod predviđanja ponašanja vjetra na određenom mjestu, držimo se podataka koje su nam dala mjerenja. Dovoljna je i manja promjena lokacije da bi imali velike promjene u brzini vjetra. Brzinu vjetra mjerimo i aproksimiramo Rayleigh raspodjelom (slika 4.2.1.)

Slika 4.2.1. Rayleigh raspodjela

Prema navedenim faktorima, idealna vjetroelektrana treba da:.. je smještena na mjestu koje ima povoljan vjetropotencijal,.. se nalazi blizu električne mreže,.. ima dobar cestovni pristup,

11

.. njezina gradnja bude u skladu sa namjenom prostora i uvjetima zaštite okoliša,

5. VRSTE VJETROELEKTRANA

Vjetroelektane se mogu podijeliti na:kopnene vjetroelektanepriobalne vjetroelektaneplutajuće vjetroelektranezračne vjetroelektrane

5.1. Kopnene vjetroelektane

Kopnene vjetroelektane (slika 5.1.1.) se grade na čvrstom tlu i najčešći su oblik vjetroelektrana.

Kopnene instalacije vjetroagregata najčešće se nalaze u brdovitim područjima barem 3 kilometra udaljene od obale. One se najčešće smještaju na vrh brda ili padine, jer na taj način iskorištavaju takozvanu topografsku akceleraciju koju vjetar dobije prelazeći preko uzvisine.Ta dodatna brzina vjetra radi značajnu razliku po pitanju proizvodnje električne energije.

Slika 5.1.1. Kopnena vjetroelektrana

Posebna pažnja se mora posvetiti točnom postavljanju turbina, jer ponekad mala visinska razlika može imati značajan utjecaj na proizvodnju električne energije. Često je instalacija vjetroagregata dosta kontroverzno pitanje, zbog toga što neke lokacije, koje su pogodne za instalaciju vjetroturbine, imaju veliku prirodnu ljepotu ili su ekološki značajne (npr. stanište različitih vrsta ptica).

Najveće kopnene vjetroelektane u svijetu su u Indiji, SAD-u i Kini.

12

5.2. Priobalne vjetroelektrane

Priobalna vjetroelektrana (engl. Offshore wind park) je vrsta vjetroelektrane s čvrstim temeljima, koja se gradi na moru (ima planova gradnje i na jezerima), uglavnom u priobalnom području, gdje je dubina vode obično manja od 60 metara, a udaljenost od obale je najviše 50 kilometara (slika 5.2.1.)

Slika 5.2.1. Priobalna vjetroelektranaČinjenica da voda (a posebno duboka voda) ima manju površinsku

"hrapavost" od kopna, jako utiče na brzine vjetra, koje su mnogo veće na moru. Faktori snage su mnogo veći kod takvih instalacija. Kod lokacija s produženim područjima plitke vode (npr. u Danskoj), vjetroelektrane je lako sagraditi.

Općenito govoreći, morske instalacije vjetroagregata su načelno skuplje od kopnenih. To je zbog toga što su im tornjevi viši kada se uračuna dio ispod vode i što je sama izgradnja skuplja. Proizvedena električna energija se do kopna prenosi putem podmorskog kabela. Održavanje je također skuplje, a mora se paziti i na zaštitu od korozije, zbog čega se često dodaju dodatni premazi i katodna zaštita.

Kvaliteta izmjerenih i predviđenih podataka (uključujući vjetar, valove, plime i oseke) su ključ za dobro razumijevanje pravih uvjeta na mjestu priobalnih vjetroelektrana. Kada se proučavaju ti podaci, koriste se konzervativne metode planiranja u odnosu na mogućnosti brodova i planiranje projekata, te se uvijek rade rezervni planovi za slučajeve lošeg vremena i sličnih problema. Mogućnost rada brodova u različitim vremenskim uvjetima također mora biti uzeta u obzir.

Još jedan bitan rizik za izgradnju je zaštita kabela, koji su, iako čine samo 7% troškova vjetroelektrane, najbitniji faktor kod osiguranja

13

izgradnje i rokova, pošto ih treba zakopati dovoljno duboko i u dogovorenom roku, što je iznimno zahtjevan posao.

Sama ideja priobalne vjetroelektrane je nastala zbog manjka položaja za razvijanje velikih kopnenih vjetroelektrana u gusto naseljenim područjima zapadne Europe. Tržište se prvo razvilo u Danskoj (slika 5.2.2.), a pravi rast tržišta došao je tek nekih 10 godina kasnije.

Slika 5.2.2. Priobalna vjetroelektrana u Danskoj

Osim Danske, priobalne vjetroelektrane su izgradili Velika Britanija, Irska, Švedska, Nizozemska, Belgija, Njemačka, Japan i Kina, dok neke druge zemlje kao što su Francuska, SAD, Kanada, Grčka i druge Europske zemlje planiraju korištenje priobalnih vjetroelektrana. Velika Britanija je razvoj počela 2003., te je uskoro preuzela vodstvo u tom području tržišta od Danske.

Najveći dostupni vjetroagregat danas je pjedinačne snage čak 6 MW, dok je najveća udaljenost od obale čak 30 kilometara.Predviđa se da bi u budućnosti priobalne vjetroelektrane mogle imati udaljenost od obale koja bi mogla preći i 50 kilometara, sa vjetroagregatima snage i do 10 MW.

5.3. Plutajuće vjetroelektrane

Plutajuća vjetroelektrana ili pučinska vjetroelektrana (slika 5.3.1) je vrsta vjetroelektrane koja se postavlja na plutajuću strukturu u dubljem moru, gdje nije moguće postaviti priobalnu vjetroelektranu. Plutajuće vjetroelektrane su složene i zahtijevaju veće početne troškove, ali su nove studije pokazale da zbog njihovih mogućnosti da pristupe snažnijim vjetrovima dalje na moru, imaju isplativost primjene.

14

Slika 5.3.1. Plutajuća (pučinska) vjetroelektrana

Obično se više plutajućih vjetroagregata povezuju zajedno u vjetroelektranu, kako bi se koristio zajednički podvodni kabel za prijenos električne struje.

Prvi prototip pod nazivom Blue H (slika 5.3.2.) je zračni vjetroagregat snage 80 kW s plutajućom platformom, postavljen 2007.god., 113 kilometara od obale Italije. Kod ovakvog tipa plutajućeg zračnog vjetroagregata pojavljuje se problem instaliranja plutajuće platforme, zbog velikog potiska koji nastaje prilikom same operacije instaliranja.

Slika 5.3.2. Sistem usidrenja plutajućeg vjetroagregata Blue H

lijevo - slobodno plutanje

15

desno - sidrenje zateznim kablovima

5.4. Visinske vjetroelektrane

Koncept visinskih vjetroelektrana se zasniva na iskorištenju energije vjetra u višim slojevima atmosfere. One predstavljaju dizajnirani koncept vjetroelektrana, koji su na različite načine podignuti u visinu bez potpore tornja.

Možemo ih podijeliti u dvije skupine:- one za iskorištavanje vjetra na nižim visinama, te- na one koje to mogu na višim visinama.

Vjetrovi na većim visinama postaju mirniji, stalniji te postižu velike brzine. Budući da se energija sadržana u vjetru povećava s kvadratom brzine, uz pretpostavku da su ostali parametri ostali nepromijenjeni, udvostručenjem brzine vjetra dobivamo 8 puta veću snagu, utrostručenjem 27 puta veću snagu. Sa mirnijim i predvidnjivijim vjetrovima, visinski vjetrovi imaju prednost nad onima blizu zemlje.

Visinske vjetroelektrane na taj način mogu proizvoditi električnu energiju 90% vremena, dok bi one na zemlji to činile maksimalno 35% vremena. To bi rezultiralo pojeftinjenjem električne energije i zahtjevalo bi manje vjetroelektrana za istu količinu električne energije.

Visinskim vjetroelektranama se može podešavati visina i pozicija područija u kojem radi zbog maksimiziranja dobivene energije vjetra, što je nepraktično kod fiksiranih vjetroelektrana na zemlji. Sistemi visinskih vjetroelektrana ne emitiraju stakleničke plinove te nisu opasni za zdravlje ljudi. Pojedine kritike upućuju na ometanje zračnog prostora te na opasnost od zrakoplovnih nesreća, ali da se pokriju potrebe SAD-a za električnom energijom, visinske vjetroelektrane trebale bi koristiti jednu četiristotinu zračnog prostora SAD-a. S povećanjem visine, produljuju se vodiči, temperatura zraka se mijenja, intenzitet vremenskih nepogoda postaje izraženiji, troškovi se povećavaju te se izloženost turbulencijama mijenja. Neke od visinskih vjetroelektrana su napravljene od metala što povećava opasnost od munja jer postaju gromobrani, također turbulencije ili jaki naleti vjetra predstavljaju problem jer bi mogle istrgnuti sustav iz uležištenja. Zato bi se morale pozicionirati dalje od naseljenih mjesta.

Ideja visinske vjetroelektrane, počinje vizijom Johna Eltzera da uhvati snagu vjetra visoko u zraku koristeći se tehnologijom kabla i povodca. U nedavnoj povijesti bitno ime za ovo područije nauke

16

Australski inžinjer Bryan Roberts. On je jedan od pionira u izgradnji modernih vjetroelektrana koje će iskorištavati energiju vjetra u višim slojevima atmosfere. U suradnji s nekoliko američkih investitora napravio je prototip uređaja pod nazivom „Flying Electric Generator“ koji svojim izgledom podsjeća na helikopter s 4 propelera bez kabine i na visini od 4 do 5 km u zraku bi iskorištavao snagu vjetra.

Jedan od poznatijih koncepata vjetroturbina razvija kompanija Magenn iz Ontarija (slika 5.4.1), nazvali su ga MARS (Magenn Air Rotor System). Sistem iskorištava snagu vjetra na nešto manjim visinama od oko 300 m, te se sastoji od horizontalnog rotora punjenog helijem koji je pričvršten kabelima za transformator na zemlji. Ovaj koncept omogućava visok obrtni moment, niske početne brzine, a izrazito veliku ukupnu učinkovitost zbog mogućnosti postavljanja na veće visine od vjetroelektrana smještenih na tlu. MARS se može prilagođavati smjeru puhanja vjetra te tako duže i bolje iskorištavati njegov potencijal.

Slika 5.4.1. MARS sistem

The Kite Wind Generator (KWG) ili Kitegen (slika 5.4.2.) je projekt, još u fazi konstruiranja, koji se sastoji od jedne vjetroelektrane s rotacijom oko središnje vertikalne osi i postavljenih jedara za eksploataciju energije vjetra na većim visinama. Oprema za generiranje električne energije je stacionirana na tlu dok su jedra u zraku pričvršćeni lančanicom za generator. Takva bi vjetroelektrana imala mogućnost proizvodnje energije ekvivalentne onoj iz nuklearnih elektrana, koristeći područje od nekoliko kvadratnih kilometara. Većina tog područja ne bi bila okupirana, tj. bilo bi pogodno za razvoj agrikulture

17

Slika 5.4.2. KWG projekt

6. DIJELOVI VJETROELEKTRANA

Vjetroelektrana se sastoji od:vjetroagregata, koji su sačinjeni iz turbine i generatora,transformatorske stanice,kablova i vodova,ostalih pripadajućih objekata

6.1. Vjetroagregat

Vjetroagregat je još poznat pod nazivima vjetroturbina i vjetrogenerator. Vjetroagregat se sastoji od vjetroturbine i vjetrogeneratora. Mnogi ga još nazivaju i vjetroelektrana, što nije sasvim točno, pošto pojam vjetroelektrana označava niz blisko smještenih vjetroagregata, najčešće istog tipa, izloženih istom vjetru i priključenih posredstvom zajedničkog rasklopnog uređaja na električnu mrežu.

Vjetroagregat je rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor električnog generatora nalaze na istom vratilu.

6.1.1. Izvedbe vjetroagregata

18

Postoji čitav niz podjela vjetroagregata, pa ih tako u ovisnosti prema nekim konstrukcijskim i radnim osobinama razvrstavamo po:

- položaju osi turbinskog kola: vjetroagregati s vodoravnom osom i okomitom osom

- omjeru brzine najudaljenije točke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne

- broju lopatica: višelopatične, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom - veličini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne - načinu pokretanja: samokretne i nesamokretne - učinkovitosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko učinkovite - načinu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.

Vjetroagregati s okomitom (vertikalnom) osom

Vjetroagregati s okomitom (vertikalnom) osom su najstariji sistemi za iskorištavanje energije vjetra. Danas također postoje koncepti modernih vjetroagregata koji imaju okomit položaj osi.

Negativna strana ove vrste vjetroagregata je manja iskoristivost od vjetroagregata s horizontalnom osom.

Pozitivne strane ove vrste vjetroagregata su: - vjetroagregat nema usmjerenja, ne mora biti usmjerena prema vjetru, pa ne trebaju dodatni uređaji za praćenje vjetra i okretanje vjetroturbine, - potreban je slabiji vjetar za njihov rad, - uređaji za kontrolu vjetroagregata i pretvorbu energije mogu biti smješteni na razini zemlje zbog okomite osi rotora, - jednostavnija struktura što olakšava i samo postavljanje.

Vrste vjetroagregata s vertikalnom osom su:- Savoniusov rotor- Darrieusov rotor- H rotor- vjetrenjača s rotirajućim jedrima

Savoniusov rotor (slika 6.1.1.) radi na principu otpornog djelovanja koji kombinira s potiskom. Sastoji se od dvije polucilindrične lopatice, koje su otvorene na suprotnim stranama. Blizu ose, lopatice se preklapaju tako da preusmjereni vjetar može strujati iz jedne lopatice u

19

drugu. Ova vrsta rotora ima veću iskoristivost od rotora baziranih samo na otpornom djelovanju, ali manju od rotora primarno baziranih na potisku. Ovaj tip rotora ima prednost koja se bazira na tome da se mogu početi vrtjeti na malim brzinama vjetra, dok im je loša strana u tome što je potrebno puno materijala za njihovu izradu.

Slika 6.1.1. Savoniusov rotorDarrieusov rotor (slika 6.1.2.) je 1929. konstruirao Francuz

Georges Darrieus.Ova vrsta rotora se sastoji od dvije ili tri lopatice koje imaju oblik parabole.Profil rotorskih lopatica oblikom odgovara radu na principu potiska. Iskoristivost ovih rotora je puno veća od iskoristivosti Savonius-ovih rotora. Glavni nedostatak Darrieus-ovog rotora je u tome što ne može sam započeti rotaciju te zbog toga uvijek zahtjeva pomočni uređaj za pokretanje.

Slika 6.1.2. Darrieusov rotor

Daljnjim razvojem Darrieusovog rotora razvijen je H rotor ili H – Darrieus-ov rotor. Ovaj rotor se još naziva i Heidelberg rotor po tvrtki

20

Heidelberg Motor. Generator s permanentnim magnetom je integriran u samu strukturu rotora i ne zahtjeva sustav prijenosa.

Vjetroagregati s vodoravnom (horizontalnom) osom

Vjetroagregati s vodoravnom (horizontalnom) osom su danas najzastupljeniji tip vjetroturbina. Vjetroagregati su došli do vrlo visokog stepena tehničke razvijenosti i dostižu snage od nekoliko MW, dok su vjetroagregati u 1980-tim godinama bili u rangu snage ispod 100 kW (Slika 6.1.3.).

Slika 6.1.3. razvoj horizontalnih vjetroagregata

6.1.2. Dijelovi vjetroagregata

Dijelovi vjetroagregata su (slika 6.1.2.1.):1. temelj2. priključak na elektroenergetski sistem3. stup4. ljestve za pristup5. zakretnik ili oprema za zakretanje6. kućište stroja ili gondola7. električni generator8. anemometar9. kočioni sistem10. prijenosnik snage (obično multiplikator)11. lopatice rotora (obično 3 lopatice)12. sistem zakretanja lopatica (eng.“pitch“)13. glavičina rotora

21

Slika 6.1.2.1. Dijelovi vjetroagregataNa sljedećoj slici (slika 6.1.2.2.), također imamo grafički prikaz

dijelova vjetroagregata:

22

Slika 6.1.2.2. Dijelovi vjetroagregata 2

Sastavni dijelovi rotora vjetroagregata su glavčina i lopatice.

Ovisno o tome kako reguliramo snagu, rotor može biti izveden:- tako da se regulaciju napadnog kuta (napadni kut krila) tijekom rada vrši zakretanjem lopatica, na način da se profil namješta u optimalni položaj (eng. pitch). Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primjenjeni za lopatice duže od 25 do 30 metara. Također postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjajući postavni kut lopatica mijenja napadni kut struje zraka. Na taj način se postiže smanjenje snage vjetroturbine za brzine vjetra manje od projektne, odnosno brzine vjetra iznad projektne (namještajući na optimalnu vrijednost na početku rada vjetroagregata)

- tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinamičkog efekta poremećenog trokuta brzina (eng. stall). Dakle s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu napadni kut struje zraka, odnosno dolazi do poremećaja trokuta brzina te do porasta ili gubitaka uzgona (tako npr. ako brzina vjetra poraste iznad projektne vrijednosti, kut više nije optimalan). Za ovaj slučaj izvedbe rotora lopatice nemaju mogućnost zakretanja. Međutim, kako je vjetroturbina projektirana za neko područje brzina, u ovom slučaju izvedbe lopatice imaju unaprijed namješten kut za dotično područje brzina (što omogućuje najveću pretvorbu energije vjetra u električnu energiju).

23

Lopatice vjetroagregata

Lopatice rotora (slika 6.1.2.3.) su u današnje vrijeme oblikovane poput krila zrakoplova. Njih pokreće aerodinamički uzgon, i imaju prilično visok stupanj pretvorbe energije vjetra u mehanički rad.

Koriste se 3 lopatice, jer je to najpraktičnija i najisplativija konfiguracija, te je s vremenom postala uobičajena za gotovo sve velike proizvođače vjetroagregata. Kod dvije (a pogotovo jedne) lopatice brzina obrtanja je znatno veća, što ima mnogo negativnih posljedica u smislu učinkovitosti i opće prihvaćenosti vjetroagregata.

S obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinamičkim kočnicama) ili s krilcima. Ove druge rade na način da se krilca odvajaju od površine, smanjujući aerodinamičke značajke profila kod brzine iznad projektne. Obje izvedbe su ujedno sekundarni kočioni sustavi, koji u slučaju otkaza primarnog kočionog sustava (mehanička kočnica) stvaraju moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom površinom), te na taj način ograničavaju brzinu vrtnje rasterećenog kola.

Slika 6.1.2.3. Lopatice vjetroagregataKočioni sistem

24

Kada električni generator ispadne iz mreže, odnosno brzina naleta vjetra prijeđe maksimalnu vrijednost (isključna vrijednost), dolazi do izrazitog dinamičkog opterećenja. Zato mora postojati kočioni sustav kako bi rasteretio prijenosnik snage, odnosno zaustavio rotor.

Osim toga, bitno je reći da je također zadatak ovog sustava održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno osigurati sistem čije je djelovanje dinamički uravnoteženo.

Disk kočnica je najčešća izvedba kočionog sistema (kojom se na suvremenim strojevima upravlja mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnom vratilu kola prije prijenosnika ili na brzookretnom vratilu generatora. Prilikom odabira broja kočionih elemenata na disku kočnice, naglasak treba staviti na izbjegavanje neuravnoteženosti obodnih sila kočenja, odnosno na postizanje opterećenosti turbine isključivo momentom kočenja. Djelovanje im može biti elektromagnetsko ili hidrauličko, a aktiviraju se signalom generatora (zbog ispada iz mreže, dakle prekid strujnog kruga) ili signalom uređaja kojim se mjeri brzina vrtnje generatora.

Broj okretaja rotora se regulira aerodinamičkim kočenjem. Takvo kočenje se ostvaruje odabirom odgovarajućeg kuta lopatice s obzirom na vjetar. Postoji i radna disk kočnica koja laganim kočenjem regulira broj okretaja rotora kao ispomoć aerodinamičkom kočenju.

Upravljački i nadzorni sistem

Ovaj sistem je u osnovi zadužen za upravljanje i nadziranje rada vjetroturbinsko-generatorskog sustava. Ako ovakav sistem nije u cijelosti smješten na vjetroagregatnoj jedinici (kao što može biti slučaj), već je jednim dijelom na nekom udaljenijem mjestu, onda sistem zahtjeva i posebnu telekomunikacijsku opremu.

Mikroprocesorski upravljani sistem nadzire i upravlja radnim procesima i zaštitom, daje podatke o radu, električkim i mehaničkim stanjima, obrađuje podatke, komunicira sa zaduženim osobljem, te izvještava ili alarmira u slučaju nekakvog kvara, požara ili slično.

Električni generator ili vjetrogeneratorTurbinski dio vjetrenjače s rotorom, kočnicama i prijenosnikom

snage predstavlja važan dio cjelokupnog sistema, čija je osnovna funkcija pogon električnog generatora.

Za pravilan i siguran rad vjetroturbinsko - generatorskog sustava, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su:

25

- visok stepen iskorištenosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja - izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sistema - izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora - uležištenje generatora na način da garantuju dugotrajnost

Uzimajući u obzir uvjete povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i slične uvjete, pred generatore se također postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja.

Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora.

Prema načinu rada generatori se mogu podijeliti na one: - za paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom - samostalni rad - spregnuti rad s drugim izvorima energije

Prema vrsti električne struje mogu biti: - istosmjerni (zbog problema s pouzdanosti rijetko se primjenjuju) - izmjenični

Prema načinu okretanja postoje generatori: - s promjenjivom brzinom okretanja, uz zadržavanje iste frekvencije - s nepromjenjivom brzinom okretanja, uz zadržavanje iste frekvencije

Zakretnik ili oprema za zakretanje

Zakretnik služi za zakretanje turbinskog ili generatorskog sustava. Nalazi se ispod kućišta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko pužnog prijenosa (omjera reda veličine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom, učvršćenim na stupu, izravnava se os vratila rotora s pravcem vjetra. To je naravno, u ovisnosti o vrsti vjetroturbine, odnosno da li je ista postavljena niz vjetar ili uz vjetar.

Zakretanje zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje zakretanje kućišta zbog naleta vjetra.

26

Zakretanje kućišta regulira sustav koji je izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku jednom u deset minuta dogodi se zakretanje kućišta).

Kućište stroja ili kabina

Kućište stroja, gondola ili kabina (Slika 6.1.2.4.) s jedne strane štiti generatorski sistem od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke dotičnog sistema. Kabina se nalazi na vrhu stuba.

Slika 6.1.2.4. Gondola vjetroagregata

Njezini najbitniji dijelovi za jedan opći vjetroagregat, uz određene specifičnosti ovisno o proizvođaču i modelu su:

- kućište- elementi za uležištenje sporohodnog vratila- zupčanički prijenosnik- brzohodno vratilo s disk kočnicom- generator- kontrolna jedinica- rashladni sustav- motorni pogon za zakretanje kabine s kočnicom- hidraulički pogon

27

Zupčasti prijenosnik povećava brzinu vrtnje prijenosnim odnosom od 30 do 60 puta. Iz njega izlazi brzohodno vratilo koje pokreće generator. Kod nekih tipova vjetroagregata generator je direktno spojen na rotor bez prijenosnika. Elektronički kontrolni sustav uz pomoć podataka s kontrolne jedinice (koja mjeri podatke o brzini i smjeru vjetra) prati uvjete rada vjetroagregata.

Stub

Stub može biti izveden kao cjevasto konični, teleskopski, rešetkasti, učvršćeni i povezani. Danas se najčešće koristi cjevasta konstrukcija, a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke čvrstoće karakterizira i veća otpornost na vibracije.

Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti, a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za prijevoz i ugradnju. Unutar cijevastog stupa se nalaze stube ili ljestve, a kod većih se ponekad ugrađuje i dizalo. U podnožju se nalazi transformator koji povezuje vjetroagregat sa srednjenaponskom mrežom, te kontrolna i mjerna jedinica. Transformator se ponekad nalazi i u zasebnoj građevini u podnožju stupa.

Prenosnik snage

Prenosnik snage je u većini slučajeva multiplikator i može biti različitih izvedbi. Hlađenje prenosnika se najčešće vrši zrakom, a podmazivanje sintetičkim uljem. Prilikom analiziranja načina na koji se vrtnja prenosi s vjetroturbinskog kola na električni generator, naročitu važnost zauzimaju materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prenosa i prenosni odnos.

Vjetroturbina i generator su spojeni pomoću mehaničke spojke za koju se najčešće podrazumijeva da u sebi ima mjenjačku kutiju s prijenosnikom. Prijenosnik ima funkciju prilagođavanja niže brzine vrtnje rotora vjetroturbine višoj brzini vrtnje rotora električnog generatora. Ukoliko su generatori višepolni niskobrzinski i po mogućnosti sinkroni s uzbudnim namotom ili uzbudnim permanentnim magnetima, mehanički prijenosnik nije potreban (što je slučaj kod vjetroturbina novijeg dizajna).

Iznos snage pretvorbe vjetroturbine regulira se pomoću sustava za upravljanje kutom okretanja lopatica (eng. pitch regulated), koji također može postojati unutar opreme nekih vjetroturbina, ali i ne mora. Korištenjem tog regulacijskog mehanizma elisa se zakreće oko svoje duže osi i omogućuje smanjenje mehaničke snage, ovisno o

28

karakteristikama vjetroturbine. Ako vjetroturbina nema regulacijski sistem okretanja, naglasak se stavlja na konstrukciju lopatica koje se projektiraju prema aerodinamičkom efektu. Tako je, u slučaju previsokih brzina vjetra, vjetroturbina zaštićena od povišenja snage.

Priključak na elektroenergetski sustav

S obzirom na priključak na elektroenergetski sustav vjetroelektrane mogu biti: - vjetroelektrane izravno priključene na mrežu i u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje - vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom ili djelomično promjenjivom brzinom vrtnje

Vjetroelektrane izravno priključene na mrežu i u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje, mogu imati:

- asinhroni generator- sinhroni generator

Na sljedećim slikama je prikazana šema pomenutih sistema:

Slika 6.1.2.5. Asinhroni generator sa konstantnom brzinom vrtnje

Slika 6.1.2.6.Sinhroni generator sa promjenjivom brzinom vrtnje

29

Asinkroni generatori se najčešće koriste kada je vjetroelektrana priključena na krutu mrežu. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska krutost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priključni uređaj kako bi se omogućilo početnu sinkronizaciju s mrežom.

Sinkroni generatori se najčešće primjenjuju za pretpostavljene uvjete otočnog (samostalnog) pogona. Ovdje su potrebni uzbudni sistem i regulator brzine koji će održavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu. Kod vjetroturbina nazivnih snaga većih od 500 kW naročito je izražena potreba za uključivanjem sistema za regulaciju ugla okretanja lopatica, što inače nije slučaj, tako da se spomenuti sistem ne izvodi u svim jedinicama.

Vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom ili djelomično promjenjivom brzinom vrtnje mogu imati:

-sinkroni ili asinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu -asinkroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem -asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvaračkom kaskadom

Svaki od navedenih sistema može, ali i ne mora, imati sistem za regulaciju ogla okretanja lopatica.

U odnosu na vjetroelektrane u izvedbi sa stalnom brzinom okretanja, koje karakterizira jednostavnost i jeftinoća, vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom brzinom okretanja pružaju mogućnost veće proizvodnje električne energije, manjih mehaničkih naprezanja mehaničkih dijelova i ravnomjernije proizvodnje, manje ovisne o promjenama vjetra i njihanjima sistema.

Vjetroelektrane s vjetroturbinama čiji je raspon nazivnih snaga između 50 kW i 1500 kW, najčešće su izvedene s asinkronim generatorom izravno priključenim na mrežu, dok je priključak sinkronog generatora na mrežu korišten kod nekih malih vjetroelektrana, koje su uglavnom u samostojećim sistemimaustavima.

30

6.1.3. Podjela vjetroagregata

Vjetroagregate prema veličini (odnosno instaliranoj snazi) možemo grubo podijeliti u 3 skupine:

- Male - one imaju instaliranu snagu od 1 do 100 kW. Koriste se prvenstveno kod dalekih, izoliranih mjesta, a postoji mnogo različitih izvedbi i riješenja,

- Srednje - one imaju instaliranu snagu između 100 kW i 1,5 MW. One se često priključuju na mrežu, bilo samostalno ili u grupi, te su u potpunosti u komercijalnoj upotrebi,

- Velike - one imaju instaliranu snagu veću od 1,5 MW. Većina takvih vjetroagregata se postavlja na pučinu, gdje su brzine vjetra i najveće. Vjetroagregati ove veličine su još u intenzivnom razvoju.

7. AUTOMATIZACIJA VJETROELEKTRANE

Kao primjer automatizacije i prikaza pojedinih mehatroničkih modula u daljnjem tekstu će se razmotriti automatizirani model vjetroagregata, tj. vjetroelektrane Hrvatske marke KONČAR koja se već 40 godina bavi proizvodnjom i automatizacijom vjetroagregata.

Vjetroagregati  proizvodnje KONČAR (Slika 7.1.) su potpuno automatizirani. Pokreću se kada brzina vjetra dosegne veličinu projektiranu za njihovo uključenje.

Slika 7.1. Vjetroagregat marke KONČAR

31

Izlazna snaga vjetroagregata raste s brzinom vjetra. Kod određene brzine vjetra (različito od tipa vjetroagregata), vjetroagregati postižu svoju nazivnu snagu. Kod brzine vjetra za koju je obavezno isključenje vjetroagregata, lopatice se počinju zakretati oko vlastite osi do položaja u kojem pružaju najmanji otpor vjetru ("na nož") i vjetroagregat je u slobodnoj rotaciji (free wheeling). 

Gondola je opremljena sustavom za zakretanje gondole, koji je uvijek automatski okreće prema vjetru. Sve komponente u gondoli linijski su postavljene u odnosu na glavnu os vjetroagregata.

Osim sustava za zakretanje gondole, vjetroagregat je opremljen sustavom uzbude generatora, sustavom upravljanja, sustavom podmazivanja, sustavom kočenja, sustavom zakretanja lopatica, sustavom vatrodojave, te sustavom hlađenja i grijanja gondole.

Izvedbe direktnog pogona vjetroagregata (bez multiplikatora) donose nekoliko prednosti u odnosu na druga tehnička rješenja – osim što koriste 10-15% više energije vjetra koju pretvaraju u električnu energiju, smanjuju i mehaničke gubitke, smanjuje se buka, postiže veća pogonska sigurnost, te je svakako važno spomenuti prednost jednostavnijeg održavanja vjetroagregata.

Vjetroagregati su projektirani  u skladu s IEC standardima i projektirani za vijek trajanja od 20 godina. Svaki vjetroagregat prolazi stroge kontrole kvalitete u tvornici, kao i naknadna verifikacijska i funkcionalna ispitivanja na terenu.

Kratki tehnički opis glavnih komponenata vjetroagregata:

ROTOR VJETROAGREGATA:

Rotor (Slika 7.2.) je konzolne konstrukcije s tri lopatice montirane u smjeru vjetra. Izlazna snaga kontrolira se pitch regulacijom (zakretanjem lopatica oko vlastite osi).

Brzina vrtnje rotora je promjenjiva i projektirana je da poveća aerodinamičku efikasnost do maksimuma.

Glavčina je odlivena iz nodularnog lijeva i preko ležajeva je pričvršćena na osovinski rukavac, a prirubnicom na rotor generatora. Glavčina je konstruirana da unutar strukture osigurava radni prostor dovoljan za dva servisera za potrebe održavanja korijena i okretnica lopatica.

32

Osovinski rukavac je lijevana konstrukcija izrađena od čeličnog lijeva te je preko prirubnice spojen na stator generatora. Na njemu su smještena dva  glavna ležaja.

Slika 7.2. Rotor vjetroagregata

LOPATICE:

Lopatice vjetroagregata izrađene su od epoksidne smole ojačane staklenim vlaknima u dva dijela spojena lijepljenjem. Lopatice su montirane na okretnice koje se u principu mogu zakretati 360º ali potrebni kut zakretanja oko vlastite osi je od 0 do 90º i služi za regulaciju snage i aerodinamičko kočenje.

Svaka lopatica ima svoj vlastiti nezavisan mehanizam zakretanja koji može zakretati lopatice u svim radnim uvjetima.

Pitch pogon omogućuje optimizaciju izlazne snage u radnom području. Kako bi se smanjilo opterećenja od vjetra, lopatice se mogu zakretati čak tijekom vremena kada vjetroagregat ne proizvodi električnu energiju.

Lopatice su opremljene gromobranskom zaštitom, a na vrhu označene signalnom bojom.

OPLATA:

Oplatu su projektirali KONČAR-ovi stručnjaci. Izrađena je od stakloplastike, a natpis proizvođača utisnut je vodoravno, po sredini oplate.

Gornji dio oplate opremljen je s dva krovna prozora koji se mogu otvoriti i omogućuju normalni pristup svjetlosti i zraka unutar gondole.

33

Mjerači brzine vjetra kao i avio svjetla pričvršćeni su s gornje strane oplate, pristupačni za dohvat i zamjenu iz gondole.

TORANJ:

Vjetroagregat je montiran na konusni cijevni čelični toranj. Toranj se sastoji od tri ili više sekcija zavisno od visine tornja. U unutrašnjosti tornja smještene su ljestve, ali i električno dizalo za uspinjanje u gondolu agregata. Unutar tornja postavljene su platforme/podesti i električna rasvjeta. Toranj je opremljen signalnom rasvjetom.

PROZA NET SCADA:

PROZA NET (Slika 7.3.) je višekorisnički sustav za nadzor i upravljanje radom elektroenergetskog sustava. Na spomenutoj osnovi razvijen je PROZA NET SCADA sustav prema potrebama i zahtjevima specifičnim za nadzor i upravljanje vjetroelektranom.

Osim mogućnosti grupnog i pojedinačnog upravljanja vjetroagregatima PROZA NET ima i mogućnost analize rada procesa u stvarnom i studijskom vremenu.

Sustav se odlikuje visokim performansama i modularnom arhitekturom, te podržava visoki stupanj integracije s vanjskim sustavima.

Slika 7.3. PROZA NET SCADA interface

34

GENERATOR:

Generator je sinkroni s varijabilnim brojem okretaja, hlađen strujom zraka koja struji kroz zračni raspor. Strujanje zraka omogućuje ventilator za hlađenje u stražnjem dijelu gondole.

Ventilator uključuje sustav upravljanja ovisno o signalima koje prima s temperaturnog senzora koji mjeri temperaturu namota.

SUSTAV ZAKRETANJA GONDOLE

Sustav zakretanja gondole (Slika 7.4.) čine kuglični ležaj s vanjskim ozubljenjem i četiri ili više električna motor-reduktora.

Slika 7.4. sustav zakretanja gondole

FREKVENCIJSKI PRETVARAČ

Frekvencijski pretvarač je četverokvadratni i tekućinom hlađeni.

SUSTAV MONITORINGA

Sustav monitoringa je koncipiran tako da verificira ili ukaže na potrebne korekcije u konstrukciji vjetroagregata. Pomoću ugrađenih senzora za mjerenje naprezanja, vibracija i temperatura vjetroagregata, te komunikacijske opreme, prate se stanja pojedinih komponenata i bilježe u bazi podataka.

Ovaj sustav ukazat će na moguće probleme vjetroagregata i prije njihovog nastanka i time svesti neplanirane popravke opreme na

35

minimum, smanjiti troškove održavanja, povećati raspoloživost vjetroagregata, te općenito produžiti vijek trajanja opreme.

8. SNAGA VJETROELEKTRANE

Vjetroagregati koriste energiju vjetra. Ako posmatramo stub zraka, koji ima neku brzinu v i masu m,kinetička energija iznosi:

E=12mv2

Masa zraka je određena gustoćom ρ, površinom kroz koju struji A, brzinom v i vremenom t:

m=ρ ∙ A ∙ v ∙ tSnaga vjetra je derivacija kinetičke energije po vremenu, pa je izraz za raspoloživu snagu vjetra:

P= ρ ∙ A ∙ v3

2

Snaga vjetra je proporcionalna brzini vjetra na treću potenciju. Zato je bitno precizno poznavati iznos brzine vjetra, jer se svako odstupanje multiplicira pri izračunu snage vjetra.

Slika 8.1. Stub zraka s označenim brzinama pri prolasku kroz turbinu vjetroagregataPromatrajući ponovo isti stub zraka, uočavamo da on "putuje" do

rotora vjetroturbine početnom brzinomv, te usporava do brzinev1 , kada dostigne rotor (to se događa zbog promjene pritiska). Rotor preuzima dio energije vjetra , tako da se zrak koji struji iza rotora kreće još sporije brzinomv2. (slika 7.1.). Naravno, ista masa zraka koja je putovala prema rotoru i napušta rotor (m=const.). Zapremina suba zraka iza turbine se povećava, zbog toga što se masa zraka kreće sporije, što prisiljava zrak da se proširi, tako omogućujući kontinuirano strujanje.

Pa je, snaga dobivena iz vjetra jednaka:

P=12∙ ρ ∙ A v3∙4 a (1−α )2

36

gdje je: - a faktor aksijalne indukcije koji se definira sa:

a=v−v1v

- a koeficijent snage Cp, kao omjer snage preuzete od strane rotora i snage vjetra, se računa:

C p=4 a (1−α )2

Koeficijent snage ukazuje na efikasnost turbine baziranu isključivo na konceptu stuba zraka, zanemarujući stvarne uvjete, te neizbježne mehaničke i elektroničke gubitke. Ako deriviramo koeficijent snage i izjednačimo ga s nulom (odnosno tražimo njegov maksimum) dobijemo da je maksimalna vrijednost faktora a = 1/3, pri čemu je Cp = 16/27, odnosno Cp = 0.59.

Ovo ograničenje je poznato pod nazivom Betzov zakon, odnosno Betzov koeficijent. On označava maksimalnu teoretsku iskoristivost vjetropotencijala.

Maksimalna praktična iskoristivost se kreće od 35% do 45%.

9. VJETROELEKTRANE U BIH

Vjetroelektrana, u višim nivoima razvoja, na području BiH nema mnogo. Glavnina projekata nalazi se na području oko Livna, Kupresa, Tomislavgrada i Mostara. To područje pokazuje izuzetno dobar potencijal vjetra, te je očekivano da se prvi projekti izgrade upravo na nekoj od lokacija u tome području.

Osim nekoliko privatnih investitora, vjetroelektrane razvijaju i Elektroprivreda BiH i Elektroprivreda HZHB. Projekt EP BiH se nalazi na platou Podveležje u blizini Mostara, dok se projekt Mesihovina EP HZHB nalazi u blizini istoimenog mjesta.

Evropska energetska direktiva do 2020. godine predviđa smanjenje emisije štetnih plinova za 20 posto, te 20 postotni udio obnovljivih izvora u ukupnoj proizvodnji električne energije. To nastoje provesti i zemlje jugoistočne Evrope izgradnjom niza vjetroelektrana. U Bosni i Hercegovini je izgrađena tek jedna, ali još nije priključena u sistem. Ipak, u toku je utrka za koncesije. Takva zaštita okoliša donijet će skuplju struju potrošačima, zahtjeva skupe investicije, ali ulagačima obećava veliku zaradu

37

Suša Commerce je Vjetroelektrana koja je podignuta još 2008. godine, čiju je gradnju finansirala privatna firma “Suša Commerce”. Ima snagu je 350 kW, a koštala je, blizu pola miliona KM.Ova vjetroelektrana smještena je u naselju Zimča, u općini Visoko, a predviđena godišnja proizvodnja električne energije iznosi oko 1,080 GWh.Proizvedena električna energija isporučuje se u distributivni sistem JP „Elektroprivreda BiH“ d.d. –Sarajevo.Inače, vjetroelektrana Suša Commerce je prva vjetroelektrana u Federaciji BiH.

Slika 9.1. Vjetroelektrana Suša Commerce, općina Visoko

Izgradnja vjetroparka na Vlašiću dobila je zeleno svjetlo 2011. Realizacijom ovog projekta na 10 lokacija ostvaruju se direktne finansijske koristi za Srednjobosanski kanton, razvoj i izgradnju cestovne infrastrukture šireg područja Vlašića, te lokalne zajednice.Potpisivanjem ovog ugovora stvorit će se mogućnost korištenja energije vjetra na području srednje Bosne. Na području Vlašića realizirat će se program istražnih mjerenja parametara vjetra po međunarodno priznatim standardima.

38

10. ZAKLJUČAK

Energija vjetra je brzorastući dio sektora obnovljivih izvora energije, koji sve više počinje otkrivati svoje prave potencijale, a to je prepoznato i od mnogih država koje sve više ulažu u instalacije novih vjetrogeneratora i provode istraživanja za tehnologije, koje bi mogle poboljšati iskorištavanje energije vjetra.

Kada se otplati kapitalna investicija vjetroelektrane, tj. kada se njena ukupna vrijednost amortizira, ona je, uz solarne elektrane, najjeftiniji izvor energije. Troškovi goriva su nepostojeći, troškovi pogona i održavanja minimalni, a uticaj na okoliš, skoro pa nepostojeći, pogotovo u usporedbi s drugim izvorima energije, posebno fosilnim gorivima.

Proizvodnja struje iz energije vjetra povećava svoje kapacitete za 19 do 20 posto godišnje, što se može uporediti s područjima za koja je karakterističan snažan rast, kao što su internet ili mobilne komunikacije.

Daljnjim razvojem tehnologije automatizacije i mehatronike, vjetroelektrane će biti potpuno automatizirane tako da će većinu vremena moći same da se održavaju uz minimalni ljudski utrosak (Osim odrzavanja i servisiranja) što uveliko doprinosi razvoju ove energetske tehnologije.

Dodatnim razvojem sistema i upotrebom drugih obnovljivih izvora energije, te sistema spremanja energije, očekuje se da će se granice udjela vjetroelektrana u elektroenergetskim sistemima samo pomicati prema naprijed. Predviđa se da bi vjetar mogao pokriti i 80% potreba čovječanstva za električnom energijom do 2050. godine.

39

11. LITERATURA

www.vjetroelektrane.comwww.wikipedia.bawww.koncar-ket.hrwww.cooperindustries.comwww.siemens.comwww.izvorienergije.comwww.fierasdelaingenieria.comFaruk Mušović, „Vjetroelektrane u BiH“

40