SVEUČILIŠTE U RIJECI

TEHNIČKI FAKULTET

RIJEKA

Seminarski rad

KOLEGIJ: Mehanički prijenosnici snage (Projekt)

Tema: Planetni multiplikator kod vjetrenjača

5.09.2012, U Rijeci

Edi Draščić

0069042902

2

SADRŽAJ

1. UVOD ........................................................................................................................ 3

2. NASTANAK VJETRA ............................................................................................... 4

3. KORIŠTENJE ENERGIJE VJETRA ......................................................................... 6

4. NAČIN RADA VJETROTURBINE ............................................................................... 8

5. DIJELOVI VJETROTURBINE ................................................................................... 10

5.1. ROTOR ............................................................................................................... 11

5.2. SUSTAV ZA ZAKRETANJE TURBINE ......................................................................... 12

5.3. STUP .................................................................................................................. 13

5.4. SUSTAV MEHANIČKOG KOČENJA ............................................................................ 14

5.5. GENERATOR ....................................................................................................... 14

5.6. KABINA ............................................................................................................... 15

5.7. KONTROLA I UPRAVLJANJE ................................................................................... 15

5.8. PRIJENOS ........................................................................................................... 16

5.8.1 Općenito o planetarnim prijenosnicima…………………………………17

6. ZAKLJUČAK ............................................................................................................. 19

7. LITERATURA ............................................................................................................ 20

3

1. Uvod

Zadatak ovog seminarskog rada je opisati način rada vjetroelektrana, njihovu

primjenu, te opisati korištenje planetnog multiplikatora brzine vrtnje za vjetroelektranu.

Rad se sastoji od upoznavanja sa mogućnosti korištenja energije vjetra,

osnovnim dijelovima vjetroelektrane, te dosadašnjim razvojem tehnologije u promatranom području.

4

2. Nastanak vjetra

Vjetar je pojava horizontalnog strujanja zračnih masa, odnosno plinova

koji čine atmosferu. Vjetar nastaje zbog razlike temperature zraka, samim time i

gustoće između zračnih masa na različitim područjima zemlje. Vjetar je

posljedica Sunčevog zračenja, a na njegove značajke dobrim djelom utječu

lokalni čimbenici. Sile koje utječu na vjetar su sila gradijenta tlaka, coriolis-ova

sila, centrifugalna sila, uzgon i sile trenja. U slučaju kada postoji razlika u

gustoći između dvije zračne mase, zrak struji od područja visokog tlaka prema

području niskog tlaka. U osnovi, dva najveća faktora koji utječu na nastanak i

strujanje vjetra su nejednoliko zagrijavanja između ekvatora i polova (razlika u

apsorpciji sunčevih zraka između tih područja) i rotacije planeta. Osnovna

podjela vjetrova je na dvije vrste, a to su globalni vjetrovi i lokalni vjetrovi.

Topli zrak sa ekvatora se uzdiže, te tako stvara područje niskog tlaka.

Ovaj zrak se kreće prema polovima, gubi energiju, te postaje hladniji i gušći,

dok se ne spusti na površinu na otprilike 30° zemljopisne širine, stvarajući

područje visokog tlaka zraka. Na površini zrak struji od područja visokog tlaka

prema području niskog tlaka zraka oko ekvatora i tako zatvara kružno

strujanje. Ovo strujanje zraka nazivamo globalni vjetar.

Slika 1. Prikaz djelovanja globalnih vjetrova

5

Lokalni vjetrovi su vjetrovi koji djeluju na vrlo malom području u odnosu

na globalne vjetrove, a uzrokovani su nejednolikim zagrijavanjem zemljine

površine na manjem području. Lokalni reljef ima veliki utjecaj na lokalne

vjetrove, i sto je reljef raznovrsniji, utjecaj je veći. Neki od načina kako nastaju

lokalni vjetrovi su konvekcija od dnevnog zagrijavanja, nejednoliko zagrijavanje

i hlađenje površine, te gravitacija.

Slika.2. Shematski prikaz djelovanja lokalnih vjetrova

Vjetar je određen brzinom, smjerom i jačinom. Brzina vjetra mjeri se

pomoću anemometra a izražava se uobičajenom jedinicom za brzinu -

metrima u sekundi, kilometrima na sat, čvorovima ili specijaliziranom

jedinicom- beaufort.

6

3. Korištenje energija vjetra

Energija vjetra je indirektan oblik solarne energije. Tijekom povijesti,

iskorištenje snage vjetra bilo je od velikog značaja za razvoj čovječanstva,

prvenstveno za razvoj pomorstva, geografije, pogon vjetrenjača, a i danas ima

veliki značaj u okretanju prema ekološki čistoj tehnologiji. Energiju vjetra pretvaramo u električnu energiju pomoću vjetroelektrana. U

klasičnim vjetrenjačama energiju vjetra pretvaramo u mehaničku te je

koristimo za mljevenje žitarica ili pumpanje vode. Ljudi su kroz povijest

energiju vjetra iskorištavali upotrebom raznih vrsta vjetrenjača, odnosno

vjetroturbina i nastojali sve vise povećavati njenu iskoristivost u energetskoj

pretvorbi u mehaničku energiju, a kasnije i u električnu. Povijest

iskorištavanja snage vjetra ide puno stoljeća u prošlost.

Energija vjetra je iskorištavana za navodnjavanje još prije 3000 godina.

Povijesni izvori govore o iskorištavanju energije vjetra za pogon mlinova u

Afganistanu još u 7. stoljeću. Te vjetrenjače su konstrukcijski bile jednostavne i

imale su malu iskoristivost uspoređujući ih sa današnjim sustavima. U Europi,

energija vjetra je postajala sve važnijom od 12. stoljeća prema današnjim

danima, a sa povećanjem važnosti energije vjetra i sa sve većim njenim

iskorištavanjem konstrukcija vjetrenjača se sve vise razvijala i postajala sve

naprednijom.

Slika 3. Doesburger vjetrenjaca, Ede, Nizozemska.

7

U 14. stoljeću u Nizozemskoj, vjetrenjače su se koristile za isušivanje

zemljišta delte Rajne.Vjetrenjače su se počele primjenjivati u Sjevernoj Americi

početkom 19. stoljeća za navodnjavanje i napajanje stoke. U 20. stoljeću dolazi

do razvoja drugih izvora energije kao sto su para koja se upotrebljavala u

parnim strojevima i fosilna goriva koja su se upotrebljavala u motorima sa

unutarnjim izgaranjem, te dolazi do stagnacije razvoja korištenja energije vjetra.

Do ponovnog oživljavanja upotrebe energije vjetra došlo je zbog naftne krize

tijekom 1970-tih. Za razliku od prijašnjih sustava za iskorištavanje energije

vjetra koji su energiju vjetra pretvarali u mehaničku energiju moderni sustavi

energiju vjetra isključivo pretvaraju u električnu energiju. Njemačka je u '90-tim

godinama prošlog stoljeća postala najnaprednija po pitanju razvoja sustava za

iskorištavanje energije vjetra.

8

4. Način rada vjetroturbine

Vjetroturbine su sustavi za iskorištavanje kinetičke energije vjetra, koja se poslije može

iskoristiti ili za pokretanje određenih uređaja poput mlinova i pumpa, za sto su se koristile

kroz povijest, ili za pokretanje generatora električne energije i proizvodnju električne struje,

za što se u najvećoj mjeri danas koriste.

Pretvorba kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju vrtnje vratila odvija se pomoću

lopatica rotora. Pri tome se rotor i električni generator nalaze na zajedničkom vratilu a između

njih postoji odgovarajući prijenosnik. U generatoru dolazi do pretvorbe mehaničke energije

vrtnje vratila u konačnu, električnu energiju pa se cijelo postrojenje cesto naziva i

vjetrogeneratorom. Jedna ili više vjetroturbina s pripadajućom opremom (generator,

prijenosnik, kućište, stup, temelji, regulacija, trafostanica itd.) čini vjetroelektranu. Pri tome

se pod nazivom vjetroelektrana podrazumijevaju postrojenja za dobivanje električne energije,

dok se pod nazivom vjetrenjača podrazumijevaju postrojenja za dobivanje mehaničkog rada

(npr. za mlinove, crpke za vodu).

Svaki se vjetar ne može iskoristiti za proizvodnju električne energije. Ponekad je brzina vjetra

prevelika i zato turbina ima kočnicu. Kočnica ne dozvoljava turbini vrtnju s prevelikim

brojem okretaja. Preslab i prejak vjetar ne može se iskoristiti. Da bi vjetroturbina uspješno

radila, brzina vjetra mora biti veća od dvadesetak kilometara na sat. Tek vjetar takve brzine

može pokretati lopatice turbina dovoljno brzo da bi se električna energija proizvodila.

Današnji sustavi za iskorištavanje energije vjetra su pretežito vjetrogeneratori i njihove snage

uglavnom su oko 4 MW. U osnovi, vjetroturbine mogu raditi na dva principa iskorištavanje

energije vjetra, pa se zato i osnovna podjela svodi na podjelu prema tim principima. Tako

imamo: vjetroturbine koje rade na principu otpornog djelovanja (drag devices), vjetroturbine

koje rade na principu potiska (lift devices) i vjetroturbine koje rade na kombiniranju oba

principa. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog djelovanja imaju manju iskoristivost

od vjetrenjača koje rade na principu potiska, zbog toga se danas pretežito koriste vjetroturbine

koje rade na principu potiska ili koje rade na principu kombiniranja oba principa.

Slika 4. Vjetroturbina sa horizontalnom i vertikalnom osi

9

Osim ove glavne podjele postoji još niz podjela vjetroturbina, pa ih tako u

ovisnosti prema nekim konstrukcijskim i radnim značajkama razvrstavamo po: - položaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi.

-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.

-efikasnosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko efikasne.

-načinu okretanja rotora -prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.

Slika 5. Vjetroturbina apstraktnog dizajna na autocesti

10

5. Dijelovi vjetroturbine

Dijelovi vjetroturbine su:

- Kabina - Lopatice rotora - Glavina (čvorište rotorskih lopatica) - Sporookretno vratilo - Prijenos - Električni generator - Brzohodno vratilo s mehaničkom kočnicom - Stup - Sustav za zakretanje kabine

Slika 6. Shematski prikaz vjetroturbine

11

5.1. Rotor

Rotor vjetroturbine sastoji se od odgovarajućeg broja lopatica spojenih

na vratilo preko jedne ili vise glavina. Za primjenu u vjetroelektranama danas

se najčešće (u 90% slučajeva) koriste rotori s tri lopatice na čijim se vrhovima

postižu brzine od 50 do 70 m/s. Osim trokrakih, koji su se pokazali

najučinkovitijima, postoje i dvokraki (stupanj djelovanja tek za 2 do 3% manji),

a i jednokraki rotori. Rotor, koji se sastoji od rotorskih lopatica i glavine, je

okrenut prema vjetru te iza njega dolaze kabina i toranj. To se radi iz

osnovnog razloga jer su zračne struje iza tornja vrlo turbulentne. Glavina je dio rotora preko kojeg su lopatice kruto ili fleksibilno povezane

s vratilom. Kod rotora s vodoravnom osi glavina je samo jedna, dok ih kod rotora s okomitom osi može biti vise. U glavini se nalaze ležajevi zakretnih lopatica i sustav za zakretanje lopatica te priključci na instalacije.

Lopatice rotora vjetroturbine su slične lopaticama zrakoplova. Razlog zašto avion leti je u tome sto zrak koji struji po gornjoj površini krila ima veću brzinu od zraka koji struji po donjoj površini.

Slika 7. Prikaz rotorskih lopatica vjetroelektrane

12

5.2. Sustav za zakretanje turbine

Skoro sve vjetroturbine sa horizontalnom osi koriste mehanizam za praćenje

vjetra, koji koristi električne motore i prijenosnike kako bi zadržali turbinu okrenutu prema vjetru. Ovaj sustav radi na principu horizontalnog zakretanja vjetrogeneratora. Vjetrogeneratori sa vodoravnom (horizontalnom) osi, za razliku od vjetrogeneratora sa vertikalnom osi, moraju uvijek svojom orijentacijom pratiti smjer vjetra. Slika prikazuje zakretni mehanizam stroja od 750 kW sa pogledom prema kabini. Skoro svi proizvođači preferiraju zakočeni zakretni mehanizam kad vjetroturbina nije u pogonu. Zakretni sustav se aktivira elektroničkim upravljačem koji nekoliko puta u sekundi provjerava poziciju anemometra na turbini kad god je turbina u pogonu.

Slika 8. Sustav za zakretanje vjetroturbine

Zakretni sustav

vjetroturbine

13

5.3. Stup

Stup vjetroturbine nosi kabinu i rotor. Stupovi za velike vjetroturbine mogu

biti cijevni čelični stupovi, rešetkasti (mrežni) stupovi ili betonski stupovi. Većina

velikih vjetroturbina su izvedeni sa cjevastim čeličnim stupovima koji se izrađuju

u dijelovima od 20-30 metara sa prirubnicama na oba kraja i međusobno spojeni

zakovicama na mjestu postavljanja vjetroturbine. Stupovi su konični kako bi

povećali njihovu snagu i kako bi uštedjeli na materijalu. Unutar stupa nalaze se

električni vodovi. U dnu stupa nalazi se kontrolna i mjerna jedinica. Najjeftiniji

stupovi za izradu su mrežasti jer zahtijevaju najmanje materijala. Na područjima

sa neravnim terenom, odnosno brdovitim poželjno je graditi visoke stupove jer se

brzina vjetra povećava sa udaljenosti od tla.

Slika 9. Unutrasnjost stupa vjetroturbine

Očito je da ćemo dobiti vise energije od velike vjetroturbine, nego od male vjetroturbine, ali tu je i pitanje troškova. Može se postaviti 60 metarski rotor na stup od 30 metara, ali bi njegova korisnost bila manja nego kad bi ga postavili na visi stup gdje su veće brzine vjetra a samim time i dobivamo vise energije.

14

5.4. Sustav mehaničkog kočenja

Zbog mogućnosti neispravnosti nekog dijela vjetroturbine potrebno je

imati sustav za zaštitu od prevelike brzine. Sustav za mehaničko kočenje je

standardizirana disk kočnica (smještena na sporookretnom ili brzookretnom

vratilu) s hidraulički upravljanim kaliperima. Ovaj sustav kočenja djeluje samo

ako primarni sustav aerodinamičkog kočenja zataji.

Slika 10. Mehanički kočioni sustav

5.5. Generator

Generator vjetroturbine pretvara mehaničku u električnu energiju.

Generatori vjetroturbine su neobični u usporedbi s ostalim generatorima koje se obično mogu naći priključeni na električnu mrežu. Jedan od razloga je da generator mora raditi s izvorom energije (rotor vjetroturbine) koji snabdijeva vrlo varirajuću mehaničku energiju.

El. generator priključen je na multiplikator brzookretnim vratilom. Standardizirani generator je najčešće asinhroni stroj s nešto poboljšanim značajkama pri malom parcijalnom opterećenju. Neki proizvođači primjenjujući koncept dvobrzinskog rada kola koriste el. generator s promjenljivim brojem pari polova. Većina proizvođača je dodatnim mjerama smanjila problem potezne jakosti struje pri startu generatora tako da ona ostaje u granicama nominalne vrijednosti.

Slika 11. Mikro-generator za male vjetroturbine

15

5.6. Kabina

Kabina koja je smještena na vrhu stupa obuhvaća elemente za prijenos

mehaničke snage kola, multiplikator, el. generator, mehaničku kočnicu,

sustav za zakretanje kabine, hidrauličnu jedinicu, sustav za hlađenje, te

kontrolnu jedinicu. Kućište kabine sastoji se od nosećeg postolja i poklopca koje štiti

unutrašnjost kabine od vanjskih elemenata. Za jedinice velike snage ili izvedbe sa širokoobodnim, niskobrzinskim generatorima kućište je jedna noseća cjelina. Treba još naglasiti da sporookretno vratilo (na kojem je pričvršćena glavčina kola) preuzima cjelokupno radijalno i aksijalno mehaničko opterećenje kola, te ga preko ležajeva prenosi na noseće postolje.

5.7. Kontrola i upravljanje

Kontrolor vjetroturbine sastoji se od više računala koji konstantno prate

stanja vjetroturbine kao npr. brzina i smjer vjetra i prikupljaju podatke. Također

kontrolira i veći broj sklopova, hidrauličkih pumpi, ventila i motora unutar

vjetroturbine.Obično se nalazi po jedan kontrolor u podnožju stupa, kao i u

kabini. Na modernijim vjetroturbinama komunikacija između kontrolora se

obično vrši pomoću optičkih vlakana. Moguće je kontrolirati između 100 i 500 parametara u modernoj vjetroturbini.

Svi parametri se šalju u centralnu koordinacijsku jedinicu koja kontrolira i operacije između vjetroelektrane i napojne stanice. Sustav kontrole i upravljanja, kod npr vjetroelektrane od 50 kW, uključuje u pogon kod brzine vjetra od cca. 3.5 m/s, a isključuje iz pogona kod otprilike 25 m/s pri čemu se nominalna snaga postiže kod brzine vjetra od 14 m/s.

16

5.8. Prijenos

Energija rotacije lopatica rotora se prenosi na generator preko

sporohodnog vratila, prijenosnika te brzohodnog vratila. Da bi se kinetička

energija rotora uz pomoć generatora pretvorila u električnu, bila bi potrebna

brzina rotora od 1 500 o/min. Budu6i da se rotor okreće brzinom od 30-50

o/min, potrebna je upotreba prijenosnika. S prijenosnikom se pretvara spora

rotirajuća sila (visokog okretnog momenta) u brzu rotaciju (niskog okretnog

momenta) koja je potrebna za rad generatora. Postotak iskoristivosti energije

je 98%, a gubitak energije koji nastaje uslijed trenja zupčanika prijenosnika

manifestira se u obliku topline i buke. Najčešća izvedba prijenosnika snage je planetni multiplikator smješten

iza sporohodnog vratila koji povećava brzinu vrtnje kola do brzine el. generatora te su prijenosni omjeri od 20 do 50.

Slika 12. Prijenos kod vjetroturbine

17

5.8.1. Općenito o planetnim prijenosnicima

Planetni prijenos je vrsta zupčastog prijenosa koji služi za prijenos i

pretvorbu mehaničke energije. Planetni prijenosi spadaju u široku grupu

mehaničkih prijenosa. Osnovna karakteristika planetnih prijenosa je postojanje

zupčanika koji se okreće oko svoje osi a istovremeno se okreće i oko osnovne

osi sustava. Kretanje je po svojim karakteristikama slično kretanju planeta oko

sunca pa otuda i naziv.

Slika 13. Planetni prijenosa sunčanim zupčanikom i tri

planeta

Postoje razne kombinacije planetnih prijenosa, a kao najčešću moglo bi

se uzeti onu koja se sastoji od centralnoga zupčanika, velikog prstenastog

zupčanika s unutrašnjim ozubljenjem, koji je nepokretan, i jednog

međuzupčanika ili više njih koji zubima zahvaćuju i centralni i vanjski prstenasti

zupčanik.

Ti međuzupčanici imaju svoje osovine učvršćene na nosač ili vodilo, koji

se koaksijalno okreće. Pri radu se međuzupčanici odvaljuju po prstenastom

zupčaniku i kruže oko centralnoga zupčanika, a njihov nosač sa smanjenim

brojem okretaja prenosi dalje zaokretni moment. Planetni prijenosi se najčešće

izvode sa konstantnim prijenosnim omjerom, iako se kod diferencijalnog

prijenosnika može osigurati i nekonstantan prijenosni omjer. Primjenjuju se kao

turboreduktori na brodovima, automatski mjenjači na vozilima, u alatnim

strojevima, kao transportni uređaji, zakretnici na dizalicama, i kao što vidimo

kao multiplikatori vjetroelektrana. Upotrebljavaju se ondje gdje se zahtjeva

kompaktna izvedba prijenosnika ili velik prijenosni omjer.

18

Slika 14. Planetni prijenosnik 1-suncani zupcanik, 2-planetni zupcanik, 3-zupcanik

sa unutarnjim ozubljenjem, 4-vodilo sa vratilom

Prednosti planetnih prijenosa:

• prijenos velikih snaga - maksimalno 35 MW

• prenosi velike brzine vrtnje - maksimalno 100 000 o/min

• u jednom stupnju prijenosa ostvaruje velike prijenosne omjere 3-13

• ulazno i izlazno vratilo u istoj ravnini

• dijeljenje snage na ve6i broj planeta s kojima je sunčani zupčanik u zahvatu

• zupčanici su manjih dimenzija - zbog dijeljenja snage

• manji zupčanici - vise točnosti, manje vibracija, sigurniji i tisi rad

• dio snage se prenosi odvaljivanjem zupčanika, a drugi dio spojkom

• vrlo su kompaktni (V = 0,4- 0,15 dm3/kW) i lagani (m = 1- 0,2 kg/kW)

Nedostatci planetnih prijenosa:

• komplicirana izvedba - potrebna velika točnost dijelova

• teža kontrola

• radi malog prostora potrebna češća izmjena ulja

• veća opasnost od totalne štete kod loma jednog zuba

• ležajevi planeta su jako opterećeni zbog malih dimenzija

19

6. Zaključak

Kao što vidimo vjetroelektrane se koriste sve više u svijetu. Koriste se upravo zbog toga što pomoću njih pretvaramo energiju vjetra u električnu energiju, pa samim time iskorištavamo prirodne resurse energije i ne zagađujemo okoliš. Jedan od najodgovornijih podsustava za ispravan rad elektrane je upravo planetni multiplikator. Pomoću njega postižemo velike prijenosne omjere, pa zbog toga iskorištavamo male brzine lopatca rotora i dobivamo velike brzine vrtnje generatora, pa samim time proizvodimo više električne energie. Kad bi se više ulagalo u istraživanje vjetroelektrana i u njihovu proizvodnju dolazili bi do električne energije, a okoliš nebi zagađivali što je jako važno s obzirom na to u kakvo stanje smo doveli Zemlju.

20

7. Literatura

1.) http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetrenja%C4%8Da

2.) http://www.trebam.com/index.php?option=com_content&view=article&id=91&It

emid=131

3.) http://cerp.masfak.ni.ac.rs/vetrogentator.html

4.) Perspektive u vjetroenergetike u Republici Hrvatskoj; Dr.sc. Branko Klarin