UPRAVI ČENOST POSTAVITVE MALE VETRNE ELEKTRARNE V … · 2017-11-27 · Vetrna energija je pretvorba energije vetra v uporabno obliko energije z uporabo vetrnih turbin. Ob koncu

Miha Zaveršnik

UPRAVIČENOST POSTAVITVE MALE

VETRNE ELEKTRARNE V SPODNJI

SAVINJSKI DOLINI

Diplomsko delo

Maribor, september 2011

I

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

UPRAVIČENOST POSTAVITVE MALE VETRNE ELEKTRARNE V SPODNJI

SAVINJSKI DOLINI

Študent: Miha Zaveršnik

Študijski program: univerzitetni, elektrotehnika

Smer: močnostna elektrotehnika

Mentor(ica): red. prof. dr. Jože PIHLER

Somentor(ica): red. prof. dr. Gorazd ŠTUMBERGER

Lektor(ica): univ. dipl. slov. Anita Nonkovič

Maribor, september 2011

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, red. prof. Jože

Pihlerju, za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela. Zahvalil pa bi se tudi prof.

Klemnu Deželaku.

Posebna zahvala velja staršem, ki so me ves čas

podpirali in mi omogočili študij, in vsem

ostalim, ki so mi pomagali pri nastanku

diplomskega dela.

IV

UPRAVIČENOST POSTAVITVE MALE VETRNE ELEKTRARNE V SPODNJI SAVINJSKI DOLINI

Ključne besede: proizvodnja električne energije, vetrna elektrarna, ekonomska

upravičenost, RETScreen, okolje UDK: 621.311.245(043.2)

Povzetek:

Diplomsko delo obravnava upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji

Savinjski dolini ter priklop na elektroenergetsko omrežje.

Začetna poglavja podajajo zgodovino ter splošne podatke o vetrnih elektrarnah,

malih vetrnih elektrarnah, morskih vetrnih elektrarnah ter o energiji vetra. Nato so

opisani glavni elementi vetrnice, njena karakteristika in samo delovanje. V zadnjem

delu je v programu RETScreen izdelana analiza za izgradnjo vetrne elektrarne. V njej je

opisano območje postavitve, izbrana vetrnica in njena priključitev na omrežje. Izdelanih

je več primerov, ki pokažejo, kdaj se vetrnico na tem območju splača postaviti.

V

POSSIBILITY OF INSTALLING SMALL WIND POWER

STATION IN SPODNJA SAVINJSKA DOLINA

Key words: power generation, wind power, economic viability, RETScreen, environment

UDK: 621.311.245(043.2) Abstract:

The diploma thesis deals with the possibility of installing small wind power station

in Spodnja Savinjska dolina and connection to the electricity grid.

The opening chapters provide the history and general information about wind

power, small wind power plants, marine wind power and wind energy. The following

section describes the main elements of the wind power station, characteristic and

operation of wind turbines. The final section shows program RETScreen, which shows

the analysis for the construction small wind power station. it is described the layout

area, chosen wind turbine and grid connection. There is produced several examples that

show when wind power station in this area worth place.

VI

VSEBINA

1 UVOD ...................................................................................................................... 9

2 SPLOŠNO O VETRNIH ELEKTRARNAH ..................................................... 11

2.1 ZGODOVINA...................................................................................................... 11

2.2 SPLOŠNO ....................................................................................................... 13

2.3 VETRNE ELEKTRARNE V SLOVENIJI .................................................................. 16

2.4 MALI VETRNE ELEKTRARNE ............................................................................. 18

2.5 MORSKE VETRNE ENERGIJE .............................................................................. 19

2.6 ENERGIJA VETRA .............................................................................................. 20

3 PREDSTAVITEV VETRNE ELEKTRARNE .................................................. 23

3.1 SPLOŠNO........................................................................................................... 23

3.2 VRSTE VETRNIH TURBIN ................................................................................... 23

3.3 OSNOVNI TIPI VETERNIH TURBIN....................................................................... 25

3.4 PRIMERJAVA MED HORIZONTALNIMI IN VERTIKALNIMI TURBINAMI VZGONSKEGA

TIPA .................................................................................................................. 27

3.5 VETRNE TURBINE.............................................................................................. 28

3.6 ZGRADBA VETRNE TURBINE.............................................................................. 32

3.7 OBRATOVALNE KARAKTERISTIKE..................................................................... 42

4 PREDLOG IZVEDBE ......................................................................................... 44

4.1 IZBIRA LOKACIJE .............................................................................................. 44

4.2 IZBIRA OPREME................................................................................................. 45

4.3 VKLJUČITEV NA OMREŽJE ................................................................................. 48

5 IZRAČUN PROIZVODNJE ............................................................................... 49

6 SKLEP ................................................................................................................... 68

7 VIRI, LITERATURA........................................................................................... 69

8 SEZNAM SLIK, TABEL IN GRAFOV ............................................................. 72

VII

UPORABLJENI SIMBOLI

W – kinetična energija

m – masa

v – hitrost vetra

A – površina

P – električna moč

ρ – gostota

Cp – koefcient moči

ω – kotna hitrost

r – polmer

VIII

UPORABLJENE KRATICE

BOF – Beaufortova skala

VE – vetrna elektrarna

ELES – Elektro Slovenija

AC – izmenična napetost

MVE – mala vetrna elektrarna

Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 9

1 UVOD

Svetovno prebivalstvo uporablja vse več energije iz fosilnih goriv. Sem spadajo nafta,

premog in zemeljski plin, ki so nastali pred milijoni let z odlaganjem in odmiranjem rastlin

in živali. Fosilna goriva nastajajo tudi danes, vendar zaradi počasnega nastajanja novih in

velikega onesnaževanja okolja z njimi svetovno gospodarstvo teži k razvoju in uporabi

obnovljivih virov energije.

Leta 1973 je naftna kriza svetu dala vedeti, da energetska prihodnost na globalnem

nivoju ni tako rožnata. V različnih ustanovah so se pričele raziskave v smeri

učinkovitejšega izkoriščanja obnovljivih virov energije (vetrna energija, energija vode,

sončna energija, kemična energija bioloških odpadkov, hidrotermalna energija). Poleg

vodnih virov se je kot najboljša možnost pojavila vetrna energija. V začetku osemdesetih

let prejšnjega stoletja se je začela vetrna energija uporabljati kot obnovljivi vir. Za

raziskave glede vetrnih turbin so morali inženirji poznati študije okolja in vremena,

topologije prostora, oblikovanje samih ohišij in nosilcev turbin, meritve dinamike vetrnih

tokov, itd. Vir energije je kinetična energija vetra, torej so njegove lastnosti (struktura,

dinamika, statistika) pomembni faktorji, ki ob pravi izbiri omogočajo največjo učinkovitost

(izkoristek turbin).

Pod geslom „20-20-20 do 2020“ so se politiki v Evropi odločili za prehod v

nizkoogljično družbo. Do leta 2020 naj bi se tako zmanjšale emisije toplogrednih plinov za

20 %, zvišala energetska učinkovitosti za 20 % in povečala delež obnovljivih energetskih

virov na 20 %.

Izkoriščanje vetrne energije predstavlja enega najhitreje rastočih virov električne

energije v Evropi. V Evropi je v preteklih letih v absolutnem merilu samo rast

instaliranih moči plinskih elektrarn presegla rast vetrnih elektrarn. Svetovna letna rast

instaliranih vetrnih elektrarn se je v preteklih letih gibala med 20 % in skoraj 40 %. V


letu 2008 je njihova skupna zmogljivost presegla 100 000 MW. Ob tem velja omeniti,

da prednjači Evropa in da se skoraj 40% svetovnih instaliranih moči nahaja v Nemčiji in

Španiji. Slovenija ostaja na zemljevidu kapacitet vetrnih elektrarn bela lisa. Razen tega,

da so vetrne razmere v Sloveniji na meji tega, kar smatramo (ob upoštevanju subvencij)

za rentabilno, so praktično vse tehnično sprejemljive lokacije v območjih, ki so

naravovarstveno zaščitena (Natura 2000), kar možnost postavitve skoraj onemogoča. Na

ta način se Slovenija praktično odpoveduje resnejšim namenom izkoriščati vetrno energijo

[1].

Kdor se odloči za postavitev elektrarne na veter, mora najprej opraviti natančne meritve

vetra na izbranem območju. Meritve morajo biti opravljene na določeni oddaljenosti od

zemeljske površine, saj se hitrost z oddaljenostjo od površine zemlje povečuje. Meritve

nam dajo podatke o smeri, hitrosti in konstantnosti. Na podlagi vseh teh podatkov se potem

izvede izračun, koliko električne energije se lahko proizvede. Vsak poseg v naravo za naš

boljši življenjski standard ima prednosti in slabosti. Prednosti vetrnih elektrarn so

enostavna pretvorba energije vetra v električno energijo, proizvajanje električne energije

ne povzroča emisij in ne onesnažuje zraka, zmanjšuje porabo primarne energije (nafta,

zemeljski plin, …). Dve pomembnejši slabosti pa sta vizualni vpliv na okolico (zaradi

svoje velikosti) ter da v bližini povzročajo določen nivo hrupa [24].

Cilj diplomske naloge je raziskava o smotrnosti postavitve male vetrne elektrarne v

Spodnji Savinjski dolini.

V prvem delu je opisana zgodovina ter splošno o vetrnih elektrarnah. V drugem

predstavitev vetrne elektrarne ter turbine skupaj z njeno zgradbo. V zadnjem delu pa

predlog izvedbe postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini ter njen

izračun. Izbrana lokacija vetrne elektrarne je upravičena z enoletnimi meritvami vetra.

Hitrost vetra na lokaciji, kjer bo stala vetrna elektrarna, dosega za slovenske razmere zelo

nizke vrednosti. Zaradi teh vrednosti se tudi zanimanje za njihovo postavitev v tem delu ne

povečuje. Projekt nam da potrditev ali opustitev teze o upravičenosti postavitve vetrne

elektrarne.


2 SPLOŠNO O VETRNIH ELEKTRARNAH

2.1 Zgodovina

Ljudje že več tisoč let izkoriščajo energijo vetra in prve naprave, ki so jo izkoriščale so

bile jadrnice, prve naprave na trdnih tleh pa mlini na veter. Prve mline na veter so zgradili

šele v sedmem stoletju našega štetja na ozemlju današnjega Irana in Afganistana. Od tod se

je gradnja mlinov na veter razširila na srednji vzhod ter v Indijo in na Kitajsko [1]. V

Evropi so se mlini prvič pojavili v srednjem veku. Prvi zgodovinski zapisi za njihovo

uporabo so bili v 11. stoletju v Angliji. Prve mline na veter so uporabljali najprej za mletje

žita, pozneje pa todi za črpanje vode, gnanje žag, itd.

V 18. stoletju je Anglež John Smeanton prišel na podlagi meritev do treh pomembnih

zaključkov, ki še danes predstavljajo temelj teorije vetrnih turbin. To so: obodna hitrost

lopatic turbin je v idealnem primeru sorazmerna hitrosti vetra, maksimalen navor je

sorazmeren kvadratu hitrosti vetra in maksimalna moč turbine je sorazmerna kubu hitrosti

vetra [1].

Ob koncu 19. stoletja je nastal naslednji zgodovinski mejnik, ko so naredili prvi

električni generator. In ker so ga ljudje začeli povezovati z vetrnicami, so leta 1888 zgradili

prvo vetrno turbino. Prvo je izdelal Američan Charles F. Brush (1849-1929).

Izumil je zelo uporaben dinamo – generator na enosmeren tok, ki je bil vključen v

električno omrežje. Na prehodu iz leta 1887 in 1888 je zgradil prvo avtomatizirano vetrno

turbino z vgrajenim električnim generatorjem. Premer rotorja je bil 17 m in je vseboval

144 lopatic. Delovala je 20 let in v tem času bila zadolžena za napajanje graščine. Vendar

moč ni bila velika zaradi majhne kapacitete 12 kW (razlog je počasno vrtenje rotorja).


To še ni pomenilo razmah vetrnih elektraren, so pa se že pojavljale vetrnice, ki so gnale

majhne generatorje [1]. Na Danskem je leta 1900 bilo približno 2500 vetrnic, ki so

proizvajale po ocenah skupaj maksimalno okoli 30 MW moči. Največji stroji so bili 24

metrov visoki stolpi s štirimi lopaticami. Do 1908 je bilo v ZDA 72 vetrnic za pogon

električnih generatorjev, ki so imele moči od 5 kW do 25 kW. Do leta 1930 so bile vetrnice

za elektriko v Ameriki nameščene predvsem na osamljenih kmetijah. Predhodnik sodobne

vodoravne osi vetrnih generatorjev je bil v uporabi na Jalti leta 1931. To je bil 100 kW

generator na 30 metru visokem stolpu priključenim na 6,3 kV distribucijski sistem [2].

Kmalu zatem pa so se že pojavili predniki sodobnih vetrnih turbin in v začetku 20. stoletja

so se že zasnovale prve velike družbe, ki so intenzivno razvijale začetno tehnologijo [1].

Slika 2.1: Prva vetrna turbina [2]


2.2 SPLOŠNO

Vetrna energija je pretvorba energije vetra v uporabno obliko energije z uporabo vetrnih

turbin. Ob koncu leta 2010 je bila načrtovana zmogljivost vetrnih turbin 194 GW (graf 2.1)

[3].

Graf 2.1: Zmogljivosti vetrnih elektrarn [3]

Pri zadnjem merjenju je bilo proizvedene energije okoli 430 TWh, kar je približno 2,5%

svetovne porabe električne energije. Danes več tisoč vetrnih turbin deluje s skupno

zmogljivostjo 194.400 MW. Evropa predstavlja 48 % vse proizvedene energije. V letu

2010 je Španija postala vodilni evropski proizvajalec vetrne energije, saj so dosegli 42.976

GWh. Vendar pa ima Nemčija prvo mesto v Evropi glede na obstoječe zmogljivosti, s

skupno 27.215 MW na dan 31. decembra 2010. Vetrna energija predstavlja približno 21 %

porabe električne energije na Danskem, 18 % na Portugalskem, 16 % v Španiji, 14 % v

republiki Irski in 9 % v Nemčiji (tabela 2.2). 83 držav po vsem svetu pa uporabljajo vetrno

energijo [3]. Njena prisotnost pa se bo iz leta v leta povečevala (graf 2.2).


Graf 2.2: Napoved zmogljivosti vetrnih elektrarn [3]

Obsežne vetrne elektrarne so priključene na električno omrežje za prenos moči, manjše

pa se uporabljajo za zagotavljanje električne energije na osamljenih mestih. Podjetja vse

bolj odkupujejo presežne električne energije proizvedene v malih domačih elektrarnah.

Vetrna energija je alternativna energija za fosilna goriva in je široko razširjena, čista in ne

proizvaja emisij toplogrednih plinov med delovanjem [3].

Graf 2.3: Proizvodnja vetrnih elektrarn Danske v odvisnosti od vetra [15]


Tabela 2.1: Države z vetrno energijo [3]

Najboljših 10 držav z vetrno energijo (februar 2011)

Država Zmogljivost vetra (MW)

Kitajska 44.733

ZDA 40.180

Nemčija 27.215

Španija 20.676

Indija 13.066

Italija 5.797

Francija 5.660

Velika Britanija 5.204

Kanada 4.008

Danska 3.734

Tabela 2.2: Države z največ proizvedene vetrne električne energije [3]

Država Proizvodnja vetrne električne

energije (GWh)

Španija 42.976

Nemčija 35.500

Velika Britanija 11.440

Francija 9.600

Portugalska 8.852

Danska 7.808

Nizozemska 3.972

Švedska 3.500

Irska 3.473

Grčija 2.200

Avstrija 2.100


2.3 Vetrne elektrarne v Sloveniji

V Sloveniji so natančne meritve začele izvajati šele v zadnjem času. Tako imamo na

voljo le kratek časovni niz meritev, primernih za natančnejšo analizo vetrovnih razmer v

naših krajih. Jakost vetra pa se že dalj časa meri na meteoroloških postajah. Te ocene

temeljijo na opazovanju pojavov, ki se pod vplivom vetra dogajajo v naši okolici. Pri tem

je v veliko pomoč Beaufortova skala [4].

Največje hitrosti vetra so v Sloveniji v pomladanskem in jesenskem času. Za večino

krajev v Sloveniji so hitrosti vetra med letom od 1 do 3 m/s, kar pa niso ravno velike

vrednosti za izkoriščanje vetra. Le v višjih predelih so povprečne mesečne hitrosti vetra

višje in dosegajo vrednost nekako med 3,5 in 7,5 m/s. Eden od kriterijev za določanje

vetrovnosti posameznega kraja je tudi število dni, ko jakost vetra preseže 6 (10,8 do 13,8

m/s) ali 8 BOF (17 do 21 m/s). To so dnevi z močnimi vetrovi, ki lahko povzročijo škodo

na kmetijskih rastlinah ali celo objektih. Slovenija ni vetrovna država, vendar se tudi pri

nas pojavljajo dnevi z močnim vetrom, še posebno v gorah in ob obali. Slovenija ima

povprečno 43 dni, ko jakost vetra preseže 6 BOF in le 10 dni, ko jakost vetra preseže

hitrost 8 BOF. Smiselna namestitev vetrnic v Sloveniji je predvsem v gorskem v svetu,

vendar se tu pojavijo dodatne težave glede zaledenitve vetrnic (nizke temperature) in s tem

oteženo delovanje le-teh [4].

Nekaj upanja za postavitev vetrnic dajejo tudi nekateri kraji po Sloveniji, ki imajo vsaj

del leta konstanten in dovolj močan veter (tabela 2.3). V času, ko piha dovolj močan veter

bi izkoriščali vetrno energijo, v mesecih, ko pa veter ni tako močan, pa bi jo kombinirali s

kakšno drugo vrsto energije (npr. vodno energijo, sončno energijo). Postavili bi tako

imenovane hibridne elektrarne. Če bi kombinirali s sončno energijo, bi pozimi in spomladi

izkoriščali vetrno energijo, poleti in jeseni pa sončno energijo in bi s tem proizvedli dovolj

energije čez vso leto [4].


Tabela 2.3: Tehnični podatki načrtovanih vetrnih elektrarn v Sloveniji [16]

Vetrna elektrarna Volovja reber

Instalirana moč ene vetrnice bi znašala 0,85 MW, torej če bi bilo 29 vetrnic 24,65 MW.

Ob polnem obratovanju vse leto bi vetrna elektrarna dala 215,9 GWh. Ker bi elektrarna

obratovala s polno močjo le kadar je hitrost vetra ugodna (pogosto sploh ne piha ali pa piha

preveč), izkoristek ne bi mogel biti 100%. Če predpostavimo, da bi omenjena elektrarna

delala s 23 % izkoristkom (to pomeni obratovanje s polno močjo približno 2000 ur na leto),

bi dala na leto 49,7 GWh energije. Verjetno pa je tudi ta podatek daleč od realnosti, saj

recimo vetrne elektrarne na Danskem, ki slovi po ugodnih konstantnih vetrovih, delajo le z

22,2 % izkoristkom, v Nemčiji pa celo z 16,8 % izkoristkom. Upoštevaje, da je letna

proizvodnja električne energije v Sloveniji 13.289 GWh (ELES), bi Volovja reber

predstavljala zgolj 0,37 % delež [5].

Proizvodnja elektrike iz vetrnih elektrarn je neekonomična, zato jo države povsod

izdatno subvencionirajo. V Sloveniji bi to uredili z visoko zajamčeno odkupno ceno

proizvedene energije. Proizvajalci bi elektriko iz vetrne elektrarne državi prodajali po ceni

60 € za MWh, čeprav elektrika takšne kvalitete na trgu ni vredna več kot 25 € za MWh.

Razliko bi pokrili davkoplačevalci, saj gre za posredno zmanjšanje državnega proračuna na

račun manjšega dobička javnega podjetja ELES. Po izračunih dr. Mihaela Tomšiča iz


Inštituta Jožef Stefan bi, ob predpostavljeni letni proizvodnji 49,7 GWh, subvencija na

letnem nivoju znašala 1.740.000 €. To pomeni velikanski vložek denarja, ki bi imel za

posledico neposredno uničenje Volovja reber (slika 2.2) [5].

Slika 2.2: Predlog postavitve Volovja reber [17]

2.4 Male vetrne elektrarne

Male vetrne elektrarne so sistemi z zmogljivosti za proizvodnjo do 50 kW električne

energije. V izoliranih skupnostih, ki se sicer lahko zanesejo na dizelske generatorje, lahko

uporabljamo vetrne turbine, da izpodrinejo dizelskega goriva. Posamezniki kupijo ta sistem

za zmanjšanje ali odpravo njihove odvisnosti od električnega omrežja, iz ekonomskih ali

drugih razlogov ali pa zaradi zmanjšanja emisij ogljikovega dioksida [2].

Več povezanih vetrnih turbin lahko uporabimo za shranjevanje električne energije in

tako ta izpodriva kupljeno lokalno proizvodnjo energije. Opreme, kot so parkirne ure, se

lahko poganjajo na vetrnico in tako bi se nadomeščala potreba po priključitev na električno

omrežje. Nova študija potenciala malih vetrnih elektrarn je pokazala, da bi lahko majhne

vetrne turbine zagotovile do 1,5 teravatnih ur (TWh) na leto električne energije in

prihranek 0,6 milijona ton ogljikovega dioksida (Mt CO2) [2].


Slovenija

Hčerinsko podjetje Elektro Primorske je oktobra leta 2008 v Ajdovščini in Divači

postavilo dve mali vetrni elektrarni in ju priključilo na električno omrežje. Trikraki vetrnici

v Ajdovščini in Divači sta tako postali prvi mali vetrnici v Sloveniji, ki sta priključeni na

električno omrežje, s tem pa želijo ljudem približati koncept vetrnih elektrarn [32].

Izdelali so ju v škotskem podjetju Proven Energy, vsaka pa bo proizvedla med 2.500 in

5.000 kilovatnih ur električne energije na leto. Največji izkoristek imata pri hitrosti vetra

15 metrov na sekundo, kar zadošča za porabo večje družine [32].

2.5 Morske vetrne energije

Vetrne elektrarne na morju se nanašajo na izgradnjo vetrnic na morju in s tem boljši

izkoristek. Boljše hitrosti vetra so na voljo na morju v primerjavi hitrosti na kopnem, tako

da je prispevek vetrne energije v smislu dobavljene električne energije večje.

Od oktobra 2010 je 3,16 GW zmogljiva vetrna elektrarna na morju predvsem v Severni

Evropi. Več kot 16 GW dodatnih zmogljivosti bo nameščenih pred koncem leta 2014 in s

tem bosta Velika Britanija in Nemčija postali vodilni na tem področju. Zmogljivost vetrne

energije na morju bo po pričakovanjih dosegla skupno moč 75 GW do leta 2020 po vsem

svetu, s pomembnimi prispevki iz Kitajske in ZDA [2].

Alpha Ventus

Nemčija je odprla svojo prvo vetrno elektrarno na morju (slika 2.3). Polje 12 vetrnic je

vredno 250 milijonov evrov in bodo proizvedle 60 MW, kar bo zadoščalo za oskrbo 60.000

gospodinjstev. Polje vetrnic je postavljeno 45 kilometrov severno od otoka Borkum v

Severnem morju, kjer bodo turbine narazen 800 m, pritrjene pa bodo 30-40 m pod vodo.

Turbine bodo morale delovati v težkih pogojih, saj veter dosega hitrosti preko 160 km/h,

valovi pa lahko dosegajo višino 15 m. Zahteven projekt je povezan tudi z visokimi stroški

vzdrževanja, ki naj bi se gibali med 20-30 % vrednosti projekta [6].


Slika 2.3: Alpha Ventus [6]

Thanet

Na jugovzhodu Velike Britanije so odprli največjo vetrno elektrarno na morju.

Ta bo lahko s 100-imi vetrnicami z električno energijo oskrbovalo 240.000 gospodinjstev.

V štirih letih naj bi jo povečali na 341 vetrnic, doslej pa je izgradnja stala 920 milijonov

evrov. Polje vetrnic z višino 115 metrov se razprostira na 35 kvadratnih kilometrih okoli

12 kilometrov od obale, z nazivno močjo 300 MW. Skupna instalirana moč vetrnih

elektrarn v Veliki Britaniji dosega 5 GW, kar zadošča za porabo električne energije na

Škotskem. V Veliki Britaniji je okoli 250 polj vetrnic, od tega okoli 12 na morju. V njih je

skupaj skoraj 3000 turbin [7].

2.6 Energija vetra

Energija vetra je tista, ki poganja vetrno elektrarno. Veter pa nastaja zaradi delovanja

sonca (topli zrak se dviga in na njegovo mesto doteka hladen zrak).

Ko merimo veter gledamo na različne parametre: povprečna hitrost, smer in razlike med

hitrosti vetra. Zato moramo poznati potek vertikalnega hitrostnega gradienta vetra, ki je v

splošnem logaritemska funkcija, ki pa je odvisna tudi od narave terena (pove, da je

povprečna hitrost vetra pri tleh zaradi trenja 0, z višino pa logaritemsko narašča (slika 2.4))

[1].


Slika 2.4: Predstavitev poteka hitrosti vetra v odvisnosti od višine [1]

Energija oziroma kinetična energija vetra:

2

2vm

W⋅

= (J) oziroma 2

2v

W = (J) (2.1)

kjer je :

m - masa zraka (kg),

v - hitrost vetra (m/s).

Masni pretok zraka skozi površino A v

s

kg enak vA ⋅⋅ρ , tako je moč vetra enaka:

( )22

32vAv

vAP⋅⋅

=⋅⋅⋅=ρ

ρ ; (2.2)

kjer je:

A - presek (m2),

ρ - gostota (kg/m3),

v - hitrost (m/s).


Moč vetra je odvisna od tretje potence le-tega. Moč vetrne turbine pa je enaka razliki

moči vetra pred in za veternico oziroma razliki kinetične energije vetra. Koeficient

izkoristka vetrne turbine (Cp) je definiran kot delež energije vetra, ki jo je turbina sposobna

izvleči iz vetra (njegova maksimalma vrednost je 59 %). Najmodernejše turbine imajo

vrednost Cp približno 0,42, kar pomeni, da imajo te turbine 42-% izkoristek vetra. Iz tega

sledi izraz za moč vetrne turbine:

2

3vA

CP p

⋅⋅⋅=

ρ (2.3)

V resnici moč turbine ni čisto sorazmerna s kubom hitrosti vetra, saj koeficient Cp ni

konstanten, marveč je v splošnem funkcija hitrosti vetra (graf 2.4) [1].

Graf 2.4: Odvisnost koeficienta izkoristka v odvisnosti od hitrosti vetra [1]


3 PREDSTAVITEV VETRNE ELEKTRARNE

3.1 Splošno

Vetrna elektrarna je elektroenergetski objekt, s katerim pretvarjamo energijo vetra v

električno energijo. Sestavljena je iz manjšega ali večjega števila vetrnih turbin z

generatorji, transformatorske postaje in daljnovoda, ki vetrno elektrarno povezuje s

prenosnim omrežjem.

Vetrne elektrarne so del t. i. zelene energije oziroma okolju prijazne energije, saj

izkoriščajo naravno energijo vetra, pri tem pa se ne sproščajo naravi nevarne snovi. Ta

trditev je sicer resnična, vendar se ne sme pozabiti tudi drugih posrednih dejavnikov, ki pa

v nekaterih pogledih celo bolj vplivajo na okolje kot neobnovljivi viri energije. Vetrne

elektrarne pa imajo tudi nekaj pomanjkljivosti kot so le 15-25 % izkoristek, potrebujejo

veliko prostora, proizvajajo majhen delež električne energije, itd. [8].

Vetrna turbina je vrteč se energijski stroj, ki pretvarja kinetično energijo vetra v druge

oblike mehanske energije. V primeru, da se kinetična energija turbine uporablja

neposredno za delo (npr. mletje ali črpanje), ji pravimo mlin na veter. V sodobnem času pa

z izrazom označujemo predvsem stroje, ki pretvarjajo mehansko energijo v elektriko [9].

3.2 Vrste vetrnih turbin

Vetrne turbine delimo na turbine s horizontalno osjo rotorja in z vertikalno osjo rotorja

[10].


Turbine s horizontalno osjo:

• enoelisna, • dvoelisna, • trielisna, • ameriške večelisne, • večelisna v obliki kolesa, • veter-generator-rotor (Down-wind), • veter-rotor-generator (Up-wind), • Enfield-Andeau, • multirotor, • turbina na jadra, • nasproti-rotirajoča elisa.

Slika 3.1: Turbine s horizontalno osjo [30]

Turbine z vertikalno osjo:

• Savonius, • večelisna Savonius, • skodelična, • Φ-Darrieus, • ∆-Darrieus, • Giromil, • Savonius Φ-Darrieus, • Split Savonius, • Magnus, • Airfoil.


Slika 3.2: Turbine z vertikalno osjo [30]

3.3 Osnovni tipi vetrnih turbin

V preteklosti znane vetrne turbine so generirale moč na principu upora. Moderne vetrne

turbine generirajo moč na principu vzgona in razvijejo glede na uporovni tip turbin mnogo

večji koeficient moči Cp [11].

Tabela 3.1: Delitev vetrnih turbin [11]

horizontalna os vrtenja (HAWT) vzgonski tip

vertikalna os vrtenja (VAWT: Darreiusova turbina)

horizontalna os vrtenja (mlin na veter) uporovni tip

vertikalna os vrtenja (Savoniusova turbina, Windside turbina)

Turbine uporovnega tipa so počasi tekoče, razvijejo pa visok vrtilni moment. Turbine

vzgonskega tipa pa so hitro tekoče in razvijajo majhen vrtilni moment. Za primerjavo

vetrnih turbin uporabljamo razmerje hitrosti [11].


Da vemo, kaj se tu dogaja, moramo definirati dve definiciji: definicija razmerja

hitrosti λλλλ (razmerje hitrosti je koeficient med hitrostjo lopatice in hitrostjo vetra) in

definicija izhodne moči iz turbine P(W).

( ) 30,5 , ; p

rP C Aλ β ρ ω λ

ω

Ω⋅= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = (3.1) in (3.2)

Kjer je:

ρ - gostota zraka (1.2 kg/m3), Cp - koefcient moči, A - površina rotorja z normalo v smeri vetra (m2), v - hitrost vetra (m/s), r - polmer rotorja (m) , ω - kotna hitrost rotorja (rad/s), v - hitrost vetra (m/s).

Izhodno moč lahko izračunamo s programom za horizontalne ali vertikalne turbine.

Koeficient moči pa je merilo za izkoristek vetrne turbine. Pri maksimalnem koeficientu

moči Cpmax = 0,59 (Betzov koeficient), bi idealna turbina obratovala z izkoristkom 88,8 %,

današnji konstrukcijski prijemi pa omogočajo, da vetrne turbine dosegajo koeficient moči

okrog 0,4 [11].

Graf 3.1: Koeficient moči v odvisnosti od razmerja hitrosti [19]

Znano je, da turbine uporovnega tipa dosegajo največjo moč pri hitrostih rotorja, ki so

manjše od hitrosti vetra (λ < 1). Iz grafa 3.1 pa je vidno, da turbine vzgonskega tipa


dosegajo največjo moč pri hitrostih rotorja, ki so nekajkrat večje od hitrosti vetra

(λ > 4) [11].

3.4 Primerjava med horizontalnimi in vertikalnimi turbinami vzgonskega

tipa

Tabela 3.2: Primerjava turbin [11]

Horizontalne vetrne

turbine

Vertikalne vetrne

turbine

Zmožnost prilagoditve smeri vetra slabša zelo dobra

Generacija zvoka pri obratovanju večja manjša

Krmiljenje nastavnega kota lopatice enostavno težje

Oblika lopatice nesimetrična simetrična

Možnost samozagona mogoča nemogoča

Vzdrževanje težje lažje

Vertikalne turbine so neodvisne od smeri vetra, so manj glasne kot horizontalne, vendar

pa je krmiljenje nastavnega kota zapleteno (večina ima zato nepremične lopatice, zaradi

tega pa ima nekoliko večjo obodno hitrost rotorja). Pri njih se uporabljajo simetrični

profili, saj jih je lažje izdelati kot nesimetrične. Zaganjajo se lahko le tako, da se uporabi

generator kot elektromotor (ko doseže rotor vertikalne turbine določeno hitrost, se

elektromotor izklopi, vzgonske sile pa rotor pospešujejo do določene hitrosti ko se vklopi

generator). Lahko jo zaženemo tudi z dograditvijo rotorja uporovnega tipa (Savoniusov

rotor), ki nekoliko zmanjša koeficient moči. Te turbine pa se tudi lažje vzdržujejo, saj je

generator in multiplikator pri tleh.

Pri večjih horizontalnih turbinah pa opravlja usmerjanje rotorja servomotor (povečuje

ceno turbine). Če je sprememba smeri hitra, nastopijo na gredi rotorja horizontalne turbine


velike obremenitve. Poznanih je več sistemov krmiljenja nastavnega kota. Zanimivo je tudi

to, da te turbine uporabljajo nesimetrične profile, poleg tega se presek profila spreminja ter

da je lopatica glede na svojo vzdolžno os zavita (dražja izdelava). Tudi zaganjajo se lahko

samodejno.

Slika 3.3: Navpično-vodoravna turbina [1]

3.5 Vetrne turbine

Vetrnih turbin obstaja več vrst, zato jih delimo na naslednje načine:

a) Glede na način delovanja sile vetra na lopatice rotorja:

• vetrnice, ki delujejo na principu aerodinamične sile dviga (efekt letalskega

krila),

• vetrnice, ki delujejo na principu aerodinamične sile zračnega upora.

Vetrnice z nizkim številom obratov navadno delujejo na principu sile zračnega upora

(Savonius-ov rotor, skodelični tip rotorja-anemometri…). Njihova hitrost vrtenja je manjša

od hitrosti vetra, na pogonsko gred pa delujejo z znatnim momentom. Te izvedbe se za

generiranje električne energije ne uporabljajo, so pa zaradi enostavnosti izdelave priročne

za črpanje vode, mline, itd [1].


Novejše vetrne turbine, ki imajo visoko število obratov na minuto, pa delujejo skoraj

izključno na principu aerodinamične sile dviga. Te naprave se vrtijo s hitrostjo, ki je

nekajkrat višja od hitrosti vetra. V primerjavi z rotorji prejšnjega tipa, ki delujejo na

principu sile zračnega upora, imajo te vetrnice zaradi boljšega izkoristka Cp nekajkrat višjo

moč, na gredi pa zato posledično oddajajo nekaj manjši navor [1].

b) Glede na postavitev glavne osi vrtenja:

• vertikalne (navpična os vrtenja rotorja),

• horizontalne (vodoravna os vrtenja rotorja).

Vetrnice z navpično osjo vrtenja rotorja imajo to prednost, da je njihovo delovanje

neodvisno od smeri vetra ter da se tudi težki strojni del z generatorjem se nahaja na tleh.

Najbolj znana modela sta Darrieusov in Savoniusov rotor, ki ga prikazuje slika 3.4 in slika

3.5. Slaba lastnost je, da se zaradi pulzirajočega navora ne morejo zagnati same ter da je

tudi regulacija hitrosti vrtenja pri močnih vetrovih je zelo problematična [1].

Savoniusov rotor: dva pokončna polkrožna valja, ki stojita eden zraven drugega v obliki

črke S. Razlike v sili upora »vrtijo« rotor in pomenijo praktično neodvisnost delovanja

vetrnice od smeri vetra, vendar pa je potreben velik zagonski moment. Hrupnost in nizek

koeficient moči sta njena največja slabost [33].

Slika 3.4: Savoniusov rotor [20]


Darrieusov rotor: najbolj razširjena vetrnica z navpično osjo vrtenja. Ima dve ali tri

ukrivljene lopatice, zato je imenujejo tudi »stepalnik jajc«. So neodvisne od smeri vetra, a

za zagon potrebujejo dodatno silo (možno tudi s pomočjo Savoniusovega rotorja, ki ga

dogradimo na vrh osi) [33].

Slika 3.4: Darrieusov rotor [21]

Vetrnic z vodoravno osjo vrtenja se zato raje poslužujemo (za vetrne elektrarne

največkrat uporabljene). Dvo- ali trikraki rotorji delujejo na principu aerodinamičnega

dviga, vse skupaj z generatorjem pa je postavljeno na velik steber, regulacija pa ves čas

meri smer in jakost vetra ter celotno kompozicijo obrača proti vetru [1].

Počasi tekoča vetrnica: ima rotor z velikim številom lopatic (osem ali več). Uporablja se

največkrat za pogon vodnih črpalk, mlinov ter žag, saj obratuje že pri nižjih hitrostih vetra

(slika 3.5) [33].


Slika 3.5: Počasi tekoče vetrnice [22]

Hitro tekoče vetrnice: ta vetrnica ima največ tri lopatice in za delovanje potrebuje večjo

hitrost vetra. Če ima vetrnica le eno lopatico je cenejša in sama se lažje prilagodi na smer

vetra, vendar so glasnejše in manj učinkovite. Z dvema lopaticama so malo dražje in lažje

se namesti rotor na stolp kot pa pri tistem s tremi lopaticam, vendar za enake moči

zahtevajo višjo hitrost vetra in potemtakem so tudi glasnejša. Tako so vetrnice s tremi

lopaticami najdražje, vendar so se zaradi vizualnega učinka in enakomerne obremenitve

lopatic najbolj uveljavile (slika 3.6) [33].

Slika 3.6: Hitro tekoče vetrnice [22]


Graf 3.2: Koeficienti moči v odvisnosti od razmerja hitrosti [23]

c) Glede na vrsto obratovanja:

• vetrne turbine s konstantno hitrostjo vrtenja,

• vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja.

Za črpanje vode ali polnjenje akomulatorskih baterij (manj zahtevne aplikacije) se

dovoljuje uporabo vetrnih turbin s spremenljivo hitrostjo vrtenja. Če pa le-te uporabljamo

za generiranje električne energije za omrežje, pa moramo uporabiti konverter z

širokopasovnim vhodom [1].

Vetrne elektrarne s konstantno hitrostjo vrtenja so najbolj pogost sistem, saj nam

dovoljuje uporabo preprostih generatorjev, katerih hitrost vrtenja je določena z omrežno

frekvenco [1].

3.6 Zgradba vetrne turbine

Glavni elementi, ki sestavljajo vetrno turbino so vetrnica oz. rotor, menjalnik tj. prenos,

generator, gibljiva čeljust ter regulacijski sistem. Zgradba se lepo vidi na prečnem prerezu

tipične vetrne turbine (slika 3.7) [14].


Slika 3.7: Prečni prerez tipične vetrne elektrarne [1]

KABINA

Sestavni deli kabine so zunanji okvir (ščiti pred zunanjim okoljem) ter notranji okvir

(podpira in razporeja težo notranjih komponent). Sestavlja jo še generator, pogon (obrača

kabino na stolpu) in elektronika (upravlja in nadzoruje celoten proces) (slika 3.8).

Slika 3.8: Zgradba kabine [12]


ROTOR

Vetrne turbine (tiste z dvo- ali tri-krake vetrnice) normalno obratujejo pri obodni

hitrosti 50-70 m/s. Pri teh vrednosti dajejo trikraki propelerji najboljše izkoristke (dvokraki

propelerji le 2-3 % slabši izkoristek). Vseeno raje uporabljamo trikrake vetrnice, saj so sile,

ki delujejo na rotor, bolj enakomerno razporejene (tudi estetsko lepše). Rotor sam oziroma

lopatice propelerja so največkrat narejene iz steklenih vlaken in poliestra (tudi iz lesa ali

lesenega laminata, karbonskih vlaken ali iz aluminija). Izbira materiala zavisi predvsem od

zahtevnosti izdelave, namembnosti (teža, modul elastičnosti, …) in cene. Seveda pa se pri

izdelavi stremi po čim bolj kakovostnih lopaticah:

• visoko razmerje aerodinamičnih sil dviga in uporu za večji izkoristek v celotnem

območju delovanja,

• čim boljša mehanska vzdržljivost, žilavost,

• majhna teža,

• nizka produkcija zvoka.

Propeler je lahko montiran proti vetru ali pa obratno, čeprav se slednja orientacija

propelerja praviloma sama prilagaja smeri vetra, je zaradi nekoliko višjega hrupa (turbina

je v stolpovem zavetrju) dokaj redko vidna. Moč vetrne turbine narašča s kubom hitrosti

vetra vse do neke vrednosti, za katero je bila vetrna turbina zgrajena tj. nazivna oziroma

obratovalna moč. Drugače povedano, vetrnica se začne vrteti pri neki hitrosti vetra (cut-in),

zatem njeno število obratov z vetrom raste, pri neki nazivni vrednosti pa želimo kljub

morebitnim večjim hitrostim vetra obdržati nazivno moč. To dosežemo z regulacijo

aerodinamičnosti turbine oziroma s spremembo faktorja Cp. Vendar ko je hitrost vetra

znatno večja od normalne vrednosti obratovanja moramo vetrno turbino zaustaviti (cut-

out), saj lahko pride do nepravilnega delovanja in celo uničenja [1].

REGULACIJA MOČI

Moč vetrnih turbin lahko reguliramo na več načinov [1]:

• moč vetrne turbine spreminjamo s faktorjem izkoristka Cp (pitch control)

Kot že vemo je moč vetrne turbine 2

3vA

CP p

⋅⋅⋅=

ρ. To pomeni, da lahko moč


manipuliramo z regulacijo faktorja izkoristka Cp (storimo tako, da lopaticam med

obratovanjem spremenimo vpadni kot vetra α ). S tem zmanjšamo aerodinamično silo

dviga in povečamo silo upora lopatic. Rezultat je zmanjšanje Cp, kar se vidi v manjši moči

vetrne turbine tj. manjši hitrosti. Seveda pa lahko spreminjamo do nekih meja, zato se

takega načina regulacije moči ne poslužujemo več.

• moč vetrne turbine reguliramo z navorom generatorja (stall control)

Ta tip uporablja največ vetrnih turbin (50-500 kW) za generiranje električne energije za

omrežje. Običajno so elektrarne tega tipa opremljene z asinhronskim generatorjem. V

normalnem obratovanju je okoli lopatic, ki so nastavljene na kar najbolj optimalen vpadni

kot vetra, zagotovljeno lamilarno gibanje zraka (aerodinamičen izkoristek vetrnice je

čimvečji). Ko pa nastopi hitrost vetra, pri kateri generator doseže svojo nazivno moč

(mejna vrednost), pa moramo nadaljnje naraščanje navora na rotor preprečiti. Ker je

elektrarna priklopljena na togo omrežje, se asinhronski generator s svojim slipnim

momentom upira nadsinhronski hitrosti, kar povzroči praktično konstantno hitrost

propelerja. Če hitrost vetra še narašča, se posledično spremeni tudi vpadni kot vetra na

lopatice, ki se še vedno vrtijo s konstantno hitrostjo. Laminaren tok vetra se na zadnjem

delu lopatice ”odlepi”, kar se posledično manifestira kot torbolenten tok zraka okoli

lopatic. Ta povzroči, da se sila upora napram aerodinamični sili dviga močno poveča, kar

se rezultira kot poslabšanje faktorja Cp oziroma zmanjšanje moči vetrne turbine.

• moč vetrne turbine reguliramo z obračanjem vetrne turbine iz smeri vetra (yaw control)

Ta tip regulacije zasledimo v le redkih primerih. Če je vetrna turbina preobremenjena,

jo enostavno z čeljustnim mehanizmom obrnemo iz smeri vetra.

MEHANSKI PRENOS

Mehanska moč, ki jo generira propeler, se preko mehanskega prenosa prenese na os

generatorja. Mehanski prenos je navadno sestavljen iz menjalnika, sklopke in zavornega

sistema in mora biti dimenzioniran tako, da vzdrži visoke dinamične sile (nastopajo med

obratovanjem naprave). Menjalnik je namenjen zvišanju obratov rotorske gredi na nivo, ki


ustreza dotičnemu generatorju. Poleg menjalnika pa nekateri konstruktorji vključijo še

vztrajnik, ki na take sile deluje kot dušilni člen [1].

GENERATOR

Generator je člen, ki pretvarja mehansko energijo v električno. Pri vetrnih elektrarnah s

konstantno hitrostjo vrtenja se skoraj vedno uporablja asinhronske generatorje. Pomemben

razlog za to izbiro je, da se pri vetrnih elektrarnah s sinhronskim generatorjem lahko

pojavijo nezaželjene resonance, ki jih lahko povzroči le-ta s svojo konstantno frekvenco ter

turbina s svojim pulzirajočim navorom na gredi generatorja. Ta problem učinkovito

odpravlja asinhronski generator, ki take pulzirajoče spremembe navora elegantno absorbira

s svojim slipom. Generatorji v takšnih elektrarnah običajno obratujejo na napetostnem

nivoju 690 V. Slaba lastnost asinhronskih generatorjev je velik zagonski tok, ki ga pa

rešujemo z mehkim zagonom s pomočjo tiristorjev. Nekoliko slabši ϕcos pa popravljamo

s kondenzatorskimi baterijami (locirani so ob vznožju stolpa) [1].

Za vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja se uporabljajo tako sinhronski kot

asinhronski generatorji. Razvoj pa gre v smeri generatorjev, ki ne bi potrebovali

menjalnika med propelerjem in generatorsko osjo. Velika pozornost se posveča tudi

konverterjem, kjer bi glavno vlogo preklapljanja imeli močnostni tranzistorji (konverter bi

imel nizek faktor popačenja, vendar pa pri velikih močeh nastopajo tudi precejšnje toplotne

izgube) [1].

Torej poznamo [12]:

• sinhronski generatorji (direktna priključitev na omrežje):

Sinhronski generatorji morajo obratovati pri povsem konstantni hitrosti vrtenja, zato se

ne uporabljajo prav pogosto (jo je težko zagotoviti). Dobra stran je, da lahko proizvajajo

jalovo moč (reguliramo jo z spreminjanjem vzbujanja rotorja). Pred sinhronizacijo z

omrežjem se mora rotor vrteti s sinhronsko hitrostjo. Zagon rotorja pa mora zagotoviti

veter. Ker na tržišču niso prisotni, jih v nadaljevanju detajlneje ne opisujemo.


• asinhronski generatorji:

Hitrost vrtenja asinhronskih generatorjev ni povsem konstantna, a je območje delovanja

zelo ozko – nekaj procentov sinhronske hitrosti vrtenja (graf 3.3). Je pa ta lastnost

bistvenega pomena za dinamični odziv na spremembe vetra ali bremena. Zato je odziv

asinhronskega generatorja na nenadne spremembe precej bolj ugoden kot pri sinhronskem

generatorju. Z dodatno regulacijo upornosti rotorja (s polprevodniškimi elementi), lahko

spreminjamo slip in s tem povečamo območje možnih vrtilnih hitrosti, ki se ob taki

regulaciji lahko spreminja do 10 % nazivne vrtilne hitrosti. Na ta način se lahko v določeni

meri prilagajamo v smislu maksimalnega izkoristka vetrne moči.

Graf 3.3: Karakteristika navora v odvisnosti od hitrosti vrtenja [12]

Asinhronski generatorji so poceni, enostavne konstrukcije, robustni, enostavni za

priklop na omrežje in so porabniki jalove moči. To jalovo moč lahko deloma zagotovimo s

kondenzatorji. Vendar je le-te potrebno natančno določiti, da asinhronski generator ne

postane "samovzbuden" v primeru otočnega obratovanja, kar lahko povzroči velike

prenapetosti kot posledica resonance med kondenzatorji in navitji generatorja. Asinhronski

generatorji ponavadi rabijo dovolj močno omrežje s konstantno frekvenco, zagon pa se

lahko izvede kot zagon motorja (ni nujno, da rotor iz točke mirovanja premakne veter).

• dvojno napajani asinhronski generator:

Po dostopnih podatkih so v vetrnih turbinah (grajeni v Sloveniji) tovrstni generatorji

moči 850 kW. Princip dvojnega napajanja je prikazan na sliki 3.9. Statorsko navitje je na

omrežje priključeno neposredno, rotorsko navitje pa preko drsnih obročev na AC/AC


pretvornik, ki pretaka moč iz omrežja v rotor v podsinhronskem delovanju ter iz rotorja v

omrežje v nadsinhronskem delovanju.

Slika 3.9: Shema dvojno napajanega asinhronskega generatorja [12]

Tokovi navitja rotorja niso le posledica inducirane napetosti s strani statorskega navitja,

ampak so dodatno regulirani z AC/AC pretvornikom. Frekvenca rotorskega tokokroga je

enaka razliki med hitrostjo vrtenja rotorja in omrežno frekvenco. Dvojno napajani

asinhronski generatorji lahko proizvajajo napetost konstantne amplitude in frekvence tudi

ob spremenljivi hitrosti rotorja. Lahko proizvajajo in regulirajo jalovo moč. Torej, če

gledamo s stališča omrežja, so precej podobni sinhronskim generatorjem. Zagon in izklop

vetrne turbine se izvede z regulacijo rotorskega tokokroga. S pravilno regulacijo lahko

dosežemo delovanje generatorja tudi pri nesimetrični trifazni napetosti. Statorsko navitje se

lahko preklaplja tako, da je vezano v zvezdo ali trikot, kar povzroči zmanjšanje tokov pri

večjih obremenitvah. V primeru kratkega stika se vetrna turbina izklopi z namenom zaščite

AC/AC pretvornika (ne napajajo kratkega stika).


• sinhronski generator s pretvornikom:

Slika 3.10: Shema sinhronskega generatorja z AC/AC pretvornikom [12]

Ta tip vetrnih elektrarn (slika 3.10) omogoča največje območje spreminjanja hitrosti

vrtenja. Generatorji imajo lahko veliko število polov, kar omogoča direktno priključitev na

rotor vetrne turbine – brez vmesne prestave. Rotor je lahko električno vzbujen ali pa so

uporabljeni trajni magneti. V primeru električnega vzbujanja potrebujemo dodaten AC/AC

pretvornik za regulacijo moči. Celotna proizvedena moč se preteka preko AC/AC

pretvornika, zato je le-ta dimenzioniran za največjo moč vetrne turbine. Pretvornik lahko

regulira pretok jalove moči v omrežje. Ob kratkem stiku se izklopi, v določenih situacijah

pa lahko napaja kratek stik z nazivnim tokom. V tabeli 3.3 je navedena primerjava teh

tipov generatorjev.


Tabela 3.3: Primerjava različnih tipov generatorjev [12]

Asinhronski generator

Asinhronski z

regulacijo

rotorske

upornosti

Dvojno

napajani

asinhronski

generator

Sinhronski

generator z

AC/AC

pretvornikom

Spremenljiva hitrost ne da (nekaj %) da da

Regulacija delovna moči ne da da da

Regulacija jalove moči ne ne da da

Kratkostična moč prispeva prispeva ne prispeva ne prispeva

Časovno območje regulacije 1 - 10 s 100 ms 1 ms 0.5 - 1 ms

Stand-by funkcija ne ne da da

Občutljivost na flickerje da ne ne ne

Rabi dodaten mehki zagon da da ne ne

Rotirajoča rezerva ne ne da da

Zahteva kompenzacijo jalove

moči da da ne ne

Investicija nižja nižja srednja višja

Vzdrževanje nižje nižje višje srednje

ZAVORNI SISTEM

Ob visokih hitrostih vetra se pojavljajo sile znatnih veličin (moč vetra je sorazmerna

tretji potenci hitrosti vetra). Zato v vsaki vetrni elektrarni obstajata najmanj dva

medsebojno neodvisna zavorna sistema in oba imata sposobnost zmanjšanja hitrosti

propelerja ali popolne zaustavitve. Zavorni sistem pride v uporabo predvsem pri močnih

vetrovih (potrebno zmanjšati obrate) ali pa med vzdrževalnimi deli (tedaj se zahteva

mirujoč sistem). Tudi izpad električnega omrežja ter s tem izguba nasprotujočega

delovnega momenta gredi lahko hitro privede do nevarnih hitrosti rotorja [1].

Pri regulaciji z uravnavanjem Cp (pitch control) - spreminjamo naklonski kot lopatic,

nam zasuk vpadnega kota vetra na 0 ° ali celo v negativno stran povzroči upočasnitev


propelerja. Kjer uporabljamo drugačno regulacijo, npr. stall control, nimamo možnosti

rotiranja lopatic rotorja, zato pa imajo navadno na koncu propelerskih lopatic vgrajene

zavorne lopute, ki se ob aktivaciji postavijo v položaj največjega zračnega upora.

Mehanske zavore uporabljamo za popolno zaustavitev rotorja, ki se ponavadi zaradi

manjših zavornih momentov nahajajo za menjalnikom, čeprav taka postavitev slednjega

močno obremenjuje. Pri projektiranju zavor je potrebno predvsem paziti, da kljub možni

okvari sistem ostane varen [1].

ČELJUSTNI SISTEM

Turbine imajo čeljustni sistem, ki jim omogoča obračanje propelerja proti vetru. Na

okrovu turbine se nahaja merilec hitrosti (anemometer) in smeri vetra. Te podatke nato

posreduje regulacijskemu sistemu, ta pa z motornim pogonom obrača čeljustni sistem tako,

da je smer vetra pravokotna na propelersko ploščino [1].

STOLP

Naloga stolpa je držanje vetrne turbine skupaj z generatorjem na neki višini. Zagotoviti

mora tudi dobro stabilnost in s tem nemoteno delovanje. Stolpi so lahko železni ali

betonski (dražji). Večji betonski stolpi so navadno votli, v njih pa se lahko povzpnemo do

turbine oz. generatorja. Stolpi morajo biti postavljeni na masivne temelje, saj se pri

prelahkih temeljih pojavi problem resonančnih frekvenc (se pojavijo ob določenih obratih

propelerja) [1].

DRUGI SESTAVNI DELI [4]

Anemometer: Anemometer je nameščen na ohišju generatorja in multiplikatorja in je

povezan računalnikom za nadzor turbine. Ko je hitrost vetra zadostna pošlje signal v

računalnik naj deaktivira zavore. Enako pošlje signal v računalnik naj zaustavi vrtenje

turbine, ko veter prekorači dovoljeno maksimalno hitrost. Vsebuje tudi merilec smeri vetra,

ki služi, da se turbina obrača proti vetru.

Lopatica: Večina turbin ima dve ali tri lopatice. Veter piha čez liste in to povzroči vrtenje.

Števec: Kontrolira moč in smer vetra.

Zobniško gonilo: Gonilo je vezni člen med zgornjo in spodnjo gredjo.

Gornja pogonska gred: Nosi generator.

Spodnja pogonska gred: Rotor poganja spodnjo gre z okoli 30 do 60 obratov na minuto.


Aero ohišje: Rotor je pritrjen na aero ohišje, ki leži na vrhu stolpa. Ta varuje vse

komponente znotraj ohišja, katere so gonila, zgornja in spodnja gred, generator, števec ter

zavora.

Smernik vetra: Direktno komunicira z zagonskim gonilom, da se orientira, kako turbine

pripraviti na veter.

Motor krmila: Daje moč za zagon.

Slika 3.11: Zgradba vetrnice [4]

3.7 Obratovalne karakteristike

Močnostna krivulja vetrne turbine nam predstavlja odvisnost moči vetrne turbine od

hitrosti vetra. Krivulja je lahko določena na osnovi teoretičnih izračunov ali na podlagi

terenskih meritev. Pri slednjih se meritev izvaja v povprečnem vetru (10 minutni razmaki),

da se izognemo dinamičnim razlikam. Pri močnostni krivulji določene vetrne turbine so

pomembni naslednji parametri [1] :

• vklopna hitrost vetra (cut-in wind speed): hitrost vetra, pri kateri se propeler začne

vrteti,


• izklopna hitrost vetra (cut-out wind speed): hitrost vetra, pri kateri se vetrno turbino

ustavi zaradi prevelike hitrosti vetra,

• nazivna moč (rated power): je maksimalna oddajna moč vetrne turbine, ki je

oddana generatorju,

• nazivna hitrost vetra (rated wind speed): hitrost vetra, pri kateri se razvija nazivna

moč vetrne turbine.

Graf 3.4: Teoretična močnostna krivulja pri regulaciji z spreminjanjem kota lopatic

propelerja (pitch control) [1]

Graf 3.5: Močnostna krivulja pri regulaciji z pomočjo navora generatorja (stall control) [1]


4 PREDLOG IZVEDBE

4.1 Izbira lokacije

Latkova vas (207m, 800 prebivalcev) je naselje v občini Prebold. V jedru je gručasto

naselje ob prehodu glavne ceste Ljubljana - Celje čez Savinjo. Sestavljajo jo zaselki

Gmajna, Gornja Gmajna, Groblja, Hrastje, Trapeče, Novine in Latkova vas, ki brez vidnih

meja prehajajo drug v drugega. Pod krajem izvira potoček Perišnica, ki je levi pritok

Bolske.

Lokacija vetrne elektrarne je izbrana pred mojo domačo hišo in je dobro dostopna.

Cestišče je dobro urejeno za dovoz in montažo vetrnice (Latkova vas leži blizu avtoceste,

kar zmanjša logistične težave prevoza).

Slika 4.1: Latkova vas [31]


4.2 Izbira opreme

Izbral sem nizkovetrovno turbino AVENTA AV-7 (slika 4.2) [13].

Slika 4.2: Aventa AV-7 [13]

Osnovni podatki:

Višina stolpa: 18,0 m

Premer rotorja: 12,9 m

AC nazivna moč: 6,5 kW

Vklopna hitrost vetra: 2,0 m/s

Nazivna hitrost vetra: 6,0 m/s

Izklopna hitrost vetra: 14,0 m/s

Emisija hrupa (na razdalji 50 m): <30 dB

Rotor:

Premer: 12,9 m

Površina rotorja: 129 m2

Moč na m2: 50 W/m2

Število lopatic: 3

Orientacija: horizontalna

Hitrost konic lopatic: 44 m/s


Stolp:

Višina: 18,0 m

Izvedba: cevna

Material: beton ali jeklo

Generator:

Izvedba: sinhronski generator s trajnimi magneti

Priklop na NN omrežje: preko pretvornika 3 x 400 V

Prenos moči:

Izvedba: prenos preko jermenov

Prestavno razmerje: 1: 12

Nadzor in varnostni sistemi

Nadzor hitrosti vrtenja: zasuk lopatic

Omejitev moči: zasuk lopatic

Mehanizem čeljusti: azimut kot

Zavorni sistem 1 : električni

Zavorni sistem 2 (zasilno ustavljanje): mehanski

Nadzor veličin: hitrost vrtenja, vibracije, temperatura generatorja, izhod generatorja,

temperatura v celici

Varnostna naprava (50-letni sunek): 42 m/s

Teža:

Celica brez rotorja: 700 kg

Rotor: 470 kg

Lopatice: 117 kg

Stolp: beton: 12.500 kg

jeklo: 2100 kg


Tabela 4.2: Letna proizvodnja električne energije za vetrnico AV-7 [13]

Letno proizvodnjo električne energije za vetrnico AV-7 (tabela 4.2) sem dobil na

njihovi spletni strani in nam pokaže, kakšno povprečno letno proizvodnjo električne

energije bi dobili pri različnih povprečnih hitrosti vetra. Iz nje je razvidno, da se pri

spremembi le za 2 m/s zelo spremeni povprečna letna proizvodnja električne energije.

Znana je tudi njena obratovalna karakteristika (graf 4.1). Iz njega je razvidno, da je

vključna hitrost vetra pri 2 m/s (za slovenske razmere zelo primerno) in da nazivno hitrost

vetra doseže pri 6,5 m/s. Izključna hitrost vetra je pri 14 m/s.

Graf 4.1: Obratovalna karakteristika vetrnice AV-7 [24]


4.3 Vključitev na omrežje

Vetrna elektrarna bo obratovala paralelno z NN distribucijskem omrežjem, kamor se bo

oddajala vsa energija razen tista, ki se bo porabila za lastno porabo.

Slika 4.3: Priključitev vetrne elektrarne na NN omrežje

Vetrna elektrarna ima generator moči 6,5 kW in bo priklopljena (preko AC/AC

pretvornika – generira izmenično izhodno napetost direktno iz izmenične vhodne napetosti,

ločilnega stikala in odklopnika) na javno 0,4 kV distribucijsko omrežje. Priklop bo v TP

Latkova vas, ki je od hiše oddaljen približno 150 m. Do njega bo vkopan kabel dimenzije

4x16 mm2 (zaradi razdalje 150 m ima ta kabel najboljšo termično obremenitev, je izoliran

in dobro mehansko zaščiten), na stebru vetrnice pa bosta nameščeni stikalna in merilna

omarica, v njej pa bo glavno stikalo in obračunsko mesto. Ločilno mesto za ročno ločitev

bo izvedeno na 0,4 kV napetostnem nivoju v novi NN priključno-merilni omarici

z ustreznim NN odklopnikom. Pravilno mora biti izvedena tudi ozemljitev objekta.

Slika 4.4: Shema priključitve MVE in pošiljanje električne energije neposredno v omrežje


5 IZRAČUN PROIZVODNJE

V programu RETScreen sem izračunal, kako bi se obnesla vetrne elektrarna v mojem

domačem okolju. Program RETScreen - Clean Energy Project Analysis Software se

uporablja za analizo proizvodnje energije iz obnovljivih virov. Program vključuje oceno

proizvodnje energije, varčevanje, stroške, zmanjšanje emisij, finančne sposobnosti ter

tveganje za različne vrste tehnologij. Izbral sem vetrnico AVENTA AV-7, ker ima

najboljšo karakteristiko za lokalni veter (dobra krivulja moči v odvisnosti od hitrosti vetra).

Torej izbral sem vetrnico, ki se v omrežje vključi že pri nizkih hitrosti vetra.

Da sem vseeno ugotovil, v katerem primeru bi se mi postavitev najbolj splačala, sem

naredil več primerov.

Slika 5.1: Začetna stran projekta

Za projekt sem izbral vetrno elektrarno v Spodnji Savinjski dolini. Denarna enota je

evro.


Slika 5.2: Vnos podatkov za vetrnico

V mojem naselju je na višini 10 m hitrost vetra 2,9 m/s (podatek iz knjige Vetrovnost

v Sloveniji ter na bližnji vremenski postaji Griže). Eksponent porazdelitve je 0,25 (hiša se

nahaja med pokošenim travnikom in naselju). Povprečna temperatura je 9,3 °C ter

povrečen pritisk 96,1 kPa. Vetrnica AV-7 ima 6,5 kW moči in je visoka 18 m (na tej višini

je hitrost vetra 3,4 m/s). Premer rotorja je 13 m, njegova površina pa 129 m2. Vetrnica bo


imela čez leto komaj 18,8 % zmogljivost in bo proizvedla le 11 MWh. Odkupna cena za

elektriko to leto znaša 98,35 €.

Slika 5.3: Vnos začetnih, investicijskih ter letnih obratovalnih stroškov

Stroški vključno s prevozom, inštalacijo in celotno vetrnico znašajo 21.505 €. Nato je

treba še upoštevati remont na vsake 5 let, ki znašajo 500 €.


Slika 5.4: Izpust škodljivih plinov

V Sloveniji znaša faktor zmanjševanja emisij 0,213 tCO2. Ker vetrnica proizvede 11

MWh, bomo tako zmanjšali za 2,3 tCO2 na leto.


1. PRIMER:

Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in da vzamem 10-letni

kredit. Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih naj ne bi spreminjala in inflacija bi znašala

0,5 %.

Slika 5.5: Finančni parametri

Celotni stroški znašajo 21.505 €. Kredit znaša 6.452 € in njegova obresta mera je 6,5 %.

Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten

dohodek je le 1.019 €. Če gledamo letni prihranek pa je le-ta negativen in znaša -508 €. Za

diskontno stopnjo vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija priporoča kot okvirno merilo

uspešnosti za investicijske projekte.


Graf 5.1: Grafični prikaz projekta

Rezultat:

V prvih 10-ih letih se ne spremeni veliko, saj odplačujemo kredit. Po tem obdobju

začne krivulja naraščati (dobiček), pri 26,2 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo

poslovati pozitivno. Vsakih 5 let je opazen upad dobička zaradi remonta, ki znaša 500 €.

Interna stopnja donosnosti (diskontna stopnja, pri kateri je neto sedanje vrednosti tokov

stroškov in prihodkov nič – 1 %) je manjša od diskontne stopnje (5 %), zato se ta primer ne

splača. Neto sedanje vrednosti je -7811 € (če je neto sedanje vrednosti pozitivno, se nam

projekt obrestuje).


2. PRIMER:

Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in da ne vzamem kredita.

Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih naj nebi spreminjala in inflacija bi bila 0,5 %.


Celotni stroški znašajo 21.505 €. Kredita ne vzamemo. Redni stroški vsakih 5 let

znašajo 500 €. Celoten dohodek je le 1.019 €. Če gledamo letni prihranek pa je le-ta

negativen in znaša -477 €. Za diskontno stopnjo vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija

priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za investicijske projekte.



Rezultat:

Krivulja začne naraščati takoj, ker nismo vzeli kredita. Opazen je le upad zaradi

remonta vsakih 5 let. Pri 23,2 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo poslovati

pozitivno. Interna stopnja donosnosti (1,6 %) je manjša od diskontne stopnje (5 %), zato se

ta primer ne splača. Neto sedanje vrednosti je -7.333 €.


3. PRIMER:

Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in vzamem 10-letni

kredit. Cena proizvedene električne energije se vsako leto poveča za 2 %. Predpostavljena

vrednost inflacije je 0,5 %.



Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Cena proizvedene električne energije se vsako

leto poveča za 2 %. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten dohodek je le 1.019

€. Če gledamo letni prihranek pa je le-ta negativen in znaša -218 €. Za diskontno stopnjo

vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za

investicijske projekte.



Rezultat:


začne krivulja naraščati, pri 20,6 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo poslovati

pozitivno. Odplačamo prej kot v prvem primeru zaradi povečene cene odkupne električne

energije vsako leto za 2 %. Vsakih 5 let je opazen upad dobička zaradi remonta, ki znaša

500 €. Interna stopnja donosnosti (3,6 %) je manjša od diskontne stopnje (5 %), zato se ta

primer ne splača. Neto sedanje vrednosti je -3350 €.


4. PRIMER:


kredit. Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih ne spremeni, spremeni pa se inflacija na 3

%.



Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten

dohodek je le 1.019 €. Inflacija se spremeni na 3 %. Če gledamo letni prihranek pa je le-ta





Rezultat:


začne krivulja naraščati, pri 27,5 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo poslovati

pozitivno. Odplačamo pozneje kot v prvem primeru zaradi povečene inflacije na 3 %.

Vsakih 5 let je opazen upad dobička zaradi remonta, ki znaša 500 €. Interna stopnja

donosnosti (0,4 %) je manjša od diskontne stopnje (5 %), zato se ta primer ne splača. Neto

sedanje vrednosti je -8490 €.


5. PRIMER:


kredit. Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih ne spremeni, pravtako pa se ne spremeni

inflacija. Vzel sem, da se letni stroški iz 500 € zvišajo na 1000 € vsakih 5 let.



Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 1000 €.

Celoten dohodek je le 1.019 €. Cena proizvedene električne energije in inflacija se ne

spremenita, spremenijo pa se letni stoški na 1000 €. Če gledamo letni prihranek je le-ta





Rezultat:

V prvih 10-ih letih se ne spremeni veliko, saj odplačujemo kredit, vendar je veliko bolj

upazen remont vsakih 5 let. Po 10-ih letih začne krivulja naraščati, pri 28,9 letih

odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo poslovati pozitivno. Vsakih 5 let je opazen upad

dobička zaradi remonta, ki znaša kar 1000 €. Interna stopnja donosnosti (0,0 %) je manjša

od diskontne stopnje (5 %), zato se ta primer ne splača. Neto sedanje vrednosti je -9305 €.


6. PRIMER:

Naredil sem še primer, ki mi je pokazal, kdaj pa bi se mi postavitev vetrnice splačala.

Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in vzamem 10-letni kredit.

Cena proizvedene električne energije se vsako leto poveča za 3,5 %. Predpostavljena

vrednost inflacije je 0,5 %.



Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Cena proizvedene električne energije se vsako

leto poveča za 3,5 %. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten dohodek je le 1.019

€. Če gledamo letni prihranek pa je pozitiven in znaša 76 €. Za diskontno stopnjo

vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za

investicijske projekte.



Rezultat:

Tu se že v prvih 10-letih začne krivulja naraščati, čeprav še odplačujemo kredit. Po

10-ih letih začne še bolj strmo naraščati in pri 17,9 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj

začnemo poslovati pozitivno. Odplačamo jo najprej, vendar zaradi povečane cene

proizvedene električne energije za 3,5 % ni realen primer. Vsakih 5 let je opazen upad

dobička zaradi remonta, ki znaša 500 €. Interna stopnja donosnosti (5,4 %) je večja od

diskontne stopnje (5 %), zato se ta primer splača. Neto sedanje vrednosti je 1173 €.


Tabela 5.1: Primerjava primerov

Življenjska

doba Kredit

Sprememba

cene vetrne

energije

Sprememba

inflacije

Stroški

remonta

Vetnica

odplačana

Interna

stopnja

donosnosti

večja od

diskontne

stopnje

Neto

sedanje

vrednosti

Se

primer

splača

1.

PRIMER 30 let 10 let 0 % 0,5 % 500 € 26 let NE -7811 € NE

2.

PRIMER 30 let 0 let 0 % 0,5 % 500 € 16,3 let NE -882 € NE

3.


4.

PRIMER 30 let 10 let 0 % 3 % 500 € 27,5 let NE -8490 € NE

5.


6.

PRIMER 30 let 10 let 3 % 0,5 % 500 € 17,9 let DA 1173 € DA*

Iz tabele 5.1 je razvidno, da se v nobenem primeru ne splača postaviti vetrne elektrarne

v Spodnji Savinjski dolini (*razen v zadnjem, ki pa je nerealen).


7. PRIMER:

Za zanimivost sem pogledal, če se mi bi postavitev splačala, če bi višino stolpa iz 18 m

podaljšal na 40 m. Hitrost vetra bi se mi tedaj povečala na 4,1 m/s (podatek dobim iz

programa ko povečam višino vetrnice). Vetrnica ima 30-letno življenjsko dobo in vzamem

10-letni kredit. Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih ne spremeni, prav tako pa se ne

spremeni inflacija.


Ker nisem najdel podatka, koliko bi cenovno znašal 22-metrski podaljšek stebra, sem

pustil enake celotne stroške in tako ponovno znašajo 21.505 €. Kredit znaša 6.452 € in

njegova obresta mera je 6,5 %. Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Redni stroški

vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten dohodek je le 1.019 €. Če gledamo letni prihranek pa je

le ta negativen in znaša -51 €. Za diskontno stopnjo vzamemo 5 %, saj jo evropska

komisija priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za investicijske projekte.



Rezultat:

Zaradi povečane hitrosti vetra se že v prvih 10 letih pozna dobiček, vendar po

odplačanem kreditu krivulja še bolj strmno začne naraščati. Pri 17,3 letih odplačamo celo

vetrnico in tedaj začnemo poslovati pozitivno. Vsakih 5 let je opazen upad dobička zaradi

remonta, ki znaša 500 €. Interna stopnja donosnosti (4,6 %) je manjša od diskontne stopnje

(5 %), zato se ta primer ne splača (čeprav nisem upošteval dodatnih stroškov za 22 m visok

podalšek stebra). Neto sedanje vrednosti je -785 €.


6 SKLEP

Moje diplomsko delo je razdeljeno na splošni del ter na del, kjer je predstavljen projekt

izgradnje male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini (Latkova vas). V splošnem delu

je predstavljena zgodovina vetrnih elektrarn, splošno o velikih in malih vetrnih elektrarnah

ter o modernih vetrnih elektrarnah na morju. Predstavljena je tudi njihova sestava in

kakšne tipe lahko uporabimo. V drugem delu pa je predstavljena sama zasnova ideje, kje bi

vetrica stala, katero vetrnico bi uporabili in kako bi jo priklučili na distribucijsko omrežje.

V programu RETScreen je nato izvedenih 7 primerov in njihova primerjava.

Program RETScreen mi je pokazal, da se postavitev vetrnice v šestih primerih nebi

splačala, saj je hitrost vetra premajhna. Edini primer, da bi se mi splačala pa je nemogoč,

saj bi se morala cena vetrne elektrike zelo spreminjati (3,5 % vsako leto). Spreminjal sem

različne parametre kot so kredit, cena odkupljene elektrike, sprememba inflacije in

spremembo letnih stroškov. Pri vseh primerih pa bi celo vetrnico odplačal šele proti koncu

življenjske dobe, razen pri 6. primeru, ki je realno nemogoč. Zgovoren podatek je ta, da bi

vetrnica na leto delovala le 1692 ur (70,5 dneva) in bi proizvedla le 11 MWh. Na to ima

velik vpliv tudi lokacija, saj je Spodnja Savinjska dolina znana po majhnih hitrosti vetra, ki

znašajo okoli 3 m/s na višini 10 m. Torej se ta izvedba projekta v mojem okolju v vseh

pogledih nebi splačala.

Vseeno mislim, da bi se v obnovljive vire v Sloveniji moralo vlagati več sredstev kot se.

Vendar pa se primer vetrne elektrarne pri nas ne splača, ker je malo takšnih področij, kjer

bi pihal veter z dovolj veliko povprečno hitrostjo vetra. Med dovolj vetrovne kraje ne

štejemo višja lezeča območja, saj bi zaradi prehladnih temperatur vetrnice nehale delovati.

Brez naravovarstevih problemov pa bi bile primerne lokacije Volovja reber, Nanos in

Banjščice. Nasploh pa gre tudi pri nas razvoj z obnovljivimi viri v pravo smer, saj se

čedalje več uporablja sončna in geotermalna energija, medtem ko je vodna energija tako ali

tako najbolj uporabljena.


7 VIRI, LITERATURA

[1] J. Strmec, Vetrne elektrarne, Seminar pri projektu energetika, 2004.

[2] Wind turbine

http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine (julij, 2011).

[3] Wind power

http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power (julij, 2011).

[4] Energija vetra

http://ro.sio.si/projekti/energetika/8_razred/energija_vetra.htm.

[5] G. Keržar, Projekt izgradnje vetrne elektrarne, diplomsko delo, Maribor, 2008.

[6] Prva vetrna elektrarna na morju

http://24ur.com/novice/svet/nemcija-zagnala-prvo-vetrno-elektrarno-na-morju.html.

[7] Največja britanska elektrarna na morju

http://www.siol.net/gospodarstvo/2010/09/ob_britanski_obali_odprli_najvecjo

_vetrno_elektrarno_na_morju.aspx (junij, 2011).

[8] Vetrna elektrarna

http://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_elektrarna (junij, 2011).

[9] Vetrna turbina

http://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina (junij, 2011).

[10] M. Nardin, Veter-energija prihodnosti-vetrne turbine, 2004.

www.fiz.uni-lj.si/~zgonik/ModernaFizika/.../VETRNE%20TURBINE.doc

(junij, 2011).

[11] Vetrne turbine Slovenija

http://www.slog.net/vts/tipi_vetrnih_turbin.php (junij, 2011).

[12] S. Merše, Vključevanje vetrnih elektrarn v slovenski elektroenergetski sistem,

Ljubljana, 2004.

www.aure.gov.si/eknjiznica/Veter-koncno_porocilo_februar_2004.doc (junij, 2011).

[13] Aventa AV-7

http://www.aventa.ch/englische%20Homepage/eAV7/eAV-7.htm (junij, 2011).


[14] Vetrna turbina

http://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina (junij, 2011).

[15] R. Mihelič, Ni vse zlato, kar se sveti

http://www.volovjareber.si/gradivo/literatura/20081205_vetrne_elektrarne_rafael_mi

halic.pdf (junij, 2011).

[16] J. Tušek, Vetrne elektrarne v Sloveniji-da ali ne

http://lab.fs.uni-lj.si/ee/OVE/seminarji/VETRNICE.pdf (junij, 2011).

[17] Volovja reber

http://www.dnevnik.si/novice/kultura/273104 (junij, 2011).

[18] Alpha Ventus

http://www.alpha-ventus.de/ (junij, 2011).

[19] Horizontalna-vertikalna elektrarna

http://www.tiba.si/clanki/Vertikalna-vetrna-elektrarna-z-ucinkovitejsim-

generatorjem.html (junij, 2011).

[20] Savoniusov rotor

http://www.ivt.ntnu.no/offshore2/?page_id=394 (junij, 2011).

[21] Darrieusov rotor

http://www.ivt.ntnu.no/offshore2/?page_id=394 (junij, 2011).

[22] M. Novakovič, Konstrukcija vetrnica

http://lab.fs.uni-lj.si/ee/OVE/seminarji/seminar%20novakovic.htm (junij, 2011).

[23] Aerodinamični profil vetrnice

http://lab.fs.uni-lj.si/ee/diploma1/stran_54.htm (junij, 2011).

[24] AV-7

http://www.energia-eolica.it/av_7 (junij, 2011).

[25] Bergey

http://www.bergey.com/ (junij, 2011).

[26] T. Ackermann, Wind Power in Power System, John Wiley & Sons, 2005.

[27] J. Andrews, N. Jelley, Energy science, New York: Oxford University Press, 2007.

[28] J. Rakovec, M. Žagar, Vetrovnost v Sloveniji, Ljubljana: Založba ZRC, 2009.

[29] I. Graham, Energija vetra, Tehniška založba Slovenije, 2000.

[30] N. Rogelj, Vetrne turbine, 2009.

www.fmf.uni-lj.si/~stepisnik/sola/energvir/...09/Vetrne%20turbine.pdf (junij, 2011).


[31] Google maps

http://maps.google.si/maps?hl=sl&q=latkova%20vas&biw=1366&bih=664&ie=UTF

-8&sa=N&tab=il (junij, 2011).

[32] Mala vetrna elektrarna v Sloveniji

http://www.rtvslo.si/znanost-in-tehnologija/v-sloveniji-prvi-mali-vetrni-

elektrarni/94187 (november, 2008).

[33] R. Romih, Vetrna elektrarna, diplomsko delo, Celje, 2008.


8 SEZNAM SLIK, TABEL IN GRAFOV

a) seznam slik:

Slika 2.1: Prva vetrna turbina

Slika 2.2: Predlog postavitve Volovja reber

Slika 2.3: Alpha Ventus

Slika 2.4: Predstavitev poteka hitrosti vetra v odvisnosti od višine

Slika 3.1: Turbine s horizontalno osjo

Slika 3.2: Turbine z vertikalno osjo

Slika 3.3: Navpično-vodoravna turbina

Slika 3.4: Savoniusov rotor

Slika 3.4: Darrieusov rotor

Slika 3.5: Počasi tekoče vetrnice

Slika 3.6: Hitro tekoče vetrnice

Slika 3.7: Prečni prerez tipične vetrne elektrarne

Slika 3.8: Zgradba kabine

Slika 3.9: Shema dvojno napajanega asinhronskega generatorja

Slika 3.10: Shema sinhronskega generatorja z AC/AC pretvornikom

Slika 3.11: Zgradba vetrnice

Slika 4.1: Latkova vas

Slika 4.2: Aventa AV-7

Slika 4.3: Priključitev vetrne elektrarne na NN omrežje

Slika 4.4: Shema priključitve MVE in pošiljanje električne energije neposredno v omrežje

Slika 5.1: Začetna stran projekta

Slika 5.2: Vnos podatkov za vetrnico

Slika 5.3: Vnos začetnih, investicijskih ter letnih obratovalnih stroškov

Slika 5.4: Izpust škodljivih plinov









b) seznam tabel:

Tabela 2.1: Države z vetrno energijo

Tabela 2.2: Države z največ proizvedene vetrne električne energije

Tabela 2.3: Tehnični podatki načrtovanih vetrnih elektrarn v Sloveniji

Tabela 3.1: Delitev vetrnih turbin

Tabela 3.2: Primerjava turbin

Tabela 3.3: Primerjava različnih tipov generatorjev

Tabela 4.2: Letna proizvodnja električne energije za vetrno AV-7

Tabela 5.1: Primerjava primerov

c) seznam grafov:

Graf 2.1: Zmogljivosti vetrnih elektrarn

Graf 2.2: Napoved zmogljivosti vetrnih elektrarn

Graf 2.3: Proizvodnja vetrnih elektrarn Danske v odvisnosti od vetra

Graf 2.4: Odvisnost koeficienta izkoristka v odvisnosti od hitrosti vetra

Graf 3.1: Koeficient moči v odvisnosti od razmerja hitrosti

Graf 3.2: Koeficienti moči v odvisnosti od razmerja hitrosti

Graf 3.3: Karakteristika navora v odvisnosti od hitrosti vrtenja

Graf 3.4: Teoretična močnostna krivulja pri regulaciji s spreminjanjem kota lopatic

propelerja (pitch control)

Graf 3.5: Močnostna krivulja pri regulaciji z pomočjo navora generatorja (stall control)

Graf 4.1: Obratovalna karakteristika vetrnice AV-7










Naslov študenta

Miha Zaveršnik

Latkova vas 30

3312 Prebold

tel.: 040/730-866

e-mail: [email protected]

Kratek življenjepis:

Sem Miha Zaveršnik, rojen 7.10.1989 v Celju. Osnovno šolo sem obiskoval v Preboldu,

srednjo šolo pa v Celju – Tehniška gimnazija Lava (strokovni predmet elektrotehnika). Po

uspešno opravljeni maturi sem se vpisal na Fakulteto za elektrotehniko, računalništvo in

informatiko (FERI), program elektrotehnika, smer močnostna elektrotehnika. Po treh

uspešnih letih študija zaključujem 1. bolonjsko stopnjo z diplomo Upravičenost postavitve

male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini.




Documents

UPRAVI ČENOST POSTAVITVE MALE VETRNE ELEKTRARNE V … · 2017-11-27 · Vetrna energija je pretvorba energije vetra v uporabno obliko energije z uporabo vetrnih turbin. Ob koncu