Vjetroturbine i Postrojenja

8/16/2019 Vjetroturbine i Postrojenja

1/390

1 POGLAVLJE:Uvod u energiju vjetra

Pripremio: Prof.dr.sc. Zvonimir Guzo

Zagreb, 2010.

Katedra za turbostrojeve


2/390

U povijesti industrijskog razvoja, zlatno doba “teške indudavnoj prošlosti;Danas živimo u doba informati č kih tehnologija, u ktehnološkog razvoja ekstremno brz;Iako stope rast kompjuterske industrije č ine klzastarjelim, danas postoji jedna suvremena strojogradnjarasta kroz posljednja tri desetlje ć a usporediv s informato su vjetroelektrane ;Nagli porast veli č ine i jedini č ne snage komercijalnvjetroturbina izme đ u 1980. i 2002. je prikazan na sl. 1.1;Sl. 1.2 prikazuje porast instalirane snage vjetroelekrazdoblju.

1 Uvod u energiju vjetra

1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stolje

ća


3/390

Sl. 1.1 Porast veli č ine i jedini č ne snage komercijalnovjetroturbina izme đ u 1980. i 2002

1 Uvod u energiju vjetra1.1 Energija vjetra u prvom desetlje ć u 21. stolje ć a


4/390



5/390

Sl. 1.2 Porast instalirane snage vjetroelektrana izme đ



6/390



7/390


• U vrlo kratkom vremenu, razvijena je profesionalenergetska tehnologija;• Stopa rasta instalirane snage i porast jedini č ne snageizvanredni: u 2001. godini najve ć e komercijalne vjetrosnagu od 2,5 MW, te promjer od 80 metara, danas 130 m• Dok primjeri koji slijede sažimaju najvažnije dogpovijesti globalnog razvoja korištenja energije vjetra, u pć e dana detaljnija analiza.


8/390


Danska• Renesansa energije vjetra zapo č ela je u Danskoj 1980• Povodom naftnih kriza 1973. i 1978. god., male kompaproizvo đ ač i strojeva i opreme za ruralne potrebe s

generaciju vjetroturbina za komercijalnu upotrebu;• Te su vjetroturbine imale rotor promjera od 10 doelektrič ni generator snage od 30 do 55 kW (sl. 1.1);• Električ na energija koja nije potrošena od stvjetroturbine direktno se predavala u gradsku mrežu;• Promjene u energetskoj politici koje su tada nastupile, vlasnicima vjetroturbina dobru i fiksnu otkupnu cielektrič ne energije;• Ove su promjene stvorile tržište za obnovljive izvore en• U 2001. god. 17% korištene elektri č ne energije u Danpomo ć u vjetroturbina.


9/390

1 Uvod u energiju vjetra1.1 Energija vjetra u prvom desetlje ć u 21. stolje ć aSjedinjene Ameri č ke Države

• Bum korištenja energije vjetra u SAD-u zapo č eo je god. u Kaliforniji - rezultirao je ukupnom instaliranom sMW do 1987. god.;• Kalifornijske vjetrolelektrane je č inio veliki broja vj

jedinič nih snaga (35 do 75 kW) koje su bile proizveduvezene iz Danske;• Isto kao i u Danskoj, nagli porast cijena nafte u 70.-timnaklonost vlade obnovljivim izvorima energije, ukljugeotermalnu i energiju vjetra;• Ovaj pozitivan trend je zaustavljen kada je demokrKalifornije, Jerry Brown, izgubio ve ć inu nad republikaKako je naftna kriza jenjavala, novi je guverner promijezakone u prilog "najjeftinijoj ponudi". Termoelektrane nasu postale dominantna tehnologija za proizvodnju energij• Unato č tome, 2001. god., po č inje se vra ć ati korištenjeSAD, te je u kratkom periodu instalirano novih 1635 MW


10/390


Njemač ka• Njemač ka nije doživjela nagli porast korištenja energij1991. god.;• Te je godine zakon “Electricity Feed Law” (EFL) – utarifa”, garantirao kako pristup elektri č noj mreži, takootkupnu cijenu proizvo đ ač ima elektri č ne energije dobvjetra;• Tijekom sljede ć ih osam godina, kapacitet je pove ćMW. Do 1998. god., obalne provincije NiedersachseHolstein podmirivale su oko 7% svojih potreba energijom iz energije vjetra;

• “The Renewable Energy Law” (“REL”) (“Zakon o obnenergije”), koji je stupio na snagu u travnju 2000. god. i poticao je gradnju vjetroelektrana na kopnu (“on-ssadržavao temeljnu regulativu za gradnju “off-shore” ele• U skladu s novim zakonom, 2001. god. dosegnut jenovoinstaliranih vjetroturbina, ukupne snage od 2659 MW


11/390


1.1 Energija vjetra u prvom desetlje ć u 21. stolje ć aŠpanjolska• U proteklih nekoliko godina, broj vjetroturbina u Španporastao;

• 1998 god. instalirani kapacitet je iznosio 834 MW;• Samo tri godine kasnije, instalirani kapacitet je porastao• Španjolska se smatra jednim od najbrže rastu ć ih tržu Europi.


12/390


Indija• Indija doživljava bum korištenja energije vjetra nakon 1• Iako do 1990. prakti č ki nije ni bilo vjetroturbina u poginstalirano 200 MW;• Do 1998. god. taj se broj pove ć ao na 1000 MWinstalirana snaga vjetroturbina u Indiji je iznosila 1435 M• Ovaj napredak uvjetovan je ogromnom potrebelektrič nom energijom. Vlada i industrija žele upotrebozaustaviti č este prekide u industrijskoj proizvodnnedostatkom elektri č ne energije.

Kina• Kapacitet vjetroelektrana u Kini, 2001. god. iznosio jeveliki dio bio je u sklopu farmi vjetroturbina;• Na pašnjacima sjevernog dijela zemlje (unutarnja M150.000 vjetrom pokretanih punja č a baterija je kornomada. Te vjetroturbine su u prosjeku kapaciteta od 100


13/390

Kako je potreba za energijom, posebno elektri č nporasla u proteklih 100 godina (sl. 1.3), postalo je važnoo utjecaju proizvodnje energije na okoliš;

U prošlosti su, visoki životni standard te moderni ("lifestyle“) , bili temeljeni na pove ć anoj potrošnji energDanas, statistike visoko razvijenih država pokazuju dstandard može povisiti nezavisno o potrošnji elektri č nsu poduzete mjere energetske efikasnosti.


1.2 Potreba za elektri č nom energijom


14/390

Sl. 1.3 Porast stanovništva svijeta i potrošnje elektri(1950. god. = 100%; stanovništvo = 2,55x10 9; godišn

električ

ne energije = 1,2x1012

kWh)

1 Uvod u energiju vjetra1.2 Potreba za elektri č nom energijom


15/390

U 1999. god. ukupna potreba za elektri č nom ener14,746x109 kWh;Ova je potreba zadovoljavana uglavnom iz termoelektgoriva i nuklearnih elektrana (sl. 1.4);Obnovljivi izvori energije, osim hidro energije s udzastupljeni su samo s 2%.

Sl. 1.4 Udio pojedinih izvora u ukupnoj proizvoelektrič ne energije u 1999. god.



16/390

Veliki porast u potrebi za elektri č nom energijouvjetovan predvi đ anjima na globalnom energetskomKoriste ć i statisti č ke podatke iz 1996. god., sl. 1.5 pdržave s ekspandiraju ć om populacijom i ekonomijom imaju enormni porast potrošnje elektriMeđ utim, visoko industrijski razvijene zemlje ograni č avati potrošnju elektri č ne energije, i to bez pstandarda, poticanjem energetske efikasnosti i efikasnih tehnologija.



17/390

Dr žava Populacija

1996

Potrošnja el.energije

1996

Godišnjapotrošnja postanovniku

1996

Stopa rastastanovništva

1996

Stopapotrelekene

1985

Miliona TWh/god. kWh/stan. %

Njemač ka 82 534 6.528 0,1 0

SAD 274 3.463 12.771 0,8 2

Kina 1.256 999 822 0,9 5

Indija 982 359 420 1,6 7


1.2 Potreba za električnom energijom

Sl. 1.5 Potrošnja elektri č ne energije u pojedinim z


18/390


19/390

Izvorenergije

CO2

g/kWh

SO2

g/kWh

NOX

g/kWh

Pepeo

g/kWh

Nuo

m

Ugljen 977

(977)

5-9

(0,8)

3-6

(0,8)

25

(0,1)Nafta 730

(730)

1-12

(0,8)

2-5

(0,8) (0,1)Plin 419

(419)

0,05

(0,01)

2-4

(0,7) (0,01)Nuklearni - - - -

Sl. 1.6 Usporedba utjecaja na okoliš razli č itigoriva i nuklearnog goriva: vrijednosti u zagradsu dobivene korištenjem suvremenih metoda fi




20/390

Nadalje, korištenje energije vjetra ne iziskukorištenje zemljišta, što može biti zna č ajno

podru č ja sjeverne Europe;Sl. 1.7 pokazuje usporedbu potreba za zemkorištenja energije vjetra (proizvedena snagausporedbi s ostalim tipovima elektrana



21/390


Sl. 1.7 Električ na snaga proizvedena po m 2 korištenu različ itim elektranama


22/390

Nadalje, postoji još prednosti obnovljivih izvora č injenice da ne emitiraju stakleni č ke plinove te da zauzimaju zemljište od postrojenja na fosilna goriva;Nakon nekoliko mjeseci u pogonu, elektrane energetske izvore su sposobne proizvesti dovoljnopovrate koli č inu energije utrošene u njihovu izraamortizacijska energija i prikazana je na sl. 1.8.


Vjetroelektrana Solarnaelektrana

Hidroele

4,5 m/s 5,5 m/s 6,5 m/s velika m

Amortizacija energije(mjeseci) 6-20 4-13 2-8 51-93 5-6

Sl. 1.8 Amortizacija energije razli č itih obnovljivih iz


23/390

Pozitivni ekonomski u č inci povezani sa decentralizirenergije (npr. porast zapošljavanja), pridonose mogurazvoja koji ja č a lokalnu ekonomiju.

U usporedbi s opskrbom energije baziranoj centraliziranim konvencionalnim elektranama, dopskrba energije osigurava stabilnu lokalnu zaposlenosradnih mjesta povezanih s planiranjem i izgradnjom elepotrebnih znanja i vještina (npr. montaža solarfotonaponskih kolektora);već eg broja zaposlenih po kWh kod pogona i odrpostrojenja.



24/390



• Na sl. 1.9 prikazana je prosje č na cijena proizvoenergije u novoizgra đ enim elektranama;• Ukupna cijena varira od 0,036 €/kWh za elektri č nu en

iz termoelektrana na plin, do 0,057 €/kWh za onu ivjetroelektrana.


25/390


Sl. 1.9 Raspodjela troškova za razli č ite izvore


26/390



• Za različ ite na č ine proizvodnje elektri č ne energije, ukdijeli na tri kategorije:

kapitalni (investicijski) troškovi - ukupna investicij

uvjete financiranja (kamate i period povrata);troškovi pogona i održavanja (O&M trošak);trošak goriva.

• Iako su investicijski troškovi za termoelektrane na fosilod onih za nuklearne ili vjetroelektrane, troškovi goriva su


27/390

Kyoto Protokol je prvi pokušaj ograni č enja emdioksida kroz me đ unarodni sporazum;Energija vjetra, te ostali obnovljivi izvori energzadovoljavanje pove ć anim potreba za elektri č nougrožavanja okoliša i pridonošenja klimatskim katastrSl. 10 prikazuje scenarij, izra đ en od strane Shell-održivijeg snabdijevanja energijom.



28/390

Sl. 1.10 Scenarij za postizanje budu ć ih globalnih zahtjev



29/390

1 Uvod u energiju vjetra1.3 Energetska politika i državni instrumenti

• Kada se analiziraju tržišta energije vjetra, mogu se idosnovna tipa tržišta:

ona u kojima je potpora vlade motivirana brigom za okte ona u kojima je potpora vlade bazirana na potrebi za

1.11).tržište potaknuto ekologijom tržište potaknuto energij

• Nema potrebe za dodatnim kapacitetom• Financijski u moguć nosti investirati• Energija iz vjetra malim dijelom doprinosiukupnoj opskrbi el. energijom• Želja i obveza za smanjenjem CO2• Tržište energijom vjetra nije znač ajno ovisnoo globalnim promjenama u cijeni goriva

• Potreba za dodatnom energijokapaciteta• Manjak strane valute• Ovisnost o uvozu fosilnih goriva• Umjeren do visok ekonomski raz• Potreba za lokalnom proizvodnjo• Jako ovisno o globalnim promjegoriva

Sl. 1.11 Tipič na tržišta za energiju vjet


30/390


• U cilju otvaranja tržišta za obnovljive izvore energiodre đ eni politi č ki okvir. Sljede ć i popis prikazuje držakoji se tipi č no koriste za poticanje korištenja obnenergije:

državni fondovi za istraživanje i razvoj (R&D);državni fondovi za demonstracijske projekte;direktna potpora investicijskih troškova (% ukupnih tro

po instaliranom kW);garantirane poticajne cijene za elektri č nu energiju iz

(iznos po isporu č enom kW)financijski podsticaji - posebni krediti, povoljne kamatporezni podsticaji tj. povoljna deprecijacija;ostali podsticaji.


31/390


• Analiza razvoja razli č itih tržišta pokazuje da prikladnekoliko politi č kih instrumenata direktno utje č e na ras• Osnova rasta tržišta energije vjetra je sigurnost kprojekta, koja omogu ć uje investitoru ra č unanje profit

vijek vjetroelektrane - npr. 20 godina;• Sl. 1.12 uspore đ uje politike europskih vlada za energiju• Neke države garantiraju fiksnu cijenu otkupa energipono ć u vjetra, poput Njema č ke putem "Renewable Tariffs" (REFITs), dok druge države provode sist

ogranič

enom godišnjom kvotom za nove kapacitetizgrađ eni;• Oč ito, države s garantiranom cijenom po kW sisteŠpanjolska) poti č u svoja tržišta puno bolje od ogodišnjom kvotom.


32/390


Država Instalirankapacitet(2001)MW

Noveinstalacije

(2001)MW

Stopa rasta(2001)

%

Udeuro

trž%

Tržište sgarantiranomcijenom

Njemač ka

Š panjolska

8.754

3.337

2.659

802

44,4

31,6

5

1Ukupno 12.091 3.467 40,1

Tržištereguliranokvotom

UK Irska

474125

656

15,95,0

20

Ukupno 599 71 13,4

Sl. 1.12 Pregled vladinih instrumenata i njihovog u č ineuropskih tržišta energijom vjetra


33/390


Sl. 1.13 prikazuje sumarno broj instaliranih vjetroturbinkraju 2001. god.

Sl. 1.13 Instaliran kapaciteti za iskorištavanje energiu Europi na kraju 2001. god.


34/390


1.3 Energetska politika i državni instrumenti• Liberizacija europskog energetskog tržišta u budu ćna razvoj obnovljivih izvora energije;• Samo to ne ć e imati pozitivan efekt na okoliš ako se nes penalizacijom proizvodnje nuklearnog otpada ili emisij• Ovo se može provesti uvo đ enjem poreza na enekonvencionalnim putem;• Takav bi porez omogu ć io obnovljivim izvkompetitivnost bez korištenja subvencija.


35/390

Sljede ć i parovi rije č i sumiraju konstrukciju vjetrozadnja tri desetlje ć a:

1 Uvod u energiju vjetra1.4 Tehnološki razvoj

rotor s 3 lopatice rotor s 2 lopaticekonstantna brzina

vrtnjepromjenjiva brzina vr

kontrola vrtnje oblikomlopatica

kontrola vrtnje promjkuta lopatica

indukcijski generator(asinkroni)

sinkroni generator

reduktor direktni prijenoslopatice od

stakloplastikemetalne, drvene lopat

direktan spoj na mre žu ac-dc-ac pretvara čhidrauli č ko pokretanje elektri č no pokretanje


36/390

U 80-tima, vjetroturbine s pasivnom regulacijom vrtlopatica), tzv. stall-controlled, koje su bile spojene nindukcijskog generatora, dominirale su me đvjetroturbinama, sl. 1.14;Brzina vrtnje ove "klasi č nih Danske konstrukcijdržana je skoro konstantnom pošto je turbina direktnmrežu preko generatora;Tako đ er, pošto ovakve vjetroturbine reguliraju brzinulopatica (koje pri postizanju optimalne brzine presta

nije potrebna regulacija promjenom kuta lopatica.Prilikom zaustavljanja turbine vrhovi lopatica služe za



37/390


Sl. 1.14 Osnovna konstrukcija danske vjetroturbineindukcijskim generatorom i konstantnom brzinom vr

(tzv. stall-controlled)


38/390

U 90-tima, i to uglavnom u Njema č koj, došlo je dvjetroturbina s promjenjivom brzinom vrtnje;Lopatice se zakre ć u kako bi se sprije č ila prekomjetzv. pitch-controlled vjetroturbine;Ili veliki sinkroni generator - č esto direktno spojereduktora) - proizvodi elektri č nu energiju promjenjivili 60 Hz) preko ac-dc-ac pretvara č a, ili se koristi dvpogonjen preko reduktora indukcijski generator.



39/390


Sl. 1.15 Vjetroturbina sa sinkronim generatoromkonstantnom brzinom vrtnje (tzv. pitch-controlle


40/390

Danski princip s konstantnom brzinom vrtnje vrlo je robustan;Turbine s promjenjivom brzinom vrtnje su fleadaptacije na mrežu, ali iziskuju sofisticiranijuregulaciju brzine vrtnje;Oba se principa jednako koriste kod velikih vjpromjerima rotora do 70 metara i više;S ovim tipovima turbina, mali ali inovativni proizvokorak uspjeli u izgradnji vjetroturbina takovih veli č

godina niti velike industrije u SAD-u (Mod1, MNjemač koj (Growian) nisu uspjeli realizirati.



41/390

Tzv. off-shore vjetroturbine su važan daljnji korak u energije vjetra - prednosti povoljnijeg režima vjetreliminira se i problem vezane s korištenjem zemljišta, Ulažu se veliki napori u razvoj pogodnih i jeftinih plashore” vjetroelektrane.

Sl. 1.16 “Off-shore” vjetroturbine, Vindeby, Dan



42/390



43/390


[email protected]


44/390

2 POGLAVLJE:Povijesni razvoj vjetrenja


Zagreb, 2010.



45/390

Prema povjesni č arima, prvi strojevi koji su koristilinalazili su se na Orijentu;Hammurabi navodi da su 1700. god.pr.Kr. vjetrenjanavodnjavanje ravnica Mezopotamije;

Postoje pisani dokazi prili č no rane upotrebe enerAfganistanu: dokumenti iz 700 godine potvr đ uju mlina tamo bila visoko poštovana profesija; Čak i danas, ruševine vjetrenja č a koje su radile tokomogu se prona ć i u Iranu i Afganistanu, sl. 2.1.

2 Povijesni razvoj vjetrenja č a2.1 Vjetrenjač e s vertikalnom osi vrtnje


46/390


Sl. 2.1 Vjetrenjač a s vertikalnom osi vrtnje u Afganista1977. izvršena konzervacija


47/390

Najstarije svjetske vjetrenja č e imale su vertikalnu os Pletene prostirke bile su pri č vrš ć ene za osovinu;Prostirke su uzrokovale otpor strujanju vjetra, te spokretane;Kod perzijskih vjetrenja č a, prekrivanjem polovicestvarana je asimetri č nost;Na taj na č in sila koja djeluju na polovicu rotora pokr

je sprije č en nepovoljan utjecaj vjetra na polovicu r

kreć e ususret vjetru, sl. 2.2.



48/390


Sl. 2.2 Perzijska vjetrenja č a


49/390

Kod kineskih vjetrenja č a, koje tako đ er datiraju od daasimetrija je napravljena s platnenim “jedrima” koja bisuprotno od smjera vjetra prilikom vra ć anja u po č etprilikom gibanja u suprotnom smjeru od vjetra, sl. 2. 2Ovakve kineske vjetrenja č e datiraju od otprilike oko Slič no kao i perzijske, kineske vjetrenja č e imaju vervrtnje i koriste pletene prostirke kao "jedra“;Međ utim, razlikuju se od perzijskih u toliko što su u miskoristiti glavnu prednost vjetrenja č a s vertikalnom

je korištenje energije vjetra bez obzira na njegov smjer



50/390


Sl. 2.3 Kineska vjetrenja č a s rotiraju ć im “jed


51/390

Jednostavnost ovakve konstrukcije vidi se na slprikazuje kasniju verziju vjetrenja č e - mlina s vertiki rotiraju ć im jedrima;Mlinski kamen može direktno biti pri č vrš ć en na verbez preusmjeravanja kružnog gibanja i sustava me2.4.a), ili se kružno gibanje (uz promjenu brzine vrtnjglavne osovine na druge dvije na kojima su pri čkameni (sl.2.4.b);Novije vjetrenja č e – mlinovi s horizontalnom osi vrt

brzohodne nizozemske, zahtijevaju puno konstrukciju ne samo zbog potrebe preusmjeravagibanja iz horizontalnog u vertikalni smjer, ve ć iuležištenja brže i teže horizontalne osovine



52/390


Sl. 2.4 Kasnije konstrukcije vjetrenja č a s vertikalnos lopaticama koje se zakre ć u (lijevo) i s lopaticama ko

otpora strujanju vjetra, Italija, oko 1600 god


53/390

2 Povijesni razvoj vjetrenja č a

2.1 Vjetrenjač e s vertikalnom osi vrtnje

• Jednostavnost konstrukcije vjetrenja č a s vertikalnoznač ajna za Savoniusov rotor iz 1924. god. (sl. 2.5.a) te Diz 1929. god. (sl. 2.4.b);• Ali isto kao kasnije “zapadne” verzije s vertikalnom os

– djelomič no ili isključ ivo – silu uzgona za pogon.


54/390


Sl. 2.5 Savonius-ov rotor (a) i Darrieus-ov roto


55/390

Na Zapadu je razvijen tip vjetrenja č a različ it od onoOrijentu, s horizontalnom osi vrtnje, no puno kasnije;Njihova najzna č ajnija karakteristika je rotor s horizonlopatice rotiraju u ravnini okomitoj na smjer strujanja kao propeler aviona;Prvi teorijski opisi sile uzgona na lopatice koje presvjetra, tj. pokreta č ke sile vjetrenja č a s horizontalnomsamog po č etka prošlog stolje ć a;U ranijim stolje ć ima je postojala ideja da kolo (rotor) zraka kao vijak.

2 Povijesni razvoj vjetrenja č a2.2 Vjetrenjač e s horizontalnom osi vrtnje


56/390


• Najstarija konstrukcija uzgonskomsilom pokretanog ure đ aja shorizontalnom osi vrtnje je stupnavjetrenja č a;• Njena slika je prona đ ena u knjigamaza molitvu u Engleskoj iz 1100 god.(sl. 2.6);• Istovremeno je prona đ en pisanizapis i u pravnim dokumentimafrancuskog grada Arles (u regijiProvence na jugoistoku Francuske).

Sl. 2.6vjetrenja

knjizi zas


57/390

Kao najvažniji pogonski stroj, uz vodeni č ko koEngleske i Francuske preko Nizozemske, Njema čPoljske do Rusije (1300. god);Međ u povjesni č arima je osporavano tko ju je izumidošla;Međ utim, postoji op ć a suglasnost (razli č ita od poko toga da križari nisu naišli na vjetrenja č e u Supravo oni tamo donijeli;Stupna vjetrenja č a se sastoji od kvadratne konstrumože rotirati oko svoje središnje osi kroz koju pro

stup (sl. 2.7);Koriste ć i polugu za okretanje, cijela se konstrukcrotorom može okretati prema vjetru.



58/390


Sl. 2.7 Konstrukcija stupnevjetrenja č e: 1 - zup č asto kolo;2 - osovina dizalice za vre ć e;3 - ru č na dizalica; 4 - osovinas rotorom; 5 - zup č anik; 6 - drža č ; 7 - lijevak za punjenje;8 - mlinski kameni; 9 -

popre č na greda; 10 - ko č iona poluga; 11 - ko č iono uže; 12 -

uže za upravljanje dizalicom;13 - spremište brašna; 14 - krunski ležaj; 15 - poluga zaokretanje; 16 - centralni stup;17 - dizalica za vre ć e; 18 i 19- oslonac; 20 - temelji


59/390


• Glavna osovina s rotorom, skoro je horizontalna. Zupzupč anika pogoni vertikalnu osovinu s mlinskim kameno• Tek od 1800. god. na dalje, stupne vjetrenja č e su imkola kako bi se omogu ć ilo paralelno mljevenje s dva ml• Upotreba stupnih vjetrenja č a bila je ograni č ena na m

• U Nizozemskoj, ve ć 1400. god., postojao je snažan ekza proširenje obradivih površina isušivanjem vodenih pdošlo do prvih pokušaja korištenja energije vjetra za pokr• Za tu svrhu stupna vjetrenja č a je trebala biti preina č e• Pogonska sila vjetra trebala je biti dovedena do pumbila smještena ispod vjetrenja č e;• Rezultat je vjetrenja č a za pumpanje vode koja je prvnakon 300 godina nakon prve pojave stupnih vjetrenja


60/390

Sl. 2.8 Konstrukcija vjetrenja č e za crpljenje



61/390

• Dio vjetrenja č e koji se okre ć e sadrži samo sustav prijen• Kolo za pumpanje vode nalazi se ispod rotiraju ć eg dikuć ištu;• Glavna osovina mora prolaziti kroz šuplji stup (sl. 2.8)tadašnjih drvodjelaca;• Kasnije je ista konstrukcija primijenjena kod mlinovzbog toga što se na ovaj na č in mljevenje moglo odvijat• Stoga težak teret, kao npr. mlinski kameni i vre ć e žita

transportirani do prostorije u pokretnom dijelu vjetrenja



62/390

U južnoj Europi, stupne vjetrenja č e nisu stekle populaOndje je bila rasprostranjena je druga č ija vrsta mltoranj;Puno ranije takovi tip vjetrenja č a se koristio za navodPrvi dokumentirani trag o ovom tipu vjetrenja č a datiGlavna osobina starije mediteranske verzije je cizgrade, prvobitno fiksan slamnati krov (kupola), tesastoji od osam ili više lopatica (jedra), sl. 2.9;Kasnije verzije, uglavnom u južnoj Francuskoj, imaldrvenu kupolu i drveni rotor s č etiri lopatice.



63/390


Slika 2.9 Mediteranska vjetrenja č a-toranj s jedrana verzija ovakvih vjetrenja č a


64/390

Rotirajuć a kupola glavna je karakteristika i nizozemskza crpljenje vode koje su ušle u upotrebu oko 1500. godDaljnjim razvojem ovih vjetrenja č a teška kamenosmerokutnog tornja zamijenjena je lakšomkonstrukcijom, sl. 2.10;U Nizozemskoj, č esto su razne vjetrenja č e povezanodvodnjavanje, dok se u ostatku Europe uglavnommlinovi.



65/390


Slika 2.10 Konstrukcijanizozemske drvenevjetrenja č e u oblikutoranja: 1 rotor na repu; 2zup č asto kolo; 3 zup č anikza okretanje kupole; 4ležajevi; 5 zup č anik; 6glavna osovina; 7 dizalicaza vre ć e; 8 zup č anik; 9osovina mlinskog kamena;10 dizalica mlinskogkamena; 11 mlinski kamen;12 lanac ko č nice; 13regulacija kamena; 14vodilica brašna


66/390


• S desetcima tisu ć a sagra đ enih nizozemskih vjetrenenergije vjetra doživljava svoj vrhunac u Nizozemskstolje ć u;• Velik broj vjetrenja č a doveo je do standardizkonstrukcije, što je bilo neobi č no za to doba;• Čak kod posebnih verzija kao što su vjetrenja č e svojom višekatnom konstrukcijom (sl. 2.11), preosnovni princip nizozemske vjetrenja č e;• Donekle egzoti č na Paltrock vjetrenja č a iz 17. stokako se cijela vjetrenja č a može okretati u ciliskorištenja energije vjetra;• U ovom slu č aju cijela vjetrenja č a je oslonjena na ležkupola kod ranije opisanih nizozemskih vjetrenja č a)


67/390


Sl. 2.11 Konstrukcija vjetrenja č e s galerijama,tj. na više katova


68/390

Zadnji tip povijesnih vjetrenja č a je ameri č ka vjetrenja č a;Razvijena je sredinom 1800.-tih godina;

Američ ke vjetrenja č e na farmama u Sjevernoj Amerikorištene za dobavu pitke vode;

Glavne karakteristike ovih vjetrenja č a su rotor s prpet metara, koji se sastoji od oko dvadeset metalnih loprešetkasti toranj;Za pumpanje vode s velikih dubina, ovakva vjetrenjaostaje "moderan" sustav;

Deseci tisu ć a ovakvih vjetrenja č a se bez ve ć ih pdiljem Australije, Argentine i SAD-a.



69/390


Sl. 2.12 Američ ka “farmerska”vjetrenja č a za pumpanje vode


70/390


2.2.2 Tehnološke inovacije

• Za razliku od modernih vjetrenja č a, one stare moralebiti pod nadzorom mlinara;• On nije samo mljeo žito, ve ć se brinuo i o stalnom ivjetrenja č e;• Uglavnom su postojale dvije zada ć e mlinara bitne za p

usmjeravanje rotora prema vjetru uz promjenu tkanina shodno uvjetima vjetra,

te zaustavljanje vjetrenja č e u slu č aju oluje;• Kod ameri č kih vjetrenja č a nije više bilo potrebe za “str


71/390


• Mlinar ili magarac vukli su polugu za okretanje ivjetrenja č u prema vjetru;• Kasnije su na poluge za okretanje pri č vrš ć ivana vitla;

• Na ovaj način poluga se mogla privla

čiti klinovismješteni oko vjetrenja č e (sl. 2.8);

• Još kasnije, vitlo je okretao repni rotor smješten pod praodnosu na glavni rotor (iz razloga da "ulovi" vjetar kadasmjer puhanja, te pokrene vitlo);• Ovakav mehanizam je bio najjednostavniji za unizozemskih vjetrenja č a-tornjeva, zbog toga što se repnmontirati direktno na kupolu (sl. 2.14).


72/390


Sl. 2.13 Povijesni pregled razvoja vjetrenja č a s hori


73/390

2 Povijesni razvoj vjetrenja č a2.2 Vjetrenjač e s horizontalnom osi vrtnje• Puno teži zadatak mlinara bila je “regulacija” snage mlintrenutne uvjete vjetra;• To se radilo na na č in da se prilago đ ava površina platna kokonstrukciju lopatica rotora;• Međ utim, do problema je dolazilo kada bi mlinar podcijenio sn

je trebalo što prije zaustaviti vjetrenja č u kako bi se platno dod

služila koč

nica na zupč

astom kolu. Koč

nicu suč

inili drvupirali u zup č asto kolo. Posljedica ko č enja bila je toplina naste su mnogi mlinovi izgorjeli zbog toga što su mlinari prkoč enje.• Lopatice s konopima reguliranim platnenim pokrovom (od 160pomogle u radu mlinara zbog toga što su se mogle regulira

podizanjem ili spuštanjem poluge (sl. 2.14).Č

ak i u sluč

aju odalje može lako zaustaviti, jer se platna mogu kompletno uvitimlina. Na taj na č in vjetar jednostavno samo prolazi kroz drvlopatica.


74/390


Sl. 2.14 Upravljač ki mehanizam velikog mlina za mljeverepnim rotorom za usmjeravanje u smjer vjetra i konopima

platnenim pokrovima lopatica


75/390


• Veliko otkrić e u pogledu iskoristivosti vjetrenja č a lopatica;• 1759. god. John Smeaton, koji je radio na toj inovaciji,rezultate svog istraživanja društvu Royal Society u Londo• Koriste ć i spretno koncipiranu testnu aparaturu (sl. 2.15nadomjestak za današnje moderne zra č ne tunele, iglavnih pravila za kojima se temeljila gradnja vjetunaprijedio;• Predložio je uvijanje lopatica u odnosu na ravninu rotacijkorijenu i 7° pri vrhu lopatica;• Tako đ er je primijetio da pove ć anje površine lopatice vrijednosti ne ć e pove ć ati snagu;• Smeaton je odredio snagu i odnos obodne brzine vrbrzine vjetra za engleske i nizozemske vjetrenja č e Odnos obodne brzine vrha lopatice i vjetra u to je doba v


76/390


Sl. 2.15 Smeaton-ova testna aparatura za mjerenkarakteristika rotora vjetrenja č e


77/390


• Samo 150 godina kasnije, Danac P. La Cour je sistematski pristup poboljšanju vjetrenja č a;• Na kraju 19. stolje ć a, razvio je La Cour-lopeksperimentalnoj stanici;• On je bio prvi koji je na sistematski na č in koristio generiranje elektri č ne energije.

• Tijekom 1900.-tih, razvoj ameri č ke farmerske vjetrepoč etak potpuno novog razdoblja u primjeni energije vje• Američ ka farmska vjetrenja č a, ne samo da se serijsbila kompletno izra đ ena od metala, nego je ujedno bireguliraju ć a vjetrenja č a, koja je mogla biti bez nadzora;• Za usmjeravanje vjetrenja č e prema vjetru, te kontrolvrtnje u slu č aju oluje, koristio se sofisticirani sistem lop• Na taj na č in vjetrenja č e su mogle funkcionirati golemim pašnjacima.


78/390


2.2.3 Po č etak i kraj ere korištenja energije vjetra na Zapadu

Od 12. pa do po č etka 19. stolje ć a, energija vjetra i vorelevantni izvori mehani č ke energije.Postoji sljede ć e zapažanje (Braudel):"U 11., 12., i 13. stolje ć u, Zapad je doživio svoju revoluciju. Revolucija se odnosi na sve promjenepove ć anim brojem vjetrenja č a i vodenica. Iako je izla"primarnih pogona" bila prili č no ograni č ena (izme đvodenicu, 5 do maksimalno 10 KS za vjetrenja č u), uz

slabu svjetsku opskrbu energijom, ovo predstavlja dramaenergije i presudno je za prvu fazu razvoja Europe."


79/390


U 1800.-tima, parni strojevi i motori sa unutarnjim izgara

zamjenjivati vjetroturbine i mlinice.Međ utim, zabilježen je relativno spor razvoj druge tehniu podru č ju pogonskih strojeva. Prema popisu u Njemastanje je bilo sljede ć e:

18 362 vjetrenja č a;54 529 vodenica – mlinice;58 530 parnih strojeva, i21 350 motora s unutarnjim izgaranjem.

Znači 130 godina nakon pronalaska parnog stroja polovi jedinica još uvijek č ine tradicionalne vjetrenja č e i vode


80/390

2 Povijesni razvoj vjetrenja č a2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra

2.3.1 Snaga vjetraSnaga vjetra, koji struji brzinom v kroz površinu A je

(2.1)

Proporcionalna je gusto ć i vjetra ρ , površini A , te brzine v . Snaga P vjetra može se zamisliti kao kineti č ka e

(2.2)

zraka mase m koji struji kroz površinu A u odre đ enomKako je maseni protok

(2.3)


81/390


proporcionalan brzini (sl. 2.16), snaga (energija u jediniciznosi:

(2.4)

Slika 2.16 Maseni protok kroz površinu A


82/390


• Smanjenjem brzine zra č ne mase, snaga vjetra mehani č ku energiju rotora;• Nažalost, cjelokupna kineti č ka energija vjetra potpunosti pretvoriti u mehani č ku pomo ć u vjetroturbin

• U tom bi se slu č aju sav protok vjetra koji prolazi kroz A trebao u potpunosti zaustaviti, a to bi uzrokovalo prprotoku zraka;• Ako zrak struji kroz površinu rotora A bez ikakovog ne može do ć i do pretvorbe energije iz vjetra;• Izmeđ u ta dva ekstrema, mora postojati optimum kovjetra smanjenjem brzine.


83/390


• 1926. god., Betz i Glauert su ustanovili da se vmaksimum snage pretvara ako se brzina vjetra v 1 redudaleko iza rotora.• Stoga, brzina u ravnini rotora iznosi v 2=2/3 v 1 (sl. 2.1teorijskom slu čaju snaga iznosi

gdje je c p,Betz koeficijent snage i iznosi c p,Betz =16/27=0,5• Čak i pod pretpostavkom idealne pretvorbe energije,

samo 59 posto snage vjetra mo ž e biti iskorišteno.• Stvarni koeficijenti snage c p su ni ž i. Vjetroturbine otpora imaju c p ispod 0,2. One na principu uzgonske oblikom lopatice mogu dose ći c p do 0,5.

(2.5)


84/390


Sl. 2.17 Širenje strujnica kao rezultat smanjenja brzzraka koji struji kroz rotor vjetroturbine


85/390

2.3.2. Ure đ aji na principu otpora

Uređ aji na principu otpora iskorištavaju silu kopovršinu okomitu na smjer strujanja vjetra (sl. 2.16sila otpora:

Koeficijent otpora c D je konstanta koja opisuje aerotijela: što je manji c D, manja je i sila otpora (sl. 2.18


Sila otpora proporcionalna je površini a na kojuzraka ρ , kvadratu brzine vjetra v .


86/390

cD

1.11

1.10 č et

0.34 polu-sfera

1.33polu-sfer


Sl. 2.18 Primjena sile otpora kao pogonske s


87/390


88/390

2 Povijesni razvoj vjetrenja č a2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetraOvdje, brzina vjetra na lopatici iznosi w=v-u , tj. razlikai obodne brzine površine djelovanja u= ω R M na srednjePrema tome izraz za silu otpora je:

(2.7)

Iz ovoga dobivamo srednju vrijednost pogonske snage (stse lagano pove ć ava i smanjuje, tj. pulzira):

Pogonska sila je (kao i snaga sadržana u vjetru) propopovršini djelovanja a i brzini vjetra v 3. Izraz u vitič astoj je koeficijentu snage c P (aerodinamska iskoristivodobivano dio ukupne energije vjetra koja se pretvara uOvaj koeficijent mora biti manji od maksimalnog c P.Beodredio Betz.


89/390


Koeficijent snage ovisi o omjeru obodne brzine vrha lopbrzine vjetra v i naziva se omjer brzina λ=u/v.

Dijagram c P ( λ )=c P ( ω R M /v) prikazuje koliki dio snage vjebiti iskorišten pri danoj brzini vjetra v , ovisno o obodlopatice u odn. kutnoj brzini ω . Sl. 2.20 prikazuje ta

pravokutnu ploču kao nastrujnu površinu ( c D=1,1, v2.18). Pri potpunom mirovanju ( λ=0), ništa od energ

transformira u mehani č ku energiju. Isto tako ništa se npri λ=1, kada se nastrujna površina pomi č e pri brzi

jednakoj brzini vjetra. Izme đ u tih krajnosti, koeficijensvoj optimum od c P.max ≈0,16 pri λopt ≈ 0,33. Stoga, samvjetra može biti transformirano u mehani č ku energiju.


90/390


Sl. 2.20 Koeficijent snage kao funkcija omjera obodnelopatice i brzine vjetra ( ω R M /v ) za perzijsku vje


91/390

2 Povijesni razvoj vjetrenja č a2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetraZa anemometar kao na sl. 2.21, veli č ina pretvorenmanja: u ovom slu č aju pojavljuju se dodatni gubici, zsvaka lopatica na povratku mora gibati suprotno od smvjetra w=v+u (sl. 2.21).Aerodinami č ka iskoristivost anemometra bitiprimjenom istih pojednostavljenja. Pomo ć u izraza zotpora:

i za koč ionu silu otpora

(2.

(2.10)

dobivamo snagu


92/390


Sl. 2.21 Anemometar ( a) i zamjenski model

Ponovo, u viti č astim zagradama sadržan je koeficijentmaksimumom c P.max ≈0,08 ( λopt =0,16) koji je č ak i nvjetrenja č a (Sl. 2.22). Stoga se ovakve naprave pretvorbu energije vjetra. One se koriste u modu relativnkao mjerni instrumenti brzine vjetra, npr. anemometar.


93/390


94/390


Omjer brzina na vrhu lopatice u stanju relativnog mirovuz λ= ω R M /v= 2π R M n/v daje neposredno ”kalibracijski brzine vrtnje n brzine vjetra v :

n R R

vidle

M

idle

M

⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ =

λ π

λ ω 2 (2.12)

Procijenjena vrijednost λ idle =0,34 dobro se slažmjerenja.


95/390


2.3.3 Ure đ aji na principu sile uzgona

Kod mnogih tijela kao što su aerodinamski profili ili psila koja je rezultat djelovanjem vjetra na ta tijkomponente sile otpora D (koja djeluje u smjeru skomponentu sile okomitu na smjer strujanja vjetra uzgona L

(2.13)

Slič no kao i sila otpora, sila uzgona je proporcionalna te dinami č kom tlaku v 2 ρ /2.Sila uzgona aerodinami č kog profila djeluje na pribtetive mjereno od ulaznog brida, ako je napadni kutprikazuje da pri malim napadnim kutevima α (do oko αuzgona c L, a time i sila uzgona, su direktno proporcional

(2.14) uz za


96/390

2 Povijesni razvoj vjetrenja č a2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetraZa idealno tanku, beskona č ne širine pravokutnu pStvarne vrijednosti su nešto niže, c L'= ≈5,5. Takođ esila otpora D. Međ utim, ona je kod dobrih aerodinamskumjerene napadne kuteve jako mala ( c D /c L=1/20 dpreko kuteva ve ć ih od α =15°, znač ajno se pove ć ava (

Sl. 2.23 Sila uzgona L i sila otpora D aerodinamsk

pripadajući koeficijenti c L i c D kao funkcija napad


97/390


Naprave na principu sile uzgona koriste silu uzgona ksilu. Kako bi se ih jasno razlikovalo od ure đ aja na prino kojima je prethodno bilo rije č i, osnovni princip bikoriste ć i primjer Darrieus rotora. Iako se radi o ureuzgona, koristi vertikalnu os vrtnje, koja je zapravo tipina principu sile otpora (sl. 2.24, sl. 2.5.b).

Sl. 2.24 Princip rada Darrieusova rotora


98/390


Omjer brzina na vrha lopatica, tj. omjer obodne brzinebrzine vjetra, kod Darrieusova rotora je malo ve ć ispomenutih ure đ aja na principu sile otpora (s λmax =Sila uzgona L je višestruko ve ć a od sile otpora te je pogonska sila rotora. Po definiciji, ona je okomita na vjetra koji presijecaju lopatice rotora, te preko kraka

okretni moment.Svi ure đ aji s horizontalnom osi vrtnje, kao što je stupnizozemska vjetrenja č a u obliku toranja te mediterans

jedrima, pogonjeni su silom uzgona (sl. 2.25). Njikoeficijenti snage iznosili su oko c P.max ≈0.25 te tako nego oni kod ure đ aja pogonjenih silom otpora. Moders horizontalom osi i dobrim profilom lopatica (nizak kopostižu maksimalne koeficijente snage od c P.max =0vrijednost približava grani č noj vrijednosti izra č unatoji Glauert-a u iznosu c P.Betz =16/27=0,59.


99/390


Sl. 2.25 Primjena sile uzgona kao pogonske snage vjes horizontalnom osi vrtnje


100/390


2.3.4 Usporedba ure đ aja na principu sile otpora i sile uzgona

Razmatranje Betz-a i Glauert-a, da je maksimalna snagtransformirati iz vjetra 59%, ne govori ništa o na čsnaga transformira u ravnini vrtnje vjetroturbine (sl. 2.1razmatranjima, rane Orijentalne naprave na principu

jednako pogodne za korištenje energije vjetra kzapadnja č ke vjetrenja č e na principu sile uzgona.

Samo detaljnija analiza može pokazati zašto je Smeatongod. izmjerio koeficijente snage od c P.max =0,28

vjetrenjače. Danas se, korištenjem sofisticiranih aeroposti ć i č ak koeficijenti snage od c P.max =0,5. Vrijed

poglavlju 2.3.2 pokazuje, da su maksimalne vrijednuređ aja na principu sile otpora oko 0,16. Koji uč inkovitosti ure đ aja na principu sile uzgona?


101/390


• Razlog je ve ć a aerodinamska sila koja se može postpovršinom lopatice a.• Iako su aerodinamski koeficijenti snage c D.max i c L.max(sl. 2.26), relativna brzina w pokazuje bitnu razliku:

Za naprave na principu sile otpora, relativna brzina jestoga, uvijek manja od brzine vjetra, zbog toga što se sm

omjera brzina na vrhu lopatice; Za uređ aje na principu sile uzgona, rew =(w 2+u 2)1/2=v 2(1+ λ2)1/2 je geometrijska suma brzine vjbrzine vrha lopatice u . Stoga, relativna brzina je uvijekvjetra. Ovisno o omjeru brzina na vrhu lopatice, može puta ve ć a.


102/390


Sl. 2.26 Usna principusile uzgona


103/390


• Za uređ aje na principu sile uzgona, aerodinamska silkvadrat relativne brzine - je višekratnik one kod naprava notpora s istom površinom a .• Aerodinamske sile ure đ aja na principu sile otpora, iskorištene na “aktivnoj površini vrtnje” pomo ć u pripremale su da bi se č ak i približile izlaznoj snazi od 59%• Čak ni ure đ aji na principu sile uzgona ne dostižvrijednost. To je zbog č injenice da Betz-ova i Glauertne uzimaju u obzir neke od gubitaka koji se pojavljuju kozraka.


104/390


105/390

3 POGLAVLJE:Vjetroturbine – konstrukcija i kom


Zagreb, 2010.



106/390

3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente3.1 Uvod

U industrijskim zemljama, energija vjetra je gokorištena za proizvodnju elektri č ne energije kojom se nmreža.

Na mjestima s pogodnim uvjetima vjetra, rad na elprešao je granicu ekonomske isplativosti.

Tražeć i pouzdan i ekonomski isplativ rad za to najenergije vjetra, razvijeno je mnoštvo tehni č kih koncep

Svi su imali specifi č ne prednosti i mane, i vrlopredstavljali filozofiju konstruiranja pojedinogvjetroturbina.


107/390


Osim toga, vjetroturbine se mogu koristiti nezaviselektro mreže u zasebnom sustavu;

Takve aplikacije mogu se na ć i, međ u ostalim, u zemgdje nema guste i dalekosežne glavne mreže, posebipodru č jima;

U takvim situacijama, zasebni sustavi za iskorištenje

mogu biti instalirani za razne namjene:• pokretanje pumpe za va đ enje pitke vode, za nodvodnjavanje;• pokretanje glodalica, pila, č ekić a ili preša;• za energetske potrebe:

za pokretanje motora, npr. alatnih strojeva,za punjenje baterija, npr. radio stanica,za rasvjetu, npr. u radionicama ili operacijskim

bolnicama;• za grijanje, npr. vode za pranje ili sterilizaciju aparata;• za hla đ enje, npr. lijekova.


108/390


Različ ite primjene i uvjeti pod kojima ure đ aj radi zahvjetroturbine.

Turbina koja se može koristiti u svim uvjetima je tehsvega, ekonomski neizvediva.

Prema tome, postoje razli č ita tehni č ka rješenja vjetroturbine, odre đ ena njezinom stvarnom primjenom.

Ovo poglavlje ć e:prikazati, analizirati i ilustrirati razli č ite koncepte;prvo podpoglavlje prikazat ć e više od trideset razli č itone ne predstavljaju samo specifi č ne tehni č ke ko

tako đ er i dio moderne povijesti iskorištavanja energije vjena ovim predavanjima ć e se usredoto č iti na horizontalnom osi vrtnje.


109/390

l. 3.1. Komponente i

unkcionalni elementijetroturbine s horizontalnom osipojene na elektro mrežu

VESTAS V15-55 - 1981/82 - jednad prvih modernih serijskiroizvedenih vjetroturbina

3 Vjetroturbine – konstrukcij a i komponente3.1 Uvod

Najvažnije komponentevjetroturbina s horizontalnom osivrtnje su prikazanena sl. 3.1;To je primjer vjetroturbinepojene na mrežu koja

predstavlja prvu generacijuerijski proizvedene (1981./82.);

Različ ite izvedbe za tetrukturne komponentesklopove) bit ć e sustavnoazmotrene u sljede ć im

podpoglavljima.


110/390

3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente3.2 Kratki opis razli č itih vjetroturbina

Vjetroturbine prikazane u ovoj usporedbi predstavl»osnovne tipove«;

One su karakteristi č ne zbog specifi č nih primjena i zbog specifi č nih stadija tehnološkog razvoja;

Taj pregled ne navodi sve vrste turbina niti je obiljeržišnih razvoja;Cilj je dati dovoljan broj primjera za ilustraciju razli č

koncepata;Tablica 3.1 daje pregled glavnih podataka i karakteristikaNa kraju izlaganja bit ć e dane skice gondola nekih od tih


111/390

Tablica 3.1 Pregled glavnih podataka i karakteristika turbina


112/390


l. 3.2 Povijesni prototipovi vjetroturbina

Vjetroturbine prikazane u ovojusporedbi predstavljaju razli č ite»osnovne tipove«;One su karakteristi č ne zbogpecifi č nih primjena i korisnika kao i

zbog specifi č nih stadija tehnološkogazvoja;

Taj pregled ne navodi sve vrsteurbina niti je obilježje trenutnihržišnih razvoja;

Cilj je dati dovoljan broj primjera zalustraciju razli č itih tehnoloških

koncepata;

Tablica 3.1 daje pregled glavnihpodataka i karakteristika turbina.Na kraju izlaganja bit ć e dane skice

gondola nekih od tih turbina.


113/390


.2.1 Istraživa č ki prototipovi

Uslijed utjecaja prve naftne krize 1973. god., svuda u svijstraživa č ki i potporni programi za iskorištavanje energije v U mnogim zemljama, me đ utim, to nije bio posve nov

pridonio nastavku aktivnosti iz 1950.-tih koje su ve ćprototipova s više od 1 MW snage.

U Danskoj, GEDSER-ova turbina podignuta 1957. god. ehni č ki orijentir, dok je TVIND-ova turbina (sl. 3.2.b) ko

1977. god. predstavljala više politi č ki znak;Na poč etku državne potpore, ovaj ambiciozan proje

nicijativa »profesionalnih laika« iz privatne škole, bio je uve energija vjetra može koristiti. Danas, TVIND-ova

manjenom snagom, doduše, to je velika turbina s rekordomadu. Dok 1988. god. ELSAM 2000 (2 MW, D=61 m) nije sTVIND-ova turbina bila je jedina turbina u Danskoj snage 1

Ovdje je državna potpora unaprijedila razvoj vjetroturbproizvodnju.


114/390


U Švedskoj, Njemačkoj, Kanadi i SAD-u, državna je poazvoj velikih prototipova. Taj pristup je protivan da

»dodimenzioniranja«, tj. postepenog pove ć anja turbinržište. Izuzev strukturnih i politi č kih razloga za odluku

prototipova, glavni zaklju č ak je da specifi č na cijena pokapaciteta bude mala, u skladu s tada prevladavaju ć im m

Slič no GEDSER-ovoj turbini po »danskom koncepeuropske istraživa č ke turbine iz ranih 80.-tih, tehni č kurbina snage 100 kW profesora Hüttera (Sveu č ilište Stu

1958. god., koja koristi rotor s dvije lopatice ugra đ en3.2c).


115/390

3 Vjetroturbine – konstrukcija ikomponente3.2 Kratki opis razli č itih vjetroturbina

Uspjeh i havarija njema č ke 3 MWurbine GROWIAN (sl. 3.3.a) navelikoe raspravljan me đ u stru č njacima i u

medijima: rani zamor materijalakomponenata glavine rotora uslijedprekomjernog optere ć enja prekinuoe eksperimentalni pogon i doveo do

demontaže turbine u ljeto 1988. godnakon rada od samo 420 sati.

Sl. 3.3 Prva generacija više-megavatnih turbina


116/390


Švedski ekvivalent turbini GROWAIN bila je 3 MWMAGLARP (sl. 3.3b) koja je imala mnogo sli č nih koncedan danas drži svjetski rekord u proizvedenoj energiji meistraživa č kim turbinama. Doduše, izvrštena je iz pogo1993. god. Tijekom desetogodišnjeg rada generirala je Nažalost, regionalna tvrtka koja je preuzela još uvijeturbinu za jednu švedsku krunu smatrala je da je održa

preskupo;Nakon »polaganog starta«, drugi švedski megavatni prNÄSUDDEN radila je 11 400 sati u č etiri godine, prije nzbog kvara lopatice rotora 1988. god. Koncept je zna čdalje razvijen, i ostvaren u novom prototipu instaliranomutvrde u Näsuddenu 1992. god.;

Gotovo identi č na turbina po imenu Aeolus II možJadebusenu u Njema č koj (sl. 3.4.a). Švedska i Njemasvoje aktivnosti glede višemegavatnih turbina u sklozajednice (European Community (EC)). To je karakterisgeneraciju istraživa č kih turbina.


117/390


118/390


Sl. 3.4 Druga generacijavelikih istraživa č kih turbina


119/390


Već 1941.god SAD su instalirale svoju prvu veliku tPutnam (sl. 3.2.d). Ipak, istraživa č ki programi stali su zbniskih cijena nafte. 1978. god., instalirana je prva višemegaz MOD serije, turbina snage 2 MW ( D=61 m). S tom serije nekoliko smetnji. 3,2 MW turbina BOEING MOD-5b ins

god.;Kanada je išla svojim putem razvoja. Njezin višemegav

usredotočio se na razvoj rotora s vertikalnim osima. Durbina EOLE C (D=64 m) držala je svjetski rekord u ins

generatora od 4,2 MW (sl. 3.3.c). Turbina je predstavljalabarem u prve dvoje godine rada: radila je 7 717 sati i imala od 95% tijekom tog vremena;

U mnogim zemljama, paralelno uz istraživa čmegavatnih turbina, razvijaju se i industrijske serijske turbMW. Do kraja 1999. god., otprilike desetak proizvo đ avoje prototipove. One najve ć e imaju snagu od 2,5 MWsl. 3.5). Ti razvoji uglavnom su financirani programima

THERMIE). Na poč etku 2002. prvi prototipovi u rasponu odu proizvodnji.


120/390

Sl. 3.5.a-d. Druga generacijavelikih istraživa č kih turbina



121/390

Za svoje megavatne turbine, mnogi proizvo đ ač i kprimijenjene u svojim kategorijama turbina snaga manjihkoje su uspješno testirane i ve ć su na tržištu (sl. 3.5);

HSW je testirao svoju 750 kW turbinu samo kao protopove ć ao ju do 1000 kW s promjerom od 54 m;

NORDEX je, takođ er, pove ć ao svoju 800 kW turbinu (slurbinu i č ak do 2,5 MW (D=80 m) u 2000. godini;

Za svoje turbine od 1 MW, Nordic (sl. 3.5.b) i Wind En3.5.g) su koristile konstrukciju koja je vrlo sli č na njihovo

400 kW. Isto je primijenjeno na Nedwind 50 (sl. 3.5.d) što ehni č kom konceptu Nedwind 40 (sl. 3.5.f);

2000. god. ve ć ina europskih proizvo đ ač a nudila je serijvjetroturbine snage od 1,5 do 2,5 MW ( D=65 do 80 m).



122/390

Sl. 3.5.e-h. Europske sub-megavatne turbine



123/390

3.2.2 Danski koncept

»Danski koncept« postao je tehni č ki izraz međ uvjetroturbina. Ozna č uje relativno jednostavan, pouzdprincip konstrukcije koji je ve ć karakterizirao turbinu generacija« komercijalno uspješnih vjetroturbina baziraprincipu;

“Danski koncept” opisuje turbine:s horizontalnom osi vrtnje rotorom na kojem su tri lokruto pri č vrš ć ene na glav č inu;

rotor radi s konstantnom brzinom i pokre ć e asinkronispojen na elelektri č nu mrežu;

pogon se sastoji od standardnih dijelova (reduktor, kogenerator) koji su montirani na nosa č u linearnom raspor

za orijentaciju rotora prema vjetru, koristi se mehanizam za ograni č avanje izlazne snage koristi se efekt tzv. pr

(“stall”), a za kontrolu prekora č enja brzine vrtnje postaerodinami č ke koč nice.



124/390

S Danskim konceptom, prvi standardni tip nastao je na po

Taj standardni tip imao je promjer rotora od 15 do 1snagu od 55 kW;

Danski proizvo đ ač i prodali su na desetke tisu ć a tanajviše velikim kalifornijskim vjetroelektranama. U toj repropis Carterove vlade (PURPA-Act 1978) kreirao je poadministrativni okvir i odgovaraju ć e veliko tržište. To je za danske vjetroturbine izvan njihovog malog domakakve ve ć e konkurencije u blizini;

Turbina od 55 kW predvodnika danskog tržišta VESTA3.6.a) postala je tipi č ni predstavnik te standardne klase.



125/390

Sl. 3.6 Danske vjetroturbine - razvoj



126/390


U ranim 90.-tim, danski proizvo đ ač i bili su tržišni lideasponu od 150 do 300 kW. S tim turbinama, danski kazvijan i sve raznolikiji: Neki proizvođ ač i poput NORDTANK-a (Sl. 3.6b

ednostavnih konstrukcija kako bi zadržali cijenu niskom. Ooš uvijek najbliži »originalnom« danskom konceptu;

Druge kompanije poput WIND WORLD-a (Sl. 3.6.c) koazvijene integrirane komponente za pogonsku vodilicu;

Za svoje najve ć e turbine, VESTAS je odustao od jekarakteristika danskog koncepta, a to je ograni č avanprekidom strujanja. Za svoju turbinu snage 225 kW (Sl. urbine, ulazna snaga u rotoru uslijed jakih vjetrova sada j

promjenom koraka lopatica;Teško je predvidjeti do koje je veli č ine turbine danskVeć ina turbina u rasponu 500 kW oslanja se na znena đ ujuć e, č ak i turbina snage 1,5 MW NAG Micon (D

potpuno kontrolirana prekidom strujanja.


127/390


3.2.3 Razvoj na njema č kom tržištu

U Njemač koj, politika potpore isklju č ivo velikih istrdovela je do situacije gdje su srednj-velike kompantradicionalno uklju č ene u proizvodnju vjetroturbina ekonomski) zaostale za stranom konkurencijom. Dok unapokon nije došla vlasni č ka potpora (1989. god.: pr

1990. god. prošireno do 250 MW), samo je nekoliko proisporu č iti turbine snage 150 kW i one ve ć e kako bi se ztržišta.

HUSUMER SCHIFFSWERFT je slijedio danski koturbinom HSW 250 (Sl. 3.7a). TACKE je stekao ve ć i udioproizvodnje turbine snage 600 kW i promjera rotora 43 m (

ENERCON je prva njemač ka kompanija koja je uspdanski princip i predstavila potpuno novi koncept (vidi sl. 1

promjenjiva brzina vrtnje;rotor kontroliran promjenom koraka lopatice;direktno pogonjen sinkroni generator, bez reduktora;

ac-dc-ac pretvorba za mrežni priključak.


128/390

Sl. 3.7 Njemač ke vjetroturbine izkategorije srednje velikih



129/390

ENERCON-ova turbina E-40 (sl. 3.7b) pokrenuta 1992je najuspješnija. Više od 2300 takvih turbina podignuto jdo kraja 2000.-te god. 1996. god. taj sustav je proporcionalturbini E-66 (1500 kW, D=66 m).

Kasnije (1995. god.) je TACKE, poput drugih njema(DEWIND, SÜDWIND) napustio danski koncept. TACK

1.5 (1500 kW, D=65 m) ima kontrolu promjenom kpromjenjivu brzinu vrtnje (sl. 3.7.d). Iako druga č ija okompanije koriste dvostruko napajani asinkroni generatpretvorbom za mrežni priklju č ak. Generator je pogonjen



130/390

3.2.4 Samostalni energetski sustavi

Ovo potpoglavlje je više ili manje povijesno, i raznovrsnost koncepata koji se pojavljuju kada se radi oprimjenama;

Sl. 3.8 prikazuje vjetroturbine koje su do razli č itogkroz istraživa č ke aktivnosti Tehni č kog Sveu č ilišta (

fokusu tih istraživanja je integracija vjetroturbina energetske sustave: punja č i baterija, sustavi pumpanjvjetra, izolirane mreže i hibridni sustavi (vjetar/solarni ili v

Izmeđ u 1978. i 1990.god., Interdisciplinary ProAppropriate Technology (IPAT) u suradnji s raznim institu

Sveuč

ilišta u Berlinu razvili su, izmeđ

u ostalog, sustavode pomo ć u vjetra za zemlje u razvoju. To je bio temelove vjetroturbine (sl. 3.8.a desno) koja je bila namijenjelokalnoj razini u zemljama u razvoju s ograni č enim znanOna pogoni centrifugalnu pumpu koja je spojena mehanirotor, i korištena je za navodnjavanje i odvodnjavanje.



131/390

Sl.3.8 Vjetroturbine za samostalneenergetske sustave (razvoj na TUBerlin)

3 Vjetroturbine –konstrukcija i komponente3.2 Kratki opis razli č itihvjetroturbina


132/390

S elektri č ki pogonjenom (generatorom i motorom)pumpom, sustav crpljenja pomo ć u vjetra je komplekupotrebu. U tu svrhu, razvijena je vjetroturbina TUP 6.0EOna ima regulaciju promjenom koraka lopatica. Isti rotorsofisticiraniji, ali i u č inkovitiji od rotora s jedrom, je korimehani č ki spojenom pumpom (TUP 6.0M, sl. 3.8.a sredin

SÜDWIND je modificirao svoje serije 1200 (sl. 3.8.aplikacije nude ć i verziju sa sinkronim generatorom od 3turbina spojenih na elektri č nu mrežu je izvorno opremljgeneratorima od 30 do 45 kW, ovisno o položaju. sustavima, vjetroturbina može raditi u kombinaciji s dizel

poveć

anja sigurnosti napajanja. Posebnost te turbinezglobni rotor. To je rezultat velike studije o dinamici elasti č nim ovjesima rotorskih lopatica na TU Berlin.



133/390

ATLANTIS WB 15 (sl. 3.8.c) je hibridni sustav koji korienergiju. Razvijen je za sustave vjetar/baterija za mapotrebom za visokom sigurnosti energije;

Odjel bioelektronike i razvojne tehnologije na TU BERWIAN, vjetroturbinu koja koristi efekt koncentracijstvaraju na krajevima lopatica (fiksne) koncentracijske ro

povećane brzine vjetra u radnom podru

č ju rotora. rotiraju ć a masa turbine može biti održavana malom. A u

brzine rotora, može biti korišten manji reduktor ili može Eksperimenti koji koriste ovaj princip dokazali su da je izrotoru pove ć ana za faktor 8.

Slič no turbinama razvijenima na TU Berlin i prikazaturbine za samostalne energetske sustave drugih proizvona sl. 3.9 su od manje važnosti s obzirom na tvjetroturbina. Tržištem prevladava gotovo isklju čvjetroturbinama spojenim na elektri č nu mrežu. Dosustavi su zanimljivi za teoretske rasprave po pitanju konst



134/390

Sl. 3.9 Vjetroturbine u samostalnimenergetskim sustavima



135/390

Iznimka je KIJITO 20FT (sl. 3.9.a). Ona slijedi

zapadnjačke vjetrenja

če i razvio ju je I.T. POWER iz Vedio transfera tehnologije, njezina proizvodnja bila je premj

kako bi se prodavala na njezinom doma ć em tržištzemljama, i ona ima malo, ali pouzdano tržište.

Vjetroturbina razvijena na Sveu č ilištu u Stuttgartu, Nj(sl. 3.9.b) ima potpuno razli č itu tehnološku razinu. Testiraza crpljenje vode pomo ć u vjetra gdje je centrifugalna p»električ nim vratilom«, tj. direktnim spajanjem genepumpe preko kabla bez sustava elektri č ne kontrolekorištenim za TUP 6.0E TU Berlina. Glavna to č ka interFLAIR, je koncept prof. Wortmanna s rotorom s jednom l

elastično ovješen na gondolu. Gondola je tako

đer posna stup. Osnovna ideja je da intenzivno konstrukcijsko

kojem je izložena vjetroturbina uslijed naizmjeni č nog složene dinamike sustava – može biti smanjeno dopuštanjesilama »slobodno djelovanje«, kontrolirano mehani č kimprigušenjem.



136/390

Princip rotora s jednom lopaticom predložen od strane

primijenjen dosljedno na turbini FLAIR, i nadmeće se neke granice, s Hütterovim rotorom s dvije lopatic

glavinom;

Baš kao što je Hütterov koncept realiziran u turbjednolopati č ni rotor bio je osnova za turbinu MONOPTE

3.4.d). Turbina MON 400, prethodnik turbine MONnamijenjena kao »model« za GROWIAN 2 koji je treslijede ć i isti princip, s promjerom rotora od 120 mkapacitetom od 4,2 MW;

Turbina FLAIR kontrolira korak lopatica mehani č k

regulatorom. Turbina WENUS INVENTUS takođ er regulator za ograni č enje izlazne snage. U tom saerodinami č ke sile ovise o brzini vjetra, i inercijske silepovezane s brzinom rotora rade kao regulacijske sile. Sl.tu turbinu kao sustav za crpljenje vode u unutrašnjoj Mong



137/390

Rad bez reduktora jedna je od posebnosti turbine HM

HEIDELBERG MOTOR (sl. 3.9.d). U glavini rotora, ingenerator s podru č jem putuju ć ih valova. HM56 je nadaptirana za specifi č ne potrebe za energetsko napajasustav) istraživa č ke stanice »Georg von NeumayerTrolopati č ni rotor s vertikalnom osi vrtnje (H-Darrieus)robusnu konstrukciju za ekstremne vremenske uvjete.



138/390

Konstruktori vjetroturbina moraju imati na umu neke osobitosti tipi č ne za ovu tehnologiju. Te osobitosti su vsvaki detalj vjetroturbine. Za razliku od korisnika, zvjetroturbine je glavni vibracijski sustav, i tek nakon tpretvorbu energije. Stati č ka optere ć enja svih komponesu dodana visokom dinami č kom udjelu. To nije sastohasti č kim fluktuacijama vjetra, nego i periodi č n

rotacijske brzine i njenih višekratnika;Za dimenzioniranje zamorne č vrsto ć e vjetroturbine,

optere ć enja moraju biti simulirani ciklusi ekstroptere ć enja. Predvi đ eni životni vijek od dvadeset godinominalnom rotacijskom brzinom od 50 okretaja u turbina od 55 kW) i koja radi 5500 sati u godini, (20x50x5500x60x3) ciklusa optere ć enja za trolopati č nmaterijale, poput kompozita, ne postoje pouzdani podzamornoj č vrsto ć i za takvu izdržljivost.

3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine


139/390

Druge zna č ajke vjetroturbina su da razne kompongenerator, pumpa, itd.) rijetko rade u nominalnim uvjetimu djelomi č nom optere ć enju. Mnogi proizvo đ ač i dijelovpouzdane podatke za to podru č je rada. Povrh togkomponenata se mijenjaju ako na rade pri nazivnom opterazloga, potrebno je pažljivo dimenzioniranje cijelogpostizanja maksimalnog energetskog iskorištenja unat

djelomič nom optere ć enju;S obzirom na č injenicu da se energija iz obnovljivih en

č esto zanemaruje kao »jednostavna tehnologija«, razvozahtjeva visoki stupanj interdisciplinarnosti. Veliki broj podru č ja moraju se staviti u njihovu ekspertizu: strojarstvo, dinamika konstrukcija, elektrotehnikakonstrukcije, obrada kompozita, i elektronika. U poenergije vjetra, tehni č ki, vremenski, i povrh svega finanrazvoj pouzdanih i ekonomski u č inkovitih vjetroturbipodcijenjeni i to je dovelo do mnogih velikih prepreka.



140/390

3.3.1 Primjene i nadzorni sustavi

Uzajamna ovisnost primjene i konstrukcijskog konceptveć je spomenuta u poglavlju 3.2. Drugo važno rješdonijeti konstruktor u vezi konstrukcije jest nadzorni biti tehni č ko su č elje izmeđ u primjene ili na č ina ravjetroturbine.

Koncept nadzornog sustava ne obuhva ć a samkontroliranje režima rada vjetroturbine, nego tako đse odnose na ograni č enje izlazne snage i zaštite turbida li ograni č iti izlaznu snagu pasivno zaustavljankontrolom zakretanja lopatica.

Nadzorni sustav je od velike važnosti za konstruiranjbudu ć i da veliki dio radnog i vršnog optere ć enjaslijede od njega: primjerice, optere ć enje na stup vjetrova jako ovisi o sigurnosnom konceptu turbine.



141/390


Već ina vjetroturbina koristi programski kontroliranu

svom nadzornom sustavu. U pravilu, ona dijeli rad č etiri radna podru č ja (sl. 3.10), i ovisno o brzini prijelaz izme đ u tih režima kao i povezane fuosloba đ anje rotora, startanje, sinkronizacija mgeneratora, zakretanje, kontrola izlazne snage, i isklju

Nadalje, sažete su tipi č ne brzine vjetra na visini glavvjetroturbine (VESTAS V27-225):minimalna brzina 3.5 m/snazivna brzina 13.5 m/smaksimalna brzina 25 m/sbrzina preživljavanja cca 70 m/s


142/390


Sl. 3.10 Radno podru č je vjetroturbine VESTAS V


143/390


Raspodjela vjetra dana na sl. 3.10 prikazuje da vjetroto položaju i vrsti turbine - radi i do 75% vremdjelomič nog optere ć enja, tj. bez ograni č enja izlazn25%, turbina je isklju č ena ili radi u režimu tzv. nominkontrolom izlazne snage (npr. regulacijom koraka lopatlokacije, rad u režimu nominalne snage teško daukupnog vremena. Udio olujnih vjetrova (>20 m/s) j

Vjetroturbine su obi č no isklju č ene uslijed takvih ekvjetra s obzirom da uzrokuju visoka optere ć enja na t


144/390


145/390


146/390


3.3.2 Osnovni podaci

Slično nadzornom sustavu, osnovne dimenzije definirane su na po č etku, i usko su povezane s budu

turbine. Za zadanu prora č unsku snagu, potrebni prmože se približno ocijeniti sljede ć om jednadžbom:

23

42 DvcP

N DT P N

π ρ η =

gdje se: ρ = 1.2 kg/m3 (gusto ć a zraka);c P = 0.3...0.5 (koeficijent snage)η DT = 0.7...0.9 (iskoristivost pogonskog sustava,

generator)v N = 10...15 m/s (prora č unska brzina vjetra)


147/390


Treba uzeti u obzir da brzina vjetra raste s visinograni č ni sloj atmosfere. To isti č e neposrednu važnostsnagu otvarenu vjetroturbinom. Stoga prora č unsmora biti odre đ ena u skladu s uvjetima vjetra na virotora.

Tablica 3.1 prikazuje nizak stupanj ovisnosti izme đ

i instaliranog kapaciteta generatora. Važnije za dobiveneovisno o u č inkovitosti specifi č nih za turbinu -lokaciji i osnovne dimenzije vjetroturbine (promjer, vi3.11). Odluka o dimenziji generatora ovisi više o filozoindividualnog projektanta (npr. dimenzioniranje za poslabog vjetra). Stoga to nije mjera dobivene snage koju


148/390

S. 3.11 Osnovni podaci za velike, srednje i vjetroturbine (GROWIAN, Enercon-32, Vestas



149/390

3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente3.4 Rotor

U ovom ć e potpoglavlju biti razmatrane op ć enirotora, kao što su:

orijentacija njegove osi vrtnje;njegova pozicija u odnosu na stup;omjer obodne brzine na vrhu lopatice i brzine vjetra ili

broja lopatica.Geometrija i konstrukcija same lopatice kao i konstrukc

uč vrš ć enje lopatica za glavno vratilo bit ć e razmatranpotpoglavlja;Orijentacija osi vrtnje je jedan od temeljnih razlik

vjetroturbina:najve ć i broj turbina su ure đ aji s horizontalnom osi v

važne prednosti ure đ aja s vertikalnom osi vrtnje izanemarene, i biti ć e razmatrani kroz poglavlje;

što se ti č e ure đ aja s vertikalnom osi, osnovna razlika izmeđ u Darrieus-ovog tipa (tako đ er poznatog kaolopaticama koje su zakrivljene i imaju oblik konopca za (sl. 3.3.c), i ure đ aja s vertikalnom osi s vertikalnim ravn

poput HM turbine (sl. 3.9.d).


150/390


Za uređ aje s horizontalnom osi vrtnje postoji razlikapoziciju rotora spram stupa:

tzv. uz vjetar rotori (eng. upwind rotor ) gdje se rotor vuobi č ajeniji su;

kod tzv. niz vjetar rotora (eng. downwind rotor ) gdjestupa lopatica periodi č ki prolazi kroz poreme ć eno struja

to stvara buku što je veliki nedostatak za njihovu širu uposim toga, dolazi do smanjenja aerodinamskih sila kod

kroz “mrtvo” podru č je iza stupu što dovodi do dodatnooptere ć enja na takvim turbinama;

prednost niz vjetar principa je op ć enito moguzakretanja koje je, ipak, korišteno samo kod manjih turbin

tako đ er su velike turbine, poput GROWIAN-a ili WTS-kao downwind -turbine (s aktivnim zakretanjam) iz vrijeme udara vjetra, zbog elasti č nih lopatica rotorglavine rotora, lopatice mogu udariti u stup ukoliko je rispred njega.


151/390


Brzina rotora je - sli č no ostalim glavnim dimenzijaglavnih konstrukcijskih parametara vjetroturbine. Snaga vj

n M M P π 2=Ω=

jednaka je okretnom momentu rotora M pomnoženim rotora n= Ω /(2 π ).

Preko λ=2 π nR/v 1=ΩR/v 1, brzina vrtnje rotora povezanbrzina na vrhu koji je uveden kao omjer obodne brzine vbrzine vjetra v 1. Taj omjer je važan parametar za konstrukciju lopatica rotora. Sporohodne turbine imaju λ=1 i ostvaraju veliki okretni moment (npr. zapadnja čpogon stapnih pumpi). Vjetroturbine spojene na mrežu kos omjerom brzina λ= 5 do 8 i ostvaraju veliku brzinu vrtpogon elektri č nog generatora (sl. 3.12).


152/390

Sl. 3.12 Konstrukcijske razlike vjetroturbina s razlomjerima brzina na vrhu lopatica

(zapadnja č ka vjetrenja č a, IPAT-ova turbina s “jedNORDTANK 150XLR, VENTIS 20-100, FL



153/390

Kako je λ ~n/v , turbine s fiksnom brzinom vrtnje imakoji varira s brzinom vjetra i mogu, prema tome, dose(projektna vrijednost za njezinu aerodinami č ku konstodre đ enoj brzini vjetra.

Usporedbe radi, turbine s promjenjivom brzinom širokom podru č ju brzina vjetra kod omjera brzina utvr đ en za aerodinami č ku optimizaciju lopatica

promjenjivom brzinom je prednost za u č inkovitost rosofisticiraniji pristup sustavu kako bi se osiguralo napakonstantnom frekvencijom od 50 ili 60 Hz.

Vjetroturbine s niskim omjerom brzina imaju veliki pozbog toga, zahtijevaju visoku č vrsto ć u lopatica (sl. visoko optere ć enje rotora na stup kad je turbina iskrazloga, rotor mora biti okrenut od vjetra prilikom isklju

Vjetroturbine s visokim omjerom brzina ne moraju bitii trebaju samo nekoliko tankih lopatica.

One s λ>8 (FLAIR s λ=11) više se ne grade. Razpovezana je s omjerom brzina na vrhu lopatice: približ

potencijom.



154/390

Broj lopatica rotora indirektno je povezan s omjerom bUslijed niskog omjera brzina, zapadnja č ke vjetrevisoku č vrsto ć u. Zbog toga su č esto izvedene s dvadlopatica koje su izra đ ene od tankih limova.

Brzohodni rotori vjetroturbina za pogon elektri č nuglavnom izvedeni s tri, ali tako đ er i s dvije ili člopaticom. Moraju biti izvedene od visokokvalitetnih

profila kako bi se osigurala visoka proizvodnja snage.Jedan razlog za mali broj lopatica je visoka cijena tiobič no je cijena rotora s tri lopatice oko 20% ukupne Zato su sve prve generacije turbina snage megawatdvolopati č nim rotorima (sl. 3.4).



155/390

Zbog jednolikije raspodjele težine po površini zahvata tri lopatice su dinami č ki ujedna č eniji. Dvolopatič ni inercijski moment nasuprot zakretanju gondole oko osi stu

Jednolopati č ni rotor mora dodatno savladati dinamiaerodinami č ke sile na lopaticu nisu kompenzirane drugkao kod dvolopati č nog rotora;

Trolopati č ni rotor je onaj koji se giba, u dinami č k

diska i zbog toga ujedna č eno - tako đ er i u vizualnom smZa jednolopati č ni rotor koji ima izgled 'zamašne toljagda ima iritantan utjecaj na krajolik;

Tako đ er dvolopati č ni se giba vizualno 'izvan centra'.



156/390

Konstrukcija lopatice pojedinog rotora odre đ enaerodinamskim profilom, vanjskom geometrijom materijalima.

Različ iti omjeri brzina na vrhu lopatice zahtiaerodinamski savršene lopatice (više u Poglavlju 5)vjetrenja č e koriste dijelove savinute plo č e dok vproizvode elektri č nu energiju koriste aerodinamske pr

uzgonom s vrlo povoljnim omjerom koeficijenta uzgonotpora (omjer uzgon-otpor). Aerodinamski profili serNACA-63 vrlo su popularni.

Zahtijevana aerodinamska kvaliteta lopatica utvproizvodnje i materijal lopatice. Jednostavan profil sporihvjetrenja č a ra đ en je od savijenih č elič nih plo č a. Svjetroturbine IPAT ( λ ≈2; sl. 3.8.a) imaju “jedro”“jarbola”. Jedro je geometrijski odre đ eno fiksnim rubpolumjeru i vezivanjem na unutrašnjem polumjeru. Sstvara oblik profila.

3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente3.5 Konstrukcija lopatica rotora i materijali


157/390

Profili brzohodnih turbina su pretežno lamelirani korojač an staklenim vlaknima (GFRP), ili u novije vrijeme karbonskim vlaknima (CFRP). Iako je CFRP skuplji, nč vrsto ć a je tri puta ve ć a (sl. 3.13.a) i zbog toga su ikonstrukciju.

3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente3.5 Konstrukcija lopatica rotora i materijali

Sl. 3.13 Zamorna č vrsto ć a GFRP i CFRP i popre č ni presjek 12 m duge lopatice (b)


158/390

Pri

Documents

Vjetroturbine i Postrojenja