zavrsni 2[1](3)

1 Uvod

Korištenje energije vjetra se prvi puta javlja prije 5500 godina kada su ljudi postavili jedra na brodove i putovali povjeravajući svoje živote nepredvidivom izvoru energije. Može se reči da je na neki način vjetar pokrenuo eru istraživanja i omogućio prenos robe i dobara u neslučenim količinama na velike udaljenosti. Dugo vremena nakon prvih jedara uslijedilo je korištenje energije vjetra za obavljanje mehaničkog rada tj. za pokretanje mlinova i pumpi posebno u Holandiji, na Srednjem istoku, SAD i Australiji. Prvi uređaji pokretani vjetrom napravljeni su s namjerom da automatiziraju i olakšaju procese mljevenja pšenice i pumpanja vode. Najstariji poznati uređaji pojavili su se u Perziji oko 200 godina p.n.e. Između 5. i 9. stoljeća n.e u Perziji se pojavljuju uređaji koji su koristili dizajn sa vertikalnom osom vrtnje. Pretpostavlja se da su ove vertikalne turbine korištene za pumpanje vode. Prve vjetrenjače pojavljuju se u Zapadnoj Europi u 14. stoljeću i koriste dizajn sa horizontalnom osom vrtnje. Sve do kraja 19. stoljeća vjetrenjače se i dalje koriste za mljevenje pšenice i pumpanje vode, a najviše ih je bilo u Europi (Danska i Holandija, slika1b), te u Perziji i Afganistanu. Na slici 1a je prikazana vjetrenjača sa karakterističnim krilima locirana u Engleskoj.

Mašinski fakultet Sarajevo 1

Slika 1a Drvena vjetrenjače iz Engleske, 1b. Vjetrenjače iz Nizozemske

Na slici 2 prikazana je vjetrenjača u Francuskoj konstruirana otprilike 1300. godine. Ta se vjetrenjača u obliku tornja sastojala od tornja zidane konstrukcije, u kojem se nalazilo mlinsko kamenje i ostala pripadajuća oprema. Prema vjetru se okretao samo krov ili "kapa" koji je nosio krila. Okretanje kape odnosno podešavanje krila prema struji vjetra izvodilo se pomoću repa ugrađenog sa zadnje strane ili pomoću poluge ugrađene unutar prostora tornja odnosno kape. Sačuvano je nekoliko srednjovjekovnih ilustracija toga tipa. Jedna je od njih prikazana na staklenom prozoru crkve Stoke-by-Clare u Suffolku, a potječe iz 1470. godine.

Slika 2. Vjerenjače na zapadu Francuske

Vjetrenjače su postale važni tehnički uređaji u svim evropskim gradovima koji nisu imali tekuće vode potrebne za mljevenje žitarica. Prvu vjetroturbinu s namjenom proizvodnje električne energije izgradio je Charles F. Brush u američkom gradu Clevelandu u Ohiu. Ta vjetrenjača imala je promjer od 17 m i 144 lopatice od cerovog drveta. Dane Poul La Cour je razvio prvu vjetroturbinu 1891. godine koja je pratila načela aerodinamičkog dizajna.Predhodnica savremenih tubina sa horizontalnom osom je puštena u pogon 1931. godine u Jalti, na području bivšeg SSSR-a. Bio je to 100 kW generator priključen na 6,3 kV mrežu.Tokom sedamdesetih i osamdesetih godina prošlog stoljeća, vjetroagregati su prešli sa kućne i poljoprivredne upotrebe na masovniju upotrebu izgradnjom vjetroparkova vjetroturbina sa jedinicama od 50 kW do 600 kW. Do ranih devedesetih većina vjetroturbinskih instalacija se odnosila na Kaliforniju, gdje gradnja vjetroelektrana doživljava pravi procvat, ali se pojavljuju i neki loši dizajnerski koncepti (primjerice Mehrkam) ili nedovoljno razvijeni koncepti (ESI-54). U Europi i Aziji gradijent porasta


korištenja vjetroagregata bio je u blagom porastu tokom osamdesetih i devedesetih godina. Veća cijena električne energije i raspoloživost resursa vjetra stvorili su malo ali stabilno tržište u Sjevernoj Europi . Nakon 1990. godine tržište se većinom premjestilo na Europu i Aziju, te je instalirano više hiljada MW iz vjetroelektrana.Vjetroelektrane sa vertikalnom osom od Savonijusa i Darijusa su prikazane na slici 2.1.a i b) i Darrieus rotora (1929, slika 1.3c).uskladi tekst i slike Kao i kasnije verzije istočnjačkih vjetrenjača, one koriste - djelimično ili u cjelini - uzgonsku silu kao pokretačku snagu..

a) Savonius rotor b) Darrieus rotor c) H-Darrieus rotor

Slika 1.3 a) Savonius, b), c) Darrieus vjetrenjačePAŽNJA! Ovo sve treba razumno uraditi a ne copy, paste.

1.1 Potrošnja energetskih resursa u svijetu Energetski resursi su od davnina igrali glavnu ulogu u razvoju ljudske civilizacije. Od industrijske revolucije, energija predstavlja pogonsku snagu u razvoju moderne civilizacije. Razvoj tehnologije, potrosnja energije, te porast broja stanovnika u svijetu su medusobno ovisni.Potrebe za energijom su u 19. vijeku bile veoma skromne. Prve kompanije u SAD-u za proizvodnju plina i nafte utemeljene su 60-ih godina 19. vijeka. Prvi Fordovi pogoni napravljeni 1910. godine zahtijevali su za svoj rad trostruko vise energije od one koju su 1850. godine proizvodili Britanci u svojim prvim rafinerijama. Nakon Prvog svjetskog rata proizvodnja i potreba za energijom su bile ispod 10.000 TWh. Od 1945. do 2000. godine potrebe za energijom su se eksponencijalno uvecavale.Na slici 1.1. prikazana je potrosnja primarne energije po vrstama goriva u svijetu od 1850. do 2006. godine. Iz slike se vidi da je potrosnja svih primamih energenata u tom periodu konstantno rasla, pri cernu je koristenje nekih energetskih izvora dozivjelo izrazito veliku ekspanziju u odredenim periodima. Ovo se prije svega odnosi na naftu i prirodni plin. Takode iz slike se mogu uociti cetiri karakteristicna perioda:

1850 -1910. - porast ukupne potrosnje energije, kroz povecani gradijent potrosnje uglja te blazi porast hidroenergije i biomase,


1910-1940. - povecani gradijent proizvodnje ukupne energije, uz povecani porast gradijenta potrosnje nafte i uglja te blazi porast potrosnje prirodnog gasa i obnovljive energije, prvenstveno biomase,

1940-1970. - izrazit porast gradijenta potrosnje svih energenata, a posebno nafte i prirodnog gasa, te pocetak povecanja gradijenta nuklearne energije i pocetak znacajnijeg razvoja koristenja obnovljivih izvora energije,

1970-2006. - porast ukupne potrosnje energije, blazi gradijent potrosnje uglja, hidroenergije, nafte i povecanje gradijenta potrosnje prirodnog plina i nuklearne energije te izrazenije povecanje koristenja obnovljivih izvora energije, prije svega energije vjetra.

2006-2011.blagi porast ukupne potrošnje energije,izrazit porast dobijanja energije iz obnovljivih izvora,naročito iz vjetra,samnjenje proizvodnje energije iz nuklearnih elektrana.

Do prve energetske krize 1970. jeftina tecna i gasovita goriva obezbijedila su industrijski i tehnoloski razvoj u svijetu. Posljedicno tome, doslo je do pada razvoja novih tehnologija za sagorijevanje uglja i drugih cvrstih goriva, jer su za nove tehnologije sagorijevanja uglja zainteresirani bili uglavnom rudnici i njihove asocijacije. To nije bilo dovoljno da se obezbijedi brzi razvoj novih tehnologija za sagorijevanje uglja i da se ocuva raniji dominantan znacaj uglja u proizvodnji energije. Slicno se desilo sa razvojem tehnologija proizvodnje elektricne energije iz obnovljivih izvora, ukljucujuci i energiju vjetra.Energetska kriza 70-ih godina proslog vijeka, izazvana poskupljenjem tecnih i gasovitih goriva, primorala je razvijene zemlje da osmisle novu energetsku strategiju. Ukratko, zagovara se oslanjanje na domace energetske resurse, ponovno uvodenje uglja u proizvodnju energije, ravnomjerno oslanjanje na vise snabdbjevaca gorivom i stimulisanje razvoja i proizvodnje sopstvene energetske opreme.


Slika 1.2 Potrošnja primarnih energenat u svijetu

Stoga se postrojenja koja sagorijevaju ugalj kao stratesko gorivo moderniziraju s konacnim ciljem da se priblize ili izjednace sa visokim nivoom opreme za tecna i gasovita goriva, te da ispune sljedece zahtjeve:

efikasno i ekonomicno sagorijevanje nekvalitetnih ugljeva sa velikim procentom pepela (do 70%),,vlage (do 60%) i sumpora (6-10%),

efikasno sagorijevanje raznih otpadnih goriva, biomase, industrijskog i gradskog otpada,visoka efikasnost sagorijevanja (>99%),

veca fleksibilnost kotlova u odnosu na vrstu i kvalitet uglja i mogucnost

istovremenog ili naizmjenicnog sagorijevanja razlicitih goriva, veca fleksibilnost opterecenja u zavisnosti od potrebe mreze potrosaca (20-

100%), odnosno od elektro energetskog sistema (EES), automatski start i automatsko vodenje postrojenja, efikasna okolinska zastita kroz dovodenje emisije polutanata u EU standarde, visoka raspolozivost i pouzdanost postrojenja.

I u tom periodu nije se mnogo racunalo na proizvodnju energije iz obnovljivih izvora. Tek krajem 80- ih godina proslog vijeka ubrzano se radi na razvoju proizvodnje energije iz obnovljivih izvora.

1.2 Aktivnosti za projektovanje vjetroelektrana

Prva moderna vjetroturbina sa specijalno dizajniranim generatorom je konstruisana 1890. godine u Danskoj. Konačno, u eri energetske krize 1973. godine dolazi do ubrzanog istraživanja potencijala vjetra i razvojnih tehnologija. U tom periodu NASA pokreće izgradnju velikih vjetrogeneratora. Kao rezultat razvijene su serije turbina sa horizontalnim vratilom, tzv. MOD-O, MOD-1, MOD-2 i MOD-5. U istom periodu razvija se projekat Darrieusove vjetroturbine u različitim veličinamaPrvi pokušaji korištenja vjetroturbina s aerodinamičkim oblikom lopatica za proizvodnju električne energije,su prije pola stolječa pravljene. Pored proračuna i dizajna velikih projekata u 40-tih godina prošlog stoljeća od strane njemačkih inženjera Kleinhenz i Honnef , treba spomenuti amerikaca Smith-Putnama koji je napravio vjetroturbinu nazivne snage 1250 W, 53 m prečnik rotora, 1941), Gedser-vjetroturbine u Danskoj sa nazinom snagom od 200 W, 24 mprečnik rotora,1957 kao i tehnički inovatorHutter-Anlage W 34 sa nazivnom snagom 100W i prečnik rotora 34m, 1958 godine.Početkom 50-tih godina je početa serijska proizvodnja vjetroelektrana u Njemakoj.One su dizajnirane kako bi obezbjedili strujom farme koje su bile predaleko od javnih mreža.10 Vjetroturbina je smjesteno na pri obalnim mjestima dok je 6 na kopnu.Njihve aerodimaske lopatice sa precnikom od 10m su uzduž ose bile podesive kako bi bilo moguće regulisanje snage na vjetroelektrani.Neke od ovih postrojenja su jos poslije 50 godina rada jos u funkciji.Nakon prve energetske krize u nekim državama dolazi do brzog razvoja


novih tehnologija vjetroturbina različitih snaga.Najznačajnije su Sjedinjene Američke Države,Swedska i Njemačka u kojima su razvijene turbine do nekoliko MW.Tako da su sa izuzetkom američke MOD-2,američko-swedske WTS-4,kao i njemačke konstrukcije GROWIAN,swedski WTS-75 AEOLUS,dansko postrojenje TVIND i američke varijante na Hawajima MOD-5 pravljeni kao jedinična proizvodnja.Bez obzira na složenost problema pokretanja kod korištenja Pilot postrojenja pokazalo se več tada da će se u bliskoj budučnosti nači tehničko riješenje ovog problema,koji će omogućit siguran pogon velikih vjetroelektrana.Megawatni sistemi druge generacije kao npr.WKA 60 i AEOLUS II su izadzenih bez ovih problema pokretanja.U američkoj saveznoj državi Kaliforniji, Danskoj, Nizozemskoj te u Saveznoj Republici Njemačkoj poduzeti su veliki napori da se energija vjetra najbolje iskoristi za dobijanje energije.Samo u Kaliforniji je 80-tih godina instalirano oko 1500 MW nazivne snage vjetroelektrana,gdje su na pocetku instalirane turbine kategorije od 50 kW.Gradnja uspiješnih sistema preko 100,150,250 i 500 MW je dovelo do razvoja vjetroparkova u megavatnom području.Ovaj razvoj je omogučio pravljenjem serija vjetroelektrana.Znaćajan porast efikasnosti je tako moguće postići.Postepenim povećavanjem snaga ovih sistema je došlo je do znajnih ušteda troškova,koji su se naročitno dobro karakterizirali u dostupnosti i profitabilnosti.

NEG Micon je zadržao klasični Danski koncept regulisanje turbine s asinhronim generatorom spojenim na mrežu do 1,5 MW. Bonus, Nordex i Vestas i GE / TACKE su promijenili konfiguraciju sistema u različitim klasama,posebno na sisteme kontrole turbine i generatorskih sistema.Vjetroelektrane od 3 do 5 megawata su od velikih proizvođača bile dostupna kao prototipovi na tržištu.Firme koje su tek ulazile u proizvodnju vjetroelektrana mogle su koistiti postojeće razvijene tehnike tako da su preskakale prve korake istraživanja vjetroelektrana. DEWIND je počeo razvoj jedne 600kW-ne turbine i jednog generatora sa promjenljivom brzinom okretanja(izrađen sa dvije asinhrone mašine).To što je bilo prije par godina ne isplativo sada je bilo dostupno kod svih vodećih proizovđaća.Razvoj vjetroelektrana su u velikoj velikoj mjeri drzale veća poduzeca.Manja poduzeća su dolazila do svojih finansiskih granica u razvoju megawatnih postrojenja.Sa razvojem 1.5 megavatnom turbinom MD 70 koje su proizveli BWU,FUHRLANDER,JACOBS Energi(današnji Repower Sistems AG)i SUDWIND/NORDEX(također sa duplom asinhronom mašinom),rezultirano sa novim mogućnostima i tržišnim prilikama za manje firme. U području malih turbina s horizntalnom osom velikih brzina poduzeto je već nekoliko pokušaja, uvođenja sisteme s direktnim pogonom generatora na tržištu.To je samo djelomično uspjelo.Mali sistemi s direktno pogonjeni turbinom trajnog magnetom sinkroni generatora se obično koriste kao punjač za baterije.Uspjeh ovakvih sistema se ogleda u lijepom dizajnu i pristupačnoj cijeni kao i jednostvna montaža opreme. Vjetroelektrane sa vertikalnom osom, tzv Darrieus vjetroelektrane su vrlo jednostavne.Oni su u svom glavnom obliku izgrađene s mjenjačem i generatorom u temeljnom području.Prerađeni oblik tzv H-Darrieus turbina je bez mjenjača i izvela se u klasi od 300 kW po prvi put sa rotirajucim tornjem i velikim prstenastim generatorom na tlu. Njihov dalji razvoj doveo je do fiksnih tronožaca i prsten generatora u glanom postrojenju. Međutim ove varijante se nisu mogle na tržistu


primjeniti.Sa horizontalnoosnom turbinom Enercon E 40 je po prvi put uspostavljen sistem s direktnim pogonjenim generatorm klase 500 kW i u najkraćem roku je osvojila tržište.Posebno razvijen generator za ovo postrojenje je direktno povezan s turbinom i ne zahtijeva posebno skladištenje.Tako je habanje mehaničkih komponenata s velikim brzinama smanjen na minimum.Vrijeme rada ovih postrojenja su procijenjena na 180000 radnih sati.Bez prijenosne varijante E 30, E 40, E 58, E 66 i E 112 od Enercona su se pojavili iz predhodnih generacija sa prijenosnikom E 15 / E 16 i E 17 / E 18 sa lopaticama regulisanim uglom turbine .Paralelno s tim, s malim vremenskim kašnjenjem,je prelaz iz tiristora u pulsni pretvarač završen. U odnosu na bez pogonske modele sa električnim pobunjenim sinhronim generatorom omogućuju permnentnomagnetne mašine veći broj polova na opsegu rotora i statora.Korištenjem ovakvih visoko kvalitetnih permanentnih magneta omogućava nam relativno jeftiniju izradu velikih dijelova i efikasnosti rada sistema. Takav jedan sistem Genesys 600 je bio u mogućnosti postići neometan rad tokom nekoliko godina i postići izvrsne rezultate rada. Druga mogućnost, koja je bila namjenjena posebno za velika postrojenja sa malim brojem obrtaja, predstavlja kombinaciju niskoobrtnog generatora s vise prenosnom turbinom.Jednostepeni prijenosnik daje 8 puta veći val na vratilu generatora pri okretanju turbine od 100 obrtaja u minuti. Tako je bilo moguće 5 generatora kompaktnije, tehnički i jeftinije upotrebit.Drugo veliko postrojenje sa 5 generatora i 125 m presjek rotora je postrojenje 5M turbine iz REpower. U ovom sistemu upotrebljava se dvostruki asinhroni generator sa srednonaponskom izolacijom za niski napon (950V ili 690V statora rotora ).U 80-im godinama prošlog vijeka vjetroturbine koje su bile konektovane na mrežu preko indukcionih generatora su najviše bile u proizvodnji. Rotacione brzine kod ovih klasičnih turbinskih dizajna od danskih proizvođača su se održavale približno konstantnim pošto su turbine bile direktno povezane na mrežu preko generatora. Ove turbine su upravljane aerodinamički (stali controlled) - bez potrebe za zakretanjem lopatica. Vrhovi lopatica ovih turbina se koriste kao spojleri za kočenje, što je prikazano na slici 1.5.

Slika 1.5 Bazni dizajn Danskih vjetroturbina sa induktivnim generatorom i konstantnom


rotacionom brzinom

U 90-im godinama, uglavnom u Njemačkoj, razvijene su turbine koje rade pri promjenljivim brzinama vjetra. Ovaj tip turbina je proizveden u velikim količinama. Rotorom se upravlja zakretanjem lopatica da bi se spriječila prekomjerna brzina. Veliki sinhroni generatori su često kuplovani na rotor bez reduktora - oni proizvode električnu energiju različite frekvencije (50-60Hz) preko naizmjenično- istosmjerno-naizmjeničnog konvertora (ac-dc-ac) ili dvostrukog napajanja koristeći multiplikator za pogon generatora, sto je prikazano na slikama 1.6 b, c. Na slici 1.6 a, prikazana je izvedba induktivnog generatora sa multiplikatorom.Danski sistem sa konstantnim rotacionim brzinama je vrlo jednostavan i izdržljiv. Mašine sa različitim brzinama su fleksibilnije u njihovoj adaptaciji na mrežu ali zahtijevaju sofisticiraniju tehnologiju upravljanja. Oba dizajna se koriste čak i u visoko-opterećenim mašinama sa rotorskim prečnikom od 70 m i više. Sa ovim tipovima mašina mali ali inovativni proizvođači su korak po korak uspjeli u izgradnji vjetroturbina snage koje velike industrijske firme u SAD-u i Njemačkoj nisu uspjele napraviti prije 20 godina.

Slika 1.6 a, b, c - Izvedbe vjetrogeneratora sa asinhronim i sinhronim generatorom

1.3 Mogučnosti iskorištenja vjetropotencijala u BIH

Procjena potencijalnih lokacija za vjetroelektrane u BiH rezultovala je popisom 30 lokacija na području južnog dijela BiH u pojasu od oko 50 km uz granicu s Hrvatskom,koje po svim posmatranim karakteristikama predstavljaju najveći vjetropotencijal na području BiH. Ukupan potencijal posmatranih lokacija, sa gledišta raspoloživosti prostora procijenjen je na oko 900 MW. Ukupan tehnički potencijal za korištenje energije vjetra Bosne i Hercegovine znatno je većii procjenjuje se na cca 2000 MW, pri čemu treba voditi računa da je spomenuti iznos proizašao iz sagledavanja raspoloživosti prikladnih prostora za vjetroelektrane na prostoru BiH, ne uzimajući u obzir eventualna ograničenja(priključak na mrežu, zaštita okoliša i dr.). Procjena je da bi realan cilj korištenja energije vjetra u 2015. godini trebalo postaviti između 400 i 600 MW.Prva mjerenja karakteristika vjetra započela su u aprilu 2002.godine na lokaciji Sveta gora – Podveležje od strane konzorcija čiji su partneri bili kompanija Windkraft iz


Simonsfeld-a (Austrija) i Univerzitet Džemal Bijedić iz Mostara. Na spomenutom su području vršena mjerenja na 10 mikrolokacija, između ostalog i specijaliziranom opremom SODAR i LIDAR s ciljem utvrđivanja

vertikalnog profila vjetra..U vremenu od 2004.godine do danas na području Hercegovine provedena su mjerenja na tridesetak potencijalnih lokacija u regionu

Hercegovine, čiji rezultati su pokazali izmjerene brzine vjetra koje variraju u rasponu od 7 do 9 m/s. Primjenom

ekstrapolacijskih modela, te stavljanjemrazdoblja mjerenja u kontekst višegodišnjeg razdoblja, na ovim se lokacijama na visini 50 m iznad tla procjenjuje da se,u najvećem broju slučajeva, mogu očekivati srednje godišnje brzine u intervalu od 6 do 8

m/s. Stoga se područje juga Bosne i Hercegovine može smatrati najperspektivnijim za

razvoj vjetroelektrana. Prema raspoloživim podacima,trenutno je u nekoj od faza realizacije 20-ak projekata vjetroelektrana većih snaga. Analizom raspoloživih podloga i karata,

međutim, utvrđeno je da su mogućnosti što se tiče

raspoloživih prostora znatno veće.Potencijalne lokacije sa pripadajućim procjenjenim instaliranim kapacitetima su

sljedeće:

Mašinski fakultet Sarajevo

• Mostar-Velika Vlajna-Jastrebinka-Raška Gora-Krešić Gaj-Jasenjani-Podveležje-Pločno-Bahtijevica

• Tomislavgrad-Ugrovaca-Duvanjsko polje

• Livno-Borova glava-Cincar

• Kupres-Debelo brdo-Zlo selo-Šuica-Ravanska vrata-Filipovića polje

• Glamoč

• Bosansko Grahovo-Medenopolje

• Stolac-Hrgud-Dabarsko polje

• Čapljina-Hrasno

• Trebinje-Popovo Polje

• Nevesinje-Morine-Kruševljani-Grebak

42 MW (procjena)20 MW (procjena)20 MW (procjena)20 MW (procjena)20-30 MW (procjena)160-180 MW (procjena)20 MW (procjena)30 MW (procjena)

Lokacija Instalirani kapaciteti u MW (procjena)

40 MW (procjena)50 – 90 MW (procjena)

30 MW (procjena)30-40 MW (procjena)

20-30 MW (procjena)20-30 MW (procjena)20-30 MW (procjena)20-30 MW (procjena)20 MW (procjena)

20-30 MW (procjena)

20-30 MW (procjena)

20 MW (procjena)20 MW (procjena)

20 – 30 MW (procjena)

50– 60 MW (procjena)

150 MW (procjena)20-30 MW (procjena)20-30 MW (procjena)

• BerkovićiGornja Trusina 20 MW (procjena)

9

Krajem septembra 2010.godine položen je kamen temeljac za izgradnju vjetroelektrane Mesihovina u blizini Tomislavgrada, koja će imati 22 vjetroturbine. VE"Mesihovina" ća sa svojom investicijskom vrijednošću od 78 miliona eura, instalisanim kapacitetom od 44 do 66 MW,očekivanom neto godišnjom proizvodnjom od 128 do146 GWh električne energije, faktorom korištenja kapaciteta 33 posto, koji je iznad evropskog prosjeka, služiti kao primjerkorištenja golemog potencijala obnovljivih izvora energije u BiH."Elektroprivreda BiH", planira realizaciju vjetroparka na lokaciji Podveležje-Mostar, u centru Hercegovačko-neretvanskog Kantona. Vjetroelektrana minimalne snage32MW sadrži 16 vjetroagregata, minimalne instalisane snage svakog vjetroagregata od po 2 MW. Izgradnja je podjeljena u dvije faze, pa će u prvoj fazi ove godine biti izgrađena I puštena u pogon dva vjetroagregata, dok će druga faza - izgradnja i puštanje u pogon dodatnih 14 vjetroagregata, biti okončana u 2012.godini.Ukupna


godišnja proizvodnja električne energije iz ovog vjetroparka je oko 70 GWh.

1.5 Instalisani kapaciteti vjetroelektrana

Porast instalisane snage vjetroturbina je evidentan, počevši od 1992. godine 2220 MW. krajem 2006. godine 74 328 MW i, na kraju 2008. godine 121 183 MW sa proizvodnjom od 260 TWh. Na slici 1.10 prikazani su ukupno instalisani vjetrokapaciteti u svijetu u periodu od 1997. do 2008. sa procjenom do 2010. godine.Međutim ova procijena za 2010 godinu nije ostvarena,nego je ukupno instalisana snaga vjetroelektrana u sijetu krajem 2010 godine iznosila 196.630 MW sa daljim trendom povečanja.

Slika 1.10 Ukupno instalisani vjetrokapaciteti u svijetu

Na pozitivno iznenađenje je Kina preuzela vodeće mjesto u instalisanim kapacitetima vjetroelektrana sa oko 44,733 MW instalisane snage .Na sledećoj tabeli date vrijednosti instalisanih vjetroelektrana po svijetu.


Tabela 1.1 Prikaz instalisanih vjetropelektrana u svijetu

2 Dizajni vjetroturbina (opis, šeme i ilustracije)

Raspoloživa snaga struje vjetraKinetička energija raspoloživa u vjetru predstavlja kinetičku energiju velikih zračnih masa koje se kreću iznad zemljine površine. Ove zračne mase krećući se kroz lopatični prostor turbine predaju dio kinetičke energije koja se transformiše u mehanički rad ili dalje u električnu energiju, zavisno od želje potrošača. Posebno u prošlosti mehanička energija se koristila za pokretanje mlinova za mljevenje žitarica ili za pumpanje vode. Efikasnost konverzije energije vjetra u druge korisne energetske oblike zavisi od efikasnosti interakcije rotorskih lopatica sa strujom vjetra. U ovom poglavlju su prikazani osnovni principi pretvaranja energije vjetra u mehanički rad.Kinetička energija struje zraka mase m i brzine v data je jednačinom:

Ek=

12mv2

3.21


Na slici 3.15 je prikazano strujanje dijela zračne mase debljine h i poprečnog

presjeka A . Ako masu zraka izrazimo kao m=ρ zV=ρ z Ah , gd je je ρ z gustina zraka, A presjek posmatrane zračne struje, h debljina zračne struje usmjerene ka rotoru, raspoloživa kinetička energija dijela zračne mase koji se kreće prema rotoru turbine je izražena jednačinom:

Ek=

12ρ z A⋅h⋅v

2

3.22

Pretpostavljajući da su brzina, gustina i poprečni presjek A konstante, snaga P se dobiva diferenciranjem izraza 3.22 po vremenu:

P=1

2ρ z A

dhdtv2=1

2ρz Av

3

3.23

Snaga po jedinici površine rotora turbine je:

PA

=12ρ zv

3

3.24

Na niže navedenim primjerima prikazane su veličine kvantifikacija kvaliteta izvora vjetra i odgovarjuća efikasnost vjetroelektrane:

PA

<100W

m2 - loša vjetroelktrana zbog male specifične snage

PA

≈400W

m2 - zadovoljavajuća vjetroelektrana

PA

>700W

m2 - značajno dobra vjetroelektrana

Kao što se vidi iz jednačine 3.23, uticajni faktori na snagu struje vjetra su gustina zraka, površina rotora i kubična brzina vjetra. Uticaj brzine vjetra na snagu raste sa trećim stepenom što znači da se povećanjem brzine vjetra 2 puta povećava snaga vjetra 8 puta. Drugim riječima, dvostrukim povećanjem brzine vjetra može se zadržati ista početna snaga rotora ako se površina rotora smanji 8 puta. Takođe


faktori kao temperatura, atmosferski pritisak, nadmorska visina, sadržaj zraka utiču na gustinu zraka.

Slika 3.15 Strujanje zračne mase prema rotoru turbine

Suhi zrak se može posmatrati kao idealan gas. Saglasno zakonu o idealnom gasu slijedi:

3.25

gdje je p pritisak zraka,V zapremina gasa/zraka,m masa gasa,R gasna konstanta i T temperatura gasa.Gustina zraka je :

ρ z=

mV 3.26

Iz jednačine 3.25 i 3.26 slijedi gustina zraka:

ρ z=

pRT 3.27

Ako je nadmorska visina Z i temperatura zraka na terenu T,gustina se moze izračunati pomoću empirijskog izraza:

ρ z=

353 ,049T

e(−0,034

ZT )

3.28

Na slikama 3.16 i 3.17 prikazana je zavisnost gustine zraka od temperature i nadmorske visine respektivno.Vrijednost gustine zraka 1.225 kg/m3 može se uzeti za većinu praktičnih primjera. Vjetroturbine zbog relativno male gustine zraka (oko 800


pV=mRT

puta manja od vode) imaju velike dimenzije osnovnih elemenata rotora i tornja. Obzirom da najveći uticaj na povećanje snage ima brzina vjetra, izbor lokacije u odnosu na brzinu vjetra igra glavnu ulogu u uspješnosti projekta vjetroturbine.

Slika 3.16 Zavisnost gustine zraka od temperature zraka za atmosferski pritisak

Slika 3.17 Zavisnost gustine od nadmorske visine za temperaturu 293 K

2 Klasifikacija vjetroturbinaOd početka razvoja energetskih tehnologija vjetra u različitim dijelovima svijeta dizajnirano je i razvijeno nekoliko tipova i oblika vjetroturbina. Na slikama 2.1 i 2.2 prikazane su razne konstrukcije horizontalnih i vertikalnih turbina respektivno, koje koriste primarno silu otpora (drag force) ili primarno uzgonsku silu (lift force), ili kombinaciju djelovanja ovih dviju sila. Na slici 2.2 prikazane su razne forme Savoniusovih i Dariusovih turbina te drugih izvedbenih dizajna (deflektor, venturi sistem kod iskorištenja solarne energije itd.).

Zasnovane na aerodinamskoj sili, vjetrourbine se klasifikuju kao uzgonske i otporne turbine. Turbine koje pretežno rade djelovanjem sile uzgona nazivaju se uzgonske, a one koje rade djelovanjem sile otpora otporne turbine. Uvijek je od prednosti da se koristi uzgonska sila za pokretanje turbine. Vjetroturbine su dostupne u različitim veličinama od nekoliko kW do nekoliko MW. Zavisno od veličine, turbine se mogu podijeliti na male (< 25 kW), srednje (25-100 kW), velike (100-1000 kW) i veoma velike (> 1000 kW) mašine.

2.1 Vjetroturbine sa horizontalnom osom

Vjetroturbine sa horizontalnom osom (Horizontal axis wind turbines - HAWT) prikazane na slikama 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, i 2.5 imaju horizontalnu osu rotacije u odnosu na zemlju i skoro paralelnu osu sa strujom vjetra. Većina komercijalnih vjetroturbina spada u ovu kategoriju. Općenito one pokazuju relativno visok koeficijent snage. S obzirom na to da se generator i multiplikator ovih turbina moraju


postaviti iznad stuba, ova konstrukcija postaje ne samo kompleksnija nego i skuplja. Drugi nedostatak je potreba uređaja za orijentaciju turbine u pravcu vjetra i zakretnog uređaja rotora turbine.

Slika 2.1 Razne konstrukcije horizontalnih vjetroturbinaZavisno od broja lopatica, vjetroturbine sa horizontalnom osom se dalje klasificiraju kao jednolopatične, dvolopatične, trolopatične i višelopatične, kao što je prikazano na slici 2.3. Jednolopatične turbine su jeftinije zbog uštede u lopatičnom materijalu. Kod ovih turbina gubici otpora su takođe minimalni. Potrebno je napomenuti da se mora izvršiti balansiranje lopatice postavljanjem protivtega na suprotnoj strani glavčine ali zbog mogućih problema kod balansiranja i zbog vizuelnog efekta jednolopatične konstrukcije nisu popularne. Dvolopatične turbine takođe imaju ove nedostatke, ali u manjem obimu.Većina sadašnjih komercijalnih turbina korištenih za proizvodnju električne energije ima tri lopatice. One su stabilnije budući da je aerodinamičko opterećenje uniformnije. Turbine sa većim brojem lopatica prikazane na slici 2.3 mogu imati 6, 8, 12, 18 ili više lopatica i takođe su prisutne na tržištu. Teoretski, turbine sa različitim brojem lopatica ostvaruju jednaku snagu pri jednakim prečnicima i istom brzinom vjetra.



Slika 2.3 a) Vjetroturbina sa horizontalnom osom, b)Jednolopatična,dvolopatična,trolopatična i višelopatična turbina

Slika 2.4 Jednolopatična turbina (lijevo),Dvolopatična turbina(desno)

Međutim, u stvarnosti aerodinamički gubici su veći za turbine sa više lopatica i već snaga se može očekivati na turbinama sa manje lopatica. Prednost višelopatičnih turbina je u većoj krutosti turbine (solidity), gdje se krutost turbine definiše kao odnos između stvarne površine lopatice i površine koju zahvata rotor turbine. Neke primjene, kao što je pumpanje vode i mljevenje žitarica, zahtijevaju veliki početni moment, odnosno primjenu višelopatičnih rotora kod kojih je moment potreban za startanje 3 do 4 puta veći od radnog momenta. Višelopatični rotori se mogu lako pokrenuti pošto veća površina rotora dolazi u interakciju sa vjetrom u početnom trenutku. Neke konstrukcije sa niskom krutosti imaju vanjski pogon za startanje.


Može se zaključiti da je za povećanje početnog momenta potrebno povećati krutost rotora odnosno upotrijebiti višelopatične rotore.Na osnovu pravca orijentacije prema vjetru, vjetroturbine sa horizontalnom osom se mogu klasifikovati kao vjetroturbine čija prednja strana je okrenuta uz vjetar (upwind) i vjetroturbine okrenute niz vjetar (downwind), prikazano na slici 2.6.

Slika 2.6 Horizontalne vjetroturbine okrenute uz i niz vjetar(upwind i downwind)

Vjetroturbine uz vjetar imaju rotor okrenut direktno prema vjetru. Kako struja vjetra prvo prolazi kroz rotor, oni nemaju problema zasjenjivanja od strane tornja. U ovom slučaju uređaj za zakretanje rotora je neophodan radi održavanja rotora uvijek u pravcu vjetra. U drugom slučaju, vjetroturbine niz vjetar su fleksibilnije i ne zahtijevaju zakretni uređaj. Kako je rotor u ovom slučaju smješten iza tornja, tj. u zavjetrinskoj strani tornja, pri prolazu kroz sjenu tornja pojavljuje se nejednako opterećenje lopatica.

2.2 Vjetroturbine sa vertikalnom osom

Vjetroturbine sa vertikalnom osom rotacije (vertical axis wind turbine - VAWT) su osom okomite na smjer vjetra, kako se vidi na slikama 2.7-2.10. Vjetroturbina sa vertikalnim vratilom može biti nastrujavana vjetrom iz bilo kojeg pravca i time se komplikovani uređaj za zakretanje rotora može eliminisati. Generator i multiplikator ovakvih sistema mogu biti smješteni na zemlji, što konstrukciju stuba čini jednostavnom i ekonomičnijom. Povrh toga, održavanje turbina može biti izvršeno na zemlji, što ga čini jeftinijim


Slika 2.7 Darius (Darrieus) vjetroturbina

Glavni nedostatak je što ove turbine obično moraju imati mehanizam potreban za start turbine. Postoji mogućnost da se lopatice obrću opasno velikom brzinom uzrokujući havariju ili ispad sistema ako se na odgovarajući način ne kontrolišu. Dalje, potrebna su žičana užad za obezbjeđenje konstrukcije stuba, što može predstavljati praktične teškoće. Karakteristike Dariusovog, Savoniusovog i Mazgrovljevog rotora opisane su u daljnjem tekstu.Darrieusov rotor

Darrieusov rotor, nazvan po svom izumitelju Georges Jeans Darrieus, radi djelovanjem sile uzgona aeroprofila što se vidi na slici 2.7. U originalnom dizajnu lopatice su oblikovane kao mućkalica za jaja ili uže za preskakanje i nalaze se pod malim naprezanjem u toku rada. Ova tipična konfiguracija lopatica pomaže minimiziranju naprezanja savijanja lopatica. Postoji nekoliko varijacija u konstrukciji Darrieus od kojih su neke sa pravim vertikalnim lopaticama, obično nazvane Giromills. Darrieusov rotor obično radi pri visokim odnosom brzine vrha A što ga čini atraktivnim za generatore električne energije. Međutim, nije samostartan i zahtijeva vanjsku pobudu za početak rada.Savoniusov rotor

Savoniusova vjetroturbina, izumljena od strane S.J. Savonius, je turbina sa vertikalnim rotorom koji se sastoji od dvije polucilindrične ili eliptične lopatice u obliku slova S što se vidi na slikama 2.8. Osnovna pokretačka sila Savoniusova rotora jeste sila otpora. Koeficijent otpora konkavne površine je veći od konveksne površine. Tako će polucilindar sa konkavne strane okrenute vjetru imati veću silu otpora nego drugi cilindar , uzrokujući time obrtanje rotora. Ponekad dva ili više rotora fiksirana jedan iznad drugog pomjerene za 90 stepeni mogu se koristiti za ublažavanje fluktuacija momenta tokom rotacije. Drugi način za poboljšanje efikasnosti jeste pričvršćivanje deflektora za rotor. Deflektor prekriva konveksnu


stranu okrenutu vjetru i usmjerava protok na konkavnu stranu na taj način poboljšavajući efikasnost

Slika 2.8 Prikaz sila na Darijusovoj vjetroturbini(lijevo),Savoni vjetroturbina(desno)

S obzirom na to da je ovaj tip mašine baziran na sili otpora, Savoniusovi rotori imaju relativno niži stepen snage. Međutim, neki eksperimentalni rotori posjeduju koeficijent snage do 35%. Ovi rotori imaju visoku krutost i time visok početni momenat. Rade pri niskom odnosu brzine vrha

λ, sa maksimumom od 1. Vrlo su

jednostavne konstrukcije - čak mogu biti izrađeni od bačvi ulja isječenih na dvije polovice po dužini. Stoga se preferiraju za primjenu gdje se zahtijeva veliki moment i niska brzina kao što je pumpanje vode.

Mazgrovljev (Musgrove) rotor

Mazgrovljev (Musgrove) rotor je razvijen istraživanjem tima pod vodstvom prof. Musgrovea na Reading University, Velika Britanija. On je u osnovi uzgonski uređaj s vertikalnim vratilom s lopaticama oblika slova 'H' i centralnim vratilom (slika 2.13). Pri velikim brzinama vjetra rotor se širi i obrće oko horizontalne tačke uslijed centrifugalne sile. Ovo eliminiše rizik većih aerodinamičkih sila na lopaticama i konstrukciji.


Slika 2.10 Princip Mazgrovljeve turbine

Efikasnost s kojom rotor može preuzeti snagu iz vjetra zavisi od efikasnosti interakcije između rotora i struje vjetra. Stoga se efikasnost rotora obično karakteriše promjenom koeficijenta snage sa odnosom brzina λ . Kako su oba ova parametra bezdimenzionalna, Cp -λ kriva će predstavljati efikasnost rotora nezavisno od veličine rotora i parametara lokacije. Kada se jednom ovaj odnos utvrdi za tipičnu konstrukciju rotora, može se dalje prenijeti na krivu brzina snaga rotora za praktičnu primjenu.

Slika 2.11 Karakteristike efikasnosti vjetroturbina

Tipične CP -λ krive za različite rotore su predstavljene na slici 2.11 i 2.12. Koeficijent snage turbine raste sa odnosom brzina λ , dostiže maksimum, i potom se smanjuje sa daljnjim povećanjem odnosa brzina λ . Ove varijacije CP-a sa odnosom brzina zavise od nekoliko konstrukcijskih karakteristika rotora. Američki višelopatični rotori pokazuju najmanji koeficijent snage i rade pri malom odnosu brzina. Tipična vrijednost za koeficijent vršne snage kod.ovih rotora može biti 14% pri odnosu brzina 0,8. Međutim, oni imaju visoku krutost (solidity), i stoga visok početni moment


koji ih čini atraktivnim za pumpanje vode. Turbine sa dvo ili trolopatičnim rotorom i Dariusovom konstrukcijom rade pri većim odnosom brzina i pokazuju bolji stepen iskorištenja. Zbog toga su ove turbine podesne za pogon elektrogeneratora.Savoniusovi rotori imaju visoku krutost i rade pri nižem odnosu brzina

λ. Teoretski

je pokazano da vršni stepen iskorištenja ovakvih rotora ne može preći limit od 20%, što se vidi na slici 2.12.

Slika 2.12 Upoređivanje efikasnosti vjetroturbine

Savoniusovi rotori su pokazali stepen iskorištenja od 31% kod testiranja u aerodinamskom tunelu i 37% u slobodnoj struji zraka. Stepeni iskorištenja od 25% do 35% su ustanovljeni pri različitim istraživanjima konstrukcije ovih rotora. Ove vrijednosti su prilično impresivne s obzirom na to da su ovi rotori jednostavniji za izradu i povoljniji po pitanju troškova. Upoređivanjem slika 2.11 i 2.12 da se primijetiti da postoje razlike u efikasnosti iz razloga što su na slici 2.12 prikazani teoretski stepeni snage, a na slici 2.11 koeficijenti snage dobijeni mjerenjem. Posljednja istraživanja ukazuju na najveću efikasnost kod horizontalnih trolopatičnih rotora. S tim u vezi postavlja se pitanje koji je maksimalni teoretski stepen iskorištenja koji konstruktor može očekivati od ove vjetroturbine. Albert Betz, njemački fizičar, 1962. je ustanovio gornju granicu maksimalnog koeficijenta snage za idealni rotor vjetroturbine. Primijenio je teoriju osnog momenta u njegovom najjednostavnijem obliku za svoje analize i ustanovio da je maksimalni teoretski koeficijent snage vjetroturbine, koja radi pretežno djelovanjem uzgonske sile, 16/27, tj. 59,3%. Taj koeficijent je poznat kao Betzov limit odnosno Betzov koeficijent i predstavljen je kod aerodinamičke analize vjetroturbina. Maksimalni koeficijent snage turbine sa otpornim djelovanjem je 8/27. To je razlog zbog čega se preferiraju uzgonske turbine u odnosu na otporne turbine kod konverzije energije vjetra.


Documents

zavrsni 2[1](3)