ENERGIJA VJETRA

Prosječan trošak investicija za termoelektranu na ugljen je oko 1000 €/kW,proizvodna cijena konvencionalnih elektrana na europskom tržištu 0,03-0,035

€/kWh

Energija vjertaEnergija vjerta

Najstariji poznati uređaji pojavili su se u Perziji oko 200 godina p.n.e, uređaji koji su koristili dizajn sa vertikalnom osi vrtnje.

Historija energije na vjetar

Prve vjetrenjače pojavljuju se u Zapapadnoj Evropi u 14. stoljeću i koriste dizajn sa horizontalnom osi vrtnje, a najviše ih je bilo u Europi (Danska i Nizozemska).

Vjetrenjače za mljevenje žitarica u PerzijiVjetrenjače za mljevenje žitarica u

Nizozemskoj

Instalisana snaga vjetroelektrana u svijetuInstalisana snaga vjetroelektrana u svijetu

• Njemačka je trenutni lider u proizvodnji električne energije iz vjetra sa oko 10000 MW, a to je više od jedne trećine ukupno instalirane snage vjetrenjača u svijetu.

• U Španjolskoj, Danskoj i Italiji također raste instalirani kapacitet. Od sveukupne proizvodnje električne energije Danska dobiva 14% od vjetra i dalje ubrzanim tempom gradi nove kapacitete.

• U SAD-u je trenutno instalirano oko 8000 MW vjetrenjača.

Energija vjetraEnergija vjetra Nastajanje vjetra (Nastajanje vjetra (uzroci i poslijedice)uzroci i poslijedice)

Stalno se obnavlja i izvor je koji se ne može potrošiti korištenjem.

Koristi se od davnina za dobijanje energije, značajnije korištenje počinje posle prve energetske krize

Ne zavisi od uvoznih energenata, nema troškova pogonskog goriva, nema rizika cijena goriva

Nema prečišćavanja, nema CO2 emisija, nema vađenja-kopanja, nema radioaktivnog viška...

Energija vjetra predstavlja dobru alternativu energiji iz konvencionalnih izvora

Najpogodnija područja za korištenje energije vjetra su obale Amerike, Evrope, Azije i Australije

Za određivanje jačine, odnosno brzine vjetra koristi se Boforova skala, prikazana u tabeli

BOFOR ČVOR m/s

2 1-3 0.5-1.8

2 4-6 1.8-3.6

3 7-10 3.6-5.8

4 11-16 5.8-8.5

5 17-21 8.5-11

6 22-27 11-14

7 28-33 14-17

8 34-40 17-21

9 41-47 21-25

10 48-55 25-29

11 56-63 29-34

12 64-71 34-36

Vrste vjetroagregataVrste vjetroagregata

Vjetroagregati se prema osi vrtnje mogu podijeliti na one sa vertikalnom osi vrtnje:

- Vjetroagregati sa horizontalnom osom (HAVT),- Vjetroagregati sa vertikalnom osom (VAWT) .

Vjetroagregati sa horizontalnom osom vrtnje

Vjetroagregati sa vertikalnom osom vrtnje

Prednosti vjetroagregata sa horizontalnom osi vrtnje su:

- Glavna prednost je dosta veća učinkovitost u proizvodnji električne energije,- Postavljanje na visoke tornjeve omogućava pristup većim brzinama vjetra,- Lopatice se nalaze sa strane, ako se gleda iz centra mase vjetroagregata, što poboljšava stabilnost,- Mogućnost zakreta lopatica, što daje veću kontrolu, omogućuje namještanje fiksacije lopatica u oluji, što minimizira potencijalnu štetu.

Prednosti turbina sa vertikalnom osi vrtnje su:

- Lakše za održavanje, jer su načelno svi rotacijski djelovi smješteni bliže tlu,- Nije im potreban mehanizam za zakretanje, što pojeftinjuje izvedbu,- Dobre za korištenje na mjestima gdje je brzina vjetra visoka blizu tla (naprimjer razni prolazi i kanjoni),- Ne treba im visoki toranj, što bitno pojeftinjuje izvedbu,- Ne moraju se okretati prema smjeru puhanja vjetra, što ih čini jako dobrima u uvjetima turbulentnog vjetra,- Teoretski mogu biti mnogo veće od HAWT turbina, primjerice plutajuće turbine

sa vertikalnom osi sa promjerom od više stotina metara, kod kojih se cijela struktura rotira, bi eliminirale potrebu za velikim i skupim ležajevima.

Nedostaci vjetroagregata sa horizontalnom osi vrtnje su :

- Većina ovakvih vjetroagregata zahtjeva sustav za zakretanje turbine, što dodatno poskupljuje izvedbu.- Problematičan rad u vjetrovima na malim nadmosrkim visinama koji su često turbulentni.- Visoki tornjevi i duge lopatice rotora turbine su problematične za transport i na moru i na kopnu. Transportni troškovi mogu zauzimati do 20% od ukupnih troškova opreme.- HAWT turbine su problematične za postavljanje, jer zahtjevaju vrlo visoke i skupe kranove.

Nedostaaci vjetroagregata sa vertikalnom osi vrtnje su:

- Većina VAWT turbina ima iskoristivost u rangu 50% iskoristivosti turbina sa horizontalnom osi vrtnje. To je većinom zbog dodatnog otpora koji nastupa zbog toga što se lopatice rotiraju u vjetar- Većina VAWT turbina ima jako malen početni okretni moment, pa trebaju

vanjski izvor energije da započnu okretanje- Iako je većina njihovih djelova smještena na tlu, što je svakako prednost, oni su ipak opterećeni velikom težinom strukture iznad njih, što u slučaju nedovoljno dobrog dizajna znatno otežava izmjenu djelova.

Princip rada vjetroagregataPrincip rada vjetroagregata

Instrumenti za mjerenje brzine vjetra zovu se aneometri. Pri prikazivanju mjernih podataka o vjetru potrebno je naznačiti visinu tla i konfiguraciju tla na mjestu gdje je mjerenje izvedeno.

Vjetroagregati koriste energiju vjetra. Promatrajmo stupac zraka koji ima neku brzinu v i masu m. Kinetička energija u ovom slučaju iznosi:

Snaga vjetra je derivacija kinetičke energije po vremenu, pa time dobijemo izraz za raspoloživu snagu vjetra:

Nešto kompliciranija analiza je potrebna da bi se odredila maksimalna snaga koju Nešto kompliciranija analiza je potrebna da bi se odredila maksimalna snaga koju vjetroelektrana može preuzeti, zato što lopatice vjetroturbine obavezno utječu navjetroelektrana može preuzeti, zato što lopatice vjetroturbine obavezno utječu na vjetarvjetar da bi da bi izvukleizvukle njegovunjegovu snagu. snagu.

Promatrajmo ponovo isti stupac zraka. On "putuje" do rotora vjetroturbine početnom brzinom Promatrajmo ponovo isti stupac zraka. On "putuje" do rotora vjetroturbine početnom brzinom vv, te usporava do brzine , te usporava do brzine vv11 kad dosegne rotor (to se događa zbog promjena u tlaku). Rotor kad dosegne rotor (to se događa zbog promjena u tlaku). Rotor

preuzima dio energije vjetra , tako da se zrak koji struji iza rotora kreće još sporije brzinompreuzima dio energije vjetra , tako da se zrak koji struji iza rotora kreće još sporije brzinom vv22. .

Brzina vjetva na ulazu i izlazu iz vjetroturbine

Osnovni dijelovi vjetroelektrane sa horizontalnom osovinom:

- Vjetroturbina (elisa, propeler).- Roror .- Generator električne energije.- Glava turbine.-Toranj.- Bazni dio.

Podjela vjetroagregata poveličiniPodjela vjetroagregata poveličini Vjetroagregate prema veličini (odnosno instaliranojVjetroagregate prema veličini (odnosno instaliranoj snazi)snazi) možemo grubo podijeliti u 3 skupine:možemo grubo podijeliti u 3 skupine:

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

- - Srednje : one imaju instaliranu snagu između 100 kW i 1.5 MW. One se često Srednje : one imaju instaliranu snagu između 100 kW i 1.5 MW. One se često priključuju na mrežu, bilo samostalno ili u grupi, te su u potpunosti u priključuju na mrežu, bilo samostalno ili u grupi, te su u potpunosti u

komercijalnoj upotrebi.komercijalnoj upotrebi.

- - Velike: one imaju instaliranu snagu veću od 1.5 MW. Većina takvih Velike: one imaju instaliranu snagu veću od 1.5 MW. Većina takvih v vjetroagregata se pjetroagregata se postavljaju se u priobalna područjaostavljaju se u priobalna područja, gdje su brzine, gdje su brzine vjetra i vjetra i n najveće. Vjetroagregati ove veličine su još u intenzivnom razvoju.ajveće. Vjetroagregati ove veličine su još u intenzivnom razvoju.

Negativne pojave kod elektrana na vjetarNegativne pojave kod elektrana na vjetar

Buka koju prave vjetrogeneratori je posledica kretanja krila kroz vazduh, pri čemu dolazi do trenja o čestici vazduha (fijučuća buka) posledica kretanja krila pored tornja (bubnjajuća buka).

Osnovni zahtjevi koji se postavljaju prilikom postavljanja elektrane na vjetar su sledeći:

- Zbog sigurnosti i buke zahtjeva se da elektrane na vjetar budu udaljene od stambenih zgrada 250 – 300m u zavisnosti da li je turbina postavljena uz ili niz vjetar.

- U cilju izbjegavanja ometanja radio i televizijskih signala zahtjeva se udaljenost od zgrade 1 – 2 km.

- Međusobno ometanje elektrane na vjetar u (farmama) zahtjeva rastojanje od 14 prečnika krila da bi se stepen iskorištenja održao iznad 93%.

Lokacije postavljanja vjetroelektranaLokacije postavljanja vjetroelektrana

Vjetroagregati su iskoristivi na lokacijama gdje je prosječna brzina vjetra veća od 4.5 m/s. Idealna lokacija bi trebala imati konstantno strujanje vjetra bez turbulencija i sa minimalnom naglih olujnih udara vjetra.

Možemo ih podjeliti na kopnene , priobalne i lokacije na moru.

Prosječna brzina vjetra jedan je od glavnih faktora za odabir lokacije vjetroagregata.

Brzine vjetra u svijetu.

Lokacije na kopnuLokacije na kopnu

Kopnene instalacije vjetroagregata najčešće se nalaze u brdovitim područjima barem 3 kilometra udaljene od obale. One se najčešće smještaju na vrh brda ili padine, jer na taj način iskorištavaju takozvanu topografsku akceleraciju koju vjetar dobije prelazeći preko uzvisine.

Često je instalacija vjetroagregata dosta kontroverzno pitanje, zbog toga što neke lokacije koje su pogodne za instalaciju vjetroturbine imaju veliku prirodnu ljepotu ili su ekološki značajne (primjerice stanište različitih vrsta ptica.

Primjer vjetroelektrane smještene na kopnu

Priobalne lokacijePriobalne lokacije

Priobalne lokacije nalaze se unutar radijusa od 3 km od mora ili na moru unutar 10 km od kopna. Ove lokacije su jako pogodne za instalaciju vjetroagregata, zbog vjetra proizvedenog zbog različitog zagrijavanja kopna i mora.

Najčešća pitanja vezana uz ovakve instalacije vjetroelektrana vezana su uz migraciju ptica, utjecaj na morski život, troškove i mogućnosti transporta i vizualnu estetiku.

Primjer vjetroelektrane smještene priobalno

Lokacije na moruLokacije na moru

To su one lokacije koje su udaljene više od 10 km od kopna. Vjetroinstalacije na tim lokacijama su manje napadne i izgledom i bukom.

Opčenito govoreći, morske instalacije vjetroagregata su načelno skuplje od kopnenih. To je zbog toga što su im tornjevi viši kada se uračuna dio ispod vode i što je sama izgradnja skuplja.

Vjetroelektrane smještene na moru znaju imati i više od 100 vjetroagregata.

Održavnje je također skuplje, a mora se paziti i na zaštitu od korozije, zbog čega se često dodaju dodatni premazi i katodna zaštita.

Primjer vjetroelektrane smještene na moru

Električni proračun elektrane na vjetar

Ukoliko kroz zamišljenu površinu A protiče masa zraka m, brzinom v za vrijeme t, tada će Kinetička energija iznositi:

– Gdje je ρ - gustina zraka

Izraz za snagu će biti:Izraz za snagu će biti:

Ako je brzina vjetra Ako je brzina vjetra vv ( v=cons) ispred turbine, te za ( v=cons) ispred turbine, te za efektivni presjek lopatica efektivni presjek lopatica AA, Snaga će biti: , Snaga će biti:

Gdje je: Cp –koeficijent snage (zavisi od vrste turbine i brzine vjetra).Cp = 0,4 , dok max vrijednost iznosi Cp =0,593

i naziva se Betz – ova granična vrijednost.A- efektivni presjek turbine (lopatice)

dt

dEP

WvAcP p3

2

1

Promjena brzine, pritiska i struje vjetra koji djeluje na lopatice turbinePromjena brzine, pritiska i struje vjetra koji djeluje na lopatice turbine

Brzina na ulazu vBrzina na ulazu v1, 1, kroz turbinu v i na izlazu vkroz turbinu v i na izlazu v2. 2. (v(v1>1>vv>>vv22))Površina strujne linije se takodje mjenja sa APovršina strujne linije se takodje mjenja sa A11 na A pa na A na A pa na A2.2.

Dok se pritisak povecava pri prolasku kroz lopative rotora.Dok se pritisak povecava pri prolasku kroz lopative rotora.

2RA

Utjecaj veličine rotora na maksimalnu snagu elektrane na vjetar.

Ulazna snaga vjetra je::

Izlazna snaga vjetra je..

Snaga koju turbina iskoristi::

3112

1vAPul

3222

1vAPiz

322

3112

1vAvAPPP izult

Koeficijent a opisuje smanjenje brzine a=v/v1, te da bi prenos snage bio maksimalan tada i koeficijent a mora biti

maksimalan.

Maksimalni koeficijent snage iznosi::

32 142

1vAaaP

3

20 a

da

dP

593,014 2max aaC p

S obzirom da je Cpmax=0,593. može se izračunati maksimalna snaga koju preuzme turbina:

Relacija je poznata kao Betz – ova formula iz 1927 g. a koeficijent Cpmax – Betz –ov koeficijent.

(Znači, teorijska vrijednost koeficijenta snage za idealnu 100% efikasnu turbinu je 0,593 tj. Idealna turbina bi mogla iskoristiti samo 59%

energije vjetra).

U izrazu za snagu vjetra, uticaj ima gustina zraka ρ,

koja je u funkciji temperature i pritiska zraka.

Obično se uzimaju vrijednosti (tzv. standardna atmosfera na razini mora) p=101325 Pa, T= 288,15 K, (15° C) i ρ=1,225 kg/m³.

33

3maxmax 384,0

2

1vA

m

kgvACP p

Osobine i rad turbine na vjetar često se opisuju pomoću omjera

– Gdje su. v1- obodna brzina vrha lopatica rotora, R- poluprečnik lopatica rotora, ω- ugaona brzina vrtnje (rad/s), v – brzina vjetra.

U ovom bezdimenzionalnom parametru sadržani su osobine turbine (poluprečnik i frekvencija vrtnje) i osobine vjetra (brzina)

On zavisi od izvedbe turbine, posebno od broja lopatica.

v

R

v

v 1

Zakretni moment koji proizvodi turbina – Zavisi od izrade turbine, broju lopatica

– Gdje je: CM – koeficijent zakretnog momenta.

Snaga turbine će sada biti:

RvACM M 2

2

RvAcMP M2

2

Iz prethodnog izraza za snagu:

Proizilazi veza između koeficijenta snage i koeficijenta zakretnog momenta.

3

2

1vAcP p

3

2vAcP M

p

M

CC

Stepen djelovanja vjetrenjače iznosi 0,65-0,75 pa snaga na osovini vjetrenjače iznosi:

PMEH =0,26 · A · v³ (W)

Budući da je stepen djelovanja generatora 0,8-0,85 snaga na stezaljkama generatora je:

Pel =0,125 · A · v³ (W)

Prema tome sa vjetrenjačama se može iskoristiti nešto više od 34% energije vjetra.

Europska energetska strategijaEuropska energetska strategija 2001. Europska unija usvojila je Direktivu o obnovljivim

izvorima koja predstavlja obvezu povećanja udjela obnovljivih izvora u proizvodnji električne energije.

U ukupnoj proizvodnji električne energije u 1997. godini prosječni udjel obnovljivih izvora bio je 13,9%, koji se mora do 2010 godine prosječno podići na 22,1%.

Pri tome zadaće pojedinih zemalja različite su, ovise o zatečenom udjelu,objektivnim mogućnostima za njegovu bržu ili sporiju promjenu, te različitim obvezama pojedine zemlje u odnosu na Kyoto-protokol.

Prijedlog Direktive ima cilj uspostaviti ukupan udio od 20 % udjela obnovljivih izvora energije u energetskoj potrošnji i minimalan

udio od 10 % biogoriva u prijevozu EU do 2020. godine. Trenutno se koristi 8.5% obnovljivih izvora energije, potrebno još

11.5% Nova direktiva EU-(2009) ima za cilj: 20 % manje emisije CO2, 20 % obnovljivih izvora energije, 20 % veća energetska

učinkovitost.

Rast broja stanovnika

Veza porasta emisije CO2 i temperature – 1000 godina!

Predviđanja i nastojanja korištenja energije u Predviđanja i nastojanja korištenja energije u budućnostibudućnosti

Predviđanja Predviđanja

Prema WWEA-u (World Wind Energy Association), očekuje se 170.000 MW Instalirane snage do 2015. Za 2020. se predviđa ukupna instlirana snaga vjetroelektrana od 1240 GW, koja bi rezultirala godišnjom proizvodnjom od 3000 TWh električn energije, odnosno 12% ukupne svijetske proizvodnje u vrijednosti od 80 milijardi Eura.

Prema GWEC-u (Global Wind Energy Council) predviđa se oko 2 300 000 zaposlenih u području vjetroenergetike do 2020.

S ekološkog aspekta i Kyoto protokola te s pozicije prihvatljivosti od strane lokalne zajednice, vjetroenergetika ima velike potencijalne mogućnosti daljnjeg razvoja.

Također, rast cijena fosilnih goriva ide u prilog svim drugim oblicima dobivanja energije, pa tako i vjetroelektranama.

ZaključakZaključak Ukoliko se pogleda na globalni značaj što ga Ukoliko se pogleda na globalni značaj što ga

ostvaruju OIE i na trenutne pokazatelje, jasno se vidi ostvaruju OIE i na trenutne pokazatelje, jasno se vidi da se isplati ulagati u razvijanje postojećih, ali i da se isplati ulagati u razvijanje postojećih, ali i potencijalnih novih tehnologija koje bi dovele do što potencijalnih novih tehnologija koje bi dovele do što efikasnijeg energertskog sistema. efikasnijeg energertskog sistema.

Što se tiče energije vjetra, tu se u zadnjih nekoliko Što se tiče energije vjetra, tu se u zadnjih nekoliko godina vidi veoma veliki napredak, počevši od godina vidi veoma veliki napredak, počevši od tehničkih, pa do realizacionih ostvarenja.tehničkih, pa do realizacionih ostvarenja.

Trenutno su Njemačka i Danska daleko ispred, ali i Trenutno su Njemačka i Danska daleko ispred, ali i druge zemlje povećavaju udio energije dobijene iz druge zemlje povećavaju udio energije dobijene iz energije vjetra.energije vjetra.

Nove vjetroelektrane mogu proizvesti el. energiju po Nove vjetroelektrane mogu proizvesti el. energiju po cijeni od 0,04-0,05 €/kWh, što je približno cijeni cijeni od 0,04-0,05 €/kWh, što je približno cijeni dobijenoj u TE na ugalj.dobijenoj u TE na ugalj.