ENERGIJA VJETRA

Po svojoj prirodi vjetar je oblik sunčeve energije i kao takav ubraja se u obnovljive izvore. Uređaji koji se koriste za pretvaranje energije vjetra u mehaničku energiju nazivaju se vjetroturbine. Kroz historiju vjetroturbine su se koristile za direktan pogon radnih strojeva, ali u današnje vrijeme dobivena mehanička energija pretvara se u električnu.

Energija i snaga vjetra

Snaga koju Zemlja dobija zračenjem od Sunca je 1.74 10⋅ 17 W od čega se 1% do 2% pretvara u snagu vjetra. Kretanje zračnih masa u atmosferi javlja se zbog neravnomjernog zagrijavanja površine Zemlje na različitim geografskim širinama zbog toga što se zrak zagrijava indirektno preko tla. Zbog razlika temperatura u slojevima zraka stvaraju se razlike pritiska koji se pretvara u kinetički oblik energije vjetra

Coriolisova sila djeluje na vektor brzine vjetra. Coriolisovu komponentu proizvodi vrtložno strujanje kao posljedica rotacije Zemlje. Takva kombinacija vertikalnog i horizontalnog pomaka stvara tri zone tj. tri struje. Hadley-evu struju, Ferrelovu struju i Polarnu struju.

Parametri vjetra

• Snaga vjetra:

P - snaga vjetra u Wρ - gustoća zraka u kg / m3

v - brzina strujanja vjetra u m/sA - površina turbine u m2

Iz jednačine se može vidjeti da snaga P raste s trećom potencijom brzine vjetra i sa površinom A turbine. Snaga se također mijenja promjenom temperature zraka zbog promjene njegove gustoće no ta promjena se može zanemariti zbog toga što je vrlo malog iznosa.

Porast snage vjetra s brzinom

Zbog promjenjivosti vjetra potrebno je opisati njegovo ponašanje tokom određenog perioda vremena tj. osrednjavanje. Mjerenje brzine se vrši na visini od 10 m, a period mjerenja bi trebao trajati nekoliko godina. Weibullovom funkcijom najbolje se aproksimiraju prikupljeni podaci. Funkcija daje vjerovatnost pojave neke brzine vjetra tokom nekog vremenskog perioda.

Weibullova raspodjela

Princip konverzije energije vjetra u električnu i osnovni dijelovi

vjetroturbine

Podjela vjetroturbinaVjetroturbine možemo podijeliti prema položaju i osi vrtnje. Uobičajene vjetroturbine imaju horizontalno postavljenu osu vrtnje i zbog toga se nazivaju vjetroturbine s horizontalnom osom vrtnje ili VSHO (eng. HAWT). Manje poznate vjetroturbine imaju vertikalnu osu vrtnje i nazivaju se vjetroturbine s vertikalnom osom vrtnje ili VSVO (eng. VAWT).

Vjetroturbine s horizontalnom osom vrtnje ili VSHO

Rotor ovih turbina postavljen je horizontalno na vrhu stuba. Lopatice koje zahvaćaju vjetar moraju biti usmjerene u njega. Generator ovih turbina obično se postavlja na vrh stuba u tijelo zajedno s multiplikatorom ako je on potreban (ovisno o tipu električnog generatora). Multiplikatorom povećavamo brzinu vrtnje ukoliko je brzina vrtnje lopatica premala za proizvodnju električne energije.

Vjetroturbine s vertikalnom osom vrtnje ili VSVO

Položaj vratila ovakve izvedbe vjetroturbine je vertikalan, zbog toga se generator nalazi u podnožju i time je toranj manje opterećen. Prednost u odnosu na horizontalne vjetroturbine je to što se ove vjetroturbine ne moraju usmjeravati u vjetar. U posljednje vrijeme pojavilo se mnogo izvedbi ovakvih vjetroturbina.

Darrieusova vjetroturbina

H-tip

Tip sa spiralnim lopaticama

Savoniusova vjetroturbina

Generatori električne energije prikladni za rad vjetroturbina

Uloga električnog generatora u sistemu vjetroturbine jest pretvaranje mehaničke energije u električnu. Za pravilno i sigurno funkcioniranje čitavog vjetroturbinsko - generatorskog sistema, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: visok stepen iskorištenja u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja, izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sistema, izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora.

 

Sinhroni generator

Sinhroni generatori uglavnom se primjenjuju kada se znaju uslovi rada pogona tj. kada je brzina vrtnje vjetroelektrane stalna (to se postiže ugradnjom sistema za zakretanje lopatica kod VSHO). Sinhronim generatorima potreban je uzbudni sistem i regulator brzine kojim će se održavati napon i frekvencija. Oni imaju veći stepen djelovanja i pouzdani su, ali pri uslovima kada dolazi do poremećaja brzine vrtnje, zbog fluktuacije brzine vjetra ili poremećaja u mreži, teško zadržavaju sinhronizam.

Asinhroni generatori

Ovi generatori obično se koriste za spajanje vjetroelektrane na krutu mrežu. Osnovna prednost odražava se u njihovoj jednostavnoj i jeftinoj konstrukciji, no s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uklopive kondenzatorske baterije) i priključni uređaj koji služi za sinhronizaciju sa mrežom. U usporedbi s sinhronim generatorom asinhroni je u prednosti kod priključenja na mrežu zbog jednostavnijeg sistema upravljanja. Osim toga on je robusniji i znatno jeftiniji, a uslovi održavanja sinhronizma mnogo su fleksibilniji.

Novi konstrukcijski oblici vertikalnih vjetroturbina

Kako je u današnje vrijeme energija vjetra postala vrlo privlačna, a samim time i potencijalno unosna tema, na tržištu se pojavilo mnoštvo novih proizvoda koji pretvaraju energiju vjetra u električnu energiju. Osim razvoja uobičajenih horizontalnih vjetroturbina pojavio se i veliki interes za razvoj vertikalnih vjetroturbina.

Helix Wind

Quiet revolution

Priključivanje vjetroelektrana na postojeću mrežu

Priključenje      vjetroelektrana      na      elektroenergetsku      mrežu      je     značajan      problem  obzirom  na  to  da  vjetroelektrane  mogu  bitno utjecati  na  stabilnost  sistema  i  kvalitetu  električne  energije  u  mreži. Kriteriji  priključenja  se  definiraju  u  obliku  mrežnih pravila za vjetroelektrane (eng.    wind grid codes).  Postoji  mnogo  tehničkih kriterija  priključenja  vjetroelektrana  na  mrežu  koji  se  uzimaju  u  obzir zbog kvalitetnije  integracije vjetroelektrana u elektroenergetski sistem, kao što su:

 •iznos frekvencije,•iznos napona,•stanje u uslovima kvara,•kvaliteta isporučene električne energije i•zahtjevi s obzirom na signale, komunikacije i upravljanje.

Ekonomske osnove izgradnje vjetroelektrana

Tokom svog eksploatacionog vijeka vjetroelektrana ostvaruje prihode na osnovu prodaje proizvedene električne energije i tako pokriva rashode i nastoji ostvarivati dobit. Pri tome se rashodi, odnosno troškovi izgradnje i pogona vjetroelektrana mogu podjeliti na:• investicione troškove (najveći dio ukupnih rashoda);• troškove pogona i održavanja (čine od 1,5 do 3% ukupnih

rashoda);• troškove za poreze i doprinose, troškove finansiranja, i sl.;•proizvodne troškove;• spoljne troškove.

Off-shore vjetroelektrane Važno je napomenuti da je potencijal vjetra na otvorenom moru mnogo veći nego na kopnu ili u blizni kopna, u pravilu vrijedi što je dubina mora veća veće su brzine nastrujavanja vjetra iznad njega. Upravo zbog toga razloga znasntvenici rade na novim tehnikama plutajućih vjetroenergetskih sistema.

Utjecaj vjetroelektrana na okolinu

• Utjecaj zbog buke• Utjecaj na okoliš• Utjecaj na zrak i mikroklimu• Utjecaj na tlo• Sociološki utjecaj• Utjecaj na biljni i životinjski ekosistem• Utjecaj na ptice• Utjecaj na ostali životinjski svijet• Elektromagnetne smetnje• Utjecaj na vode

ZaključakGlobalni razvoj društva u budućnosti će u ogromnoj mjeri zavisiti od stanja u oblasti energetike. Problemi sa kojima se suočavaju u manjoj ili većoj mjeri sve zemlje svijeta su povezani sa obezbjeđivanjem energije i očuvanjem životne sredine. Eksplozija ljudske populacije na zemlji uzrokuje stalno povećanje potreba za energijom, naročito električnom energijom. Trend rasta potreba na globalnom nivou iznosi oko 2,8 % godišnje. Sa druge strane, trenutna struktura primarnih izvora električne energije ne može na globalnom nivou obezbjediti takav trend povećanja proizvodnje električne energije. Razlog za to su aktuelni ekološki problemi direktno uzrokovani sagorjevanjem fosilnih i nuklearnih goriva, na kojima se bazira sadašnja proizvodnja električne energije u svijetu. Osim toga, postojeća dinamika kojom se eksploatišu fosilna goriva će u bliskoj budućnosti dovesti i do iscrpljenja njihovih rezervi.

HVALA NA PAŽNJI!