Transcript
Page 1: Seminarski - Energija vjetra

SADRŽAJ

1. Uvod.................................................................................................................. 2 2. Energija vjetra................................................................................................... 4

2.1. Energetski sadržaj vjetra................................................................................ 6 2.2. Energetski potencijal vjetra.............................................................................7 2.3. Turbulencija i uzroci nastajanja.................................................................... 8 2.4. Trag efekat.................................................................................................... 8 2.5. Park efekat.................................................................................................... 9

3. Konverzija energije vjetra u mehaničku energiju................................... 104. Vrste rotora na vjetrenjačama..................................………………………….......11

5. Potencijal energije vjetra u Bosni i Hercegovini.................................... 14 6. Zaključak......................................................................................................16

Literatura.................................................................................................... 17

Page 2: Seminarski - Energija vjetra

1. UVOD

Danas se j a k o m n o g o koriste svi oblici energije i zaista je nezamisljiva bilo koja djelatnost koja ne koristi energiju. Potrebe za energijom kao i trošenje energetskih resursa rastu veoma velikom brzinom. Izvori klasičnih energija polahko se iscrpljuju i moraju se nalaziti alternativni izvori energije.

Početak XXI vijeka obilježen je intenzivnim porastom potrošnje svih vidova energije u svijetu, a naročito fosilnih goriva, nagoveštavajući da bi ona uskoro mogla biti potpuno iscrpljena. To je dovelo do rasta cijena nafte, gasa i drugih energenata, koji je započeo u zadnjoj deceniji XX vijeka, ali i do globalne zabrinutosti za buduće izvore energije i razvoj čovječanstva.

Druga karakteristika ovog perioda je nastavak povećanja koncentracije štetnih gasova u atmosferi (prvenstveno CO2), kao posljedice intenzivnog korištenja fosilnih goriva, uprkos opšte prihvaćenom sporazumu o smanjenju emisije – Kjoto protokolu iz 1997. god.

Ova dva trenda, konstantan rast potrošnje, cijena i intenziviranje posljedica efekata staklene bašte, uz ograničenje ili zabranu korištenja atomske energije, navele su razvijene zemlje, a prije svega zemlje Evropske unije, da se na samom kraju XX vijeka okrenu širem korištenju obnovljivih izvora energije.

1

Page 3: Seminarski - Energija vjetra

Slika 1.Udio pojedinih komercijalnih primarnih energenata u ukupnoj potrošnji Europske Unije (2012.) - 12.3% svjetske potrošnje - nešto jači udio nuklearne energije

Energija sadržana u kretanju vazdušnih masa - vjetru oduvjek je imala pažnju istraživača koji su željeli da je korisno upotrijebe. Jedra, a kasnije i vjetrenjače bili su jedini način za pretvaranje energije vjetra u mehanički rad. Pored svih mogućih prevoznih sredstava jedino se u jedrenju održavaju trke oko svijeta što na slikovit način govori o moći vjetra. Sada, a i u budućnosti energija vjetra se pokazala kao najozbiljniji obnovljiv izvor energije pri dostignutom razvoju tehnologije.

Osnovni razlozi za to su:

neizmjerna količina energije

mogućnost pretvaranja u električnu energiju pomoću vetrogeneratora

pad cijena vjetrogeneratora i prateće opreme srazmjerno sve većoj upotrebi energije vjetra

ekološki potpuno čist način pretvaranja energije

mala zauzetost zemljišta

Smanjenje zaliha fosilnih goriva i veliko zagađivanje planete uticali su da se industrija za proizvodnju vjetrogeneratora (VTG) posljednjih 30 godina razvijala u svijetu skoro

2

Page 4: Seminarski - Energija vjetra

istom dinamikom kao i industrija računarske opreme, a danas se smatra vrlo stabilnom i perspektivnom.

Po predviđanjima mnogobrojnih stručnjaka, očekuje se intenzivan rast instalisanih kapaciteta, a trendovi daljeg povećanja ekonomičnosti, kao i sve ozbiljnije pogoršanje stanja životne sredine, potvrđuju takve pretpostavke.

Do kraja 2001. godine u svijetu je instalisano 56.000 vjetrogeneratora sa kapacitetom od 25 GW. U svijetu, takođe se ubrzano podižu kapaciteti za dobijanje električne energije iz energije vjetra. Taj rast je eksponencijalnog karaktera i praćen je velikim ulaganjima, kako država tako i privatnih investitora.

3

Page 5: Seminarski - Energija vjetra

2. ENERGIJA VETRA

Energija vjetra se koristi već nekih 5500 godina. U staroj Persiji su se koristile vjetrenjače sa vertikalnom osovinom, napola zatvorene (tako da vjetar potiskuje samo jednu polovinu rotora) i ravnim "jedrima" se koriste bar od 200. godine nove ere.

Slika 2. Prva vjetrenjača Slika 3. Prinzip funkcionisanja Slika 4. Stara vjetrenjača u Karasanu u Persiji vjetrenjače

Praktične vjetrenjače slične konstrukcije su napravljene u Afganistanu u 7. stoljeću i tako su sa Bliskog istoka došle u Evropu.

Do 19. stoljeća vjetrenjače su rasprostranjene po čitavoj Evropi i donesene su u Sjevernu Ameriku. Krajem 19. stoljeća energija vjetra se počela koristiti i za proizvodnju električne energije, ali uglavnom u malim lokalnim postrojenjima do naftne krize 1973. Poslije krize, dolazi do užurbane aktivnosti za iskorištenje energije vjetra za proizvodnju struje.

Energija vjetra je energija koja potiče od snage vjetra. Predstavlja konvencionalan obnovljivi izvor energije, koji se stoljećima koristi za dobijanje mehaničke, a u novije vrijeme i električne energije. Međutim, proizvodnja električne energije iz energije vjetra u većim količinama počela je tek poslije naftne krize 1973.

4

Page 6: Seminarski - Energija vjetra

Tokom cijele godine Sunce najviše zagrijava dijelove Zemlje oko ekvatora. Pošto je topli vazduh lakši od hladnijeg, on se podiže uvis sve dok ne postigne visinu od oko 10km i prostiraće se na sjever i jug. Lokalni vjetrovi predstavljaju kretanje vazdušnih masa u prizemnom sloju atmosfere. Nastaju zbog lokalnih razlika u atmosferskim pritiscima. Lokalni vjetrovi mogu biti različitih osobina što u velikoj mjeri zavisi od površine tla (ravnica, planine, doline, naselja, šume itd.), njenih osobina (kamenita, pješčana, vodena, snježna teritorija) i osobina vazdušnih masa koje su uključene u strujanje. S tim u vezi javlja se efekat lokalnog povećanja brzine vjetra.

Na primer, vjetar je intezivniji na vrhu brda nego u podnožju. Tunel efekat je ubrzavanje vjetra između dva brda koja na vjetar djeluju kao prirodni ljevak. Ovaj i slični efekti mogu povećati brzinu vjetra i do 30%, što višestruko povećava njegovu snagu. Postoje različite prirodne i vještačke prepreke koje uzrokuju i negativne efekte smanjenja brzine vjetra i pojavu turbulencija, što znatno utiče na kvalitet vjetra kao primarnog energenta.

Vjetrovi ne moraju biti posljedica globalnog kretanja vazdušnih masa već mogu nastati i kao posljedica djelovanja geografskih faktora na lokalnom području.

U cilju iskorištavanja energije vjetra potrebno je odrediti mjesto na kome vjetar ima najviše raspoložive energije i na kojem će vetroenergetski sistem najviše te energije prevesti u upotrebljiv oblik. S obzirom da tehnički uslovi omogućuju korištenje vjetra na visini do 150m od tla, problem određivanja mjesta je veći zbog izražene turbulencije i pratećih efekata.

5

Page 7: Seminarski - Energija vjetra

2.1. Energetski sadržaj vjetra

Osnovni cilj vjetroturbine je pretvaranje kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju, pa u sljedećoj transformaciji u električnu. Iz tog razloga bitan parametar je količina korisne energije vjetra. Kako pojavljivanje vjetra spada u stohastičko polje varijabli i potrebno je dugotrajno praćenje, mjerenje i dokumentovanje podataka za određeno područje.

Ekonomski je isplativo graditi samo na područjima gdje su vjetrovi veoma česti (što bliži stalnim vrijednostima ) i gdje se brzine kreću od 3 do 20 m/s. Za određivanje pojavljivanja prosječnih brzina vjetra koriste se statističke metode: Weibull-ova vmv =0.8vpr i

Railigh-ova   

Dobivena energija (pa i snaga) turbine jednaka je razlici ulazne i izlazne energije (snage)

vjetra Pt= Pul – Piz tj   gdje je ρ gustina zraka, S radne površine vjetra a v brzine vjetra. Maksimalna snaga turbine može se dobiti preko obrasca Ptmax = 0.384sv3

6

Page 8: Seminarski - Energija vjetra

2.2. Energetski potencijal vjetra

Količina energije koju vjetar donosi na elise rotora zavisi od gustine vazduha i brzine vjetra i površine rotora. Slika pokazuje cilindričan isječak vazduha širine 1m koji prolazi kroz površinu rotora od 1500m2 na vjetrenjači snage 600kW . Ako je prečnik 43m svaki isječak vazduha teži oko 1.9 tona.

Površina diska koju pokriva rotor i naravno brzina vjetra, određuje koliko energije iz vjetra možemo pokupiti u toku godine. Neka, 600kW-na vjetrenjača ima prečnik rotora od 39-48m, tj. površina rotora je oko 1500m2. Kako se površina rotora povećava sa kvadratom prečnika, turbina koja je dva puta veća će dobiti dva na kvadrat, tj. četiri puta veću energiju.

Prečnik rotora može varirati od slučaja do slučaja jer mnogi proizvođači prilagođavaju njihove mašine lokalnim uslovima vjetra. Veći generator naravno zahteva više snage (jake vjetrove), za njeno pokretanje. Ako postavimo vjetrenjaču u područje sa slabim vetrom, mi ćemo u stvari maksimizirati godišnju proizvodnju time što ćemo upotrijebiti srazmerno manji generator za datu veličinu rotora (ili veći rotor za dati generator). Razlog zbog koga možemo dobiti više energije sa relativno manjim generatorom u oblastima sa slabim vjetrom je taj da će vjetrenjača imati više sati proizvodnje električne energije tokom godine.

7

Slika 5. Prečnik rotora i snaga turbine

Page 9: Seminarski - Energija vjetra

2.3. Turbulencija i uzroci nastajanja

U oblastima sa veoma neravnim površinama, iza objekata, kao što su zgrade, stvara se puno turbulencije, sa veoma haotičnim kretanjem vjetra, često kao kovitlanje ili uvijanje. Zona turbulencije je oko tri puta duža od visine prepreke. Turbulencija umanjuje mogućnost iskoršćenja energije vjetra pomoću vetrenjače. Takođe povećava habanje vetrenjače. Stubove vjetrenjača treba praviti dovoljno visoko da bi se izbjegla turbulencija koja potiče od vjetra koji je bliži površini zemlje.

Vjetar rijetko puše stalnom brzinom, uglavnom brzina varira u vremenu što može biti izmjereno intenzitetom turbulencije definisanog terminom efektivne vrijednosti fluktuacije brzine (Root Mean Square).

2.4. Trag efekat

Energetski sadržaj vjetra iza vetrenjače mora biti manji od onog ispred vjetrenjače. Ovo proizilazi direktno iz činjenice da se energija uzima, a ne predaje vjetru. Sama vjetrenjača se uvijek ponaša kao senka vjetra za sve objekte iza nje. U stvari, doci će do pojave traga iza vjetrenjače, stvaranje repa sa turbulencijom i usporavanjem vjetra. Trag efekat se lijepo može vidjeti ako se pusti dim kroz krila vjetrenjače.

Slika 7. Trag efekat

8

Slika 6. Turbulencija

Page 10: Seminarski - Energija vjetra

2.5.Park efekat

Na bazi trag efekta, svaka vjetrenjača usporava vjetar iza sebe izvlačeći energiju iz vjetra. U slučaju formiranja parka vjetrenjača, trag efekat utiče na određivanje lokacija pojedinačnih jedinica. U idealnom slučaju, vjetrenjače treba postaviti što dalje jednu od druge za glavni pravac vjetra. S druge strane, odabrana lokacija i cijena povezivanja vjetrenjača sa električnom mrežom ograničava postavljanje što bliže jednu drugoj.

Vjetrenjače u parku su obično postavljene na razmaku od 5 do 9 prečnika rotora u pravcu glavnog vjetra i 3 do 5 prečnika rotora u pravcu normalnom na pravac glavnog vjetra. Na slici su postavljena tri reda sa po pet vjetrenjača u svakom redu. Vjetrenjače (bijeli kružići) su postavljeni na razmaku od 7 prečnika rotora u pravcu glavnog vjetra i 4 prečnika u pravcu normalnom na pravac glavnog vjetra.

Poznavajući oblik elisa, ruže vjetra, raspodjelu verovatnoće brzine vjetra i hrapavost terena u različitim pravcima proizvođači ili projektanti mogu izračunati gubitke energije usljed park efekta. Gubitci energije su negde oko 5 posto.

9

Slika 8. Park efekat

Page 11: Seminarski - Energija vjetra

3. KONVERZIJA ENERGIJE VjETRA U MEHANIČKU ENERGIJU

Kinetička energija vjetra nije pogodna za direktno konvertovanje u električnu energiju, već se mora prvo svesti na oblik, koji se može upotrijebiti za proizvodnju električne energije. Svi konvencionalni električni generatori kao ulazni oblik energije, koriste mehaničku energiju obrtnih masa. Iz ovoga slijedi da je energiju vjetra potrebno prevesti u mehaničku energiju, koristeći turbine na vjetar.

Konverzija kinetičke energije vjetra u kinetičku energiju vratila generatora odvija se putem lopatica rotora vjetroturbine. Pri tome je vratilo zajedničko za turbinu i električni generator ali se i između njih nalazi i odgovarajući reduktor koji brzinu obrtanja vjetroturbine (koja iznosi nekoliko desetina obrtaja u minutu) prilagođava zahtjevanoj brzini generatora.

U generatoru dolazi do konverzije kinetičke energije vjetra u električnu energiju pa se cijelo postrojenje često naziva i vjetrogeneratorom. Generator može biti sinhroni ili asinhroni, pri čemu se može raditi sa fiksnom ili promjenjivom brzinom obrtanja. Povezivanje vjetrogeneratora na elektroenergetsku mrežu ostvareno je pomoću energetskog transformatora.

Jedna ili više vjetroturbina sa pripadajućom opremom (generator, reduktor, kućište, stub, regulacija, transformator itd.) čini vjetroelektranu.

Slika 19. Osnovni dijelovi vjetroelektrane

10

Page 12: Seminarski - Energija vjetra

Osnovni dijelovi su:

1. Vitlo2. Spona za vitlo3. Lopatice ili elise4. Navoj za regulaciju kuta zakreta lopatice (pitch regulacija)5. Glava rotora6. Glavni navoj7. Glavna osovina8. Mjenjaĉka kutija9. Diskovi koĉnice10.Spojke11.Servisna dizalica12.Generator13.Meteorološki senzori14.Ležaj za zakretanje turbine15.Prsten za zakretanje turbine16.Toranj17.Nosiva platforma kućišta18.Krovna platforma19.Uljni filter20.Ventilator generatora21.Hladnjak ulja

4. Vrste rotora na vjetrenjačama

Rotori vjetroturbina, mogu se podjeliti prema nekoliko osnovnih načela: prema aerodinamičkom efektu, prema položaju vratila, odnosno osi rotacije, prema brzini rotacije.

Prema aerodinamičkom efektu, rotori vjetroturbina mogu biti:

1. Rotori s otpornim djelovanjem zasnivaju svoj princip rada na sili otpora na lopatice rotora pri čemu se one okreću sporije od vjetra, što čak smanjuje ukupnu efikasnost. Brzine obrtanja su tom prilikom male, a momenti na vratilu rotora srazmjerno veliki. Najčešće se koriste u vjetrenjačama, za pogon mlinova ili pumpi za vodu.

11

Page 13: Seminarski - Energija vjetra

2. Rotori s uzgonskim djelovanjem zasnivaju svoj princip rada na djelovanju sila uzgona na lopatice rotora, pri čemu je njihova linearna brzina nekoliko puta veća od brzine vjetra. Brzine obrtanja su pri tome velike, a momenti na vratilu rotora mali. Zbog većih brzina rotacije (1000 do 1500 min-1) i veće aerodinamičke efikasnosti po pravilu se koriste u savremenim vjetroelektranama.

Prema položaju vratila, odnosno osi rotacije, rotori vjetroturbina mogu biti:

1. Rotori s horizontalnom osovinom (npr. kao kod propelera) su danas mnogo češći u primjeni i po pravilu se koriste u savremenim vjetroelektranama.

Slika 10. Vjetrenjače sa horizontalnom osovinom. Rotor ne može da se okreće "u vjetar"

2. Rotori s vertikalnom osovinom su se, zapravo, počeli prvi da se koriste, ali su do danas pomalo napušteni. Ipak, imaju brojne prednosti: ne zavise od smjera vjetra, a teški djelovi postrojenja mogu se smjestiti na samom tlu, ali imaju i nekih, posebno pogonskih, nedostataka pa je njihova primjena za sada još ograničena (npr. na tom načelu rade anemometri).

12Slika 11. Anometar

Page 14: Seminarski - Energija vjetra

Jednostavne za izradu, velikog obrtnog momenta, izdržljive, i većina bez potrebe da se okreću "u vjetar", ovo su bile prve vjetrenjače u upotrebi u Persiji i Kini.

U dizajne ove vrste spadaju:

an e m o m etar - jednostavna sprava za mjerenje brzine vjetra, sa šupljim polukuglama za "hvatanje" vjetra

Savonius (Savonius) turbina

Darius (Darrieus) turbina

i mnoge druge vrste, kojima je zajedničko to što im je osovina vertikalna.

Slika 12. Darius turbina

Prema brzini obrtanja, rotori vjetroturbina mogu biti:

1. Rotori s promjenjivom brzinom obrtanja najčešće se koriste za pogon pumpi za vodu i vjetroelektrana za potrebe punjenja baterija, dok za primenu u vjetroelektranama koje se priključuju na električnu mrežu zahtjevaju frekventni pretvarač.

2. Rotori s konstantnom brzinom obrtanja su vrlo prikladni za primjenu u vjetroelektranama za potrebe elektroenergetskog sistema (mreže) jer se time omogućava primjena jednostavnih generatora čija je brzina obrtanja polova određena frekvencijom mreže

Dijapazon brzina vjetra u kojem vjetrogenerator generiše električnu energiju je tipično od 3 do 25 m/s, a maksimalnu (nominalnu) snagu postiže pri brzini vjetra od 12 do 15 m/s. Za brzine

13

Page 15: Seminarski - Energija vjetra

vjetra iznad 25 m/s vjetroturbina se iz mehaničkih razloga zaustavlja. Pokazalo se da ekonomski nije isplativo projektovati vjetroturbine za aktivan rad pri brzinama vjetra većim od 25 m/s jer se takvi vjetrovi relativno rijetko javljaju. Konstrukcija savremenog vjetroagregata je projektovana da izdrži udare vjetra i do 280 km/h.

5. Potencijal energije vjetra u Bosni i Hercegovini

Ukupan vjetro potencijal sa gledišta raspoloživosti prostora i iskoristivosti procijenjen je na oko 900 MW. Ukupan tehnički potencijal za korištenje energije vjetra Bosne i Hercegovine znatno je veći i procjenjuje se na cca 2.000 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.).

Atlas pokazuje da su za korištenje ovog potencijala najinteresantnija područja oko Bihaća, Tomislav-Grada, Livna, Glamoča, Mostara i dijela istočne Hercegovine, u području Trebinja i Gacka.

Slika 13. Područje BiH u kojem se može očekivati najveća izdašnost potencijala energije vjetra

14

Page 16: Seminarski - Energija vjetra

Trenutno u BiH projekat vjetroelektrane Mesihovina lociran na teritoriji opštine Tomislavgrad, je najizgledniji za skoru realizaciju. Projekat razvija Javno Preduzeće Elektroprivreda Hrvatske zajednice Herceg Bosna, potrebna finansijska sredstva za realizaciju projekta su obezbjeđena dijelom od kredita KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) Frankfurt na Majni u iznosu od 72 miliona €.

Prva vjetrenjača snage 350 kilovata, koja je dobila dozvolu i počela sa proizvodnjom električne energije se nalazi u Visokom.

Slika 14. Vjetrena turbina u Visokom

15

Page 17: Seminarski - Energija vjetra

Zaključak

Zbog razvijenosti tehnologije, učinkovitosti i ekonomike, vjetar trenutno izgleda kao najperspektivniji izvor energije budućnosti i doživljava najbrži razvoj.

Vjetroelektrane su u zadnjih par godina zaslužne za većinu novoinstalirane snage za proizvodnju električne energije u energetskom sektoru.

Osnovni razlog zbog čega bi trebali da se koriste obnovljivi izvori energije a prije svega energija vjetra su: smanjenje emsije gasova staklene bašte, zaštita životne sredine, poboljsanje energetske sigurnosti, tehnološki napredak kao i stvaranje novih radnih mjesta.

Održivost regije postiže se očuvanjem ekoloških, ekonomskih i socijalnih vrijednosti. Korištenje obnovljivih izvora energije i razvoj istih upravo nudi potencijal za ekonomski razvoj, zaštitu okoliša. BiH treba raditi na promociji energijske efikasnosti u skladu sa održivim razvojem u smislu kreiranja uslova koji podstiču proizvođače i potrošače da koriste energiju racionalno, da pospješuje saradnju na polju energijske efikasnosti., te da iskoristi potencijal koji posjeduje.

Najbitniji put ka budućnosti je razvijanje energetskih strategija, smanjenje energetskog intenziteta i korištenje obnovljivih izvora energije.

16

Page 18: Seminarski - Energija vjetra

Literatura

1. Svetlana Cenić, Miodrag Dakić, Azrudin Husika, Unlocking the Future - Održiva energija u Bosni i Hercegovini: Izazovi i perspektive, Sarajevo, 2013

2. Grupa Autora, Izvještaj o stanju okoliša u Bosni i Hercegovini, Sarajevo, 2012

3. Autorengruppe, Ausschreibungen für Windenergie an Land, Berlin, 2015

4. http://www.wikiwand.com/sh/Vjetrenja%C4%8Da

5. http://www.finbiz.ba/novost/prva-vjetrenja-a-u-bih-uskoro-u-pogonu-/772

6. https://sh.wikipedia.org/wiki/Vjetrenja%C4%8Da#/media/File:Paros_windmill.jpg

17

Page 19: Seminarski - Energija vjetra

18


Recommended