vjetroelektrane - ees.etf.bg.ac.rsees.etf.bg.ac.rs/predmeti/13/vjetroelektrane i 2017 [compatibility...

VJETROELEKTRANE

Željko Đurišić

2017.

TEME KOJE ĆE SE OBRAĐIVATI U

OKVIRU KURSA

Pregled stanja u oblasti vjetroenergetike u Evropi i svijetu- Istorijat vjetroelektrana

- Savremeni koncept elektromehaničke konverzije energije vjetra

- Instalisani kapaciteti vjetroelektrana u Evropi i svetu- Instalisani kapaciteti vjetroelektrana u Evropi i svetu

- Pravci budućeg razvoja vjetroenergetike u Evropi i svijetu

Energija vjetra- Geostrofski i površinski vjetrovi

- Snaga vjetra i njena zavisnost od pritiska i temperature vazduha

- Visinski profil brzine vjetra

- Turbulentnost vjetra

Mjerenje i analiza pokazatelja resursae energije vjetra- Mjerno-akviziciona oprema- Izbor i montaža mjerne opreme na merni stub- Statistička obrada mjernih podataka- Analiza dugoročnog potencijala vjetra na ciljnoj lokaciji- Procena ekstremnih brzina vjetra

Regionalna klimatologija vjetra- Modelovanje prepreka- Modelovanje hrapavosti terena- Modelovanje orografije terena- Matematički model za procjenu visinskog profila brzine vjetra baziran na metodi minimuma sume kvadrata odstupanja- Izrada regionalne mapa vjetroenergetskog potencijela- Atlas vjetrova Srbije

Vjetroturbine- Vjetroturbine sa vertikalnom osovinom- Vjetroturbine sa horizontalnom osovinom- Mehaničke karakteristike savremenih vjetroturbina velikesnage- Sila, moment i snaga vjetroturbine- Idealna karakteristika snage vjetroturbine- Koncepti upravljanja snagom kod realnih vjetroturbina

Vjetroagregat- vjetroagregat sa IM sa kaveznim rotorom- vjetroagregat sa IM sa namotanim rotorom i promjenljivim otpronikom u rotorskom kolu.- vjetroagregat sa dvostrano napajanom indukcionom mašinom- vjetroagregat sa sinhronom mašinom

Energetski pretvarači kod vjetrogeneratora velikih snaga- Soft starter- Kompenzator reaktivne snage- Pretvarač za dinamičku kontrolu snage disipacije naeksternom otporniku u rotroskom kolu- Back-to-back PWM naponski invertor

Eksploatacione karakteristike vjetroagregata- Stepen iskorišćenja vjetroagregata- Kriva snage vjetroagregata- Uticaj meteoroloških faktora na efikasnost vjetroagregata- Mehanička naprezanja vitalnih elemenata vjetroagregata

Osnovi projektovanja vjetroelektrana- Izbor tipa vjetroagregata- Prostorni raspored vjetroagregata unutar vjetroelektrane- Efekat zavjetrine- Uslovi transporta i montaže opreme- Priključenje vjetroelektrane na EES- Gromobranska zaštita- Proračun godišnje proizvodnje vjetroelektrane

Integracija vjetroelektrana u elektroenergetski sistem- Modeli za predikciju proizvodnje vjetroelektrana- Balansiranje snage vjetroelektrane- Uticaj kvarova u mreži na rad vjetroelektrane- Rad vjetroelektrane u ekstremnim meteorološkim uslovima- Kvalitet električne energije koju proizvode vjetroelektrane

Ekonomičnost vjetroelektrana- Investicioni troškovi izgradnje vjetroelektrane

- Eksploatacioni troškovi

- Troškovi proizvodnje električne energije u vjetroelektranama

- Uticaj sezonske i dnevne varijacije brzine vjetra na ekonomičnost vjetroelektrana u uslovima slobodnog tržišta

Negativni uticaji rada vjetroelektrana na okolinu

- Uticaj na ptice

- Buka pri radu vjetroelektrane

- Treperenje sjenke vjetroturbine

- Vizuelni uticaj

- Uticaj na radiotelekomunikacione i relejne sisteme

Pregled instalisanih proizvodnih kapaciteta električne energije u EU u periodu 2000 – 2016.

Trend izgradnje elektrana u EU

Trend porasta instalisanih kapaciteta (GW) vjetroelektrana i njihovo učešće u ukupnoj proizvodnji

električne energije u EU na kraju 2016.

Trend izrgradnje vjetroelektrana na moru i kopnu u Evropi [GW]

Instalisani kapaciti vjetroelektrana u Evropi [MW]

Procijenjeno učešće vjetroelektrana u ukupnoj proizvodnji električne energije u EU 2020.

Wind energy will meet 50% of EU electricity in 2050???

Trenutna i prognozirana struktura proizvodnih kapaciteta električne energije u EU

Prvi vjetroagregat u Srbiji, Leskova, Tutin

ISTORIJSKI RAZVOJ VJETROELEKTRANA

200 p.n.e

.

.

..1891.

Poul la Cour...

2015.Vestas

V164, 8 MW

Savremeni koncept elektromehaničke konverzije energije vjetra

Funkcionalni sklop modernog vjetroagregata

(Vestas V90, 3 MW)

GEOSTROFSKI VJETROVI

Sile koje uzrokuju geostrofske vjetrove:

•Gradijentna sila pritiska•Coriolisova sila•Gravitaciona sila

Geostrofski vjetrovi u idealizovanim uslovima

Osnovne karakteristike geostrofskih vjetrova:

•Duvaju na visinama iznad 2 km•Na njih ne utiče površina zemlje•Nisu od direktnog interesa za vjetroelektrane

Geostrofski vjetrovi u realnim uslovima

Geostrofski vjetrovi za prosečan januar

Geostrofski vjetrovi za prosečan jul

Kretanja vazdušnih masa u okolini anticiklona i ciklona

POVRŠINSKI VJETROVI

Osnovne karakteristike:

• Predstavljaju kretanje vazdušnih masa u prizemnom sloju atmosfere

• Posledica su formiranja centara niskog i visokog pritiska na mezo nivou (10100 km) koje uzrokuje lokalna razlika u zagrijevanju tla

• Uticaj stanja površine tla na površinske vjetrove je dominantan

• Uticaj rotacije zemlje je zanemarljiv

• Od direktnog su interesa za vjetroenergetiku!

Mehanizmi nastanka morskih vjetrova

Mehanizmi nastanka planinskih vjetrova

SNAGA VJETRA

Hronološki pregled razvoja vjetroagregata kompanije Vestas

Trend: • Korišćenje vjetroturbina velikog prečnika (povećanje A)• Instalacija na visokim stubovima (povećanje V)

Zavisnost snage vjetra od pritiska i temperature vazduha

Promjena gustine vazduha sa visinom

Promjena gustine vazduha sa nadmorskom visinom

VISINSKI PROFIL BRZINE VJETRA

Usled trenja vazdušnih masa i površine tla (boundary layer effect), kao iunutrašnjeg viskoznog trenja u struji vazduha, brzina vjetra raste savisinom iznad tla. Visinski profil brzine vjetra najviše zavisi odstanja površine tla, odnosno od hrapavosti tla, i stabilnostiatmosfere.

Za praktične proračune u vjetroenergetici koriste se dva poluempirijskamatematička modela pomoću kojih se opisuje visinski profil brzinevjetra i to:

• Logaritamski zakon (logaritam low)• Stepeni zakon (power low)

LOGARITAMSKI ZAKON

0

* ln)(z

z

k

vzV

Ovaj zakon proističe iz K-teorije koja je u meteorologiji primjenljivau uslovima neutralne stabilnosti atmosfere:

v(z) - brzina vjetra na visini z iznad zemlje,k - von Karmanova konstanta. v* - frikciona brzina. z0 - dužina hrapavosti (roughness length). z0 - dužina hrapavosti (roughness length).

Praktične jednačine za analizu visinskog profila brzine vjetra:

V1 brzina vjetra na visini z1 iznad zemljeV2 brzina vjetra na visini z2 iznad zemlje

0

1

0

2

12

ln

ln

z

z

z

z

VV

Klasa hrapavosti i dužina hrapavosti za različite terene

Tereni različite klase hrapavosti

z0=0,03m z0=0,3m

STEPENI ZAKON

1

212

z

zVV

3

22

zP

1

2

1

2

z

z

P

P

Testiranje modela

Lokacija test mernog stuba: Sečanj

Visina mernog stuba: 60 m

Merna oprema:- 6 anemometara- 2 pokazivača smera vetra,

60 m

50 m

40 m

- 2 pokazivača smera vetra,- 2 termometra,- 2 piranometra,- 1 barometar.

Akviziciono oprema:-Data logger,-GSM modul.

10 m

5 m

Panorama okoline mernog stuba

Širu okolinu mernog stuba karakteriše veoma ravan i homogen teren

UTICAJ STABILNOSTI ATMOSFERE

NA VISINSKI PROFIL BRZINE VJETRA

Dnevne varijacije brzine vjetra na različitim visinama izmerene u toku vedrog dana na lokaciji Sečanj u Banatu.

Dnevni profil temperature vazduha na visini 5 m i 58 m za analizirani vedar dan

Dnevni profil visinskog gradijenta temperature vazduha za analizirani vedar dan

Promena koeficijenta smicanja vetra za analizirani

vedar dan

Dnevne varijacije brzine vjetra na različitim visinama izmerene u toku oblačnog dana na lokaciji Sečanj u Banatu.

Dnevni profil temperature vazduha na visini 5 m i 58 m za analizirani oblačan dan

Dnevni profil visinskog gradijenta temperature vazduha za analizirani oblačan dan

Promena koeficijenta smicanja vetra za analizirani oblačan dan

Karakteristike atmosfere u pogledu njene stabilnosti

• Neutralna atmosfera odgovara adijabatskim uslovima, odnosno uslovima u kojima nema razmjene toplote između površine zemlje i vazduha (toplotni fluks je praktično jednak nuli).

• Uslovi za nestabilnu atmosferu se tipično javljaju u toku vedrog• Uslovi za nestabilnu atmosferu se tipično javljaju u toku vedrogdana kada sunce intenzivno zagrijeva površinu zemlje, koja postajetoplija od vazduha u prizemnom sloju.

• Uslovi za stabilnu atmosferu se tipično javljaju noću kada zemljapostaje hladnija od vazduha, pa je transfer toplote suprotan uodnosu na period dana, tj. zemlja hladi prizemne slojeve vazduha.

Uticaj stabilnosti atmosfere na visinski profil brzine vjetra

Srednje satne vrijednosti koeficijenta smicanja

vjetra () na lokaciji Bavnište

Modelovanje visinskog profila brzine vjetra u uslovima različite stabilnosti atmosfere

m

m

z

z

z

z

VV

0

1

0

1

ln

ln

0m

4

1;2015;)1(

;2

)arctan(2)2

1ln()

2

1ln(2

111

2

1

paL

zax

xxx

p

m

Neutralna atmosfera

Stabilna atmosfera65,4; 11 bL

zbm

Nestabilna atmosfera

Klase stabilnosti atmosfere prema dužinama Obukhovog

Određivanje paremetra L na osnovu mjerenju

visinskog gradijenta temperature

12

12

zz

TT

z

T

Proračun parametra L na osnovu Pasquillove klase

Određivanje paremetra L na osnovu mjerenjabrzine vjetra, solarne iradijacije i oblačnosti

Širenje dima iz dimnjaka u različitim uslovima stabilnosti atmosfere

Promjena brzine vjetra u vremenu

U oblasti vjetroenergetike standardni interval usrednjavanja brzine vjetraje 10 min. Svako odstupanje trentune brzine vjetra od srednje vrijednostiu odgovarajućem desetomintnog intervalu predstavlja turbulentnost.

Mjere turbulentnosti vjetra

• Intenzitet turbulentnosti opada sa visinom iznad tla. U slučajuhomogenog ravnog tla promjena intenziteta turbulentnosti savisinom se može modelovati relacijom:

Karakteristike turbulentnosti vjetra 0ln

1)(

zzzI

ln

1)(

zzzI

• Turbulentnost je po pravilu veća pri slabijim vjetrovima

• Prirodna turbulentnost vjetra se obično kreće u granicama od 8%za morske vjetrove do 14% za kopnene vjetrove u ravničarskimpredjelima.

0ln zz

Intenzitet turbulentnosti vjetra na lokaciji Bavaništansko polje u južnom Banatu na visini 60 m u

funkciji izmjerene brzine vjetra

I15

Uticaj prepreka na turbulentnost vjetra 0ln

1)(

zzzI

Smjer vjetra

Treba imati u vidu da sama vjetroturbina predstavlja prepreku za vjetartako da ona uzrokuje povećanje turbulentnosti vjetra kojim mogu bitipogođene vjetroturbine ako se one postave u njenoj blizini.

MJERENJE PARAMETARA VJETRA NA MIKROLOKACIJI

• Izbor lokacije za postavljanje anemometarskog mjernog stuba

• Izbor opreme

• Orijentacija senzora

• Vremenski period trajanja mjerenja

Izbor lokacije za postavljanje anemometarskog mjernog stuba

Anemometarski stub na lokaciji Duga poljana – Pešter

Koliko je maksimalno prihvatljivo rastaojanje između mjernog stuba i lokacije vjetroturbine?

D=?

Odgovor: Zavisi od kompleksnosti terena

Preporuke za pozicioniranje mjernih stubova*

*Wind Farm Design (couse notes), Garrad Hassan Deutschland GmbH

Izbor opreme za merenje parametara vjetra

Equipment at 58 - 60 m height: 2 anemometers, wind vane, thermometer

Equipment at 48 - 50 m height: 2 anemometers, wind vane

Equipment at 40 m height: anemometeranemometer

Equipment at 10 m height: anemometer

Equipment at 5 m height: thermometer, barometer, 2 pyranometers, NRG Symphony Plus Logger, GSM module

Problemi pri mjerenju brzine vjetra:

- Uticaj sjenke stuba na tačnost mjerenja

- Uticaj sjenke gromobranskog šiljka na tačnost mjerenja

- Uticaj konzola (nosača) anemometara na tačnost mjerenja

- Uticaj sjenke ukrutnih sajli na tačnost mjerenja

- Posolica i drugi atmosferski talozi

-Zaleđivanje opreme

- . . .

Uticaj stuba na tačnost mjerenja brzine vjetra

Odnos izmerenih brzina vjetra za dva identična anemometra postavljena na istoj visini sa orjentacijom u suprotnim smerovima

Uticaj stuba na tačnost mjerenja brzine vjetra (IEC 61400-12-1)

Smjer vjetra Cjevasti stub

Smjer vjetra

Rešetkasti trougaoni stub

Orjentacija anemomeara u odnosu na dominantni smjer vjetra

Dominantni smjer vjetra

10D

Preporuka za montažu opreme (IEC 61400-12-1)

12d

d

7D

Problem zaleđivanja senzora

IceFree3 Wind VaneIceFree3 Anemometer Sonic Anemometer

Statistička obrada mjernih podataka

Period mjerenja brzine vjetra na nekoj lokaciji u cilju istraživanjavjetroenergetskog potencijala je minimalno jednu godinu.

Za svaki senzor (anemometar, pokazivač smjera vjetra, termometar)u svakom desetominutnom intervalu memorišu se 4 podatka i to:

• srednja desetominutna vrijednost mjerene veličine,• maksimalna vrijednost,• maksimalna vrijednost,• minimalna vrijednost,• standardna devijacija.

Nakon završetka kampanje mjerenja potrebno je mjerne podatkefiltrirati, odnosno evidentirati i izbaciti podatke koji nisu validni (npr.zbog zaleđivanja opreme).

Dio zaglavlja i “sirovih” mjernih podatakasa mjernog stuba Bavanište

Srednja desetominutna vrijednost

Standardna devijacija

Maksimalna vrijednost

Minimalna vrijednostMinimalna vrijednost

Srednja brzina i gustina snage vjetra

RUŽA VJETROVA

12 segmentna ruža vjetrova za lokacijuBavanistansko polje u južnom Banatu

N

EW Dominantni smjer vjetra 1200(150)Vjetar iz ovog smjera je duvao 23,8 % vremena ili oko 2100 sati u godini

S

vremena ili oko 2100 sati u godini

Diskretni i kontinualni histogram brzina vjetra

Weibullova funkcija

Faktor skaliranjaFaktor oblika

Oblik funkcije raspodele gustine vjerovatnoće brzine vjetra za različite faktore oblika

Numeričke metode za određivanje parametara Weibullove raspodele verovatnoće

1

1

1

1lnln

n

V

V

VVk

n

i i

n

i

ki

n

i ik

i kn

i

kiV

nc

1

1

1

Metoda maksimuma verovatnoće (maximum likelihood method):

1 nV

i i n

Metode energije uzoraka (energy pattern factor method):

pfEk

69.31

kГ

Vc

11 3

3

)(

)(

sr

srpf

V

VE

Proračun osnovnih statističkih parametara na osnovu Weibullove statistike

Srednja brzina vjetra:

Srednja gustina snage vjetra:

kГcdVe

c

VkdVVfVV

k

c

Vk1

1)(00

Srednja gustina snage vjetra:

3

3

33

)1

1(

)3

1(

2

131

2

1)(

2

1V

k

kk

ГcVP

Proračun osnovnih statističkih parametara na osnovu Rayleigheve statistike

Za k=2 Weibullova funkcija raspodele gustine vjerovatnoće brzine vjetra

naziva se Rayleigheva funkcija raspodele vjerovatnoće brzine vjetra

Proračun osnovnih statističkih parametara na osnovu Rayleigheve statistike

Srednja brzina vjetra:

Srednja gustina snage vjetra:

Analiza dugoročnog potencijala vjetra na

ciljnoj lokaciji

Nesigurnosti u procjeni dugoročnog potencijala vjetra u zavisnosti od trajanja mjerenja

Procentualno odstupanja jednogodišnjih srednjih brzina vjetra na visini 100 m u odnosu na višegodišnju prosječnu

brzinu vjetra za različite regione u Evropi.

Varijacije srednjih godišnjih brzina vjetra za lokaciju аероdrom Surčin

Određivanje dugoročne prosječne brzina vjetra na ciljnoj lokaciji pomoću metode minimuma sume kvadrata

Potrebno je prikupiti tri seta podataka i to:

• mjerne podatke o brzini i smjeru vjetra na ciljnoj lokaciji zaodređeni vremenski period (npr. godinu dana)

• mjerne podatke o brzini i smjeru vjetra u referentnoj mjernojstanici za isti vremenski period

• istorijske mjerne podatke o brzini i smjeru vjetra zareferentnu mjernu stanicu za period od najmanje 10 godina.

• Provera korelisanosti mernih podataka

• Proračun koeficijenata linearne korelacije

2222

2

2

sisimimi

misimisi

VVNVVN

VVVVNr

CVCV

• Procena srednje višegodišnje brzine vetra po sektorima

21 CVCV ms

221

mimi

misimisi

VVN

VVVVNC

misi VCVN

C 12

1

n

i

termshortmi

termlongmii

termshortsii

termlongs VVCVfV

1

__1

__ )(

Korelacija mjernih podataka VE La Piccolina– met. stanica Vršac za jugoistočne i sjeverozapdne vjetrove

476,2736.0 jirjis VV

757,02 r

622,2714.0 szrszs VV

673,02 r

Extremni vjetrovi

Za sertifikovanje vjetroturbina premaIEC 61400 – 1 mjerodavna jemaksimalna srednja desetomintna brzinavjetra koja se javlja jednom u 50 god.

Kako procijeniti ekstremnu brzinu vjetra?

srgodgod VV 550 srgodgod VV 550

Kako procijeniti ekstremnu brzinu vjetra?

• Modeli na bazi Gumbelove statistike

• IEC model:srgodgod VV 550

REGIONALNA KLIMATOLOGIJA VJETRA

Problem: Predikcija proizvodnje vjetroagregata na bazi mjerenja parametara vjetra u udaljenoj mernoj stanici

D=?

Princip sličnosti: Mjerna stanica i mikrolokacija vjetroturbine moraju biti slične u pogledu:

- topografskih elemenata (nagib terena, nadmorska visina, hrapavost terena, ...),

- klimatskih elemenata (regionalne klimatologije vjetra, atmosferske stabilnosti, ...).

Regionalna mapa potencijala energije vjetra na zadatoj visini

Metodlogija (WAsP) za procjenu regionalne klimatologije vjetra i vjetroenergeteskog potencijala na ciljnoj mikrolokaciji

Potencijal vjetra i procjena proizvodnje vjetroagregata na proizvoljnoj mikrolokaciji u regionu

energije vjetra na zadatoj visini

Modelovanje objekta u slučaju da je mjerna oprema postavljena na krov objekta

Mjerna stanica u Negotinu Mjerna stanica u B. Karlovcu

Modelovanje objekta u WAsP-u ako je mjerna oprema postavljena na krov objekta

virtuelni ,,objekat,,

Objekat se ,,zamjenjuje,, brijegom čiji je nagib 20 %. Mjerni stub je na vrhu virtuelnog brijega. Visina stuba odgovara stvarnoj visini dijela iznad krova.

virtuelni ,,objekat,,nagib 20%

Stvarni objekat sa mjernim stubom

Efekat prepreke visine hs na parametre vjetra

Modelovanje prepreka u WAsP-u

A

AP 0

Efekat terena na vjetroenergetski potencijal

Efekat terena na vjetroenergetski potencijal

• Efekat brda• Efekat promjene hrapavosti terena

Promjena visinskog profila brzine vjetra pri prelasku

sa jedne na drugu klasu hrapavosti terena

),max(;1ln 0201'0'

0'0

'0

zzzz

xk

z

z

z

z

x

z

Identifikacija kontura promene hrapavosti terena

• Baze podatak o hrapavosti terena (makro nivo)

- Corine Land Cover

• Satelitski snimci (mezo nivo)• Satelitski snimci (mezo nivo)- Google Earth

- LANDSAT

• Obilaskom terena (mikro nivo)

- generisanje kontura pomoću GPS uređaja

- utvrđivanje klase hrapavosti terena

Identifikacija kontura promene hrapaovosti terenašireg regiona Deliblatske peščare korišćenjem

LENDSAT satelitskih snimaka

Vektorska WAsP mapa kontura promjene hrapavosti terena za širi region Deliblatske peščare sa naznačenom poziciom

mjernog stuba i planirane vjetroelektrane

Uticaj šume na visinski profil brzine vetra

Modelovanje šume

Vjetroagregat visine z u

šumi visine h

Efekat brda na profil brzine vetra

Eksperiment na Askervein-skom brdu

Efekat brda na profil brzine vetra

Uticaj orografije terena na visinski profil brzine vetra

Povećanje brzine vetra

Nagib < 30%

Povećanje brzine vetra Turbulencije

Nagib > 30%

Efekat tunela – ulaz u Đerdapsku klisuru

Efekat tunela – ulaz u Đerdapsku klisurumapa srednjih godišnjih brzina vjetra na visini 120 m

Ruža vjetrova na lokaciji mjernog stuba

Modelovanje orografije terena• Ručno generisanje izohipsa na osnovu skeniranih mapa

• Generisanje izohipsa koršćenjem SRTM (Shuttle Radar Topgraphy Mission) podataka i softvera: Global Mapper, Surfer, Saga GIS …

•Radarska interferometrijska tehnika•Radarska interferometrijska tehnika

•Pokriveno oko 80 % površine zemlje

•Rezolucija:- 30 m za USA-90 m za ostatak sveta

•Tačnost visinskih kota 5 do 10 m

Snimak ciljnog regiona Bavaništansko polje sa pozicijom mjernog stuba

Vektorska WAsP topografska mapa regiona Bavaništansko Polje sa naznačenom pozicijom mjernog stuba i

mikrolokacijama planirane vjetroelektrane

Mapa srednjih godišnjih brzina vjetra na visini 60 m za širi ciljni region Deliblatske peščare

WAsP topografska mapa šireg regiona Hrgud u Hercegovini

Mapa srednje godišnje brzine vjetra na visini 100 m iznd tla za širi ciljuni region Hrgud u Hercegovini sa naznačenim potencijalno

pogodnim mikrolokacijama vjetroagregata i ružama vjetrova

Procjena nesigurnosti pri estimaciji potencijala vjetra nekog regiona

• Nesigurnost mjernih podataka o brzini vjetra

• Nesigurnost procjene višegodišnjeg potencijala vjetra na osnovu kratkoročnih mjerenja

• Neizvjesnost budućih varijacija potencijala energije vjetra

• Nesigurnost visinske ekstrapolacije potencijala vjetra

• Nesigurnost prostorne ekstrapolacije potencijala vjetra

Tipične vrijednosti pojedinih kategorija nesigurnosti u procjeni brzine

2222WFhP

2LTu