analiza osjetljivosti procjene proizvodnje el. en. na ... · izmeĎu meteoroloških procjena i...
TRANSCRIPT
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
ZAVRŠNI RAD br. 1431
ANALIZA OSJETLJIVOSTI PROCIJENJENE PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE NA
NEODREĐENOSTI BRZINE VJETRA I KRIVULJE SNAGE
Tomislav Francetić
Zagreb, travanj 2010.
Sadržaj
1. UVOD .............................................................................................................. 1
2. VJETROENERGIJA ......................................................................................... 2
3. VJETROAGREGAT ......................................................................................... 5
4. METEOROLOŠKI UVJETI ............................................................................. 11
5. ANALIZA PODATAKA ................................................................................... 21
6. ZAKLJUČAK .................................................................................................. 35
7. LITERATURA ................................................................................................ 36
8. NASLOV, SAŢETAK I KLJUČNE RIJEČI ...................................................... 37
9. TITLE, ABSTRACT AND KEYWORDS.......................................................... 38
1
1. UVOD
Godišnja proizvodnja električne energije vjetroagregata u funkciji je brzine vjetra i
krivulje snage. Planiranje proizvodnje električne energije oslanja se na statističku
procjenu prosječnih frekvencija odreĎenih brzina vjetra na nekoj lokaciji.
Varijabilnost vjetra je značajna i moguća su odstupanja prosječnih frekvencija
odreĎenih brzina vjetra značajnije iz godine u godinu, ali i ukupno za ţivotnog
vijeka vjetroagregata. Pored toga krivulja snage vjetroagregata takoĎer je
promjenjiva u stvarnom radu jer su uvjeti strujanja mase zraka različiti od uvjetu u
kojima je krivulja mjerena. Oba izvora neodreĎenosti predstavljaju potencijalni rizik
za loše predviĎanje proizvodnje električne energije iz vjetroagregata. Zadatak je u
ovom radu korištenjem dostupnih podataka o neodreĎenostima krivulje snage i
brzina vjetra odrediti utjecaj na procijenjenu proizvodnju električne energije.
Analiziramo mjerene podatke statističkom raspodjelom brzine vjetra unutar
razdoblja nekoliko godina. Podatke uzimamo iz projekta Procjene potencijalne
energije vjetra i Sunčeve energije u Hrvatskoj pilot regiji (AWSERCRO), sa
lokacije Voštane (istočni predio Dinare, 1070m, 43°39'59.0"N, 16°53'14.8"E)
unutar razdoblja 1.6.2007 8:10 – 20.3.2009 01:50. Korak uzorkovanja iznosi 10
minuta. Odabrani vjetroagregat za daljnje proračune jest ENERCON E82 snage
2,000 kW.
Slika 1.1 ENERCON E82 [2]
2
2. VJETROENERGIJA
Vjetroenergija nazivamo onu vrstu energije, koju moţemo pretvoriti iz energije
vjetra u neku drugu, nama korisnu, energiju. Vjetrenjače pretvaraju u mehaničku
energiju, vjetropumpe se koriste za crpljenje vode, te vjetroagregati za proizvodnju
električne energije. 1887-88. Charles F. Brush primjenjuje prvu vjetroturbinu koja
je proizvodila električnu energiju ( 12kW ). U današnje vrijeme, vjetroagregati
skupno dostiţu oko 159.2 GW, dok im je proizvodnja 340 TWh, te konstantno
raste. Unutar razdoblja od tri godine brojke su se udvostručile, najviše zbog
izdašnih drţavnih poticaja i olakšica. Predvode Danska, Španjolska, Portugal, te
Njemačka. Iako je do sada industrija energije vjetra najdinamičnija bila u Europi i
Sjevernoj Americi, nova se trţišta otvaraju u Aziji (Indija i Kina) i Juţnoj Americi
(Brazil).
Slika 2.1 Evolucija veličine vjetroagregata kroz vrijeme [5]
Vjetroenergija kao takva je potencijalna alternativa fosilnim gorivima, jer je
neiscrpna, obnovljiva, sveprisutna i čista. Vrlo je korisna u opskrbi udaljenih
lokacija, ili unutar naseljenih regija kada se energija jednostavno vraća u mreţu, a
elektroprivreda otkupljuje taj višak. Cijena ugradnje vjetroagregata iznosi u
prosijeku 1,300 €/KW, te neočekivano raste zbog prevelike potraţnje, iako se
očekuje pad zbog masovnije proizvodnje snaţnijih agregata.
3
Slika 2.2 Primjer veličine vjetroagregata Enercon E-82 [8]
TakoĎer često nalazimo da je vjetroenergija vrlo nepopularna kada se gleda
vizualni identitet krajolika ili buku koje proizvode vjetroturbine u radu. U studijama
za korištenje energije vjetra, kriterij zaštite okoliša od buke jedan je od vaţnijih koji
se koriste prilikom vrednovanja potencijalnih lokacija za postavljanje
vjetroenergetskih postrojenja. Kako je sve veći interes za postavljanje
vjetroturbina, manjih ili većih nazivnih snaga, pojedinačno ili skupno, potencijalni
investitori prilikom prikupljanja početnih podataka za realizaciju svog projekta
trebaju uzeti u obzir moguć utjecaj buke u radu vjetroenergetskog postrojenja na
okoliš, kako bi na vrijeme izbjegli moguće teškoće. Jedan od glavnih prigovora
zaštitara okoliša na postavljenje vjetroelektrana je šum koji stvaraju vjetroturbine u
radu.
4
Slika 2.3 Odnos jačine onečišćenja vjetroagregata
Pretpostavlja se da trenutačni maksimalni kapacitet Zemljine vjetroenergije koja je
ekonomski isplativa iznosi 72 TW, dok se svjetska potrošnja kreće oko 15 TW.
5
3. VJETROAGREGAT
Vjetroagregate dijelimo na dvije vrste: s horizontalnom osi rotora (HAWT) i s
vertikalnom osi rotora (VAWT) (vrlo rijetko zastupljen agregat).
Slika 3.1 Vrste agregata
HAWT agregati imaju prednost što su njihove lopatice pokretne, te tako turbina
skuplja maksimalnu količinu vjetroenergije za dani trenutak i sezonu. Visoki stup
omogućava veću brzinu vjetra na mjestima s „wind shear“-om. Brzina se tako
moţe povećati za 20% a količina proizvedene energije za 34% za svakih 10
metara elevacije.
Današnji vjetroagregati uglavnom koriste rotore s tri lopatice (dobra efikasnost), no
postoje i dvokraki i jednokraki. Na samoj lopatici agregata se vrši pretvorba dvaju
kinetičkih energija, te tako predstavlja vaţnu kariku unutar sustava. Visoki HAWT
agregati su vrlo teški za transport i postavljanje, te još više ometaju sliku krajolika.
6
Slika 3.2 Tipičan HAWT agregat [5]
Slika 3.3 Transport lopatice vjetroagregata
7
VAWT agregati imaju pogodnost da turbina ne mora biti usmjerena u vjetar kako bi
bila efikasna. Generator i mjenjačka kutija ne moraju biti smješteni na stupu, već
bliţe zemlji, pa je i odrţavanje jednostavnije.
Slika 3.4 VAWT lopatice
Vjetroagregate moţemo podijeliti na još nekoliko skupina ovisno o:
Omjeru brzine najudaljenije točke rotora i brzine vjetra: brzohodne i
sporohodne
Broju lopatica: višelopatične, s nekoliko lopatica, s jednom lopaticom
Veličini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne
Načinu pokretanja: samokretne i nesamokretne
Efikasnosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko
učinkovite
Načinu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive
Snazi agregata: vjetrogeneratori za kućanstva i mala gospodarstva i mreţni
agregati (farme)
8
Slika 3.5 Usporedba različitih vjetroturbina [5]
Princip rada je vrlo jednostavan. Vjetar okreće lopatice vjetroagregata koje su
pričvršćene na rotor sa mjenjačkom kutijom. Ona povećava brzinu vrtnje osovine
generatora. Ukoliko je brzina vjetra prevelika, turbina svojom kočnicom ne
dozvoljava preveliku brzinu vrtnje lopatica kako ne bi došlo do oštećenja.
Vjetroagregat radi u dva područja rada. Jedno je do nazivne brzine i drugo do
maksimalne brzine vjetra nakon koje se isključuje. Glavna karakteristika početnog
područja je brzina uključenja (brzina koja je dovoljno velika da se turbina pokrene).
Slika 3.6 Područje rada agregata [3]
9
Unutar prvog područja potrebno je optimirati brzinu vrtnje agregata da bi
generator davao maksimalnu snagu, dok je u drugom području potrebno limitirati
brzinu vrtnje na nazivnu snagu generatora.
Postoje tri osnovna načina upravljanja:
Pasivno upravljanje
Aktivno upravljanje
Kombinacija oba
Pasivno upravljanje je posebno osmišljena tehnika pri dizajniranju lopatice
vjetroturbine i temelji se na pojavi turbulentnih strujanja iza lopatice kada brzina
vjetra dosegne prije odreĎenu vrijednost. Prvo se turbulentno strujanje javlja na
vrhu lopatice, a kasnije na svim ostalim dijelovima. Rezultat toga je zaustavljanje
agregata pri maksimalnoj brzini.
Slika 3.7 Promjena kuta lopatica
Aktivno upravljanje koristi tehniku zakretanja lopatica vjetroturbine duţ njihove osi.
Ukoliko brzina premašuje odreĎenu vrijednost, ona se smanjuje tako da se kut
nastrujavanja vjetra na lopaticu. Takav zahvat se moţe obavljati sve dok se
agregat ne zaustavi.
Ako si predstavimo rotor vjetroturbine kao valjak površine baze A, klasičnom
matematikom dobivamo:
10
Slika 3.8 Fizikalni račun energije i snage [3]
Turbina „uzima“ kinetičku energiju vjetra prije turbine, te ostavlja ostatak koji
prolazi iza turbine. Ako logički razmišljamo korisnost turbine bi iznosila 100%
samo ako bi kinetička energija poslije turbine iznosila nula, tj. zrak bi stajao.
Proračunom se lako dobije, da idealna turbina moţe maksimalno iskoristiti oko
59.3% ukupne energije vjetra. To se naziva Betzov zakon ili Betzov koeficijent
(cp=0.593). Naravno, zbog raznih gubitaka, u praksi taj postotak pada na oko 40%.
Slika 3.9 Primjer idealnog slučaja
11
4. METEOROLOŠKI UVJETI
Kako bi se proizvela veća količina energije, vjetroagregati se grade u grupama na
istoj lokaciji, koje nazivamo vjetroelektranama ili farmama. MeĎusobno, turbine su
uobičajeno povezane 34.5 kV sistemom (ovisno o snazi), kao i komunikacijskim
sistemom. Naknadno ta voltaţa se podiţe kako bi se prispojila na prijenosnu
mreţu. Kao generalno pravilo, vjetrogeneratori su upotrebljivi ukoliko su brzine
vjetra 16 km/h (4.5 m/s) ili više. Idealna lokacija bi trebala imati konstantni protok
ne-turbulentnog vjetra kroz godinu, sa minimalnom vjerojatnošću za iznenadno
povećanje brzine vjetra. Meteorološki podaci o vjetru nisu dostatni za precizno
odreĎivanje lokacije nekog većeg projekta. Cjelokupni skup podataka brzine i
smjera vjetra za odreĎenu lokaciju je krucijalan za odreĎivanje stvarnog
potencijala neke lokacije. Takvi lokalni vjetrovi prate se preko godinu dana prije
same instalacije generatora. Nakon takvog dugog perioda mjerenja i samog
proračuna finalizira se mjesto vjetroelektrane najpogodnije za proizvodnju. Brzina i
frekvencija vjetra su vrlo bitni faktori u odabiru.
Meteorološki tornjevi su opremljeni s anemometrima, vjetruljama, termometrima,
barometrima, higrometrima. Često je slučaj da su podaci na lokaciji samo dostupni
za vrlo kratki period, te se podaci skupljaju iz obliţnjih stanica ili zračnih luka.
Takav skup podataka povećava točnost procjene, te daje prosječnu vrijednost
brzine vjetra za veći vremenski period. Velika paţnja mora se posvetiti samom
poloţaju turbine, jer već razlika od 30 m moţe udvostručiti proizvodnju energije.
Veliki problem na prostoru Hrvatske je što vjetar ne postiţe idealne brzine, već je
preslab ili prejak, te vrlo neredovit.
12
Slika 4.1 AWSERCRO meteorološka stanica [1]
13
Slika 4.2 Anemometar i vjetrulja
Sljedeće kalkulacije su potrebne ako se ţeli dobiti točna procjena lokacije:
Korelacija izmeĎu meteoroloških tornjeva na lokaciji: nekoliko
meteoroloških tornjeva uobičajeno je instalirano na lokaciji farme. Postoji
mogućnost nestanka dijela podataka na jednom tornju, no uz pomoć
podataka drugog tornja se statističkim metodama nadopunjavaju podaci.
Takve korelacije su točnije ukoliko su tornjevi bliţi (nekoliko km) i posjeduju
jednake senzore
Korelacija izmeĎu meteoroloških tornjeva na lokaciji i većih meteoroloških
stanica: kako je vjetar izrazito varijabilan unutar perioda manjeg od 5
godina, potrebno je prilagoditi podatke podacima s duţim vremenskim
slijedom
Vertikalno ekstrapolirati brzinu vjetra na visinu buduće turbine: prosječna
visina modernih vjetroagregata iznosi 80m, no meteorološki tornjevi su
visoki oko 60m. Za ekstrapoliranje podataka koriste se logaritamski profili
Tok vjetra kroz lokaciju: brzine vjetra se mogu znatno razlikovati an
području jedne lokacije ako je teren brdovit ili sa većim razlikama u podlozi
Produkcija energije koristeći proizvoĎačevu krivulju snage
Aplikacija energetskih gubitaka: korektiranje produkcije energije zbog
različitih gubitnih faktora (kvarovi u el. mreţi, dostupnost turbine, prljavština
na lopaticama, gašenja zbog jakog vjetra i temperature)
14
Slika 4.3 Općeniti primjer varijabilnosti brzine vjetra
Nepredvidljivost i varijabilnost vjetroenergije takoĎer predstavlja veliki problem u
proizvodnji električne energije. Sam proizvod se mora prihvatiti kakav jest, tj. u bilo
kojem trenutku. Takav način rada je potpuna suprotnost od konstantnih izvora
energije kao hidroelektrana koje koristimo po našim potrebama. Iznos dobivene
električne energije vjetroagregata varira značajno u vrlo kratkom vremenskom
razdoblju. Deset ili više široko rasprostranjenih farmi pouzdano proizvode (baza)
od 33 do 47% njihovog prosječnog proizvoda(15-20% nominalnog kapaciteta).
Proizvodnja vjetra uvelike ovisi o temperaturi zraka, jer je hladniji zrak gušći i zato
efikasniji pri proizvodnji. Mogu se prepoznati cikličke promjene za svaku sezonu
(zima daje bolje rezultate), dok same godišnje razlike nisu u potpunosti izraţene.
Brzina i smjer vjetra u nekoj prostornoj točki odreĎeni su:
Djelovanjem općih baričkih sustava (generator globalne cirkulacije)
Lokalnim utjecajima (trenje, orografija i transfer topline tlo/zrak)
PredviĎanje dostupnosti snage vjetra odnosi se kao procjena produkcije jedne ili
više turbina u bliskoj budućnosti kao odnos moguće i nominalne snage. Moguće je
15
predviĎati i energiju integrirajući snagu preko svakog vremenskog intervala.
PredviĎanje stanja vjetra moţe sadrţavati različite vremenske intervale:
Nekoliko milisekundi-nekoliko minuta, za aktivnu kontrolu turbine (vrlo
kratko razdoblje)
48-72 sata, za upravljanje energetskom mreţom (krivulja potrošnje) i
moguće uključivanje drugih konvencionalnih proizvoĎača u mreţu
5-7 dana, za planiranje odrţavanja farmi ili vodova
Unutar energetske mreţe u svakom trenutku mora postojati ravnoteţa izmeĎu
potrošnje i proizvodnje. Budući da proizvodnja energije vjetroagregata direktno
ovisi o brzini vjetra, ona nije lako predvidiva i zahtjeva veliku količinu paţnje.
Nakon prikupljanja meteoroloških podataka, te njihove potpune obrade, ulazimo u
postupak pretvorbe tih informacija u proizvedenu energiju pomoću krivulje snage.
Takve napredne metode, su podijeljene u dvije skupine.
Prva se skupina,kao fizikalni pristup, fokusira na izračun toka vjetra unutar i
izvan farme i upotrebu proizvoĎačeve krivulje snage za procjenu
proizvodnje.
Druga se skupina, kao statistički pristup, koncentrira na izračun odnosa
izmeĎu meteoroloških procjena i proizvodne snage kroz statističke modele
čiji se parametri moraju procjenjivati iz podataka, bez naslanjanja na
fizikalne elemente.
U takvim procjenama uvelike pomaţu računalni programi, najčešće upotrebljavani
od meteoroloških postaja. Specifični su za svako podneblje ili drţavu, te ovisno o
izvedbi vrlo komplicirani. Ni tako razvijeni programi nisu jamac sigurnom
predviĎanju podataka, te često dolazi do odstupanja.
Pri pretvorbi brzine vjetra u snagu, uobičajeno se koristi teoretska krivulja snage.
Kroz zadnjih par godina, pokazalo se da bolje rezultate daje korištenje empirijski
dobivenih krivulja snage umjesto teoretskih. Weibullova razdioba vrlo blisko prati
stvarnu distribuciju brzine vjetra na nekoj lokaciji.
16
Slika 4.4 Weibullova razdioba [4]
Ukoliko je k parametar jednak 1, dobivamo eksponencijalnu distribuciju, a ukoliko
je 2 Rayleighovu distribuciju. Često ćemo u praksi koristiti Rayleighovu razdioba,
kao manje precizan, jednostavniji model računanja.
Slika 4.5 Grafički prikaz Weibullove razdiobe s različitim parametrima [4]
Weibullova razdioba se koristi i u industrijskom inţenjerstvu te moţe dati
distribuciju kvarova (učestalost kvarova je u omjeru s vremenom).
K<1, broj kvarova pada s vremenom (svi kvarovi se dogaĎaju na početku
procesa, kasnije ih je sve manje)
K=1, broj kvarova je konstantan u vremenu
K>1, broj kvarova se povećava s vremenom (kvarovi se dogaĎaju
starenjem i trošenjem)
17
„Wind shear“ ili gradijent vjetra, je razlika u brzini i smjeru vjetra izmeĎu malih
udaljenosti u atmosferi. Predstavlja meteorološki fenomen i manifestira se za
nevremena, na hladnim frontama, pokraj planina, zgrada, vjetroagregata.
Slika 4.6 „Wind shear“ [3]
Moţemo ga podijeliti na horizontalni i vertikalni. Primjer nalazimo na planini, poslije
vrha, na drugoj strani, gdje njegova vertikalna komponenta iznimno utječe na
zrakoplove. Radi probleme pri uzlijetanju i slijetanju zrakoplova, budući da utječe
na upravljanje, jedan je od glavnih razloga velikih zrakoplovnih nesreća. Takvo
turbulentno gibanje zraka je uzrokovano meĎusobnim djelovanjem zračnih slojeva
različitih brzina; brţi sloj utječe na sporiji i obrnuto (turbulentno trenje). Pri
projektiranju vjetroturbine, treba posebnu paţnju posvetiti „wind shear“-u.
Vertikalni profil brzine vjetra pokazuje razliku brzina vjetra na lopaticama bliţe
zemlji u usporedbi s lopaticama na vrhu putanje, te to utječe na ispravni rad
generatora. Takva već i mala razlika stvara veliki torzioni moment na turbinu s npr.
2 lopatice kada su lopatice vertikalne.
18
Slika 4.7 Različita brzina vjetra prikazana dimnim testom
Krivulje snage vjetroagregata su osjetljive na razinu turbulencije odreĎene lokacije.
Povećanje intenziteta turbulencije povećava snagu stroja u nekim područjima
krivulje, a u nekim smanjiti. Takvi procesi su temeljem brojnih istraţivanja i
znanstvenih radova. ProizvoĎači vjetroagregata u svojim specifikacijama navode
intenzitete turbulencije. Neki proizvoĎači se ne koriste mjernim podacima, već
računaju krivulju snage. To rade na temelju nekoliko različitih mjerenih krivulja, te
podatka prosječne turbulencije 12%, gustoće zraka 1.225 kg/m3. Koriste
korekcijske faktore kojim korigiraju krivulju i dobivaju točniji rezultat. Na korekcijski
faktor utječe intenzitet turbulencije i srednja brzina vjetra.
19
Slika 4.8 Upadni kutevi vjetra [3]
Zbog prilagoĎavanja obliku terena dolazi do različitih upadnih kuteva prema
lopaticama. Ti kutevi utječu na ispravni rad agregata. Mjernim metodama se
ustanovilo da se upadni kut uzima kao četvrtina nagiba lokacije agregata. Ako se
kut upada promijeni za desetak stupnjeva, dolazi do pomaka u proizvodnji energije
od 5 %. Kao primjer moţe se navesti farma koja se nalazi u području nagiba od 20
stupnjeva. U slučaju realne raspodjele vjetra promjena krivulje snage iznosi 0.6%,
dok u realnom slučaju radi nejednolike raspodjele vjetra taj faktor iznosi izmeĎu 2
do 3 %.
Vertikalni profil vjetra računamo po tzv. „power law“. To je odnos brzine vjetra
meĎu različitim visinama. Profil vjetra bliţeg atmosferskog sloja ( do 2000m ) je
generalno logaritamske prirode.
a
rr z
z
u
u
Slika 4.9 Odnos vertikalnog profila vjetra
Oznaka u je brzina vjetra ( u m/s ), a z visina ( u m ), dok indeks r označuje
referentnu brzinu i visinu. Eksponent a je empirijski dobiven koeficijent koji varira
ovisno o stabilnosti atmosfere. Za neutralne uvjete on iznosi 1/7 ili 0.143.
20
Slika 4.10 Odnos visine agregata i moguće snage vjetra [5]
21
5. ANALIZA PODATAKA
Podatke uzimamo iz projekta Procjene potencijalne energije vjetra i Sunčeve
energije u Hrvatskoj pilot regiji (AWSERCRO), sa lokacije Voštane (istočni predio
Dinare, 1070m, 43°39'59.0"N, 16°53'14.8"E) unutar razdoblja 1.6.2007 8:10 –
20.3.2009 01:50. Korak uzorkovanja iznosi 10 minuta.
Slika 5.1 Opći podaci o odabranoj lokaciji i izračunati podaci kvalitete zadane lokacije
Program korišten za izračun podataka je Windographer Version 2.0, te se koristi
za bolju vizualizaciju setova podataka sa neke lokacije.
„Roughness length“ ili visina iznad zemlje gdje je brzina vjetra teoretski nula. Naša
iznosi 0.00108m što spada u klasu 0.337. To je izniman rezultat i iznosi vrijednost
sličnu karakteristikama valovite pučine mora.
Gustoća snage vjetra na 50m je standardni način usporedbe, te na našoj lokaciji
iznosi 910W/m2, što spada u najveću klasu snage (sedmu).
22
Slika 5.2 Širi pregled područja lokacije
Slika 5.3 Detaljniji pregled lokacije
23
Slika 5.4 Izračunati dnevni profil brzine vjetra po različitim senzorima
Slika 5.5 Izračunati sezonski profil brzine vjetra po različitim senzorima
24
Slika 5.6 Raspodjela temperature po pojedinom mjesecu
Slika 5.7 Srednja brzina i frekvencija vjetra
Slika 5.8 Weibull distribucija izabrane lokacije
25
Slika 5.9 Vjerojatnosna distribucija po mjesecima
Slika 5.10 Sezonska raspodjela „wind shear“-a
26
Slika 5.11 Vertikalna raspodjela „wind shear“-a
Slika 5.12 Dnevna raspodjela „wind shear“-a
Osim brzine vjetra koja varira, primjećujemo i „directional shear“, tj. razlika smjera vjetra na različitim visinama. To nam pokazuje vjerojatnosna distribucija vjetrulja na različitim visinama.
Slika 5.13 „Directional shear“
27
Slika 5.14 Vjerojatnosna distribucija smjera vjetra na 10m
Slika 5.15 Vjerojatnosna distribucija smjera vjetra na 44m
28
Slika 5.16 Statistička analiza danih podataka izabrane lokacije
Odabrani vjetroagregat za daljnje proračune jest ENERCON E82 snage 2,000 kW.
Slika 5.17 Krivulja snage proizvođača odabranog agregata
29
ProizvoĎačeve tehničke karakteristike, navedene u letku:
Snaga agregata: 2000 kW
Promjer rotora: 82 m
Visina stupa: 70-138 m
Wind class (IEC): IEC/NVN II
Koncept turbine: Varijabilna brzina i kontrola nagiba lopatica
Tip rotora: Upwind rotor sa kontrolom nagiba lopatica
Smjer rotacije: Smjer kazaljke na satu
Broj lopatica: 3
Površina zahvata: 5,281 m2
Materijal lopatica: Fiberglas, sa integriranom zaštitom od udara groma
Rotacijska brzina: 6 – 19,5 okretaja u minuti
Kontrola lopatica: ENERCON pitch sustav sa alociranom podrškom za hitne
slučajeve
Generator: Enercon sinkroni
Stup: IzgraĎen od čelika ili armiranog betona
Podrška za mreţu: ENERCON konverter
Kočnice: Tri odvojena sustava kočenja sa napajanjem u slučaju ispada
Max. radna brzina vjetra: 28 - 34 m/s
Daljinski monitoring: ENERCON scada
30
Slika 5.18 Podaci razvrstani prema anemometrima
Pri mjerenju podataka na lokaciji vjerojatno je došlo do kvara na 30m
anemometrima. Vrijednosti koje su spremljene su vrlo vjerojatno pogrešne, jer se
vrijednost zadrţala oko 0.1. Moguća pogreška je trajala od 25.6.08 do 1.10.08.
Sama raspodjela snage agregata kretala se na taj način, da je većinu vremena
agregat proizvodio nazivnu snagu te bio u stanju mirovanja. Dolje vidimo
vjerojatnosnu raspodjelu po mjesecima.
Slika 5.19 Snaga agregata po mjesecima (distribucija)
31
Izračun je, kao primjer, vršen s 17,7% gubitaka (faktor gubitaka). Postotak gubitka
zbog namjernog gašenja agregata radi odrţavanja čini 6%. Tipično se gubici kreću
od 5 do 20 %, što zbog iznenadnih kvarova, dodatnih adaptiranja sistema, manjih
zaustavljanja, smanjenja brzine, procesnih defekata i daljnjih defekata u radu. Njih
nazivamo šest velikih faktora gubitaka.
Slika 5.20 Izračun proizvodnje na 78m (visina turbine)
Slika 5.21 Izračun proizvodnje na 138m (visina turbine)
Ovdje vidimo samo prikaz mjesečnih prosjeka iz izračuna, no konačna brojka izlazi
iz cjelovitih podataka za našu lokaciju.
32
Ukoliko se radi proračun gdje smanjujemo vjerojatnost pojavljivanja vjetra za 10% i
ujedno gdje je krivulja snage 5% lošija dobivamo niţe prikazane podatke.
Izračun je vršen programom Homer, koji se inače koristi za energetsku, kao i
ekonomsku simulaciju vrlo velikog i različitog broja energetskih postrojenja.
Slika 5.22 Izračun smanjene proizvodnje na 78m (visina turbine)
1. 2.
Visina turbine 78m 78m
Vjerojatnost pojavljivanja vjetra 100% 90%
Krivulja snage 100% 95%
Ukupna proizvodnja 5,161,423 kWh/god 4,236,984 kWh/god
Tablica 5.1 Tablica usporedbe proizvodnje ovisno o ulazima
Moţemo uočiti da u drugom slučaju očekivano dobivamo slabiji rezultat. Pad
proizvodnje u odnosu na prošli slučaj iznosi 18%; tj. 82% prijašnje godišnje
proizvodnje.
33
Slika 5.23 Smanjena snaga agregata po mjesecima
Slika 5.24 Smanjena snaga agregata po mjesecima
34
Slika 5.25 Distribucija snage agregata
35
6. ZAKLJUČAK
Promatranjem i analiziranjem meteoroloških podataka na lokaciji Voštane u
razdoblju od 22 mjeseca procjenjujemo vjerojatnu proizvodnju električne energije.
Vjetar kao prekidni izvor energije stvara probleme u predviĎanu proizvodnje. Pri
tome se misli na turbulentnost tj. iznenadno povećanje brzine vjetra ili smjera.
Velike varijacije već nastupaju i pri malim pomacima u visini agregata, ali i u
poziciji, ovisno o karakteristikama terena. U praksi ne postoji idealna lokacija.
Cjelokupni skup podataka brzine i smjera vjetra, kao i ostalih podataka, krucijalan
je za odreĎivanje stvarnog potencijala neke lokacije. Zbog toga se kod planiranja
izgradnje moraju uzeti u obzir podaci za dulje vremensko razdoblje kako bi dobili
točniju mikrosliku meteorološkog sustava, pa tako i moguće proizvodnje.
Minimalno razdoblje jest godinu dana, zbog cikličkog ponavljanja stanja. Moguće
je i naknadno mjerenje točnih električkih parametara sustava, kako bi se provjerile
prethodne tvrdnje, te povećala vjerojatnost točnosti predviĎanja. Koristimo
takozvani fizikalni pristup koji koristi proizvoĎačevu krivulju snage za procjenu
proizvodnje. Naša izabrana lokacija Voštane pokazuje iznimne karakteristike, te
gotovo spada u najbolje klase kvalitete vjetra. Pri izračunu lošijih ulaza u sistem,
dobivaju se korisne smjernice buduće planirane proizvodnje. Najjednostavnija
takva smjernica jest veza izmeĎu postotka lošijih ulaza i postotka najvaţnijeg
elementa konačne proizvodnje. No poradi moguće pogreške treba pribaviti novije
podatke i upotpuniti dosadašnje, jer što je veći period praćenja to će nam krajnji
rezultat biti točniji.
36
7. LITERATURA
1. AWSERCRO mjerenja, s interneta, http://eihp.hr/awsercro/awsecp2.htm
2. ProizvoĎačev letak, ENERCON E82, s interneta,
http://www.ledsjovind.se/entorp/ENERCON_Product_Overview_Eng_E82.pdf
3. Romac, Luka: Vjetar i vjetroagregat, Zagreb, travanj 2009.
4. The Weibull distribution, s interneta,
http://www.weibull.com/LifeDataWeb/the_weibull_distribution.htm
5. Danish wind industry association, Guided Tour on wind energy, s interneta,
http://www.talentfactory.dk/en/tour.htm
6. Douglas Vaught, P.E., V3 Energy, LLC, Eagle River, AK, New Stuyahok,
Alaska Wind Resource Report, s interneta,
http://apps1.eere.energy.gov/tribalenergy/pdfs/bbnc03final2newstuyahok.pdf
7. Cambridge Numerical Control, Data Sheet for the SIX Big Losses, s
interneta,
http://www.dnc-max.co.uk/Brochures/Data_Sheet_for_Six_Big_Losses.pdf
8. Wittislinger Bürgerinitiative, s interneta, http://www.trimmpfadwald.de/
37
8. NASLOV, SAŽETAK I KLJUČNE RIJEČI
Naslov:
ANALIZA OSJETLJIVOSTI PROCIJENJENE PROIZVODNJE ELEKTRIČNE
ENERGIJE NA NEODREĐENOSTI BRZINE VJETRA I KRIVULJE SNAGE
Sažetak:
U ovom radu je vršen prikaz i analiza različitih faktora koji utječu na rad
vjetroagregata, te naravno i na njegov konačni proizvod, električnu energiju. Vjetar
kao prekidan izvor energije predstavlja veliki problem u proizvodnji električne
energije. Zato je mjerenje cjelokupnog skupa podataka brzine i smjera vjetra za
odreĎenu lokaciju krucijalan za odreĎivanje stvarnog potencijala neke lokacije.
Posebna pozornost je obraćena na rad nekih funkcionalnih dijelova agregata i na
meteorološke uvjete koji utječu na agregat. Vršen je uvid u neke matematičke
modele koji se koriste u obradi podataka, kao i sam izračun i analiza proizvodnje
na odreĎenoj lokaciji.
Ključne riječi:
Vjetroagregat, vjetar, brzina vjetra, krivulja snage, predviĎanje proizvodnje
38
9. TITLE, ABSTRACT AND KEYWORDS
Title:
SENSITIVITY ANALYSIS OF THE ESTIMATED PRODUCTION OF
ELECTRICITY ON THE UNCERTAINTY OF WIND SPEED AND POWER CURVE
Abstract:
In this paper the goal was to review and analyze the various factors affecting the
operation of wind turbines, of course, and its final product, electricity. Wind as a
intermittent source of energy is a major problem in the production of electricity.
Therefore, the measurement of the entire set of data, of speed and wind direction
for a particular location, is crucial for determining the real potential of some sites.
Special attention was paid to the work of some functional parts of the aggregates
and the meteorological conditions that affect the aggregate. Mathematical models
were used in data processing, calculation and analysis of production at a particular
location.
Keywords:
Wind turbine, wind, wind speed, power curve, predicting output