odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu isto~ne...
TRANSCRIPT
@arko M. Stevanovi}, Nikola S. Mirkov*,@ana @. Stevanovi}, Borislav D. Grubor
Laboratorija za termotehniku i energetiku,Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija
Odr`iva izgradwa vetroelektranau regionu Isto~ne SrbijeOriginalni nau~ni rad
Primena rezultata istra`ivawa potencijala vetra u Srbijibila je neizvesna s obzirom na ograni~ewa u Zakonu o energetici.Promene odgovaraju}ih klauzula kroz izmenu pomenutog Zakona, iregulativno uvo|ewe statusa povla{}enog proizvo|a~a elek-tri~ne energije, te prate}e Uredbe o merama podsticaja za povla{- }ene proizvo|a~e energije, stvorili su realne zakonske okvire dado|e i do izgradwe vetroelektrana u Srbiji. Kako su tokom reali-zacije projekata na temu vetra u Laboratoriji za termotehniku ienergetiku Instituta za nuklearne nauke „Vin~a” ulo`ena zna-~ajna finansijska sredstva za nabavku najreferentnijih softver-skih alatki, odgovaraju}ih baza podataka i meteo-stuba, istra-`iva~i iz ove institucije su stekli neophodna iskustva i rutineda se bave problematikom vetra na visokom i kompetentnom nivou, {to je i potvr|eno statusom u Wind En ergy In ter na tional, World WindEn ergy As so ci a tion, 2009/2010 (ISBN 987-3-940683-01-4). S druge strane,u~estali kontakti koji su usledili od inostranih investitora i izra`enih ̀ eqa lokalnih samouprava u op{tinama Isto~ne Srbi-je, te zainteresovanih privatnih kompanija i dr`avnih institu-cija, nametnuli su `equ i dodatno motivisali istra`iva~e da idaqe rade na ovoj tematici, ali sada na jednoj platformi kojapokriva celokupnu problematiku izgradwe vetroelektrana. Ovajrad sadr`i deo izlaznih rezultata istra`ivawa o mogu}oj odr`i-voj izgradwi vetroelektrana u regionu Isto~ne Srbije na baziglavnih karakteristika meteorologije vetra u ovom regionu.
Kqu~ne re~i: Isto~na Srbija, odr`iva izgradwavetroelektrana, meteorologija vetra
Globalne klimatolo{ke karakteristike u Evropi
Uop{teno, mo`e se re}i da vremenske prilike zavise od op{te distribu-
cije atmosferskog pritiska. U Evropi, globalna distribucija atmosferskog pri-
tiska uslovqena je intenzitetom i polo`ajem kvazi-stacionarnih vrtlo`nih struk-
tura: Azorskog i Sibirskog anticiklona (maksimuma) i Islandskog ciklona (mini-
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne SrbijeTERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60 47
* Odgovorni autor; elektronska adresa: [email protected]
muma - depresije). Tako|e, intenzivna nestacionarna ciklogeneza koja dolazi sa
Atlantika ili se formira na Mediteranu, bli`e odre|uje klimatologiju u poje-
dinim regionima Evrope koji se karakteri{u razli~itim reqefom.
Azorski maksimum (Azores High), poznat i kao Azorski anticklon je kvazi-
-stacionarna anticiklonska oblast sa relativno konzistentnim visokim pritiskom
i vertikalnim kretawem vazduha prema Zemqi nad Atlantikom, u podr~ju oko 30° N
tokom zime (ju`no od Azorskih ostrva). Azorski maksimum je deo subtropskog pojasa
anticiklona na severnoj hemisferi i toliko je va`an da se ponekad naziva „centrom
akcije” u globalnom klimatolo{kom sistemu (sli~no nazivu „sestre” koje ~ine Ber-
mudski i Kalifornijski maksimumi). Pritisak u centru ovog anticiklona je reda
veli~ine 1024 mbar, pri ~emu ova vrednosti vi{e varira tokom zime.
Kretawe ovog sistema tokom leta prema severu ima glavni uticaj na klimu u
Evropi. Leti, centar visokog pritiska se pomera prema 35° N du` Pirinejskog polu-
ostrva i planinskih grebena kroz Francusku, severnu Nema~ku, pa ~ak do jugoisto~-
nih delova Velike Britanije. Ova situacija je tipi~na za sredinu i kraj leta kada se
javqaju topli talasi sa visokom temperaturom (30 °C i vi{e) i dugim suvim vreme-
nom. Tokom leta, Bal kan se nalazi na periferiji ove prostrane anticiklonske cir-
kulacije sa severnog Atlantika.
Sibirski maksimum (Si be rian High), poznat i kao Rusko-Sibirski anti-
ciklon je vrtlo`na masa hladnog i suvog vazduha koja se akumulira nad severnom
Evropom i Azijom. Ovaj anticiklon dosti`e najve}u veli~inu i snagu tokom zime
kada se temperatura u centru spu{ta ispod -40 °C, a centralni pritisak dosti`e
vrednost od 1040 mbar. Sibirski maksimum je najja~i kvazi-stacionarni anticiklon
na severnoj hemisferi sa najve}im uticajem na najni`e tem per a ture koje se javqaju
na severnoj hemisferi.
Sibirski maksimum uti~e na vremensku sliku na ve}im geografskim {iri-
nama severne hemisfere. On mo`e da blokira ili redukuje veli~inu ciklonskih
depresija i da generi{e vreme na {irokom podru~ju Evrope i Azije. Tokom leta,
Sibirski maksimum se u ve}em delu zamewuje depresijom {to rezultira u velikim pa-
davinama uglavom nad ~itavim Sibirom. U principu, Sibirski maksimum se generi-
{e krajem avgusta, dosti`e maksimum tokom zime, i zadr`ava jak intenzitet sve do
kraja aprila.Tokom leta, Sibirski anticiklon slabije uti~e na vreme u podru~ju
Balkana, a tokom zime, na Balkanu je najuticajnija periferija Sibirskog anticik-
lona.
Islandski min i mum (Ice lan dic Low), poznat i kao Islandski ciklon je kvazi-
-stacionarna vrtlo`na struktura sa vertikalnim kretawem vazduha od Zemqe i nis-
kim centralnim pritiskom, formirana iznad Islanda i ju`nog Grenlanda. Tokom
zime se pro{iruje sve do Barencovog mora, a tokom leta, ovaj ciklon slabi i deli se
na dva, sa jednim centrom u blizini Dejvisovog prolaza i drugim centrom na zapadnom
delu Islanda. Ovaj anticiklon pripada kategoriji „centra akcije” na severnoj hemi-
sferi. On formira jedan pol takozvane Severno-Atlanske oscilacije pritiska
(Nort At lan tic Os cil la tion - NAO), dok drugi pol ~ini Azorski maksimum.
Oba vrtlo`na sistema su prisutni tokom cele godine, i najja~i su tokom zi-
me. Kada oba sistema imaju maksimume ili minimume, fluktuacije razlike priti-
saka se intenziviraju, {to za posledicu ima promenu cirkulacije hladnog i toplog
vazduha u regionu koji pokriva ovaj sistem.
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne Srbije48 TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60
Uzimaju}i u obzir karakteristike ovih dominantnih kvazi-stacionarnih
struktura, mogu se generalizovati wihovi uticaji na podru~je Balkana na slede}i
na~in:
- letwa globalna situacija uglavnom je slede}a: pod uticajem Azorskog anticik-
lona, Bal kan se nalazi na periferiji prostrane anticiklonske cirkulacije sa
severnog Atlantika. Oslabqeni Islandski ciklon i Sibirski anticiklon
slabije uti~u na vreme u podru~ju Balkana;
- zimska globalna situacija je sasvim druga~ija: Azorski anticiklon se povla~i
prema jugu, a Sibirski anticiklon i Islandski ciklon ja~aju. Re|aju se ciklon-
ske i anticiklonske aktivnosti koje se sa zapada kre}u prema Balkanu, pa se Bal -
kan nalazi pod udarom hladnih vazdu{nih masa sa severoistoka. Najuticajnija je
periferija Sibirskog anticiklona. Tipi~ne lokacije ovih dominantnih anti-
ciklonskih i ciklonskih struktura prikazane su na sl. 1.
Specifi~ne klimatolo{ke karakteristike na Balkanu
Pored globalnog uticaja Azorskog i Sibirskog anticiklona i Islandskog
ciklona, klimatolo{ke karakteristike u Isto~noj Evropi i na Balkanu su pod izu-
zetno jakim uticajem nestacionarne ciklogeneti~ke aktivnost na regionalnom ni-
vou. Detaqnije, ciklon je sistem vrtlo`nog kretawa vazduha ~ija se osa vrtlo`nosti
poklapa sa osom niskog pritiska. U ciklonu u~estvuju dve vazdu{ne mase koje se
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne SrbijeTERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60 49
Slika 1. Tipi~ne geostropske vrtlo`ne strukture nad Evropom(sliku mo`ete videti u elektronskoj verziji u punom koloru)
razlikuju po temperaturi, sadr`aju vlage i kretawu. Smatrano je da hladnija i suvqa
vazdu{na masa poti~e iz ve}ih geografskih {irina, a toplija i vla`na iz sup-
tropskih oblasti. Cikloni se razvijaju od podloge (~vrstog tla ili morske povr-
{ine) pa vertikalno navi{e. Veoma ~esto se javqaju u odre|enim geografskim
podru~jima, {to zna~i da na wi-
hovo formirawe uti~e i orogra-
fija terena. Uslovi za cikloge-
neti~ke oblasti su:
- postojawe vodenog ili kop-
neno-ravni~arskog bazena,
- bazen mora biti zaklowen
planinskim lancima u prav-
cu naj~e{}eg prodora hlad-
nog vazduha, i
- moraju se javqati ~esti pro-
dori hladnog vazduha ~iji je
pravac kretawa pod veli-
kim uglom u odnosu na pla-
ninsku prepreku.
Iz radova o ciklonskoj ak-
tivnosti na Mediteranu i okol-
nim podru~jima, saznaje se da se,
u neposrednoj blizini ili iznad
Balkana, nalazi pet cikloge-
netskih oblasti:
(1) \enovski zaliv,
(2) severni Jadran,
(3) Egejsko more,
(4) Panonska nizija, i
(5) Vla{ka nizija.
Ove oblasti se razlikuju po
prirodi podloge: prve tri su vo-
deni bazeni, a druge dve kopneni.
U Ligurnijskom moru se javqa
najve}i broj ciklona zapadnog
Mediterana, sa maksimumom ~es-
tine u \enovskom zalivu i se-
vernom Jadranu. Pribli`no 3/4
tih ciklona nastaje u ovom regi-
onu, a tokom zime ovu oblast na-
pu{ta 2/3 ciklona, a leti 1/3.
Cikloni pri prelasku preko
Mediterana te`e da pro|u kroz
Ligurnijsko more i ju`ni Jadran. Pored ovih pravaca, cikloni se ~esto kre}u prav-
cima Ma drid - Korzika, Gi bral tar - Korzika i Tu nis - Korzika. U proseku u za-
padnom Mediteranu godi{we se javi oko 40 ciklona, prose~no svaki deveti dan.
Uzrok tome su Alpi koji deformi{u termi~ka i strujna poqa.
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne Srbije50 TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60
Slika 2. Jugoisto~ni vetar na podru~ju Isto~neSrbije (Ko{ava): (a) izobare, (b) vetar
(sliku mo`ete videti u elektronskoj verzijiu punom koloru)
Kada se ciklogeneti~nost Panonske nizije posmatra na na~in kao zapadni
Mediteran, uo~ava se da je maksimum pojavqivawa ciklona u oblasti Vojvodine
jednaka ~estini pojave ciklona u
severnom Jadranu. Cikloni iz
severnog Jadrana svoju oblast
~esto napu{taju preme{taju}i
se preko Gorskog Kotara, Slavo-
nije, Vojvodine i Vla{ke nizije.
^esto se dogodi da se u Vla{koj
niziji ciklon toliko regene-
ri{e da se pr {iri i na Vojvo-
dinu te se tada ~ini kao da se ci-
klon preme{ta ka zapadu.
Staza i plo`aji jednog tak-
vog ciklona su prikazani na sl. 2
i 3 (datumi: 10. februar 2010, 13.
februar 2010, respektivno) oda-
kle se mo`e uo~iti da prvi polo-
`aj ovog ciklona (centralni deo
Apeninskog poluostrva) u siste-
mu sa periferijom Sibirskog an-
ticiklona generi{e u podru~ju
Isto~ne Srbije intenzivan gra-
dijentni ju`ni-jugoisto~ni ve-
tar (Ko{ava) do 12 m/s, dok drugi
polo`aj ovog ciklona (isto~ni
deo Vla{ke nizije) u sistemu sa
Azorskim anticiklonom generi-
{e gradijentni severozapadni
vetar do 16 m/s.
Klimatologija vetra uIsto~noj Srbiji
Klimatologiju vetra u Is-
to~noj Srbiji je najprikladnije
analizirati na osnovu dugoro~no
osmotrenih podataka o brzini i
pravcu vetra. Iako ovo podru~je
nije pokriveno gustom mre`om
glavnih meteorolo{kih stanica,
ipak postoji wihov dovoqan broj
da se analiza mo`e kvalitetno sprovesti. Zbog specifi~nosti dominantnih vetrova,
ko{ave i severozapadnog vetra, u obzir su uzete i karakteristi~ne meteorolo{ke
stanice du` glavnih pravaca ovih vetrova u Ju`nom Banatu i Ju`noj Srbiji. Kao {to je
ve} napomenuto, u ovom podru~ju dominiraju dve vrste vetrova sinopti~kih razmera:
Ko{ava i severozapadni vetar.
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne SrbijeTERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60 51
Slika 3. Severozapadni vetar na podru~ju Isto~neSrbije: (a) izobare, (b) vetar
(sliku mo`ete videti u elektronskoj verzijiu punom koloru)
Ko{ava je gradijentni hladan isto~ni i jugoisto~ni vetar, sredweg do jakog
intenziteta, koji duva u Srbiji, Rumuniji i Bugarskoj. Prouzrokovan je me|usobnim
vezama izme|u meteorolo{ke situacije i orografije Karpata i Balkanskih plani-
na. Duva iz podru~ja Ukrajine i severnog dela Crnog mora preko Vla{ke nizije i
Ju`nih Karpata, kada se uspostavi gradijent pritiska usmeren od isto~ne ili
jugoisto~ne Evrope prema zapadnom Mediteranu.
Ko{ava se javqa kada se centar generisanog ciklona u \enovskom zalivu ili
severnom Jadranu nalazi iznad zapadnog Mediterana pri ~emu se mo`e javiti, ne{to
re|a, topla Ko{ava koja donosi
suvo vreme sa malo oblaka i ne{-
to vi{e tem per a ture. Tada Ko-
{ava duva uglavnom iz jugoisto~-
nog smera. Drugi razlog za nas-
tajawe Ko{ave je kada se centar
Sibirskog anticiklona nalazi u
isto~noj Evropi. Ova Ko{ava je
izuzetno ~esta zimi donose}i
izuzetno hladan vazduh i suvo
vreme. Tada Ko{ava osim jugo-
isto~nog smera mo`e imati i is-
to~ni smer. Na osnovu dugo-
-osmotrenih podataka o ~estina-
ma pravca vetra na meteo-stani-
cama u Srbiji te karakteristika
orografije ovog podru~ja, mogu-
}e je odrediti dominantne prav-
ce Ko{ave na ovom prostoru,
{to je {ematski prikazano na
sl. 4(a).
Na pravac nadolaze}e Ko{a-
ve sa istoka dominantni uticaj
ima vektor gradijenta pritiska
(polo`aj centralnog minimuma
ciklona ili intenzitet perife-
rije Sibirskog anticiklona, sl.
2), te planinski masiv Bal kan
(Stara Planina) koji deli Bu-
garsku prakti~no na dve oblasti,
odnosno ~ini ju`nu fizi~ku gra-
nicu Vla{ke nizije. Ko{ava iz
Vla{ke nizije, nailaskom na
ju`ni Karpatski masiv u Isto~-
noj Srbiji deli se na dva dom i -
nantna pravca. Jednim delom,
Ko{ava prolazi kroz \erdapsku
klisuru gde se ubrzava zbog tu-
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne Srbije52 TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60
Slika 4. Dominantni pravci vetrovau Isto~noj Srbiji: (a) Ko{ava, (b) Gorwak
(sliku mo`ete videti u elektronskoj verzijiu punom koloru)
nelskog efekta orografije, tako da ulaskom u Panonsku niziju (Ju`ni Banat)
ekspandira ve}im brzinama, dok drugim delom, nailaskom na planinski masiv Deli
Jovana, skre}e i pronalazi planinske kawone i prolaze du` re~nih dol ina (Timok,
Beli Timok i Crni Timok). Ova ko{ava mo`e dopreti ~ak do Ni{ke nizije gde
skre}e na zapad. Ko{ava iz ju`nog dela Bugarske prolazi i ubrzava se kroz prirodni
kawon kojeg ~ine Stara Planina i Svrqi{ke planine.
Zapadni i severozapadni vetar se javqa kada se centar generisanog ciklona u
\enovskom zalivu ili severnom Jadranu nalazi u Vla{koj niziji gde i is~ezava,
naj~e{}e pod blokadom Sibirskog anticiklona. Tada se uspostavqa gradijent pri-
tiska pribli`no istog pravca, ali suprotnog smera od gradijent pritiska Ko{ave.
Dominantni pravci ovog vetra su pribli`no isti kao kod Ko{ave, ali vetar duva u
suprotnom smeru, {to je {ematski prikazano na sl. 4(b).
Kada je u pitawu Timo~ka Krajina, ovaj vetar, prolaskom preko planinskih
masiva ju`nih Karpata, superponira se s lokalnim gorskim vetrovima, tako da u Ti-
mo~ku Krajinu sti`e kao veoma hladan i intenzivan vetar. Iako je termin za vetar
„Gorwak” rezervisan za lokalni gorski vetar, qudi u Timo~koj Krajini i ovaj vetar
nazivaju Gorwak ili Gorwa Ko{ava, dok pravu Ko{avu nazivaju Dowom Ko{avom.
Kvalitet vetrova Ko{ava i Gorwak
Kada se procewuju energetske karakteristike vetra na odre|enoj lokaciji,
nije dovoqno dati ocenu o wegovoj brzini, pravcu i ~estini, ve} je potrebno raz-
matrati i „kvalitet” vetra, {to se uglavnom odnosi na wegove turbulentne karakte-
ristike i ekstremne uslove. Ovi parametri su jasno specificirani u standardu IEC
6400-1:2005 (3-izdawe), preko intenziteta turbulencije i veli~ine maksimalne brzi-
ne vetra, i to, u normalnim i ekstremnim uslovima.
Kada su u pitawu karakteristike turbulentnih fluktuacija brzine vetra,
izdvajaju se tri glavna pitawa: wihova veli~ina, spektralna distribucija, i kovari-
jantnost sa fluktuacijama drugih zna~ajnih atmosferskih parametara (pritisak,
temperatura, vla`nost, itd.). Kompletno razmatrawe ovih interakcija daje odgovo-
re na ve}inu atmosferskih fenomena. Me|utim, kada je u pitawu interakcija sa odre-
|enom izgra|enom strukturom, kao {to su na primer visoke i vitke zgrade, mostovi,
aerodinami~ke strukture kao {to su vetrogeneratorske tur bine (lopatice i stub),
itd., onda se turbulentne karakteristike vetra posmatraju i analiziraju u interak-
ciji sa ovakvim strukturama, a vezane su za pojavu nepo`eqnih aeroelasti~nih pojava
koje mogu dovesti do fizi~ke degradacije strukture (na primer pojava flatera), pa su
sa ovog stanovi{ta, turbulentne karakteristike i maksimalni naleti vetra od pri-
marnog zna~aja. Odr`ivost izgradwe vetroelektrana na podru~ju Isto~ne Srbije se
daqe analiziraju sa stanovi{ta ovog aspekta.
Za ovu vrstu analize neophodno je, u principu, izdvojiti {to jasnije atmos-
ferski fenomen. Odabrani su tipi~ni podaci pojave jasno izra`ene Ko{ave i
Gorwaka marta 2008. godine u trajawu od po pribli`no tri dana (od 24. marta 2008. od
10:30 sati do 30. marta 2008. u 0:0 sati), registrovani na meteo-stubu Korwet-Negotin
na visini od 50 m. Snimqeni pravci vetra su prikazani na sl. 5. Treba napomenuti da
su mereni podaci dobijeni na osnovu 3-sekundnog uzorkovawa, a zatim usredwavawa
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne SrbijeTERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60 53
na pe riod od 10 minuta. Prakti~no, vrednost ugla pravca vetra je sredwa vrenost u
intervalu od 10 minuta; standardna devijacija je sredwe odstupawe od usredwene
brzine u intervalu od 10 minuta; intenzitet turbulencije je odnos ovih veli~ina.
Fluktuacije brzine vetra i intenzitet turbulencije
Iako je merewe vertikalne komponente vektora brzine vetra ote`ano, ka-
rakteristike ove veli~ine su prili~no jasne. Pod uslovima „normalne hrapavosti”,
ova komponenta brzine vetra direktno opisuje efekat uticaja terena. S druge strane,
fluktuacije vertikalne komponente brzine su direkno povezane sa stawem stabil-
nosti atmosfere, definisanom preko Ri~ardsonovog broja ili Monin-Obukove
razmere stabilnosti. Fluktuacije lateralne komponente brzine vetra su najodgo-
vornije za difuzione pojave u atmosferi.
Izme|u ova dva ekstremna uticaja, nalazi se uticaj fluktuacija longitu-
dinalne komponente vetra. U uslovima neutralne atmosfere, varijansa longitudi-
nalne komponente brzine vetra (kvadrat standardne devijacije) proporcionalna je
kvadratu usredwene brzine vetra na datoj visini. Kako se brzina vetra pove}ava sa
pove}awem visine, odnos longitudinalne standradne devijacije i brzine vetra se
smawuje sa porastom visine. Ovaj parametar se razli~ito defini{e, kao intenzitet
turbulencije, relativna mera naleta vetra (rel a tive gus ti ness). Za potrebe analize kva-
liteta vetra sa aspekta pogodnosti gradwe vetroelektrana, ovaj parametar je od pri-
marnog zna~aja. Eksperimentalni zapisi lateralne standardne devijacije i in-
tenzitet turbulencije su prikazani na sl. 6 i 7, respektivno. Na ovim dijagramima su
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne Srbije54 TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60
Slika 5. Eksperimentalna evidencija o promeni pravca vetra(sliku mo`ete videti u elektronskoj verziji u punom koloru)
nazna~ene i sredwe vrednosti ovih pa-
rametara za Gorwak i Ko{avu u posmat-
ranom vremenskom intervalu.
Analizom prethodnih dijagrama, mo-
`e se do}i do zakqu~ka da je prose~ni
intenzitet turbulencije pribli`no is-
ti za Gorwak i Ko{avu, bez obzira na
veoma razli~ite frekvencije i am pli -
tude longitudinalnih fluktuacija br-
zine vetra. Zato je nemogu}e doneti
potpun zakqu~ak o kvalitetu ovih vet-
rova samo na osnovu analize magnituda
standardne devijacije. Da bi se doneo
potpuniji zakqu~ak, neophodno je ana-
lizirati spektralnu distribuciju o-
vih parametara, i to zasebno za Gorwak i
Ko{avu. Spektralna analiza daje odgo-
vore o vremenskim razmerama, ~estini i
energetskom sadr`aju lon gi tu di nalnih
fluktuacija, na osnovu kojih se mo`e da-
ti potpuniji odgovor o kvalitetu ova
dva vetra. Uobi~ajena je praksa da se
spektralna analiza vr{i putem Furije-
ove transformacije, koja u principu
predstavqa frekventnu nalizu posmat-
ranog signala u vremenu, primenom seri-
je sinusnih i kosinusnih funkcija. Me-
|utim, osnovni nedostatak ove metode je
da se wenom primenom ne mogu lokalizo-
vati posmatrani fenomeni sa stanovi{-
ta wihovih razmera (vremenske i/ili
du`inske), {to je u ovom slu~aju vema
zna~ajno.
Ovi fenomeni se mogu analizirati
primenom wave let koncepta. Kako je ovaj
koncept relativno nov, iako se u zadwe
vreme sve vi{e primewuje, radi upu}e-
nosti ~italaca ovog rada, date su osnovne napomene o ovom konceptu.
Wave let transformacija se koristi za analizu nestacionarnih signala, kako
bi se dobila informacija o varijacijama frekvencije ili razmere tih signala, te da
bi se uo~ila lokalizacija razli~itih struktura tog signala u vremenu i/ili pros-
toru. Lokalizacija u prostoru i vremenu je mogu}a jer je wave let funkcija definisana
u ograni~enom vremenskom intervalu, za razliku od sinusnih i kosinusnih funkcija
u Furijeovoj transformaciji. Na ovaj na~in, kako se razmera uve}ava, wave let funk-
cija tih razmera je lokalizovana u sve u`im intervalima.
Kontinualna wave let transfomacija (Con tin ual Wave let Trans for ma tion - CWT)
je ekvivalenta „matemati~kom mikroskopu”, ~ije uve}awe je dato recipro~nom vred-
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne SrbijeTERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60 55
Slika 6. Longitudinalne fluktuacijebrzine vetra (standardna devijacija)
(sliku mo`ete videti u elektronskoj verziji u punom koloru)
Slika 7. Intenzitet turbulencije(odnos standardne devijacije
i 10 min. (usredwene brzine vetra)(sliku mo`ete videti u elektronskoj verziji
u punom koloru)
no{}u parametra dilatacije, a opti~ka sposobnost je data izborom funkcije „majke-
-waveleta”. Karakteristika wave let analize je da se mo`e pokazati da je amplituda
wave let koeficijenata povezana sa naglim varijacijama signala, odnosno sa „detaqi-
ma” visoke frekvencije.
Karakteristika wave let transformacije je o~uvawe energije signala. Ana-
logno sa terminologijom prihva}enoj u Furijeovoj analizi, kvadrat mod ula wave let
koeficijenata kontinualne wave let transformacije naziva se skalogram (scalo-
gram), koji daje informaciju da li analizirani sig nal ima karakteristiku pojavqi-
vawa u vi{e razmera (multi-scale char ac ter is tics), i koje razmere u~estvuju u procesima
opisanih signalom. Odstupawe energije spektra od sredwe vrednosti mo`e biti
kvantifikovana varijansom E(kj), {to je su{tinski statisti~ki momenat ~etvrtog
reda (flat ness) wave let koeficijenata.
Lokalni efekti posmatranog fenomena uti~u na koeficijente wave let
transformacije, dok su kod Furijeove transformacije, koeficijenti funkcija vre-
menskog domena kao celine. Na ovaj na~in, spektar waveleta daje boqu informaciju o
karakteristici varijanse lokalnog fenomena, {to je u posmatranom slu~aju ana-
lize longitudinalnih fluktuacija brzine vetra i intenziteta turbulencije od
su{tinskog zna~aja. Na sl. 8 i 9 dati su skalogrami longitudinalnih fluktuacija
brzine vetra (standardne devijacije) Gorwaka i Ko{ave, respektivno, a na sl. 10 i 11
dati su skalogrami intenziteta turbulencije Gorwaka i Ko{ave, respektivno. Na
svakoj od ovih slika, dati su slede}i dijagrami:
- sig nal u fizi~kom domenu (fluktuacija brzine - vreme, i intenzitet turbulen-
cije - vreme),
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne Srbije56 TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60
Slika 8. Wave let skalogram longitudinalne fluktuacije brzine vetra Gorwak(sliku mo`ete videti u elektronskoj verziji u punom koloru)
- skalogram (wave let spektar snage) gde je apscisa vreme, ordinata pe riod (vre-
menska razmera), a popuwene oblasti odgovaraju}im rasterom predstavqaju nivoe
snage spektra ~ija je skala data ispod skalograma,
- globalni wave let, dat kao vremenska razmera u funkciji varijanse spektra E(k j), i
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne SrbijeTERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60 57
Slika 9. Wave let skalogram longitudinalne fluktuacije brzine vetra Ko{ava(sliku mo`ete videti u elektronskoj verziji u punom koloru)
Slika 10. Wave let skalogram intenziteta turbulencije vetra Gorwak(sliku mo`ete videti u elektronskoj verziji u punom koloru)
- u gorwem desnom uglu slike dat je oblik majke-wave let funkcije (u ovoj analizi ko-
ri{}ena je Morlet majka-wave let funkcija 6,00).
Pre nego {to se izvr{i analiza prikazanih skalograma, treba napomenuti
{ta, u principu, treba analizirati. Na osnovu informacija koje daje skalogram, pot-
rebno je analizirati najva`nije elemente, a to su:
- nivo snage wave let spektra,
- vremenska razmera (pe riod) pojave maksimalne snage wave let spektra,
- vremenski in ter val pojave maksimalne snage wave let spektra,
- periodi~nost pojave maksimalne snage wave let spektra, koja se dobija pore|ewem
prethodna dva elementa, i
- vrednost varijanse maksimalne snage wave let spektra.
Kako su posmatrani skalogrami longitudinalne fluktuacije brzine vetra
(sl. 8 i 9) i skalogrami intenziteta turbulencije (sl. 10 i 11), zakqu~ci analize ska-
lograma dati su odvojeno.
(a) Skalogrami longitudinalne fluktuacije brzine vetra
(standardna devijacija)
(1) Maksimalna snaga wave let spektra [m2] je osam puta ve}a kod Ko{ave u odnosu na
Gorwak (16,0 ~ 2,0).
(2) Pojava maksimalne snage wave let spektra Gorwaka javqa se na jednoj vremenskoj
razmeri pribli`no 12 sata u dva vremenska interala: na po~etku pojave u tra-
jawu od 12 sata, i na kraju, u ve}em trajawu od 18 sati.
(3) Na osnovu ovih podataka za Gorwak, periodi~nost pojave maksimalne vred-
nosti snage je od 1 na po~etku do 1,5 na kraju posmatranog vremenskog intervala
pojave Gorwaka.
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne Srbije58 TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60
Slika 11. Wave let skalogram intenziteta turbulencije vetra Ko{ava(sliku mo`ete videti u elektronskoj verziji u punom koloru)
(4) Pojava maksimalne snage wave let spektra Ko{ave javqa se na dve vremenske
razmere, i to prva od 30 sati u centralnom vremenskom intervalu u pribli`-
nom trajawu od 45 sati, i druga od 65 sati tokom celog vremenskog intervala
(74,3 sata).
(5) Na osnovu ovih podataka za Ko{avu, periodi~nost pojave prve vremenske raz-
mere je pribli`no 1,5, a druge, pribli`no 1.
(6) Varijansa spektra za maksimalnu snagu je pribli`no deset puta ve}a kod
Ko{ave u odnosu na Gorwak.
(b) Skalogrami intenziteta turbulencije.
U principu, ovaj skalogram daje posredno informaciju i o karakteristici
usredwene 10-to minutne brzine, jer je intenzitet turbulencije definisan kao odnos
standardne devijacije i ove brzine.
(1) Maksimalna snaga wave let spektra je skoro tri puta ve}a kod Ko{ave u odnosu
na Gorwak (2,9×103 ~ 1,1×103).
(2) Kod Gorwaka, maksimalna vremenska razmera (pe riod) od 30 sati se javqa u
~itavom periodu pojave (57,7 sati).
(3) Periodi~nost pojave maksimalne snage kod Gorwaka je pribli`no 2.
(4) Kod Ko{ave se javqaju dve maksimalne vremenske razmere (pe riod) od 24 sata i
65 sati, pri ~emu se prva javqa u vremenskim intervalima od 12 sati na po~etku
i 12 sati na kraju pojave, a druga vremenska razmera se javqa u ~itavom periodu
pojave (74,3 sata).
(5) Periodi~nost pojave maksimalne snage kod Ko{ave je 0,5 za prvu vremensku
razmeru i pribli`no 1 za drugu vremensku razmeru.
(6) Nivo varijansi Ko{ave i Gorwaka su istog reda veli~ine.
Zakqu~ak
Na osnovu prethodne analize wave let-skalograma fluktuacija longitudi-
nalne komponente brzine vetra, mogu}e je doneti slede}e zakqu~ke o kvalitetu vet-
rova Gorwaka i Ko{ave, sa aspekta posmatrawa ovog parametra.
Snaga fluktuacija longitudinalne komponente brzine vetra je 8 puta ve}a
kod Ko{ave u odnosu na Gorwak.
Snaga waveleta intenziteta turbulencije je tri puta ve}a kod Ko{ave u od-
nosu na Gorwak.
Vremenske razmere (pe riod - skala) na kojim se javqaju maksimalne snage
fluktuacija longitudinalne brzine vetra su pribli`no tri puta ve}e kod Ko{ave u
odnosu na Gorwak u trostruko ve}em vremenskom intervalu trajawa pojave.
Ko{ava ima dve vremenske razmere pojave maksimalne snage wave let inten-
ziteta turbulencije u odnosu na Gorwak, i to, prva istog reda veli~ine kao Gorwak, a
druga, dva puta ve}a.
Posmatrano sa aspekta odr`ive gradwe vetroelaktrana, mo`e se kona~no
zakqu~iti da za aeroelasti~ne strukture, kao {to su prvenstveno lopatice vetroge-
neratorskih turbina i stub, posmatrano sa stanovi{ta parametara turbulencije,
karakteristike Ko{ave su nepovoqnije u odnosu na Gorwak. Kriti~ne aeroelas-
ti~ne pojave koje dovode do destrukcije aerodinami~ke strukture crpu fluktua-
cionu energiju iz okoline, pa im Ko{ava to obilato nudi u odnosu na Gorwak.
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne SrbijeTERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60 59
Tako|e, treba napomenuti da je ~estina pojave Gorwaka ve}a u odnosu na Ko-
{avu na podru~ju Isto~ne Srbije, pa je time pove}ana atraktivnost gradwe vetro-
elektrana u ovom regionu, za razliku od Ju`nog Banata gde je situacija obrnuta.
Zahvalnost
Prikazani rezultati u ovom radu su rezultat dela istr`ivawa na projektu
TR-18211 kojeg finansira Ministarstvo za obrazovawe i nauku Republike Srbije.
Ab stract
Sus tain able Build ing of Wind Farms inRe gion of East Ser bia
by
@arko M. STEVANOVI], Nikola S. MIRKOV*,@ana @. STEVANOVI], and Borislav D. GRUBOR
Lab o ra tory for Ther mal En gi neer ing and En ergy,Vin~a In sti tute of Nu clear Sci ences, Uni ver sity of Bel grade, Bel grade, Ser bia
Ap pli ca tion of wind power as sess ment re search in Ser bia has been per formedwith high un cer tainty due to some con strains spec i fied by pre vi ous Ser bian Low of En -ergy. Cur rent cor rec tion of the con strains in Ser bian Low of En ergy by in tro duc ing a newcat e gory of Priv i leged Man u fac turer of Elec tric ity, as well as sup port ing Reg u la tion offeed-in tar iff of elec tric ity, cre ated a reg u la tive frame work for real wind farm build ing inSer bia. Since the past re search ac tiv i ties con cern ing the sub ject of wind, Lab o ra tory forTher mal En gi neer ing and En ergy of the Vin~a In sti tute of Nu clear Sci ences, in vested alarge amount of fi nan cial bud get pur chas ing the most ref er enced soft ware tools, databases, and me te o ro log i cal mast, the ex perts from this in sti tu tion has been gained moreex pe ri enced to per form fur ther in ves ti ga tion in the sub ject of wind at the high and com -pet i tive level, that is con firmed in Wind En ergy In ter na tional, World Wind En ergy As so -ci a tion, 2009/2010 (ISBN 987-3-940683-01-4). On the other hand, very fre quent con tactswith for eign de vel op ers as well as in ter est of lo cal au thor i ties of mu nic i pal i ties of EastSer bia re gion, pri vate com pa nies and gov ern men tal in sti tu tions cre ate an ad di tional mo -ti va tion for fur ther in ves ti ga tion in this field, but on over all plat form in clud ing all as pectsof wind farm build ing. This pa per deal with some re search out comes about pos si bil i ties of sus tain able build ing of wind farms in the re gion of East Ser bia based on global wind me te -o rol ogy char ac ter is tics in this re gion.
Key words: East Ser bia, wind farm sus tain able build ing, wind me te o rol ogy
* Correpsonding au thor; e-mail: [email protected]
Rad primqen: 25. maja 2011.Rad revidiran: 20. januara 2012.Rad prihva}en: 17. februara 2012.
@. M. Stevanovi} i dr.: Odr`iva izgradwa vetroelektrana u regionu Isto~ne Srbije60 TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 47‡60