optimiranje samostalnog hibridnog sustava · 1 uvod kroz zadnjih nekoliko desetaka godina svjedoci...
TRANSCRIPT
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
DIPLOMSKI RAD br. 1437
OPTIMIRANJE SAMOSTALNOG
HIBRIDNOG SUSTAVA
Mario Medvidović
Mentor: Doc.dr.sc. Zdenko Šimić
Zagreb, lipanj 2010.
Sadržaj
Uvod ...................................................................................................................................... 1
1. Hibridni sustav ............................................................................................................... 2
2. Energija sunca................................................................................................................ 4
2.1. Sunčevo zračenje na površini zemlje..................................................................... 4
2.2. Izravno pretvaranje energije sunčevog zračenja u električnu energiju.................. 7
2.3. Karakteristike i varijabilnost sunčevih resursa ...................................................... 8
3. Energija vjetra.............................................................................................................. 10
3.1. Vjetroelektrane .................................................................................................... 11
3.2. Vjetroagregat ....................................................................................................... 13
3.3. Karakteristike i varijabilnost resursa vjetra ......................................................... 14
4. Samostalni energetski sustav ....................................................................................... 16
4.1. Vjetrogeneratorski i fotonaponski samostalni energetski sustav ......................... 17
4.2. Pretvarači i baterijski sustav ................................................................................ 18
4.3. Profil dnevnog opterećenja .................................................................................. 19
5. Simulacija u programu Homer .................................................................................... 21
5.1. Podaci o energetskom sustavu ............................................................................. 21
5.1.1. Vjetar ........................................................................................................... 25
5.1.2. Sunčevo zračenje i fotonaponski (PV) modul ............................................. 28
5.1.3. Agregat ........................................................................................................ 32
5.1.4. Pretvarači ..................................................................................................... 33
5.1.5. Baterije ........................................................................................................ 35
5.2. Rezultati simulacije ............................................................................................. 36
Zaključak ............................................................................................................................. 41
Literatura ............................................................................................................................. 42
Saţetak ................................................................................................................................. 43
Summary .............................................................................................................................. 44
Skraćenice ............................................................................................................................ 45
1
Uvod
Kroz zadnjih nekoliko desetaka godina svjedoci smo brzog razvoja i napretka
ljudske civilizacije u svakom pogledu na ţivot oko nas. Otkrivajući bogatstva koja nudi
priroda i korištenjem raznih resursa čovjek kroz povijest nastoji olakšati ţivot sebi i
drugima. Istraţivajući, došao je do spoznaje novih oblika energije koje su mu uvelike
pomogle u daljnjem razvoju civilizacije. Danas se ne moţe zamisliti ţivot bez nekih oblika
energije kao što je električna. Ipak još uvijek na svijetu postoji mnogo mjesta koja nemaju
pristup električnoj energiji. Razlog takvoj situaciji najčešće je udaljenost pojedinih
područja od civilizacije kao i siromaštvo pojedinih zemalja. Industrijska postrojenja koja
su udaljena od mreţe također trebaju samostalne sustave.
U današnjem svijetu potreba za električnom energijom raste iz dana u dan.
Relevantna istraţivanja koja govore o trenutnom stanju dostupnosti električne energije te
predviđanja razvoja svjetske elektroenergetske mreţe u bliţoj budućnosti ukazuju da
pribliţno 2 milijarde ljudi širom svijeta nema pristup električnoj energiji. Ukoliko zemlje u
razvoju ne pruţe financijsku potporu glede razvoja elektroenergetske mreţe, situacija u
2030. godini neće se znatno popraviti, odnosno 1.4 milijardi ljudi neće imat pristup
električnoj energiji [1]. Potrošnja neobnovljivih izvora energije, posebno fosilnih goriva,
vjerojatno će porasti u bliţoj budućnosti.
Nešto će se morati promijeniti, energije se troši sve više, a fosilna goriva, osim što
zagađuju okoliš, imaju jednu veliku manu, potrošna su. Stoga obnovljivi izvori [2] imaju
veliku perspektivu, pa sve više zemalja ulaţe u istraţivanje i implementaciju ovih izvora.
Neke drţave već su počele poticati programe štedne energije i prelazak na obnovljive
izvore energije. Globalno gledano, za sada nema velikog napretka u tome, jer je količina
energije dobivena na taj način zanemariva prema energiji dobivenoj od fosilnih goriva i
nuklearnih elektrana.
2
1. Hibridni sustav
Dostupnost električne energije, odnosno dostupnost povlasticama koje pruţa
moderna tehnologija ima ključnu ulogu kako u ekonomskom razvoju, tako i u sociološkom
razvoju pojedine regije. Ekonomski razvoj svake zemlje vezan je uz potrošnju električne
energije. Veza između stope rasta bruto društvenog proizvoda (BDP) i stope rasta
potrošnje električne energije je ispitana za niz zemalja na različitim razinama ekonomskog
razvoja i kod svih je utvrđeno da je odnos tih stopa (poznat kao faktor elastičnosti) ne samo
pozitivan nego i blizak jedinici. Kod manje razvijenih zemalja je u prosjeku viši ili bliţi
jedinici nego kod visoko razvijenih zemalja jer se još uvijek odigrava prestrukturiranje
potrošnje u korist električne energije.
Regije koje su jako udaljene od civilizacije neće imati u skoroj budućnosti pristup
električnoj energiji jer električnu energiju često nije moguće, odnosno nije isplativo dovesti
u takve krajeve. Dakle, elektrifikacija ruralnih krajeva predstavlja svojevrsni problem.
Rješenje navedenog problema usmjereno je na decentralizaciji sustava elektrifikacije
ruralnih krajeva. Velike nade polaţu se u iskorištavanje obnovljivih izvora energije,
posebno energije vjetra, sunca te vode, koji su izrazito prikladni za decentraliziranu
proizvodnju električne energije. Problem vezan uz iskorištavanje obnovljivih izvora
energije je nepredvidiva priroda takvih izvora energije, odnosno nemogućnost garantiranja
instalirane snage. Rješenje navedenog problema je ugradnja pomoćnog izvora energije,
odnosno povezivanje u hibridni sustav [3]. Pomoćni izvor energije redovito je agregat,
odnosno generator koji za pogon koristi fosilno gorivo. Sustavi koji koriste obnovljive
izvore energije u kombinaciji s agregatom najčešće sluţe za napajanje manjih zajednica
(kućanstva, sela, otoci i sl.), ali mogu se koristiti i za druge potrebe. Napajanje udaljenih
industrijskih instalacija koje nisu priključene na elektroenergetsku mreţu također zahtjeva
vlastiti sustav napajanja električnom energijom kao što je hibridni. Mnogi sustavi koji
koriste električnu energiju iz elektroenergetske mreţe osjetljivi su na prekid napajanja u
slučaju kvara na elektroenergetskoj mreţi. Da bi riješili taj problem koriste vlastiti
pomoćni sustav napajanja odnosno hibridni sustav.
Drţave u suradnji sa svjetskim organizacijama često subvencioniraju izgradnju
malih energetskih sustava koji koriste obnovljive izvore energije u svrhu ruralne
3
elektrifikacije. Primjeri takvih suradnji sa svjetskim organizacijama mogu se naći u Kini,
Africi, Indoneziji, Egiptu, dakle zemljama u razvoju.
U ovom radu prezentirat će se problematika vezana uz dizajn malih hibridnih
sustava koji koriste vjetroturbinske, odnosno fotonaponske sustave u suradnji s agregatom.
Istraţit će se i energetsko-ekonomski aspekti pri određivanju optimalnog sustava napajanja
dislociranog stambenog objekta. Veći dio rada odnosi se na problematiku vezanu za
optimalni samostalni energetski sustav, a manji dio na investicijski trošak samog sustava.
Prilikom konfiguracije samostalnog energetskog sustava istraţit će se isplativost primjene
vjetroturbinskog, odnosno fotonaponskog sustava u kombinaciji s diesel agregatom na
specifičnoj lokaciji.
Da bi bolje shvatili problematiku vezanu uz dizajn samostalnih energetskih sustava
koji koriste energiju vjetra i sunca, rad je podijeljen na teorijski dio te projektni dio.
Teorijski dio, kao što samo ime kaţe, sadrţi teorijsku pozadinu iskorištavanja sunčeve
energije pomoću fotonaponskih (PV) modula i iskorištavanja energije vjetra pomoću
vjetroelektrana. Projektni dio odnosi se na primjenu računalnog simulacijskog programa
HOMER. Računalni simulacijski program HOMER provodi energetsko-ekonomsku
analizu dizajniranog projekta te odlučuje koji sustav je optimalan.
4
2. Energija sunca
Sunce je nama najbliţa zvijezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve
raspoloţive energije na Zemlji [4]. Ono je golema uţarena plinovita kugla promjera 1.391
milijuna kilometara koja se sastoji uglavnom od vodika i helija. U unutrašnjosti Sunca
vodik se nuklearnim reakcijama fuzije pretvara u helij što rezultira oslobađanjem velikih
količina energije. Uslijed tih reakcija temperatura u unutrašnjosti Sunca premašuje 20
milijuna K. Međutim, to nije temperatura koja određuje elektromagnetska svojstva sunčeva
zračenja budući da zračenje iz unutrašnjosti u velikom dijelu apsorbira sloj negativnih
vodikovih iona blizu površine pa je temperatura površina Sunca oko 6000 K, a spektar
sunčevog zračenja pribliţno odgovara spektru crnog tijela ugrijanog na temperaturu 5760
K. Stoga se temperatura od 5760 K moţe uzeti kao efektivna temperatura Sunčeve
površine, a iz nje je primjenom Planckova zakona moguće izračunati energetski spektar
Sunčeva zračenja.
Zemlja se vrti oko Sunca u eliptičnoj putanji s vrlo malim ekscentricitetom
(e=0.017) tako da se udaljenost Zemlje i Sunca mijenja vrlo malo tijekom godine. Srednja
udaljenost Zemlje i Sunca je 149.68 milijuna kilometara. Putujući brzinom svjetlosti,
sunčevom zračenju potrebno je tek 8.31 minuta da prijeđe udaljenost do Zemlje.
2.1. Sunčevo zračenje na površini zemlje
Sunčevo zračenje prije ulaska u atmosferu sastoji se od snopa paralelnih
elektromagnetskih valova što se moţe smatrati zbog velike udaljenosti. Međudjelovanjem
s plinovima i česticama u atmosferi sunčevo zračenja se moţe upiti (oko 18 %), odbiti (oko
10 %) ili više manje nesmetano proći kroz atmosferu (oko 70 %).
Pri kontaktu sa Zemljom, ovisno o svojstvima podloge, veći će dio sunčeva
zračenja zemlja upiti, a manji dio zračenja će se odbiti (reflektirati). Svojstvo podloge da
odbija zračenje moţe se izraziti koeficijentom refleksije ili albedom. Potpuno bijelo tijelo
imalo bi albedo 1.0 jer bi potpuno odbijalo Sunčevo zračenje (snijeg), a potpuno crno tijelo
imalo bi albedo nula. Najčešća vrijednost albeda bila bi 0.2 (travnata površina) i ta se
vrijednost najčešće uzima pri izračunima.
Dakle, na Zemljinu površinu dopire iz atmosfere izravno i raspršeno Sunčevo
zračenje te se upija ili odbija na Zemljinoj površini. Ukupna količina Sunčeva zračenja na
5
okomitu plohu naziva se globalno zračenje. Globalno (ukupno) zračenje na horizontalnu
plohu se sastoji od direktnog zračenja, raspršenog i odbijenog sunčevog zračenja. Mjerna
jedinica globalnog zračenja je W/m2.
Drugi, šire prihvaćeni pojam u znanstvenoj zajednici je insolacija, odnosno trajanje
sunčeve insolacije. Pojam insolacija odnosi se na gustoću sunčevih zraka na određenoj
plohi uz određenu orijentaciju kroz određeno vrijeme. Mjeri se u Wh/m2 ili kWh/m2.
Umnoţak ukupnog zračenja sa vremenom daje nam insolaciju. Energija sunčevog zračenja
koja dopire do površine Zemlje ovisi u prvom redu o trajanju insolacije (trajanju sijanja
Sunca, odnosno broju sunčanih sati), dok trajanje insolacije zavisi o zemljopisnoj širini i o
godišnjem dobu. Slika 2.1 [5] prikazuje insolacijski nivo, vidi se da Europa nije na vrlo
pogodnom području za eksploataciju, ali unatoč tome u Europi je direktno iskorištavanje
sunčeve energije u velikom porastu.
Slika 2.1. Insolacijski nivo u svijetu [5]
Dotok ukupnog sunčevog zračenja koje dopre do Zemljine površine iznosi 920
W/m2. Ako je projekcija površine Zemlje 127.106 km2, dotok energije iznosi 117400 TW.
Zbog rotacije Zemlje ta se energija raspoređuje po cijeloj površini Zemlje (510.1·106 km2),
pa je prosječni dotok energije 230 W/m2, odnosno 5.52 kWh/m2 dnevno. To su prosječne
vrijednosti, a stvarne zavise od zemljopisne širine, dijela dana, pojave oblaka, zagađenja
itd. Energija sunčeva zračenja koja dolazi do Zemljine površine iznosi oko 109 TWh
godišnje. Ta je energija oko 170 puta veća nego energija u ukupnim rezervama uglja u
Svijetu.
U Hrvatskoj je prosječna vrijednost insolacije na horizontalnu plohu između 3 i 4.5
kWh/m2 dnevno, odnosno između 1.2 i 1.6 MWh/m2
godišnje (slika 2.2) [6]. Trajanje
insolacije, odnosno prosječni broj sunčanih sati godišnje je između 2000 i 2800 sati.
6
Slika 2.2. Vrijednost srednje godišnje ozračenosti (insolacije) na okomitu plohu za područje
Hrvatske
Kao što je navedeno, potencijal sunčeve energije sa aspekta pretvorbe u koristan
oblik energije je ogroman, ali pri tome postoje veliki problemi pri iskorištavanju:
1. Mala gustoća energetskog tijeka,
2. Velike oscilacije intenziteta zračenja tijekom dana,
3. Ovisnost zračenja o klimatskim uvjetima,
4. Intenzitet zračenja ne poklapa se s intenzitetom potrošnje,
5. Nemogućnost skladištenja,
6. Trenutna neisplativost.
Što se tiče sunčevog potencijala u Hrvatskoj, na slici 2.2 jasno je vidljivo kako je
područje juţne Dalmacije vrlo pogodno za eksploataciju energije sunčevog zračenja. Iako
je sunčeva energija uzročnik većine izvora energije, u ovomu radu fokusirati ću se na
direktno iskorištavanje sunčeve energije, posebice na izravno pretvaranje sunčeve energije
u električnu energiju.
7
2.2. Izravno pretvaranje energije sunčevog zračenja u
električnu energiju
Energija sunčevog zračenja [4] izravno se moţe koristiti za proizvodnju električne
energije fotonaponskim (photovoltaic, PV) odnosno sunčevim ćelijama. Termin
photovoltaic prvi puta je upotrjebljen krajem 19. stoljeća, nastao je spojem riječi photo
(grč. svjetlo) i volt (po Alessandru Volti). U doslovnom prijevodu termin photovoltaic
znači struja iz svjetla i upravo takav prijevod najbolje opisuje princip rada fotonaponskih
(PV) ćelija.
Fotonaponska (PV) ćelija [5] je temeljni element fotonaponskog sustava.
Individualne PV ćelije su obično malih dimenzija (od 1 do 15 cm), te u prosjeku proizvode
od 1 do 2 W. Budući da je izlazna snaga ćelije premala, električno se povezuju u
fotonaponski (PV) modul kako bi ostvarili adekvatnu izlaznu snagu. Moduli se mogu dalje
povezati kako bi oblikovali niz ili mreţu. Niz ili mreţa moţe biti cjelokupno proizvodno
postrojenje, sastavljeno od jednog do nekoliko tisuća modula (ovisno o potrebnoj izlaznoj
snazi).
Fotonaponski moduli mogu biti postavljeni pod fiksnim kutom ili mogu pratiti
kretanje Sunca. Sustavi za praćenje Sunca isplativi su jedino ako je riječ o većoj PV mreţi.
Stoga su PV moduli najčešće postavljeni pod fiksnim kutom (većinom na krovu objekta).
Pošto su fiksno postavljeni, moduli će apsorbirati manje sunčevog zračenja nego u sustavu
koji prati kretanje Sunca, što predstavlja jedinu manu fiksno postavljenih sustava. Nebitno
o način praćenja sunčevih kretnji, PV moduli apsorbiraju direktno i reflektirano sunčevo
zračenje. Za lijepa vremena reflektirana komponenta iznosi 10 do 20 % ukupnog sunčevog
zračenja, za polu oblačnog dana reflektirana komponenta sunčevog zračenja iznosi 50%
ukupnog sunčevog zračenja dok će za oblačnog dana cjelokupno sunčevo zračenje biti
reflektirano.
Promatraju li se zasebno, moduli ili niz modula ne čine cijeli fotonaponski sustav.
Da bi se električna energija proizvedena fotonaponskim modulima isporučila krajnjem
potrošaču, potrebne su komponente koje reguliraju, pohranjuju te isporučuju električne
energiju. Te komponente su: regulatori napona, pretvarači istosmjerne (DC) struje u
izmjeničnu (AC) struju te baterije (u slučaju otočnog rada sustava). Dakle, fotonaponski
moduli zajedno sa navedenim komponentama tvore fotonaponski sustav. Fotonaponski
sustav moţe se koristiti kao samostalni (off-grid) izvor energije ili kao dodatni izvor
8
energije na mreţi (on-grid). Kod samostalnih sustava višak energije se pohranjuje u
baterije, dok se kod on-grid sustava višak energije predaje u električnu mreţu. Navedeni
sustavi prikazani su na slici 2.3 [5].
Slika 2.3. Prikaz off-grid i on-grid PV sustava
Fotonaponska tehnologija ima širok spektar uporabe, od napajanja ručnih satova i
kalkulatora do napajanja satelita. Za Zemaljsku primjenu najčešće se koriste PV moduli
izrađeni od kristaličnog silicija (c-Si ili p-Si) koje je jednostavno sloţiti u niz, pri čemu je
moguće prespajati module u seriju ili paralelu, ovisno o ţeljenom naponu. Mjesto
postavljanja kristaličnih Si modula ne ovisi o primjeni PV sustava (off-grid ili on-grid).
2.3. Karakteristike i varijabilnost sunčevih resursa
Raznolikost sunčevih resursa uzrokovana je udaljenosti pojedinih dijelova Zemlje
od Sunca te kutom upada sunčevih zraka na površinu Zemlje. Postupak procjene
raspoloţivog sunčevog zračenja za neku lokaciju olakšan je postojanjem bazi podataka
koje sadrţe informacije o intenzitetu sunčevog zračenja, temperaturama okoline i
prosječnom dnevnom temperaturom. Trenutno postoji više kvalitetnih bazi podataka, a
neke najpoznatije su:
NASA – surface meteorology and solar energy database
Meteon database
PVGIS – Photovoltaic Geographical Information System
U tablici 1 dani su podaci o raspoloţivom sunčevom potencijalu, ambijentalni
podaci te optimalni kut nagiba PV modula za Dalmaciju, točnije otok Hvar [7] [8].
9
Tablica 1. Raspoloţivost sunčeva potencijala i ambijentalni podaci za otok Hvar
Posluţitelj NASA PV - GIS
Mjesec
Globalno sunčevo
zračenje na
okomitu plohu
(kWh/m2 dnevno)
Srednje
temperaturne
vrijednosti
(˚C)
Srednje dnevne
temperaturne
vrijednosti
(˚C)
Optimalni kut
nagiba PV
modula
(˚)
Sječanj 1.74 7.6 8.6 64
Veljača 2.61 8.1 9.2 56
Oţujak 3.86 10.7 11.9 44
Travanj 4.77 14.1 15.1 30
Svibanj 6.01 19.3 20.5 18
Lipanj 6.85 23.3 24.6 12
Srpanj 7.08 25.8 27.0 15
Kolovoz 6.05 25.5 26.7 26
Rujan 4.53 21.1 22.4 41
Listopad 2.84 17.8 18.9 53
Studeni 1.74 12.8 13.8 61
Prosinac 1.42 9.2 10.0 65
Srednja
vrijednost
4.01 16.3 17.4 36
Bitno je istaknuti da podaci o intenzitetu sunčeva zračenja na okomitu plohu u
prethodno navedenim bazama podataka nisu izmjereni, već izračunati na osnovi satelitskih
mjerenja ekstraterestičke radijacije na rubu Zemljine atmosfere. Pribavljanja podataka
potrebnih za procjenu raspoloţivog sunčevog energetskog resursa te računalna simulacija
energetskog sustava koji iskorištava energiju Sunca olakšana je činjenicom da većina
računalnih simulacijskih programa ima opciju direktnog preuzimanja podataka putem
interneta, ali samo od jednog posluţitelja. Prilikom preuzimanja podataka treba obratiti
paţnju što se točno traţi, globalno zračenje, izravno zračenje ili insolacija.
Budući da zemljopisni poloţaj, vremenski uvjeti te blaga mediteranska klima
pruţaju optimalne uvjete za korištenje sunčeve energije na području juţne Dalmacije, otok
Hvar spada u sam vrh raspoloţivog sunčevog potencijala. Broj sunčanih sati za otok Hvar
iznosi 2715. Na osnovi danih stvarnih i proračunatih podataka moţe se zaključiti da je
dana lokacija na otoku Hvaru izrazito podobna za izgradnju energetskog sustava koji
koristi energiju sunčeva zračenja.
10
3. Energija vjetra
Ljudska vrsta koristi energiju vjetra već nekoliko tisućljeća. Primjena energije
vjetra seţe u vrijeme prvih civilizacija, kad se energija vjetra koristila za pogon brodova.
Nakon toga pojavile su se prve vjetrenjače koje su sluţile za mljevenje ţitarica. Početkom
20. Stoljeća u SAD-u masovno su korištene prve male vjetrenjače za proizvodnju
električne energije. Proizvodnja električne energije iz vjetra doţivjela je nagli porast
tijekom naftne krize početkom 1970-ih, ali je tek 1980-ih godina doţivjela izuzetan rast
primjenom tehnoloških dostignuća. Na slici 3.1 prikazan je razvoj vjetroturbina [9].
Slika 3.1 Razvoj tehnologije vjetroturbina
Vjetar i drugi obnovljivi energetski izvori (čak i energija u fosilnim gorivima)
potječu iz sunčeve energije. Svakog sata Sunce emitira na Zemlju 1014 kWh energije. Oko
1 do 2% energije koju emitira Sunce pretvara se u energiju vjetra. To je 50 do 100 puta
više nego što se pretvori u biomasu.
Područja oko ekvatora se zagrijavaju sunčevom toplinom znatno više od ostalih
dijelova Zemlje. Topli zrak se iznad ekvatora uzdiţe do visine od oko 10 km iznad tla,
odakle se dalje cirkularno rasprostranjuje pod utjecajem Coriolisove sile. Vjetar, kretanje
zraka iznad nekog dijela zemlje, moţe biti uzrokovan primarnom cirkulacijom zbog
globalnog rasporeda tlaka zraka (tipično za četiri godišnja doba), ili preko kretanja
sinoptičkih sustava i anticiklona koje utječu na stvaranje lokalnih vjetrova različitih
karakteristika, a zavise o konfiguraciji terena, karakteristika tla i kretanja zračnih masa.
11
3.1. Vjetroelektrane
Vjetroelektrana [10] je postrojenje u kojemu se kinetička energija vjetra pretvara u
električnu energiju. To se događa posredstvom vjetroturbine (vjetrogeneratora) i
električnog generatora. Vjetroelektrana se moţe sastojati od jednog vjetrogeneratora kao
nezavisne jedinice, ili više vjetrogeneratora, obično istog tipa, postavljenih na jednoj
zajedničkoj lokaciji izloţenih istim vjetrovima i zajednički povezanih na lokalnu
elektromreţu.
Prema instaliranoj snazi, odnosno proizvodnosti, vjetroelektrane je moguće
podijeliti na male vjetroelektrane i crpne stanice instalirane snage do nekoliko desetaka kW
te velike vjetroelektrane (pojedinačne snage do 3.5 MW).
Ne postoji jasna razlika, odnosno ne moţe se točno odrediti granica nazivne snage
ispod koje se vjetroelektrane mogu smatrati malim vjetroelektranama. Male vjetroelektrane
većinom su izvedene od vjetroturbina sa horizontalnom osovinom rotora i 3 elise,
postavljene su niz vjetar, odnosno imaju tzv. stall regulaciju. Električni generatori malih
vjetroelektrana mogu biti istosmjerni (do 10-ak kW ) ili izmjenični, i to izvedeni isključivo
kao asinkroni. Male vjetroelektrane koriste se kao dodatni izvor energije u kombinaciji s
napajanjem iz električne mreţe. Vrlo su pogodni kao autonomni izvor, kada je potrošač
daleko od komercijalnog elektroenergetskog sustava, sa sustavom rezervnog napajanja iz
baterija koje se pune iz viška proizvodnje vjetroelektrane (slika 3.2).
Slika 3.2. Primjena malih vjetroelektrana
Vjetroelektrane male instalirane snage najčešća se koriste u hibridnim energetskim
sustavima, koji se preteţno koriste u off-grid aplikacijama. Naziv hibridni energetski
sustav koristi se za opisivanje bilo kojeg energetskog sustava, koji koristi više od jednog
tipa generatora električne energije. Najčešće korišteni hibridni sustav je
vjetroelektrana/dizel generator (slika 3.3) [9]. Glavne komponente VE/generator sustava
su: jedna ili više vjetroelektrana, jedan ili više dizel (plinski) generator, upravljačko –
kontrolne jedinice, sustav pohrane viškova energije, potrošači.
12
Slika 3.3. Blok shema hibridnog energetskog VE/diesel agregat sustava
Prilikom projektiranja ovakvog sustava, komponenta po kojoj se dimenzionira
sustav je opterećenje. Kako je opterećenje promjenjivog karaktera, hibridne sustave je
dosta teško projektirati tako da sustav radi u optimalnom reţimu. Ovakvi sustavi mogu se
koristiti za napajanje kućanstva, sela, pa čak i većih stambenih zajednica.
Velike vjetroelektrane sluţe za komercijalnu proizvodnju električne energije i
zahtijevaju srednju godišnju brzinu vjetra od oko 6.0 m/s i više. Najčešće su sačinjene od
skupine velikih vjetrogeneratora što se naziva vjetrogeneratorska farma ili park
vjetroelektrana.
Vjetrogeneratorska farma predstavlja niz blisko sloţenih vjetrogeneratora, najčešće
istog tipa, izloţenih istoj struji vjetra i priključenih preko zajedničkog rasklopnog
postrojenja na mreţu. Utvrđeno je kako razmak između pojedinih vjetrogeneratora od oko
10 promjera rotora postavljenih niz vjetar nama značajnijeg utjecaja na stupanj iskorištenja
vjetropotencijala. Velike vjetroelektrane najčešće su sačinjene od vjetrogeneratora izlazne
snage od 500 kW do 3.5 MW, sa promjerima rotora od 39-90 m.
Veliki vjetroagregati u sklopu vjetroelektrana mogu se graditi na kopnu (on-shore),
ali i na morskoj pučini (off-shore). Vodena površina ima povoljan koeficijent hrapavosti i
stalno strujanje jačih vjetrova, te proizlazi da je vjetroenergetski potencijal vodenih,
prvenstveno morskih površina, mnogo veći od onog na kopnu. Povećanje prosječne brzine
vjetra od 10% rezultirati će porastom proizvodnje električne energije do 30%. Najveći
nedostatak off-shore vjetroelektrana su visoki troškovi investicije, u prvom redu za izradu
stupova vjetrogeneratora. Stoga se za budućnost planira izgradnja plutajućih off-shore
vjetroelektrana, koji su potencijalno jeftiniji te mogu iskoristiti lokacije koje su jako
udaljene od kopna ili su velike dubine. Na slici 3.4. prikazana je off-shore
vjetrogeneratorska farma u Danskoj, instalirane snage 40 MW, sa pojedinim
vjetrogeneratorima instalirane snage 2 MW [10].
13
Slika 3.4 Off-shore farma vjetroelektrana
3.2. Vjetroagregat
Vjetroagregat je uređaj koji iskorištava energiju vjetra za proizvodnju električne
energije. Sastoji se od turbine koja pretvara kinetičku energiju vjetra u mehaničku energiju
vjetra i generatora koji pretvara mehaničku energiju u električnu. Sve je postavljeno na
zajedničkom cilindričnom stupu, a rotor vjetroturbine i rotor električnog generatora nalaze
se na zajedničkom vratilu te između njih postoji prijenosnik ili su direktno spojeni.
Električni generatori mogu biti istosmjerni ili izmjenični. Kod malih vjetroagregata
većinom se upotrebljavaju istosmjerni, posebno kada rade samostalno. Kod velikih
vjetroelektrana koje su priključene na elektroenergetsku mreţu upotrebljavaju se
izmjenični generatori.
Vjetroagregati se mogu podijeliti prema poloţaju osovine te prema poloţaju
lopatica. Prema poloţaju osovine razlikujemo vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje (eng.
VAWT-Vertical Axis Wind Turbine) i na one s horizontalnom osi vrtnje (eng. HAWT-
Horizontal Axis Wind Turbine). Većina vjetroagregata priključenih na mreţu je
horizontalnog tipa. Izvedbe sa vertikalnom osi su mnogo rjeđe (slika 3.5) [10].
Slika 3.5. Konstrukcijski tipovi vjetrogeneratora obzirom na poloţaj osovine rotora
14
3.3. Karakteristike i varijabilnost resursa vjetra
Vjetropotencijal je najvaţniji element za izbor lokacije vjetroelektrane. To su
zapravo karakteristike vjetra na pojedinoj lokaciji. Najvaţnija karakteristika je srednja
godišnja brzina vjetra na određenoj visini iznad tla. Naime, vjetrogenerator se pokreće
kada brzina vjetra poraste iznad 3 m/s. Pri toj brzini proizvodnja električne energije je vrlo
mala. Porastom brzine, količina električne energije se povećava do maksimalne, koja se
postiţe na brzini vjetra od oko 12 m/s. Daljnjim porastom brzine vjetra količina
proizvedene energije se više ne povećava. Kada brzina poraste preko 30 m/s
vjetrogenerator se isključuje jer ne moţe podnijeti mehanička opterećenja koja uzrokuju
tako velike brzine vjetra. Iz opisanog načina rada vjetrogeneratora moţemo zaključiti da je
za idealnu proizvodnju električne energije potrebna brzina vjetra od oko 12 m/s. Međutim,
to je samo prvi korak u određivanju vjetropotencijala. Potrebno je potom razmotriti kako je
brzina vjetra raspoređena tijekom godine. Npr. u godišnjem prosjeku moţe biti sadrţan
velik broj sati s brzinom vjetra iznad 30 m/s ili ispod 3 m/s, što zapravo nije pogodno za
iskorištavanje. Moţemo zaključiti da je za energetsko iskorištavanje optimalan vjetar do
srednje jakosti, bez velikih oscilacija, i koji ima što veću učestalost.
Slika 3.6. Potencijalne lokacije vjetroelektrana u Hrvatskoj
15
Kako bi se provela kvalitativna analiza vjetroenergetskog potencijala za neku
lokaciju potrebno je mjeriti brzine vjetra i smjer vjetra kroz nekoliko godina. Osim toga,
bitno je poznavati topografiju terena. Odgovore na sva pitanja o vjetroenergetskom
potencijalu dao bi atlas vjetrova. U Hrvatskoj je izrada atlasa vjetrova još u počecima,
budući da se tek u posljednjih nekoliko godina javilo zanimanje za izgradnju
vjetroelektrana. Slika 3.6 prikazuje potencijalne lokacije vjetroelektrana u Hrvatskoj [11].
Na svim lokacijama srednja godišnja brzina vjetra iznosi više od 4 m/s na visini 25 m iznad
tla.
Minimalna srednja godišnja brzina vjetra pri kojoj je isplativo izgraditi
vjetroelektranu, odnosno donja granica korisnog rada vjetroelektrane je između 4 i 5 m/s.
Budući da je srednja godišnja brzina vjetra na danoj lokaciji 5.5 m/s, moţe se zaključiti da
je lokacija objekta povoljna za izgradnju malog vjetroenergetskog sustava.
Većina računalnih simulacijskih programa zahtijeva poznavanje barem srednje
mjesečne vrijednosti brzine vjetra te poznavanje raspodjele vjetrova u topografiji terena.
Pošto ti podaci nisu uvijek poznati, pri sintetiziranju podataka uzimamo prosječne
vrijednosti, uzimajući u obzir topografiju terena. Iako je za danu lokaciju poznata samo
srednja godišnja brzina vjetra, pomoću računalnog programa Homer generira se 8760
satnih podataka. Tablica 2 prikazuje srednje mjesečne vrijednosti brzine vjetra [12].
Tablica 2. Srednje mjesečne vrijednosti brzine vjetra
Mjesec Brzina vjetra (m/s)
Siječanj 6.5
Veljača 6.5
Oţujak 5.7
Travanj 5.2
Svibanj 4.6
Lipanj 4.4
Srpanj 4.2
Kolovoz 4.7
Rujan 5.6
Listopad 6
Studeni 6.2
Prosinac 6.5
Srednja vrijednost 5.501
Treba napomenuti da ovakvo sintetiziranje mjesečnih podataka nije realno, ali u
prilog takvom načinu stvaranja podataka ide činjenica da ponašanje vjetra nije moguće
egzaktno predvidjeti.
16
4. Samostalni energetski sustav
Samostalni energetski sustav je autonomni sustav koji sluţi kao izvor električne
energije, bez da je priključen na elektroenergetsku mreţu. Ovi sustavi sadrţe više od
jednog tipa generatora električne energije pa su gotovo uvijek hibridnog karaktera. U
terminologiji se najčešće nazivaju riječima engleskog jezika, tipa off-grid, SAPS (stand
alone power system) ili RAPS (remote area power system). Kao izvor električne energije
samostalni energetski sustavi najčešće koriste diesel agregat te jedan ili više električnih
generatora koji koriste obnovljive izvore energije za proizvodnju električne energije.
Samostalne energetske sustave prikladno je podijeliti prema instaliranoj snazi
obzirom na pretpostavljeno opterećenje, što je prikazano na tablici 3.
Tablica 3. Načelna podjela samostalnih energetskih sustava prema opterećenju
Kategorija Instalirana snaga Tip države1 Tip primjene (napajanje)
Mali samostalni
energetski sustav
10 do 1000 W
N, R
R
N, R
N, R
Obiteljska kuća
Vikendica2
Meteorološka postaja
Navigacijski sustav
Samostalni energetski
sustav srednje veličine
1 d0 10 kW
R
N
N
N, R
N
N, R
N, R
Vikendica
Škola
Bolnica
Poljska bolnica3
Poljoprivreda
Telekomunikacijska postaja
Hotel
Veliki samostalni
energetski sustav
10 do 100 kW
N, R
N
R
N
Hotelski kompleks
Selo
Poljoprivreda2
Malo industrijsko postrojenje2
1. R = razvijena drţava, N = nerazvijena drţava (zemlja u razvoju)
2. Nema potrebu za stalnim napajanjem
3. Energetski sustav mora biti prenosiv
17
Najbitnije za samostalni energetski sustav, zbog čega se oni i grade, je da u svakom
trenutku moraju zadovoljiti potrebe potrošača. Odabir kombinacije sustava ovisi o
raspoloţivim obnovljivim energetskim resursima na specifičnoj lokaciji i pretpostavljenom
opterećenju. Najšire korištena konfiguracija malog energetskog sustava je mala
vjetroelektrana koja moţe biti u kombinaciji sa PV sustavom te agregatom kao dodatnim
izvorom energije. Stoga će se u daljnjem izlaganju pojasniti karakteristike i način rada
takvih sustava.
4.1. Vjetrogeneratorski i fotonaponski samostalni
energetski sustav
Ovakav sustav na direktan način pretvara energiju vjetra odnosno sunca u
električnu energiju. Nije ih nuţno koristiti zajedno ali preporuča se zbog njihovog
međusobnog nadopunjavanja. Tijekom zimskih mjeseci sunčevo zračenje je manje, a vjetar
je intenzivniji pa vjetroelektrana proizvodi više električne energije nego tijekom ljetnih
mjeseci. Nasuprot tome, fotonaponski sustav proizvodi više električne energije ljeti nego
zimi zbog više sunčanih dana.
Slika 4.1. Blok shema PV/vjetrogeneratorskog samostalnog energetskog sustava
18
Značajan problem sustava je nemogućnost garantiranja instalirane snage zbog
promjenjivosti i nepredvidljivosti obnovljivih izvora energije. Ali napajanje potrošača
glavna je zadaća samostalnog energetskog sustava. Kako bi se proizvedena energija
isporučila potrošaču potrebne su komponente koje reguliraju, pretvaraju, pohranjuju te
isporučuju proizvedenu električnu energiju. Na slici 4.1 prikazana je blok shema
PV/vjetrogeneratorskog sustava s navedenim komponentama [9].
Komponente samostalnog energetskog sustava mogu se podijeliti na:
Proizvođače električne energije (DC ili AC karaktera), odnosno PV moduli,
vjetrogenerator te diesel agregat,
Pretvarače, u ovom slučaju izmjenjivače, ispravljače i regulatore
Sustav za pohranu električne energije, odnosno baterijski sustav (akumulator)
4.2. Pretvarači i baterijski sustav
Ovisno o električnim svojstvima pojedinog proizvođača ili tipu potrošača,
električna energija koja je proizvedena i distribuirana unutar samostalnog energetskog
sustava moţe biti istosmjernog (DC) ili izmjeničnog (AC) karaktera.
Naprave koje su zaduţene za regulaciju i distribuciju električne energije unutar
samostalnog električnog sustava nazivaju se pretvarači. Mogu biti izvedeni kao
elektroničke ili elektromehaničke naprave.
Izmjenjivači ili inverteri pretvaraju istosmjernu (DC) u izmjeničnu (AC) električnu
energiju. Sluţe kao poveznica između istosmjernih izvora električne energije (PV modula,
vjetroelektrana ili baterijskog sustava) i izmjeničnih (AC) potrošača.
Ispravljači ili punjači baterija pretvaraju izmjeničnu (AC) u istosmjernu (DC)
električnu energiju. Redovito se priključuju na pomoćni AC izvor energije, odnosno diesel
agregat te sluţe za punjenje baterijskog sustava kada obnovljivi izvori energije to nisu u
stanju.
Regulatori napona pretvaraju promjenjivi istosmjerni (DC) napon u precizno
kontrolirane istosmjerne (DC) napone, kojima se puni i odrţava baterijski sustav te
napajaju istosmjerna trošila. Najčešće se izvode kao automatizirani mikroprocesorski
uređaji koji napon baterije automatski podešavaju ovisno o tipu, stanju, temperaturi te
napunjenosti baterije dok se napon trošila odrţava konstantnim.
19
Akumulator ili baterija je elektrokemijska naprava koja pohranjuje električnu
energiju u obliku kemijske energije. U samostalnim energetskim sustavima koriste se
baterije koje imaju dvostruki smjer, odnosno mogu se puniti i prazniti. Sastoje se od
elektrokemijskih elemenata koje su međusobno spojene u seriju ili paralelu.
4.3. Profil dnevnog opterećenja
Da bi napravili bilo kakve proračune potrebno je znati koje opterećenje energetski
sustav mora zadovoljiti. Ovisno o tom opterećenju i raspoloţivim obnovljivim izvorima
energije odabiru se odgovarajuće komponente sustava. Prvi korak je prikupljanje ulaznih
parametara:
Podaci o opterećenju sustava za barem jedan dnevni profil
Podaci o raspoloţivim obnovljivim izvorima energije
Podatke o opterećenju moguće je pribaviti na dva načina. Prvi, ujedno i najbolji
način, je priključak vatmetra na objekt sa sličnim potrošačima, te snimanje podataka kroz
određeni period. Drugi način, koji sam ja koristio, je kreiranje tablice opterećenja iz
nazivnih podataka potrošača stambenog objekta (tablica 4 i 5).
Tablica 4. Prikaz ukupnog dnevnog opterećenja
Trošilo Snaga
AC (VA)
Vrijeme rada
(h)
Komada Faktor
gubitka
Utrošena
energija (Wh)
Hladnjak
Grijalo vode
Perilica
Rasvjeta
Pumpa za vodu
Računalo
TV
Sušilo kose
Usisač prašine
Glačalo
58
2000
1800
100
1100
90
100
1500
600
1000
24
3.75
2
1.6
1.8
6.5
9
1
0.5
0.75
1
1
1
10
1
1
1
1
1
1
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
720
10500
760
2240
2772
819
1260
2100
420
1050
Dnevni utrošak energije (Wh/dan) 22641
20
Tablica 5. Prikaz dnevnog opterećenja pomoću satnih vrijednosti
Sati Hladnjak
(W)
Grijalo
vode
(W)
Perilica
(W)
Rasvjeta
(W)
Pumpa
za vodu
(W)
TV
PC
(W)
Sušilo
kose
(W)
Usisač
prašine
(W)
Glačalo
(W)
Faktor
gubitka
Utrošena
energija
(Wh)
00:00 : 01:00
01:00 : 02:00
02:00 : 03:00
03:00 : 04:00
04:00 : 05:00
05:00 : 06:00
06:00 : 07:00
07:00 : 08:00
08:00 : 09:00
09:00 : 10:00
10:00 : 11:00
11:00 : 12:00
12:00 : 13:00
13:00 : 14:00
14:00 : 15:00
15:00 : 16:00
16:00 : 17:00
17:00 : 18:00
18:00 : 19:00
19:00 : 20:00
20:00 : 21:00
21:00 : 22:00
22:00 : 23:00
23:00 : 24:00
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
500
1000
1000
500
500
500
1000
1500
1000
380
380
100
150
150
150
150
150
150
300
150
150
150
180
180
180
90
90
90
270
540
180
90
90
190
50
50
95
50
50
50
190
190
190
190
190
375
375
375
375
300
250
500
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
436
30
730
30
30
30
2487
2767
282
30
30
926
289
156
30
858
1376
1682
1710
2557
3341
1962
436
436
Dnevni utrošak energije (kWh/dan) 22.641
21
5. Simulacija u programu Homer
Homer [13] je optimizacijski računalni model za distribuiranu proizvodnju
električne energije, koji pojednostavljuje zadatak procjene isplativosti samostalnih ili
mreţnih modeliranih hibridnih sustava, sastavljenih od neobnovljivih i obnovljivih izvora.
Homer je razvijen od strane NREL-a (National Renewable Energy Laboratory)
1993. godine. Program je razvio Paul Gilman, dok su Tom Ferguson, Hope Corsair, Tony
Jimenez i drugi sudjelovali u njegovom razvitku. Većina osoba ga koristi u svrhu
istraţivanja, a tako velik broj korisnika je rezultat besplatne licence, koja traje šest mjeseci.
Nakon toga je moguće ponovno zatraţiti licencu i neometano ga koristiti narednih šest
mjeseci, jer je obnavljanje licence neograničeno.
Pri dizajniranju energetskog sustava potrebno je napraviti mnogo odluka o
konfiguraciji sustava. Velik broj tehnoloških mogućnosti i varijacija u tehnologiji,
cijenama i raspoloţivosti energetskih potencijala olakšavaju odabir za konkretan sustav.
Optimizacija i algoritmi analize osjetljivosti u Homer olakšavaju procjene brojnih mogućih
konfiguracija sustava. Homer omogućava definiranje modela s ulaznim podacima, koji
opisuju tehnološke izbore, cijene komponenata, i raspoloţivost resursa. Homer
upotrebljava unesene podatke za simulaciju konfiguracija sustava, ili kombinaciju
komponenta, i generira rezultate koji se mogu vidjeti kao lista ostvarivih konfiguracija
sortiranih prema cijeni. Rezultati simulacija u različitim tablicama i grafovima pomaţu pri
usporedbi konfiguracija i ocjenjivanju prema njihovim ekonomskim i tehničkim
vrijednostima.
5.1. Podaci o energetskom sustavu
Cilj projektnog zadatka je pronaći optimalni sustav napajanja udaljenog stambenog
objekta. Prilikom modeliranja samostalnog energetskog sustava usporedit će se sustavi s
manjom vjetroelektranom, manjim fotonaponskim sustavom te agregatom kao dodatnim
izvorom energije. Na osnovu unesenih podataka, te uz postavljene uvjete rada sustava
Homer će pronaći optimalno rješenje. Moguće je simulirat sustave s različitim brzinama
vjetra jer brzina vjetra najviše utječe na sustav. Na slici 5.1 [14] prikazana je shema
samostalnog energetskog sustava sa komponentama, a na slici 5.2 prikazana je shema
samostalnog energetskog sustava u Homer-u [13].
22
Slika 5.1. Shema samostalnog energetskog sustava s komponentama koje se koriste pri
pronalaţenju optimalnog sustava napajanja
Slika 5.2. Shema samostalnog energetskog sustava u programu Homer
Homer simulira rad sustava računajući ravnoteţu za svaki od 8760 sati godišnje.
Budući da satni profil opterećenja za cijelu godinu nisu dostupni, Homer na osnovu
prethodno kreiranog dnevnog profila opterećenja (tablica 4.) sintetizira set od 8760
podataka.
Pribliţno dnevno opterećenje kreirano je prethodno (tablica 5), dnevna potrošnja je
22.4 kWh/dnevno, a vršno opterećenje je oko 5.97 kW prema slici 5.3 koja prikazuje profil
dnevnog opterećenja.
23
Slika 5.3. Prikaz dnevnog profila opterećenja
U stvarnosti veličina i oblik opterećenja variraju iz dana u dan. Bez dodatnog šuma,
profil opterećenja se ponavlja dan za danom (slika 5.4).
Slika 5.4. Prikaz godišnjeg dijagrama dnevnih opterećenja bez dnevnog i satnog šuma
Na slici 5.5. vidimo da dodavanjem dnevnog, odnosno satnog šuma dolazi do
promjene dnevnog profila opterećenja po veličini i obliku, te profil postaje realniji.
24
Slika 5.5. Prikaz godišnjeg dijagrama dnevnih opterećenja s dnevnim i satnim šumom
Homer omogućava kreiranje raznih profila po danima i sezonama. Prikaz dnevnog
profila opterećenja s unesenim dnevnim i satnim šumom najbolje se dobije iz mjesečnih
dijagrama prosječnih dnevnih opterećenja na slici 5.6.
Slika 5.6. Prikaz mjesečnog dijagrama prosječnih dnevnih opterećenja
25
5.1.1. Vjetar
Koristeći podatke o brzinama vjetra Homer je kreirao prosječne srednje brzine po
mjesecima i dijagram opterećenja na slici 5.7.
Slika 5.7. Prosječne srednje brzine vjetra i dijagram po mjesecima
Prikazani su i ostali podaci potrebni za simulaciju: nadmorska visina, visina
anemometra, faktor autokorelacije, Weibull-ova konstanta, dnevna pravilnost vjetra te sat
najveće brzine vjetra. Vidimo iz slike da je prosječna brzina 5.5 m/s i nju Homer uzima za
simulaciju. Nadmorska visina je 150 m, a visina anemometra 10 m. Kao što sam već
spomenuo iz dijagrama još moţemo vidjeti da je brzina vjetra tijekom ljetnih mjeseci,
odnosno sredine godine manja nego tijekom zimskog razdoblja.
Weibull konstanta k je mjera za raspodjelu brzine vjetra tijekom godine i najčešće
iznosi 2 jer se pokazalo da najviše vjetrovitih reţima s dovoljnom točnošću.
Faktor autokorelacije ri je mjera slučajnosti vjetra. Visoke brzine vjetra upućuju na
to da brzina vjetra u jednom satu ovisi jako o brzini vjetra prethodnog sata. Na iznos
faktora utječe topografija lokalnog terena.
26
Sat najveće vrijednosti brzine vjetra je vrijeme tijekom dana kada ja najvjetrovitije
u prosjeku tokom godine. Najčešće su vrijednosti između 14 i 16 sati. Pri modeliranju
projekta za sat najveće brzine vjetra odabrana je najčešća vrijednost (15 h).
Faktor dnevne pravilnosti jakosti vjetra ja mjera koliko brzina vjetra ovisi o dobu
dana. Na većini lokacija poslijepodne je vjetrovitije u odnosu na jutro. U modeliranom
projektu odabran je faktor dnevne pravilnosti jakosti vjetra koji odgovara odabranom satu
najveće brzine vjetra, odnosno 0.25.
Posebnu paţnju treba posvetiti odabiru vjetroagregata. Pritom treba paziti na cijenu,
dostupnost i prije svega na kvalitetu. Za potrebe simulacije projekta odabrana je 1 kW SW
Whisper 200 vjetroturbina američkog proizvođača Windenergy [15]. To je jedan među
boljim vjetroagregatima u svojoj klasi i moţe se kupiti u Hrvatskoj. Karakteristike
vjetroagregata prikazane su u tablici 6, a krivulja snage na slici 5.8 [15].
Tablica 6. Parametri SW Whisper 200 vjetroturbine
Parametar Vrijednost
Nazivna snaga 1000 W
Napon baterije 12, 32, 48
Broj lopatica 3
Promjer rotora 2.7 m
Nazivna brzina vjetra 11.6 m/s
Ugrađen regulator Ne
Masa 39 kg
Slika 5.8. Krivulja snage SW Whisper 200 vjetroturbine
27
Troškovi zamjene i investicijski troškovi predstavljaju vaţan dio u izgradnji
sustava. Potrebno je uzeti u obzir troškove vezane uz vjetroagregat, investicijske troškove
tornja, regulatora napona, kabela, instalacije i ostalo. Troškovi investicije prikazani su u
tablici 7 [15].
Tablica 7. Ukupni troškovi investicije
Nazivna snaga 1 kW Investicijski troškovi
(kn) (€) ($)
Vjetrogenerator SW Whisper 200 20098 2791 3654
Toranj 24 m (80ft) 11808 1640 2147
Prekidač za isključivanje u slučaju naglog udara 4000 556 727
Ukupno: 35906 4987 6528
U slučaju izgradnje sustava od dvije SW Whisper 200 vjetroelektrane troškovi se
udvostručuju. U rubrici „size to consider“ treba naznačiti broj vjetroturbina u parku ako
ţelimo da Homer razmatra isplativost izgradnje sustava pri traţenju optimalnog rješenja. U
tablici 8 prikazani su investicijski troškovi i troškovi zamjene [15].
Tablica 8. Troškovi investicije i zamjene te troškovi rada i odrţavanja vjetroelektrane
Nazivna snaga (kw) Investicijski troškovi
($)
Troškovi zamjene
($)
Troškovi rada i
održavanja ($/god)
1 6528 6528 50
2 13056 13056 100
U troškove zamjene ne ulazi zamjena dijelova vjetroturbine pa se ona mora
uračunati u troškove odrţavanja. Osim toga u cijenu rada i odrţavanja treba uključiti
generalni remont koji je potrebno napraviti nakon 10 godina rada, podmazivanje, zamjena
ulja te neke manje popravke. Vijek trajanja ovakvog tipa vjetroturbine je oko 20 godina uz
redovito odrţavanje. Pojava velikog broja vjetroagregata bez dovoljne garancije kvalitete
predstavlja rizik da vijek trajanja bude znatno kraći.
28
5.1.2. Sunčevo zračenje i fotonaponski (PV) modul
Za proračun proizvodnje električne energije iz fotonaponske (PV) mreţe potrebni
su podaci o intenzitetu Sunčeva zračenja. Podaci su učitani iz NASA – surface
meteorology and solar energy baze baze podataka [7]. Nakon što ih je učitao, Homer
sintetizira zračenja i dijagram srednjih mjesečnih vrijednosti. Na slici 5.9. prikazani su
osnovni podaci koji su potrebni da bi Homer proračunao proizvodnju električne energije
PV mreţe. Ti podaci su: zemljopisna širina i duţina, vremenska zona lokacije, globalno
sunčevo zračenje na okomitu plohu ili indeks bistrine.
Slika 5.9. Prosječne srednje mjesečne vrijednosti i dijagram sunčevog zračenja
Zemljopisna duţina i širina određuju lokaciju objekta. Prvenstveno se koristi pri
kalkulaciji globalnog zračenja ako je poznat indeks bistrine (vrijedi i obrnuto).
Vremenska zona predstavlja bitnu varijablu prilikom prebacivanja sa standardnog
računanja vremena na solarno računanje vremena. Solarno računanje vremena temelji se na
računanju vremena prema poziciji Sunca.
29
Globalno (ukupno) sunčevo zračenje na okomitu plohu predstavlja najvaţniju
varijablu pri solarnim kalkulacijama. Ukupno sunčevo zračenje na okomitu plohu je mjera
intenziteta sunčevog zračenja na površini Zemlje. Po definiciji, ukupno sunčevo zračenja je
zbroj doprinosa direktnog, raspršenog i odbijenog zračenja na površini Zemlje.
Indeks bistrine Kf predstavlja mjeru bistrine atmosfere. Definiran je kao omjer
globalnog sunčevog zračenja i direktnog zračenja, a proračunava se za dnevne ili mjesečne
vrijednosti. Indeks bistrine je bezdimenzionalan broj, po vrijednosti moţe biti između 0 i 1.
Pri lijepom, sunčanom vremenu indeks bistrine ima visoku vrijednost, dok pri oblačnom
vremenu ima nisku vrijednost.
Jedan veliki nedostatak Homer-a je što nema specificirane pojedine tipove PV
modula ili tehnologija pa prilikom odabira fotonaponske mreţe nije bitno koju vrstu
tehnologije fotonaponskog (PV) modula odaberemo. Razlog takvom pristupu je
kompliciran način računanja i modeliranja ponašanja PV modula. Homer prvenstveno sluţi
da pronađe najisplativiju kombinaciju na osnovi unesenih podataka.
Podaci koje je potrebno znati prilikom modeliranje PV mreţe su: faktor gubitaka fpv
(derating faktor), ţivotni vijek PV modula, sustav praćenja kretanja Sunca (tracking
system), kut nagiba PV modula β (slope), azimut te koeficijent refleksije tla (ground
reflectance) ili albedo (slika 5.10.).
Slika 5.10. Prikaz podataka potrebnih za modeliranje PV sustava
30
Faktor gubitaka fpv je mjera gubitaka PV mreţe prilikom proizvodnje električne
energije. U projektu faktor gubitaka iznosi 94% što znači da proizvodnja električne
energije PV modula odstupa 6% od nazivne vrijednosti.
Ţivotni vijek PV modula je između 20 i 25 godina, u projektu je 25 godina.
Sustav praćenja kretanja Sunca je opcija koja govori kakvu vrstu tehnologija
praćenja sunčevih kretanja ţelimo koristiti.
Kut nagiba PV modula β (slope) je zakrenutost modula prema horizontali. Najčešće
odabrana opcija je fiksno odabrani kut tijekom cijele godine, većinom se uzima isti kut kao
i zemljopisna širina. U projektu je odabran kut od 36˚.
Azimut γ sluţi kao pokazatelj zakrenutosti PV modula. Da bi se dobio maksimum
iz PV mreţe koja je postavljena pod fiksnim kutom ona mora biti orijentirana prema jugu.
Za sjevernu polutku azimut je najčešće 0˚.
Koeficijent refleksije tla ili albedo je svojstvo podloga da odbija zračenje. Potpuno
bijelo tijelo imalo bi albedo 1.0 jer bi potpuno odbijalo Sunčevo zračenje (snijeg), a
potpuno crno tijelo imalo bi albedo nula. Najčešće se koristi koeficijent refleksije travnate
površine koja iznosi 0.2.
Za potrebe simulacije sustava odabran je Hellios H 1500 monokristalični modul,
nazivne snage 125 W te nazivnog napona 12 V [16]. Iako to nije bitno pri energetskom
izračunu, predstavlja bitnu varijablu pri izračunu investicijskih troškova. Pri izračunu
troškova bitno je uključiti sve komponente PV mreţe, posebice MPPT (maximum power
point tracking) regulator napona jer Homer pretpostavlja da se upravo takva vrsta
regulatora napona koristi. MPPT regulatori su najbolje rješenje za povezivanje solarnog
modula i baterije. Uz ove regulatore radna točka solarnog modula je uvijek na liniji
maksimalne snage. MPPT regulatori rade tako da odrţavaju napon modula na iznosu pri
kojem je snaga modula najveća. Uređaj za praćenje radne točke FN panela za maksimalnu
snagu vrlo često uključen u pretvarač. Trošak zamjene MPPT regulatora napona čiji je
ţivotni vijek 10 godina treba uključiti u troškove rada i odrţavanja. Ţivotni vijek PV mreţe
je oko 25 godina, a projekta oko 20 godina pa troškovi zamjene cjelokupne mreţe ne
utječu na Homer-ov izračun. Podaci o investicijskim troškovima dani su u tablicama 9, 10 i
11, a podaci o troškovima zamjene, rada i odrţavanja u tablici 12.
31
Tablica 9. Investicijski troškovi fotonaponskog sustava nazivne snage 0.5 kW
Fotonaponski sustav Pnom = 0.5 kW Jedinična
cijena
(kn/kom)
Komada Investicijski troškovi
(kn) (€) ($)
Hellios H 1500 125Wp / 12V 5450 4 21800 3028 3964
Outback regulator napona BZ MPPT 500 1805 1 1805 250 328
Kutni krovni nosač 335 4 1340 186 244
Vodiči i troškovi instalacije 500 67 91
Ukupno: 25445 3531 4627
Tablica 10. Investicijski troškovi fotonaponskog sustava nazivne snage 1 kW
Fotonaponski sustav Pnom = 1 kW Jedinična
cijena
(kn/kom)
Komada Investicijski troškovi
(kn) (€) ($)
Hellios H 1500 125Wp / 12V 5450 8 43600 6056 7927
Outback regulator napona BZ MX 60 4200 1 4200 583 764
Kutni krovni nosač 335 8 2680 372 487
Vodiči i troškovi instalacije 750 104 136
Ukupno: 51230 7115 9314
Tablica 11. Investicijski troškovi fotonaponskog sustava nazivne snage 2 kW
Fotonaponski sustav Pnom = 2 kW Jedinična
cijena
(kn/kom)
Komada Investicijski troškovi
(kn) (€) ($)
Hellios H 1500 125Wp / 12V 5450 16 87200 12111 15855
Outback regulator napona BZ MX 60 4200 1 4200 583 764
Kutni krovni nosač 335 16 5360 744 975
Vodiči i troškovi instalacije 1000 139 182
Ukupno: 97760 13577 17776
Tablica 12. Troškovi investicije, zamjene te troškovi rada i odrţavanja PV sustava
Nazivna snaga (kW) Investicijski troškovi
($)
Troškovi zamjene
($)
Troškovi rada i
održavanja ($/god)
0.5 4672 4672 15
1.0 9314 9314 36
2.0 17776 17776 36
32
5.1.3. Agregat
Homer sadrţi opciju odabira agregata s općenitim specifikacijama potrošnje goriva.
Ţelimo li pri modeliranju koristiti stvarnu potrošnju agregata, moguće je unijeti podatke u
krivulju potrošnje goriva agregata. Isto tako, u slučaju odabira optimalne strategije rada
Homer pretpostavlja da je agregat izveden sa automatskom opremom.
Za potrebe simulacije odabran je Isuzu 400TS diesel agregat [17]. Investicijski
troškovi i tehničke karakteristike prikazani su u tablici 13 i 14.
Tablica 13. Investicijski troškovi Isuzu 400TS
Investicijski troškovi
Isuzu 400TS (kn) (€) ($)
Cijena agregata 8640 1200 1571
Cijena automatskog sustava 6000 833 1091
Cijena spremnika goriva (200 litara) 2000 278 364
Ukupno: 16640 2311 3026
Tablica 14. Tehničke karakteristike Isuzu 400TS
Tehničke karakteristike
Isuzu 400TS
Maksimalno opterećenje kW 4.5
Trajno opterećenje kW 4
Minimalno opterećenje kW 1.125
Trajna struja tereta pri naponu od 120 V A 33
Trajna struja tereta pri naponu od 230 V A 16.7
Potrošnja goriva u praznom hodu l/h 0.23
Potrošnja goriva pri opterećenju 2kW l/h 0.76
Potrošnja pri maksimalnom opterećenju l/h 1.14
Radni vijek motora h 5000
Jamstvo god 2
33
Ţivotni vijek agregata po tehničkim karakteristikama je 5000 sati. Agregat se moţe
reparirati tri puta prije nego što se zamijeni pa mu ţivotni vijek tada iznosi 1500 sati.
Homer nema opciju koja definira troškove reparacije agregata pa pretpostavlja da se
agregat zamijeni svakih 5000 radnih sati. Troškovi rada i odrţavanja u prosjeku iznose
10% investicijskih troškova, a u njih spadaju troškovi sitnog popravka, remont generatora,
zamjena ulja, zamjena remen i slično. U tablici 15 prikazani su investicijski troškovi,
troškovi zamjene i troškovi rada i odrţavanja.
Tablica 15. Troškovi investicije, zamjene, rada i odrţavanja Isuzu 400TS agregata
Nazivna snaga
(kW)
Investicijski troškovi
($)
Troškovi zamjene
($)
Troškovi rada i
održavanja ($/hr)
4.5 2890 1500 0.07
5.1.4. Pretvarači
Postoji mnogo vrsta pretvarača koji odgovaraju pri modeliranju sustava. Prilikom
odabira pretvarača za potrebe projekta odabrani su pretvarači dostupni na hrvatskom trţištu
[18]. Tehničke karakteristike prikazane su u tablici 16.
Za potrebe projekta uzeti su kombi uređaji, odnosno uređaji koji sadrţe izmjenjivač
i ispravljač. Odabrani su pretvarači predviđeni za nazivni napon baterija od 24 V, budući
da su i ostali dijelovi sustava dimenzionirani za nazivni napon od 24 V. Iako je vršno
opterećenje oko 5.97 kW, a izmjenjivači su reda veličine 1.6 kVA, 2.3 kVA, 3 kVA i 4
kVA, oni su dimenzionirani da izdrţe opterećenje do tri puta veće od nazivnog barem 5
sekundi. Budući da je prosječno maksimalno opterećenje oko 3.5 kW, izmjenjivači od 3 i 4
kVA izdrţat će takva opterećenja bez problema.
Treba napomenuti da navedeni pretvarači, odnosno izmjenjivači na izlazu daju čisti
sinusni valni oblik tako da mogu napajati osjetljiva trošila (TV, računalo i slično). U
projektu je efikasnost pretvorbe pretvarača 92%, ţivotni vijek 10 godina, a na osnovi
tehničkih karakteristika moţe se zaključiti kako mogu raditi simultano s generatorom.
Budući da se radi o kombi uređajima odnos ispravljanja naspram izmjenjivanja uzet je kao
100%-tni. Troškovi investicije, zamjene te rada i odrţavanja navedeni su u tablici 17.
34
Tablica 16. Tehničke karakteristike i troškovi investicije pretvarača
Izmjenjuvač / Ispravljač STUDER
XPC 2200-24
STUDER C
2600-24
OUTBACK
VFX 3024
STUDER
HPC 4400-24 Izmjenjivač
Nominalni napon baterije 24 VDC 24 VDC 24 VDC 24 VDC
Raspon ulaznog napona 19-32 VDC 19-32 VDC 21-34 VDC 19-34 VDC
Trajno opterećenje 1600 VA 2300 VA 3000 VA 4000 VA
Maksimalno opterećenje 30 min 2200 VA 2600VA 3300 VA 4400 VA
Maksimalno opterećenje 5 s 3 x Pnom 3 x Pnom 4800 VA 3 x Pnom
Maksimalno opterećenje Do K.S. Do K.S. 5750 VA Do K.S.
Efikasnost pri izmjenjivanju 95% 95% 92% 94%
Vlastita potrošnja 7 W 9 W 20 W 16 W
Izlazni napon 230 VAC 230 VAC 230 VAC 230 VAC
Izlazna frekvencija 50 Hz 50 z 50 Hz 50 Hz
Paralelan rad s generatorom DA DA DA DA
Ispravljač (punjač baterije)
Struja punjenja baterije (DC) 0-37 A 0-37 A 0-85 A 0-100 A
Raspon ulazne struje pri radu s
izmjenjivačem
Nema 1-16 A Nema 1-30 A
Maksimalni ulazni napon 265 VAC 265 VAC 265 VAC 265 VAC
Minimalni ulazni napon 150-230 VAC 150-230 VAC 160-300 VAC 150-230 VAC
Ulazna frekvencija 45-65 Hz 45-65 Hz 44-56 Hz 45-65 Hz
Efikasnost pri ispravljanju 95% 95% 92% 94%
Cijena:
9080 kn 13600 kn 16150 kn 23916 kn
1211 € 1889 € 2243 € 3322 €
1651 $ 2473 $ 2936 $ 4348 $
Tablica 17. Troškovi investicije, zamjene te rada i odrţavanja pretvarača
Nazivna snaga
(kW)
Investicijski
troškovi
($)
Troškovi zamjene
($)
Troškovi rada i
održavanja
($/god)
1.6 1576 1576 0
2.3 2360 2360 0
3.0 2803 2803 0
4.0 4152 4152 0
35
5.1.5. Baterije
U projektu su odabrane baterije Trojan T-105, američkog proizvođača Trojan
Battery Company [19]. Trojan T-105 baterije predviđene su za ciklički način rada. Nazivni
napon T-105 baterija je 6 V, kapacitet 225 Ah (1.35 kWh), a ukupna energija je 845 kWh.
Na slici 5.11 prikazani su troškovi investicije, zamjene, rada i odrţavanja baterije.
5.11. Troškovi investicije, zamjene, rada i odrţavanja te nazivni podaci Trojan T-105 baterije
Prosječan ţivotni vijek ovakvih baterije je između 7 i 10 godina, a on ovisi o
odrţavanju, ali i o dubini praţnjenja odnosno punjenja baterija. U troškove rada i
odrţavanja potrebno je uključiti zamjene pojedinih ćelija, čišćenje kontakata i sl. Ti
troškovi iznose oko 2-5 % cijene investicije.
36
5.2. Rezultati simulacije
Homer je računalni simulacijski program koji izvodi bezbroj simulacija na osnovi
unesenih parametara te na osnovi troškova odabire najbolje rješenje. Točnost rezultata
simulacije ovisi o unesenim podacima, posebice s ekonomskog aspekta. Za dani projekt
investicijski troškovi svih komponenti sustava su točni i većinom preuzeti s hrvatskog
trţišta. Također, tehnički podaci komponenti koje su razmatrane prilikom modeliranja
pojedinih samostalnih energetskih sustava su preuzeti sa specifikacija komponenti. Dakle,
stvoreni su dobri preduvjeti za kvalitetna rješenja modeliranih sustava.
Po završetku unosa podataka Homer počinje sa simulacijom i traţenjem optimalnog
sustava. Poslije završenih proračuna, u kategoriziranom prikazu pojavljuju se sustavi
poredani prema isplativosti, od najisplativijeg prema manje isplativijima (slika 5.12.). Bilo
bi zanimljivo daljnje istraţivanje o tome koliko rezultati ovise o profilu potrošnje.
Slika 5.12. Prikaz mogućih sustava poredanih po isplativosti
Osim općih podataka o investicijskim troškovima, cijeni proizvedene energije,
potrošnji goriva i slično, moguće je pogledati detaljne podatke o troškovima, proizvedenoj
energiji te radu pojedinih komponenti sustava koji je modeliran prilikom simulacije. Slika
5.13. daje osnovne podatke o najisplativijem sustavu i njegovim troškovima, prikazan je
ukupni neto sadašnji trošak NPC (net present cost) koji uključuje početni kapital sustava,
troškove zamjene bilo koje komponente sustava te troškove odrţavanja.
37
Slika 5.13. Prikaz troškova optimalnog sustava
Iz slike je vidljivo da investicijski troškovi sustava iznose 44,399 $, a ukupni
troškovi sustava izračunati za ţivotni vijek sustava iznose 69,898 $. Prosječna cijena
proizvedene energije je 0.669 $/kWh. Na slici 5.14. prikazana je zastupljenost pojedinog
izvora električne energije za svaki mjesec tijekom godine.
Slika 5.14. Zastupljenost pojedinog izvora električne energije
Slika 5.15. prikazuje točnu godišnju proizvodnju električne energije pojedinog
izvora, potrošnju trošila i ukupnu efikasnost. Vidimo da najviše energije proizvodi
vjetroturbina, oko 59 %.
38
Slika 5.15. Točna godišnja proizvodnja pojedinog izvora
Dnevni dijagrami rada PV, vjetroturbine, agregata i baterija te podaci o izlaznim snagama,
vremena rada i drugi podaci prikazani su slikama 5.16, 5.17, 5.18 i 5.19.
Slika 5.16. Dnevni dijagrami rada te kvalitativni podaci o radu fotonaponskog modula
Slika 5.17. Dijagram dnevnog rada te kvalitativni podaci o radu vjetroelektrane
39
Dijagram dnevnog rada vjetroelektrane ilustrira ovisnost proizvodnje električne
energije o vjetru. U mjesecima kada je vjetar intenzivniji i proizvodnja je veća.
Problematika rada ovakvog sustava izraţena je tijekom ljetnih mjeseci kada je iskoristivost
energije vjetra slaba. Tijekom relativno malih srednjih mjesečnih brzina vjetra te
promjenjivosti intenziteta vjetra tijekom godišnjih doba, faktor angaţiranja vjetroelektrane
je relativno male 35.7 %.
Slika 5.18. Dijagram dnevnog rada te podaci o radu agregata / generatora
Prema podacima prikazanim na slici 5.18 agregat će raditi oko 422 sata godišnje,
što prosječno daje 1.1 sat dnevno. Pri takvom reţimu rada agregat u prosjeku radi pri
opterećenju 2.96 kW.
Slika 5.19. Dijagram dnevnog rada te kvalitativni podaci o radu baterija
40
Kao što je vidljivo iz dijagrama dnevnog rada baterija (slika 5.19.), stanje
napunjenosti baterija tijekom godine je izvrsno, između 80 i 100 %. Posljedica toga je dug
ţivotni vijek grupe baterija, oko 9.76 godina.
Budući da su u modeliranom projektu korištena goriva koja izgaraju, dolazi do
emisija štetnih plinova. Vrijednosti emisija pojedinih plinova prikazati su u tablici 18 .
Tablica 18. Emisije štetnih plinova
Pollutant Emissions (kg/yr)
Carbon dioxide 1.182
Carbon monoxide 2.92
Unburned hydrocarbons 0.323
Particulate matter 0.22
Sulfur dioxide 2.37
Nitrogen oxides 26
41
Zaključak
Hibridni sustav, polako ali sigurno, sve više zauzima svoje mjesto u proizvodnji
električne energije iz obnovljivih izvora u budućnosti. Povezivanjem više neovisnih
obnovljivih izvora u jednu cjelinu postigao se veći stupanj korisnosti sustava. Iako fosilna
goriva još uvijek najviše pridonose proizvodnji energije, svijet se polako okreće prema
novim izvorima energije. Razvijaju se novi sustavi, odnosno računali programi koji
simuliraju rad samog sustava i omogućuju bolje izlaganje problema.
Postoji puno čimbenika koji prilikom analize isplativosti malog energetskog
sustava utječu na moguću konfiguraciju sustava. Dakle, ne postoji univerzalna metoda
kojom bi brzo i lagano dobili kvalitetne rezultate. Sustav napajanja koji koristi obnovljive
izvore energije moguće je izvesti na puno načina, a trenutačno jedini program koji
objedinjuje energetske i ekonomske aspekte te traţi optimalni sustav je Homer.
Konfiguracija sustava prvenstveno ovisi o opterećenju i lokaciji objekta, na osnovi
prosječnog opterećenja sustav se dimenzionira, dok na osnovi lokacije zaključuje o
raspoloţivosti obnovljivih izvora energije. Pri izradi rada, odabrano opterećenje sustava
jednako je opterećenju manjeg kućanstva. Pri tome moramo paziti da se trošila razlikuju po
vrsti, snazi i potrošnji te da se mogu koristiti u različito vrijeme tijekom dana. Vrsta trošila
i raspored korištenja također uveliko utječu na optimiranje samostalnog sustava.
Usporedbom optimalnih sustava napajanja dolazi se do zaključka da su obnovljivi
izvori energije isplativi u slučaju dugoročnog korištenja. Razlog tome je velik investicijski
trošak sustava koji koriste obnovljive izvore energije za proizvodnju električne energije
(posebno PV modula). Rješenja projektnog zadatka dobivena Homer računalnim
simulacijskim programom mogu posluţiti za analizu izvedivosti. Na osnovi tih rješenja
nije moguće garantirati pouzdanost sustava u stvarnoj realizaciji projekta, zato što je teško
predvidjeti ponašanje i troškove diesel agregata te konstantnost obnovljivih izvora
energije. Tome pridonosi i činjenica da se stvarni profil razlikuje od planiranog odnosno
potencijal moţemo regulirati pri korištenju (npr. isključivanjem manje vaţnih tereta). Bilo
bi zanimljivo daljnje istraţivanje o tome koliko rezultati ovise o profilu potrošnje.
_______________
Potpis autora
42
Literatura
[1] IEA (International Energy Agency), World Energy Outlook 2002, Francuska, 2006.
[2] Vladimir Potočnik, Obnovljivi izvori energije i zaštita okoliša u Hrvatskoj,
Ministarsvo zaštite okoliša i prostornog uređenja, Zagreb, 2003.
[3] Hibridni sustav, http://www.hrote.hr/hrote/znati/Kogeneracija/hibridni.aspx
[4] Energija Sunca, http://bioeek.com/energija-sunca.html
[5] Fotonaponski modul, http://www.izvorienergije.com/energija_sunca.html
[6] O. Meštrović, Novi obnovljivi izvori energije u Zadarskoj ţupaniji, Zadar, 2006.
[7] NASA Surface meteorology and Solar Energy, http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/
[8] PVGIS Photovoltaic Geographical Information System, http://sunbird.jrc.it/pvgis/
[9] Energija vjetra, http://www.izvorienergije.com/energija_vjetra.html
[10] Vjetroelektrna, http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroelektrana
[11]Vjetropotencijal,
http://www.geog.pmf.hr/e_skola/geo/mini/vjetar_u_hrvatskoj/iskoristavanje_vjetra_%2
0u_hrvatskoj.html
[12] Brzine vjetra, http://pljusak.com/dol/wx.htm
[13] HOMER, http://www.homerenergy.com/
[14] Shema sustava,
http://www.energysavers.gov/your_home/electricity/index.cfm/mytopic=11130
[15] Vjetroturbina, http://www.windenergy.com/products/whisper_200.htm
[16] Helios H 1500, http://www.solar-party.com/helios.html
[17] Agregat, http://www.soundmarinediesel.com/isuzu_diesel_generators.html
[18] Pretvarači, http://www.adriaticbb.hr/Solar/pretvaraci.htm
[19] Baterije Trojan, http://www.trojan-battery.com/
43
Sažetak
Optimiranje samostalnog hibridnog sustava
U ovom radu opisan je hibridni sustav koji se sastoji od vjetroturbine, fotonaponske
mreţe i diesel agregata. Rad se sastoji od teorijskog i praktičnog dijela. Teorijski dio
opisuje obnovljive izvore energije, diesel agregat i ostale dijelove sustava. Praktični dio
izvodi se u Homer računalnom simulacijskom programu koji istraţuje energetske i
ekonomske aspekte pri određivanju optimalnog sustava. Glavnina istraţivanja odnosi se na
optimalnu konfiguraciju samostalnog energetskog sustava (hibridni sustav) koji koristi
obnovljive izvore energije, odnosno energiju vjetra i energiju sunčeva zračenja. Iako
postoji niz računalnih simulacijskih programa koji modeliraju hibridne sustave, Homer je
za sada jedini besplatni program koji obuhvaća sve aspekte prilikom modeliranja sustava te
izlaţe optimalno rješenje. Prilikom modeliranja sustava u programu Homer nastojao sam
prikupiti što točnije podatke o investicijskim troškovima, troškovima rada i odrţavanja
pojedinih komponenti. Podaci vjetra i sunčeva zračenja odnose se na juţnu obalu Hrvatske.
Također, tehnički podaci komponenti preuzeti su sa tvorničkih specifikacija. Računalni
simulacijski programi sluţe za analizu izvedivosti, dok stvarno ponašanje sustava nije
moguće točno predvidjeti. Ipak, pristupom koji je primijenjen u ovom radu moguće je
dobiti kvalitetne rezultate na osnovu kojih se moţe donijeti odluka o izvedivosti hibridnog
sustava.
Ključne riječi
Hibridni sustav, Sunce, fotonaponski panel, vjetar, vjetroelektrana, Homer.
44
Summary
Optimization of independent hybrid system
This paper describes a hybrid system consisting of wind turbines, photovoltaic
networks and diesel generators. The work consists of theoretical and practical parts. The
theoretical part describes the renewable energy, diesel engine and other parts of the system.
The practical part is performed in Homer computer simulation program that explores the
energy and economic aspects when determining the optimal system. The majority of
research refers to the optimal configuration of independent energy system (hybrid system)
that uses renewable energy and wind energy and solar radiation. Although there are a
number of computer simulation programs for modeling hybrid systems, Homer is so far the
only free program that covers all aspects of the modeling system and presents the optimum
solution. In modeling the system in Homer I have tried to obtain the most accurate data
about investment costs, costs of operation and maintenance of individual components. The
data of wind and solar radiation are related to the southern Croatian coast. Also, technical
data components are taken from the factory specifications. Computer simulation programs
are used to analyze the feasibility, while the actual behavior of the system cannot be
accurately predicted. However, the approach has been applied in this paper can get high
quality results on the basis of which it may decide on the feasibility of a hybrid system.
Keywords
A hybrid system, the sun, the photovoltaic panel, wind, wind, Homer.
45
Skraćenice
PV Photovoltaic fotonaponski
NASA National Aeronautics and Space Administration američka svemirska agencija
PVGIS Photovoltaic Geographical Information System fotonaponski geografski
informacijski sustav
VAWT Vertical axis wind turbine vjetroturbine s vertikalnom osi
HAWT Horizontal axis wind turbine vjetroturbine s horizontalnom osi
MPPT Maximum power point tracking maksimalna snaga točke za praćenje
SAPS Stand alone power system samostalni energetski sustav
RAPS Remote area power system udaljeni energetski sustav
NREL National Renewable Energy Laboratory nacionalni laboratorij obnovljivih
izvora energije