VISOKA KOLA ELEKTROTEHNIKE I RA UNARSTVA

SEMINARSKI RAD iz predmeta Nove energetske tehnologije

PROIZVODNJA ELEKTRI NE ENERGIJE POMO U ENERGIJE VRTRA

Profesor: mr. Aleksandra Gruji

Studenti: Pavlovi Nenad NET-52/10 Torma Milo NET-63/10 Griji Petar NET-75/10 Labus Aleksandar NET-7/10

Beograd, 2011

SADR AJ1. Uvod......................................................................................................................... 1 2. Op ta razmatranja .................................................................................................. 2 2.1. Istorijat vetroenergije ..................................................................................... 2 2.2. Vetar, ekolo ki izvor energije ......................................................................... 4 3. Energija vetra ......................................................................................................... 5 3.1. Priroda vetra ................................................................................................... 5 3.2. Snaga vetra ...................................................................................................... 6 4. Vetroagregati .......................................................................................................... 7 4.1. Op ti deo .......................................................................................................... 7 4.2. Biranje lokacij za postavljanje vetroagregata................................................ 8 4.3. Podela vetroagregata....................................................................................... 11 4.3.1. Podela vetroagregata po instalisanoj snazi ............................................... 11 4.3.2. Podela vetroagregata po konstrukciji vetroturbine .................................. 12 4.4. Regulacija brzine vetroturbinom ................................................................... 14 4.5. Unutra nja konstrukcija vetroagregata ......................................................... 15 4.6. Generatori koji se koriste kod elektrana na vetar ......................................... 15 5. ZAKLJU AK......................................................................................................... 16 6. LITERATURA ........................................................................................................ 17

1. Uvod

Globalni razvoj dru tva e u budu nosti u ogromnoj meri zavisiti od stanja u oblasti energetike. Problemi sa kojima se suo avaju u manjoj ili ve oj meri sve zemlje sveta su povezani sa obezbe ivanjem energije i o uvanjem ivotne sredine. Eksplozija ljudske populacije na zemlji uzrokuje stalno pove anje potreba za energijom. Trend rasta potreba na globalnom nivou iznosi oko 2,8 % godi nje. Sa druge strane, trenutna struktura primarnih izvora elektri ne energije ne mo e na globalnom nivou obezbediti takav trend pove anja proizvodnje elektri ne energije. Postoje a dinamika kojom se eksploati u fosilna goriva e u bliskoj budu nosti dovesti do iscrpljenja njihovih rezervi. Direktna posledica ovih opre nih uslova proizvodnje i potro nje je stalni porast cene elektri ne energije ime se stvara ekolo ki i ekonomski opravdana potreba uklju ivanja alternativnih izvora u globalnu strategiju razvoja energetike. Ovakvi energetski tokovi su primorali visoko razvijene zemlje da ula u ogroman kapital u razvoj sistema za kori enje obnovljivih izvora elektri ne energije. Kao rezultat takvog ulaganja osvojena je tehnologija i razvijena industrija za tehni ki pouzdanu konverziju nekih primarnih obnovljivih izvora. Osim toga, me unarodni protokoli i obaveze o smanjenju emisije CO2 kao to je Kjoto (Kyoto) protokol i lokalni ekolo ki problemi, primorali su vlade mnogih zemalja da razli itim subvencijama podsti u izgradnju ekolo ki istih elektrana koje koriste obnovljiva goriva. Ovakvi energetski tokovi su primorali visoko razvijene da ula u ogroman kapital i anga uju veliki broj stru njaka u razvoj sistema za kori enje obnovljivih izvora elektri ne energije, posebno energije vetra i solarne energije, kao trenutno najperspektivnije obnovljive izvore elektri ne energije.

1

2. Op ta razmatranja

2.1. Istorijat vetroenergetikeOko 4000 godine pre nove ere, Kinezi su prvi naka ili jedra na svoja primitivna plovila. Otprilike 600 godina kasnije Egip ani su porinuli njihove prve brodi e na jedra kako bi plovili du Nila. Kasnije, koristili su jedrenjake za trgovinu i na samom Mediteranu. I Vikinzi svoja velika osvajanja duguju injenici da su bili izuzetno sposobni u gra enju veoma brzih jedrenjaka kojima su mogli da plove manje-vi e oko celog tada poznatog Sveta (Slika 2.1.1). Tehnika kori enja jedara za hvatanje vetra i iskori avanja njegove energije za pokretanje brodova je u principu ista kao to je bila i pre 6000. godina, kada su se pojavili prvi brodovi koji su koristili jedra za pokretanje. Jedrenjaci su gonjeni od strane razlike pritisaka koji se stvaraju na svakoj strani jedra dok vetar prelazi preko njega. Podpritisak sa zadnje strane jedra reaguje sa nadpritiskom sa prednje strane i pokre u plovilo unapred.

Slika (2.1.1.) Jedrenjak ini se da je ovek oduvek sanjao o kori enju snage vetra da bi leteo. Jo starogr ka mitologija je puno pri a o ljudima koji su poku avali da lete kao ptice. U 15. veku genijalni Leonardo da Vin i je posvetio mnogo vremena i energije u izu avanju istog problema. Kroz seriju impresivnih nacrta i kompleksnih dizajna krila, poku ao je da opona a ptice i njihove pokrete. Njegova krila nisu nikada pomogla oveku da poleti, ali danas se da Vin ijev rad smatra za prvi nau ni poku aj da se napravi letelica. Vekovima, smatralo se da je neoboriva injenica, da bi u poku aju da leti, ovek morao da imitira pricu. Ipak, bio je to samo vazdu ni mehur koji mu je pomogao da pobedi gravitaciju i ode skroz gore do oblaka. Prvi balon koji je nosio putnike podigao se sa zemlje 1783. godine.Posle ovog prvog eksperimenta dizajn balona je promenjen i uznapredovao je. I tehnologija i materijali uklju eni u ovo su se razvili i danas je balon jedan vrlo mondenski hobi.Odmah nakon prvog leta postalo je jasno da je prevoz balonom usko povezan sa nekim rizicima. Nedugo posle toga izumljen je prvi padobran. Jako prosto, padobran je slu io da piloti balona spasu ivot kada se na u u nevolji. Danas, padobrani se i dalje koriste kao sredstvo za spasavanje ali i kao visoko adrenalinski sport. Iako je balon bio popularan nekoliko vekova, ak su i najve i entuzijasti me u pilotima postajali jako frustrirani injenicom da im vetar odlu uje u kom pracu e se kretati. Henri Gifard (Henri Giffard) se pozabavio ovim problemom i 1852. godine je predstavio prvi vazdu ni brod. Taj vazdu ni brod jo poznat i pod nazivom Cepelin, je bio oblika poput cigare i pokretao ga je parni motor koji je omogu avao izuzetno dobru navigaciju. Cepelini su postali veoma popularni i 2

1920. su prevozili ljude preko Atlantika. Ipak nekoliko fatalnih padova, uklju uju i i Hinderbur ku katastrofu u kojoj je poginulo 35 ljudi, najavili su kraj ere Cepelina. Prvi motorizovan let u istoriji se desio u Americi 1903. godine. Dva brata Orvil i Vilbur Rajt (Orville and Wilbur Wright) su proveli mnogo godina rade i na izgradnji njihovog aviona kao i na izgradnji njihovih pilotskih ve tina. Njihov avion Flyer bio je pogonjen benzinskim motorom i na svom prvom letu uspeo je da pre e 40 metara pre nego to se bezbedno spustio na zemlju (Slika 2.1.2). U godinama koje slede novi, pobolj ani tipovi aviona su pravljeni vrtoglavom brzinom i sve du i i du i letovi su postali obi na stvar. Na primer prvi let od Francuske do Engleske preko La Man a je izveden u jednom malom i elegantnom avionu ve 1909. godine. Ranih 1920-tih avioni su postali zna ajno aerodinami niji, ve su se pravili od metala i leteli su na ve im visinama mnogo br e nego pre. Samo nekoliko godina kasnije prvi Boing 247 je predstavljen; to je bio prvi moderni putni ki avion. I danas ljudi streme ka sve br im i ja im letelicama, koje su tako e sve gabaritnije.

Slika (2.1.2.) Flyer bra e Rajt Re Vetrenja a sama po sebi asocira na kori enje energije vetra za mlevenje. Na engleskom Windmill, a re mill vu e koren iz latinskog jezika: molina to zna i mlevenje ita. Dakle naziv je usko povezan sa vekovnim primarnim zadatkom vetrenja a. Prve vetrenja e u Evropi su izgra ene oko 1100. godine i slu ile su za mlevenje itarica i za pumpanje vode. U poljoprivrednim zajednicama posebno u Holandiji vetrenja e su pru ile neprocenljivu pomo prilikom ispumpavanja vode sa njiva u priobalnim krajevima. Kasnije oko 1700. godine dizajn vetrenja a se menja i kao takav koristi se i danas (Slika 2.1.3). U Danskoj je 1870. godine bilo vi e od 6000 ovakvih vetrenja a. U zimu 1887. godine ameri ki izumitelj arls Bru (Charles F. Brush) izgadio je prvu vetrenja u koja je imala namenu da proizvodi elektri nu energiju. Podignuta je u Klivlendu, dr ava Ohajo. Ne samo da je bila prva koja proizvodi elektri nu energiju nego je bila i zaista impresivne veli ine za to doba. Rotor je bio dijametra 17 m i sastojao se od 144 rotorska se iva. Ova vetrenja a je pomo u dinama napajala 3 motora, 12 baterija i mno tvo lampi. Ostala je upotrebi slede ih 20 godina.

Slika (2.1.3.) Holandska vetrenja a

3

2.2. Vetar, ekolo ki izvor energijeVetar predstavlja neiscrpan ekolo ki izvor energije iji globalni potencijal vi estruko prevazilazi svetske potrebe za elektri nom energijom. Kori enje energije vetra u proizvodnji elektri ne energije je po elo da se razvija tridesetih godina dvadesetog veka i tada je po ela izgradnja prvih vetroelektrana. Danas vetroenergetika predstavlja granu energetike koja se najbr e razvija, kako u pogledu tehnologije, tako i u pogledu porasta instalisanih vetroelektrana u svetu (slika 2.2.1).

Slika (2.2.1.) Godi nji porast instalisanih snaga vetroelektrana u svetu Vetroelektrane koriste kineti ku energiju vetra, koju pomo u turbina na vetar pretvaraju u mehani ku i dalje, preko elektri nih generatora, u elektri nu energiju. U prilog ve em kori enju vetrogeneratora idu zajedno ekonomija i ekologija. Oko 75% svih svetskih vetroelektrana instalisano je u zemljama Evropske Unije. Evropska Unija iz instalisanih 34466 MW (decembar 2004) podmiruje oko 3% ukupnih potreba za elektri nom energijom. Nema ka je vode a zemlja po broju instalisanih vetroelektrana sa ukupno 16629 MW, to je duplo vi e nego snaga svih elektrana u Srbiji. Najve i udeo vetroelektrana u proizvodnji elektri ne energije ima Danska koja iz vetra podmiruje 20% svojih potreba za elektri nom energijom.

4

3. Energija vetra

3.1. Priroda vetraEnergija dostupna iz vetra raste sa porastom brzine vetra i to po kubnom zakonu, tako da je razumevanje prirode vetra od krucijalnog zna aja za sve aspekte eksploatacije energije vetra, od identifikacije zgodnih mesta i predvi anja ekonomske isplativosti za izgradnju vetrofarmi do dizajna samih vetroturbina i razumevanja njihovih efekata na elektromre e i same potro a e. Sa stanovi ta energije vetra najupadljivija karakteristika jeste njegova nestabilnost to jest varijacije u brzini. Te varijacije postoje u veoma velikom opsegu i prostoru i u vremenu. Va nost ovoga je pove ana sa kubnom vezom brzine vetra i dostupne energije. Vetar se mo e prosto definisati kao kretanje vazduha. Ovo kretanje mo e biti u bilo kom pravcu, ali u ve ini slu ajeva horizontalna komponenta mnogo nadja ava vertikalnu struje vetra. Brzina vetra varira od apsolutne ti ine do brzina kao to su 380 kilometara po asu (zabele eno u Nju Hemp iru 1934. godine). U veoma kratkom vremenskm periodu povr inski vetrovi mogu biti veoma nepredvidljivi. Vetar nastaje kao rezultat razlike atmosferskog pritiska (slika 3.1.1). Generalno, ove razlike nastaju zbog neujedna ene absorpcije sun evog zra enja na povr ini zemlje. Brzina vetra te i da bude najve a tokom dana kada su najve e i najekstremnije razlike u atmosferskoj temperaturi i pritisku.

Slika (3.1.1.) Formiranje vetra kao razlika pritiska i temperature

5

3.2. Snaga vetraKineti ka energija tela u pokretu proporcionalna je njegovoj masi, tako da kineti ka energija vetra zavisi od gustine vazduha. Dakle, to je vazduh te i dobije se vi e energije na vetroturbini. Gustina vazduha jednaka je koli ini molekula po jedinici zapremine vazduha. Pri normalnom atmosferskom pritisku i temperaturi vazduha od 15 stepeni Celzijusa, te ina vazduha je 1,225 kg/m3, ali sa pove anjem vla nosti opada i njegova gustina. Hladniji vazduh gu i je od toplijeg i zato vetroturbina pri istoj brzini vetra proizvodi vi e energije zimi nego tokom leta. Teoretska izlazna snaga vetroturbine data je izrazom:P! 1 V R 3 2

3.2.1.

gde je: P specifi na snaga vetra brzina vetra na ulazu u turbinu gustina vazduha (1,225 kg/m3 ) Maksimalna snaga koja se mo e dobiti pomo u vetroturbine ra una se pomo u Betzovog zakona, prema kome se samo deo (59%) raspolo ive snage vetra mo e iskoristiti zato to vetar mora da nastavi da duva u svom smeru kako bi ostavio slobodan prostor za nadolaze i vazduh. Zato se celokupna kineti ka energija ne mo e isporu iti vetroturbini (slika 3.2.2.).

Slika 3.2.2. Zavisnost snage od brzine vetra

6

4.

Vetroagregati

4.1. Op ti deoPretvaranje energije vetra u elektri nu energiju vr i se pomo u vetroagregata. Vetrogenerator, vetroturbina i stub na koji se postavljaju ine jedan vetroagregat. Vetroagregat pretvara kineti ku energiju vazduha koji se kre e ( vetra ) pomo u lopatica rotora ( elise ), prenosnog mehanizma i elektrogeneratora u elektri nu energiju. Energija dobijena iz vetra zavisi od srednje brzine vetra i to tako sto je proporcionalna tre em stepenu brzine vetra. Vetroagregat ne mo e da transformi e celokupnu kineti ku energiju vetra koji struji kroz povr inu koju obuhvataju kraci rotora. Albert Dec je 1919. godine dokazao da se maksimalno 59% ukupne kineti ke energije vetra mo e pretvoriti u mehani ku energiju rotora vetroagregata. Proizvo a i vetroagregata uglavnom daju krivu snage koja prikazuje zavisnost izlazne snage od brzine vetra kao sto je prikazano (slika 4.1.). Moderni vetroagregati po inju da proizvode elektri nu energiju ve pri brzini vetra od 2,5 m/s, a zaustavljaju se, iz bezbednosnih razloga, pri brzini od 25 m/s. Vetroagregat mo e Slika (4.1.1.) - Ulazo-izlazna karakteristika da obezbedi ekonomi nu proizvodnju struje vetrogeneratora nominalne snage 660 kW ukoliko je srednja brzina ve a od 6 m/s. 7

4.2. Biranje lokacije za postavljanje vetroagregataIzbor lokacije za postavljanje vetroagregata je najva nija faza pri planiranju izgradnje vetroelektrane. Najbitniji parametar pri analizi pogodnosti lokacije za postavljanje vetroagregata je brzina vetra. U po etnoj fazi odre ivanja lokacije naj e e se raspola e samo sa meteorolo kim podacima. Na osnovu tih podataka, odnosno srednjih godi njih brzina vetra, potrebno je izdvojiti regione u kojima postoje potencijalno pogodne mikrolokacije za postavljanje vetroagregata. Od interesa su lokacije u kojima je srednja godi nja brzina vetra merena na 10 m iznad tla ( standardna brzina na koju se postavljaju anemometri u hidrometeorolo km stanicama ) ve a ili jednaka 5 m/s.

Slika (4.2.1.) Anemometar (levo) i Vetrokaz (desno) Na osnovu konfiguracije terena, preliminarnih merenja i konsultacija sa meteorolozima treba odabrati mikrolokacije na kojima se moraju izvr iti namenska merenja parametara vetra. Na osnovu ovih merenja, sa odgovaraju om opremom, jedino se mogu pouzdano proceniti energetski resursi vetra. Postoje razli iti sistemi za merenja relevantnih parametara za estimaciju resursa vetra. Na slici (4.2.2.) prikazana je konfiguracija za merenje resursa vetra radi procene pogodnosti lokacije za postavljanje vetroagregata. Gde su prikazani: 1. eli ni merni stub 2.Anemometar za merenje vertikalne komponente vetra 3. Nosa i merne opreme 4. Mera pravca vetra (vetrokaz) 5. Anemometar 6. Gromobranski iljak 7. Senzori temperature i pritiska 8. Piranometar (nije obavezan) 9. Akvizicioni sistem (data logger) i baterija za napajanje merne opreme 10. Uzemljiva ki tap

Slika (4.2.2.) Merno-akvizicioni sistem za odre ivanje vetroenergetskog potencijala 8

Broj anemometara i mera a pravca vetra zavisi od visine mernog stuba, minimalan broj je 2. Njihova kalibracija i montiranje na merni stub je definisano IEC standardom 61400+12. Od velike va nosti je da instrumenti budu pouzdani i da imaju veliku klasu ta nosti. Gre ka od 10% u merenju brzine vetra se odr ava sa gre kom od preko 30% u prora unu snage vetra. Merenje se mora sprovesti kontinualno najmanje jednu godinu. Po eljno je da se sprovede ve i broj celih godina. Uz merni sistem koristi se softver za obradu mernih veli ina. Na osnovu izmerenih veli ina za svaku visinu anemometra daje se za posmatrani interval vremena grafi ki prikaz pravca, brzine i snage vetra u vidu tzv. ru e vetrova. Ru a vetrova se naj e e crta u polarnom koordinatnom sistemu. Ceo horizont od 360 podeli se na 12 sektora od po 30 . Za svaki sektor se nanosi procentualna u estanost pojavljivanja vetra odre ene brzine (procenti su definisani u odnosu na posmatrani vremenski interval za koji se crta ru a vetrova). Osim toga, za svaki sektor se crta i proizvod srednje brzine vetra i procentualne u estanosti pojavljivanja vetra u tom segmentu. Na kraju se za svaki sektor grafi ki prikazuje koliko procentualno od ukupne energije vetra je sadr ano u vetrovima iji smer pripada datom segmentu. Najpogodnije su lokacije koje imaju izra en dominantan pravac brzine vetra (ru a vetrova je spljo tena). Ako se softveru zada i karakteristika snage i visina stuba vetroagregata on estimira i histogram elektri ne energije koju bi proizveo odabrani vetroagregat na toj lokaciji. Ve ina softvera podrazumeva laminarno strujanje vazduha. Ukoliko postoje vrtlozi, ili izra ena rafalnost vetra, za pouzdanu estimaciju proizvodnje elektri ne energije potrebno je konsultovati proizvo a a vetroagregata. Ve im brojem anemometara i mera a pravca na razli itim visinama utvr uje se eventualno vrtlo no strujanje i visinski profil brzine vetra. Usled trenja vazduha o tlo i unutra njeg viskoznog trenja, brzina vetra raste sa pove anjem visine. Na profil brzine vetra uti e hrapavost terena, prisustvo prirodnih i ve ta kih prepreka kao i drugi elementi reljefa. Ovi parametri se razlikuju od lokacije do lokacije, te je i profil brzine razli it za razli ite lokacije. Hrapavost terena se razlikuje za razli ite pravce duvanja vetra pa je potrebno za svaki segment ru e vetrova definisati hrapavost, odnosno ru u hrapavosti. Postoje vi e modela koji opisuju visinski profil brzine vetra. Naj e e se koristi logaritamska zavisnost brzine vetra od visine, data relacijom:

z2 ) z0 , v2 ! v1 z1 ln( ) z0 ln(gde su:

(4.2.3.)

v1 - brzina vetra izmerena na visini z1 iznad zemlje, v 2 - brzina vetra na visini z 2 , z 0 - du ina hrapavosti ( roughnes length ) u dato pravcu vetra.

9

Dakle, uticaj hrapavoszi terena na visinski profil brzine vetra se defini e parametrom z 0 . Parametar z 0 predstavlja visinu na kojoj je brzina vetra jednaka 0 (nuli). Parametar z 0 se za odre eni teren odre uje na osnovu klase hrapavosti terena. U tabeli (4.2.5.) je prikazana naj e e kori ena klasifikacija terena prema klasi hrapavosti.Parametar hrapavosti se najpouzdanije mo e odrediti ako za datu lokaciju postoje merenja na razli itim visinama, z1 i z 2 . Tada se prema izrazu (4.2.4.) z 0 mo e odrediti ra unski:

ln( z0 ) !

v1 ln( z2 ) v2 ln( z1 ) v1 v2

(4.2.4.)

Ako se na analiziranoj lokaciji planira gradnja ve e vetroelektrane moraju se vr iti merenja u vi e ta aka. Broj mernih ta aka zavisi od slo enosti konfiguracije terena. Izmereni podaci i odgovaraju e ru e hrapavosti se obra uju u posebnom softveru, koji odre uje optimalne pozicije vetroagregata u okviru vetroelektrane. Klasa hrapavosti 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Povr ina More Glatka Otvorena Otvorena hrapava Hrapava Veoma hrapavi Zatvorena ure ena Neure ena Opis terenaOtvoreno more Ravne pe are; sneg; niska vegetacija, bez prepreka Ravni tereni; travnjaci, nekoliko izolovanih prepreka Niski usevi; ra trkane visoke prepreke Visoki usevi; ra trkane prepreke Vo njaci bunje; brojne prepreke Teren sa visokim ure enim (jednolikim) preprekama (predgra a ume) Gradska naselja sa visokim i niskim gra evinama

z 0 [m] 0,0002 0,005 0,03 0,1 0,25 0,5 1 >2

Tabela (4.2.5.) Klasa hrapavosti i du ina hrapavosti za razli ite terene Ako je za neku lokaciju poznata samo srednja godi nja brzina vetra, raspodela u estanosti pojavljivanja vetra neke brzine podle e Weibull-ovoj raspodeli. Koriste i Weibullovu raspodelu brzina vetra i karakteristike vetroagregata, pomo u (4.2.5.) mo emo grubo proceniti elektri nu energiju E koju na godi njem nivou mo e proizvesti vetroagregat po jedinici povr ine vetroturbine.3 kWh E ! 3,2 v sr 2 m

( 4.2.5.)

gde je: vsr [m/s] srednja godi nja brzina vetra na nivou visine osovine vetroturbine.

10

4.3. Podela vetroagregataVetroagregati se mogu podeliti prema instalisanoj snazi i prema konstrukciji vetroturbine.

4.3.1. Podela vetroagregata po instalisanoj snaziPo instalisanoj snazi vetroagregati se dele na : 1) MALE i VRLO MALE - do 3 kW 2) SREDNJE - od 3 kW do 10 kW 3) VELIKE - od 10 kW do 5 MW 1) Mali i vrlo mali vetroagregati snage do 3 kW prave se direktnim povezivanjem elise i elektrogeneratora bez prenosnog mehanizma ( REDUKTORA ) ime im se smanjuje cena. Mali vetrogeneratori namenjeni su individualnoj upotrebi i naj e e se koriste za punjenje akumulatora, osvetljenje, napajanje TV prijemnika, elektri nih ograda itd. tamo gde ne postoji elektri na mre a.

Slika (4.3.1.1.) Veoma mali vetroagregat Slika (4.3.1.2.) Mali Vetroagregat 2) Vetroagregati srednjih snaga, daju na izlazu prostoperiodi ni trofazni napon od nekoliko stotina volti i frekvencije 50 ili 60 Hz. Pomo u transformatora se napon podize na 10-30 kV to nam omogu ava da se vetroagregat priklju i na dalekovod i proizvedena energija prosledi u mre u.

Slika (4.3.1.3.) Srednji vetroagregati 11

3) Vetroagregati ve ih kapaciteta koriste se kao elektrane, to zna i da proizvedenu energiju predaju elektroenergetskom sistemu. Naj es e primenjivani moderni vetroagregati su kapaciteta od 500 kW do 3MW, mada se prave i ve i.

Slika (4.3.1.4.) Veliki vetroagregati Vestas 2MW

4.3.2. Podela vetroagregata prema konstrukciji vetroturbinePretvaranje kineti ke energije vetra u mehani ku energiju obrtnog kretanja vr i se pomo u vetroturbine koja mo e imati razli ite konstrukcije. Do danas je osmi ljeno nekoliko vetroturbina, kao to su na primer PAC, MAG, ne ujna, spiralna, Dariusova itd. Podela vetroturbina prema polo aju osovine: 1) Vertikalna osovina 2) Horizontalna osovina 1) Kod vetroturbina sa vertikalnom osovinom vetar struji normalno na osu rotacije, pa se one ne moraju usmeravati prema smeru duvanja vetra. Kod njih se generator postavlja u podno je turbine, te nisu potrebni jaki tornjevi. Neke od vetroturbina sa vertikalnim vratilom su PAC (slika 3.12.), MAG (slika 3.13.), ne ujna (slika 3.14.) i Darrius-ova turbina,( sliku 3.15.). Darrius-ova je dobila po in enjeru George Darrius-u (patent iz 1931. god). Darrius-ova turbina se obi no gradi sa dva ili tri luka. Vetroturbine sa vertikalnom osovinom generalno imaju nizak stepen iskori enja, pa se iz tog razloga danas prakti no ne koriste za vetroagregate ve ih snaga.

Slika (4.3.2.1.) - PAC Vetroturbina

Slika (4.3.2.2.) MAG Vetroturbina

Slika (4.3.2.3.) Ne ujna Vetroturbina

12

1. Generator 2. Prenosni mehanizam vetrogeneratora (REDUKTOR) 3. Podno je vertikalne osovine 4. Vrh vertikalne osovine 5. Elise 6. Sajla za u vr enje

Slika (4.3.2.4.) - Darrius-ova vetroturbina 2) Vetroturbine sa horizontalnom osovinom mogu biti postavljene uz i niz vetar. Vetroturbine postavljene niz vetar se same prilago avaju smeru vetra. Nedostatak im je to lopatice pri rotaciji prolaze kroz zavetrinu stuba, ime se stvaraju mehani ke vibracije i buka. Osim toga stub stvara i turbulencije to smanjuje efikasnost vetroturbine, pa se ovaj koncept ne koristi za ve e snage. Moderne vetroturbine se grade sa horizontalnom osovinom koja ima sistem za zakretanje osovine u horizontalnoj ravni za pra enje promene smera vetra. Mogu imati razli it broj lopatica, ali se za ve e snage naj e e koriste tri lopatice jer daju najve i stepen iskori enja (slika 3.16.). Pre nik rotora (radnog kola ili elise) turbina zavisi od snage i kre e se od 30 m za snagu od 300 kW do 115m za snagu od 5MW. Vetroturbina se postavlja na vertikalan stub koji, u zavisnosti od pre nika rotora turbine, mo e biti visok i preko 100m. Stub se naj e e gradi kao eli ni konusni, a re e kao eli ni re etkasti.

Slika (4.3.2.5.) Vetroagregat 3MW sa horizontalnom osovinom sa tri elise

13

4.4. Regulacija brzine vetroturbinomNije ekonomi no projektovati vertoturbinu koja bi pri svim brzinama vetra imala maksimalan stepen iskor enja, jer se vetrovi velikih brzina (iznad 14 m/s) retko javljaju, pa bi vetroturbina za naj e e vetrove bila predimenzionisana. Pri velikim brzinama vetra (iznad 25 m/s) vetroturbina se iz sigurnosnih razloga zaustavlja. Projektovati vetroturbinu za rad pri velikim brzinama je tehni ki mogu e ali je neekonomi no. Vetroturbina ima i minialnu radnu brzinu, jer pri malim brzinama vetra njen rad postaje neefikasan i nestabilan. Dakle, vetroturbina normalno radi u odre enom opsegu brzine vetra. Taj opseg je definisan sa tri karakteristi ne brzine vetra za svaki vetroagregat: y Minimalna radna brzina vetra v min (cut-in wind speed) je brzina vetra pri kojoj vetroagregat po inje proizvodnju elektri ne energije. Za brzine vetra v < vmin vetroagregat je uko ena. Tipi na vrednost brzine uklju enja kod trokrakih vetroturbina je vmin = (2,5 /3,5) m/s; y Nominalna radna brzina vetra vn (normal wind speed) je nominalna brzina vetra pri kojoj vetroagregat dosti e svoju nominalnu snagu.Nominalna brzina kod vetroagregata za manje vetrovite lokacije je vn = (10/13) m/s, a za vetrovite lokacije je vn = (14/17) m/s; y Maksimalna radna brzina vetra vmax (cut-out wind speed) je brzina vetra pri kojoj se vetroturbina zaustavlja. Brzina isklju ennja je obi no vmax =25 m/s, mada postoje vetroagregati sa vmax >30 m/s. Vetroturbina je mehani ki projektovana da u uko enom stanju izdr i i ekstremno velike brzine vetra (survival wind speed) od (60-70) m/s. Pri brzinama vetra ve im od nominalne brzine (12 m/s-15 m/s) javlja se potreba za regulacijom snage vetroturbina kako ne bi do lo do o te enja generatora. Osnovna regulacija se vr i na tri na ina: 1) 2) 3)1)

konstrukcijom lopatica (stall regulacija) zakretanjem lopatica (pitch regulacija) konstrukcijom i zakretanjem lopatica (aktivna stall regulacija)

Regulacija konstrukcijom lopatica (stall regulacija) predstavlja pasivan sistem regulacije snage, po to nema pokretnih delova. Lopatice se konstrui u tako da automatski smanjuju svoju efikasnost pri jakim vetrovima. Aerodinami ki dizajn lopatica je takav da to se vi e ide ka vrhu one su vi e uvrnute na jednu stranu, da bi se sila uzgona smanjila sa pove anjem brzine rotiranja lopatica. Ova vrsta regulacije snage na la je primenu kod indukcionog kaveznog generatora. 2) Regulacija snage zakretanjem lopatica (pitch regulacija) koristi se za vetroagregate ve e snage sa promenljivom brzinom obrtanja. Lopatice vetroturbine zakre u se pomo u hidrauli nog servomotora. Komandni signal za zakretanje lopatica daje sistem za nadgledanje i pra enje rada vetroturbine kada snaga ima tendenciju da prema i nominalnu vrednost. Hidrauli ki sistem polako rotira lopatice oko svojih osa za nekoliko stepeni sa ciljem da smanji ili pove a njihovu efikasnost u iskori enju snage vetra. Pri jakim vetrovima cilj je da se smanji napadni ugao na lopaticu. Ova vrsta regulacije snage na la je primenu kod indukcionog generatora sa namotanim rotorom. 3) Regulacija snage vetroturbine zakretanjem i konstrukcijom lopatica (aktivna Stall regulacija) predstavlja kombinaciju predhodna dva na ina regulacije. Ovaj na in regulacije koriste veoma veliki vetrogeneratori, snage preko 1MW. Cilj je da se elimini u negativni efekti stall regulacije. To se posti e kada brzina vetra pre e nominalnu vrednost, pa umesto da se smanji napadni ugao na lopatice, on se pove a da bi se izazvao stall efekat. 14

4.5. Unutra nja konstrukcija vetroagregataUnutra nju konstrukciju vetroagregata su:1. Generator 2. Sistem za hla enje 3. Vetrokaz i anemometar 4. Antena 5. Vazdu ni zazor 6. Servisni kran 7. Ko nica diska 8. Ku i te generatora 9. Glavna osovina 10. Glavno le i te 11. Spiner 12. Amortizer motora / Reduktora 13. Okvir osnove ma ine 14. Reduktor 15. Spojnica 16. Razmena toplote (hla enje ulja)

4.6. Generatori koji se koriste kod elektrana na vetarOd generatora kod elektrana na vetar koriste se:1) 2) 3) 4)

indukcioni kavezni generator; indukcioni generator sa namotanim rotorom; dvostrano napajani indukcioni generator; vi epolni sinhroni generator.

15

5. ZAKLJU AKGlobalni razvoj dru tva u budu nosti e u ogromnoj meri zavisiti od stanja energetike. Problemi sa kojima se suo avaju u manjoj ili ve oj meri sve zemlje sveta su povezani sa obezbe ivanjem energije i o uvanjem ivotne sredine. Trend rasta potreba na globalnom nivou iznosi oko 2,8%. Ovakvi energetski tokovi su primorali visokorazvijene zemlje da ula u ogroman kapital i anga uju veliki broj stru njaka u razvoj sistema za kori enje obnovljivih izvora elektri ne energije (vetroelektrane, solarne elektrane, elektrane na biomasu i biogas, geotermalne elektrane, itd.). Najzna ajniji faktori koji su uticali na pridavanje zna aja obnovljivim izvorima energije su: Brzi porast potro nje svih vidova energije u poslednjih 100 godina, Ograni enost klasi nih izvora i njihovo dogledno iszrpljivanje, Pove ano zaga enje okoline nekontrolisanom emisijom tetnih gasova (CO, CO2 , SO2, NOx i drugih), Ograni eni kapacitet lokacija za odlaganje otpada ( ljaka, pepeo, nuklearni otpad). Smatra se da budu i tehnolo ki razvoj energetike mora i i u dva smera: Striktno ograni enje i kontrola zaga enja okoline radom energetskih sistema, Ve e kori enje novih i obnovljivih izvora energije, sa istom tehnologijom, uz zna ajno pove anje energetske efikasnosti proizvodnje i fonalne potro nje energije.

16

6. LITERATURA

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

Mukund R. Patel, Wind and Solar Power Systems, CRC Press 1999.

www.izvorienergije.com www.evea.com www.vestas.com Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy www.well.org.yu/Energije%20druge.htm Balkan Energy Solution Team, www.balkanenergy.com Dr.Milenko B. uri , Dr.Aleksandar R. Cukari , eljko uri i , Elektrane www.poljopartner.rs/domace-vesti/obnovljivi-izvori-energije-u-srbiji-2.html

17