-
University of Kragujevac Technical Faculty - aak
Smer: Tehnika i informatika Predmet: Termotehnika i
energetika
SEMINARSKI RAD:
Energija vetra
Profesor: dr Sneana Dragievi
Studenti: AleksandarMami 627/2008Page | 1
Stojan Karauli 1020/2008aak 2011
SadrajPOPIS SLIKA POPIS TABLICA 1. Uvod 2. Energija i snaga
vetra 2.1. Parametri vetra 2.2. Pozicioniranje turbne 3.
Konstrukcijski oblici vetroturbina 3.1. Podela vetroturbina 3.1.1.
Vetroturbine s horizontalnom osom obrtanja ili VSHO 3.1.1.1. Broj
lopatica 3.1.2. Vetroturbine s vertikalnom osom obrtanja ili VSVO
3.1.2.1. Darrieusova vetroturbina 3.1.2.2. Savoniusova vetroturbina
4. Funkcije rada rada vetroturbina 4.1. Stepen iskorienja
vetroturbine 4.2. Koeficijent brzohodnosti 5. Proizvodnja elektrine
energije 5.1. Generatori elektrine energije prikladni za rad
vetroturbina 5.1.2. Uporedjivanje sinhronog i ansinhronog
generatora 5.2. Spajanje vetroelektrane u elektroenergetski sistem
6. Novi konstrukcijski oblici vertikalnih vetroturbina 6.1.
Konstrukcijski oblici vetroturbina na tritu i njihovo uporedjivanje
6.1.1. Helix wind 6.1.2. Quiet revolution 6.2. Uporedjivanje
navedenih vetroturbina 6.3. Idejni projekti vertikalnih
vetroturbina 6.3.1. Wing 6.3.2. Tesnic 6.3.3. Bri domestic wind
turbine 6.3.4. Magenn mars 6.3.5. Aerogenerator 6.4. Izumi bez
podataka o snazi 7. Arhitektura u skladu s energijom vetra 8.
Potrebe za elektrinom energijom u domainstvu 9. Razvoj vetroturbine
10. Prikaz 3D modela 11. Tehnika dokumentacijaPage | 2
Popis slikaSlika 2.1. Temperature mora Slika 2.2. Smer globalnog
vetra Slika 2.3. Obalna cirkulacija vetra Slika 2.4. Sjer
planinskog vetra Slika 2.5. Promena brzine vetra s visinom Slika
2.6. Promena brzine vetra s visinom Slika 2.7. Krive uestalosti
brzina vetrova na visinama 10, 25, 50 i 100 metara od tla Slika
2.8. Porast snage vetra s brzinom Slika 2.9. Spektar snage
vodoravne komponente brzine vetra Slika 2.10. Weibullova razdioba
Slika 2.11. Uticaj prepreke na strujanja Slika 2.12. Brzine
strujanja vetra danju i nou Slika 2.13. Rua vetrova Slika 2.14.
Evropska karta vetrova Slika 3.1. Verzija sa stubom ispred lopatica
i verzija sa stubom iza lopatica Slika 3.2. Amerika vetroturbina
Slika 3.3. Darrieusova vetroturbina Slika 3.4. Brzine i sile na
preseku lopatica Slika 3.5. H-tip turbine Slika 3.6. ema sistema za
okretanje lopatica Slika 3.7. Spiralna vetroturbina Slika 3.8.
Horizontalne verzije Darrieusovih vetroturbina Slika 3.9.
Savoniusova vetroturbina Slika 3.10. Princip rada Savoniusove
vetroturbine Slika 3.11. Spiralna Savoniusova vetroturbina Slika
4.1. ematski prikaz strujanja fluida kroz disk rotora Slika 4.2.
Koeficijent Cp s obzirom nav2 v1
Slika 4.3. Promena koeficijenta korisnosti s promenom
koeficijenta brzohodnosti Slika 5.1. Karakteristika momenta
asinhrone maine za jedan smer obrtanja polja Slika 5.2. Prikljuenje
na mreu Slika 6.1. Helix Wind vetroturbina Slika 6.2. Modularna
nadogradnja Helix vetroturbine Slika 6.3. Turbulentno strujanje
vetra kada nailazi na prepreku Slika 6.4. Quiet revolution turbina
Slika 6.5. Wing vetroturbina s solarnim kolektorima Slika 6.6.
Pokretanje pri malim brzinama vetra i prilagodjavanje lopatica
velikim brzinama vetra Slika 6.7. Prikaz slaganja diskova unutar
Tesnic vetroturbine Slika 6.8. Unutranjost vetroturbine Tesnic i
sklop ureaja Slika 6.9. Konstrukcija Bri Domestic vetroturbine i
njena skicaPage | 3
Slika 6.10 Letelica Laka od vazduha Slika 6.11. MARS
vetroturbina Slika 6.12. MARS turbine velikih snaga na velikim
visinama Slika 6.13. Aerogenerator Slika 6.14. Vetroturbina Graemea
Atteya Slika 6.15. Mag Wind vetroturbina Slika 7.1. Koncept
graevine s instaliranim vetroturbinama (1) Slika 7.2. Koncept
graevine s instaliranim vetroturbinama (2) Slika 7.3. Prva graevina
s instaliranim vetroturbinama (3) Slika 9.1. Funkcijska struktura
Slika 9.2. Koncept 1 lopatice Slika 9.3. Koncept 2 - lopatice Slika
9.4. Koncept 3 lopatice Slika 10.1. Razrada lopatica s dodatnim
delovima Slika 12.1. Generator GL-PMG-500A Slika 12.2. 3D model
sklopa vetroelektrane Slika 12.3. 3D model modula lopatica
Popis tablica i dijagrama
Tablica 2.1. Parametri za proraun brzine vetra prema European
Wind Atlas Tablica 2.2. Beaufortova skala jaine vetra Tablica 5.1.
Sinhrone brzine obrtanja za razne brojeve pari polova Tablica 5.2.
Uporedjivanje generatora Tablica 5.3. Prednosti i nedostatci
direktnog pogona u odnosu na pogon s multiplikatorom Tablica 6.1.
Uporedjivanje snage i dimenzija vetroturbina Tablica 6.2.
Uporedjivanje snage i dimenzija vetroturbina istih dimenzija
Tablica 6.3. Modeli Tesnic vetroturbina Tablica 8.1. Elektrini
ureaji u domainstvu Tablica 8.2. Dnevna potronja elektrine energije
u kilovat satima Tablica 8.3. Dnevna potronja u vatima Tablica 9.1.
Glavne potrebe korisnika Tablica 9.2. Morfoloka matrica Tablica
9.3. Ocenjivanje koncepata Dijagram 6.1. Snaga u zavisnosti od
brzine vetra i energija dobijena kroz godinu u zavisnosti od
brzine
Page | 4
Popis oznaka i mernih jedinica fizikih veliinaA - povrina A -
parametar odnosa veliine b1 - faktor veliine b2 - faktor kvaliteta
povrine C p ,max - koeficijent maksimalne korisnosti C p -
koeficijent korisnosti C - dinamika nosivost C1 - dinamika
optereenost leaja C0 - statika optereenost leaja d x - promer
vratila na mestu preseka x E - snaga E - modul elastinosti F - sila
Fr - radijalna sila f (v) - frekvencija dogaanja odreene brzine
vetra f - progib J1 - moment tromosti k - parametar oblika vetra
L10 - nominalni veek trajanja leaja m - protok mase u vremenu M -
moment M red3 - redukovani moment P - snaga Pmax - maksimalna snaga
P0 - statika nosivost p - promena pritiska q - kontinuirano
optereenje Rm - naprezanje pri maksimalnoj sili S potr . - potrebna
sigurnost S post . - postojea sigurnost T - moment torzije v -
brzina vetra vr - brzina vetra na referentnoj visini vsr - srednja
brzina v1 - brzina vetra ispred rotora v2 - brzina vetra iza rotora
W - moment otpora Nm ms 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms 1 mm 3Page | 5g g
m2 ms 1
kN kN kN mm W Nmm 2 N N % mm mm 4 milioni okretaja kg s 1 Nm Nm
W W kN Pa Nm 1 Nmm 2
X - radijalni faktor leaja Y - aksijalni faktor leaja z - visina
koju traimo zr - referentna visina merenja z0 - visina hrapavosti
povrine - koeficijent hrapavosti povrine 0 - faktor vrstoe
materijala - nagib elastine linije kf - faktor zareznog djelovanja
- koeficijent brzohodnosti - brzina obrtanja1
m m m
rad
rad s kg m
- gustina fluida3
- faktor udara fDN - savojno naprezanje za materijal2
Nmm
f - savojno naprezanje
Page | 6
1. UvodU poslednje vreme sve smo svesniji injenice da svojim
nainom ivota izazivamo velike promene Zemljinog eko sistema.Te iste
promene, s obzirom da smo deo tog sistema,utiu direktno na nas. Iz
tog razloga sve se vie budi svest ljudi o potrebi za velikim
promenama vezanim uz nain dobijanja energije. Jedan od oblika
energije koji svakodnevno koristimo jeste elektrina energija.Glavna
prednost elektrine energije je mogunost njenog lakog transporta do
krajnjeg korisnika. Problem koji se javlja je proizvodnja, naime
najvei udeo u svetskoj proizvodnji el. energije imaju
termoelektrane koje koriste fosilna goriva. Osim to su ogranien
resurs, fosilna goriva znaajno zagauju Zemljinu atmosferu. Iz
navedenih razloga javlja se potreba za novim, alternativnim
izvorima energije. U svojoj okolini primjeujemo velike potencijale
prirodnih izvora energije kao to su suneva energija, energija
vetra, energija okeana, geotermalna energija, biogoriva i sl. Da bi
se ti izvori iskoristili, potrebni su ureaji koji vre pretvaranje
energije. Uobiajeno je da se takvi ureaji grupiu te na taj nain
prave elektrane koje proizvode el. energiju za iroku potronju. Zbog
raznih inilaca kao to su razvoj tehnologije, svest o ekologiji i
potreba za jeftinijom energijom svedoci smo sve veeg porasta broja
objekata koji imaju instaliran neki od sistema za iskoriavanje
alternativnih izvora energije tzv. samoodrivi objekti. Da bi se
netko odluio za kupovinu ovakvog ureaja karakteristike proizvoda
moraju zadovoljiti osnovne uslove kao to su: zadovoljavajua
iskoristivost, prihvatljiva cena, lako odravanje i sl. Izrada
ovakvog ureaja zahteva razumevanje nekih osnovnih pojmova te je
neophodno opisati energent koji e se koristiti, analizirati ureaj
za pretvaranje mehanike energije u elektrinu te prouiti ve postojee
konstrukcije takvih ureaja na tritu. Time se pokuavaju umanjiti
nedostatci postojeih proizvoda te se razmatraju mogunosti za
poveanje ukupnog uinka. Bitno je naglasiti da je niska cena jedan
od glavnih faktora koji se mora zadovoljiti, a buduida konstrukcija
nije predviena za masovnu proizvodnju bitno je da proizvodnja po
komadubude u startu jeftina stoga materijali moraju biti lako
dostupni, a tehnoloki postupci jednostavni. Kao to je ve navedeno
jedan od alternativnih izvora energije je vetar. Po svojoj prirodi
vetar je oblik suneve energije i kao takav ubraja se u obnovljive
izvore. Ureaji koji se koriste za pretvaranje energije vetra u
mehaniku energiju nazivaju se vetroturbine. Kroz istoriju
vetroturbine su se koristile za direktan pogon radnih maina, no u
dananje vreme dobijena mehanika energija pretvara se u elektrinu.
Za takvo pretvaranje u najveem se broju sluajeva koriste
vetroturbine horizontalnog tipa, no nedostatci takvih turbina
postaju vidljivi na podrujima gde vetar nema stalnu struju i gdje
se javljaju udari (npr. bura).Izuzetno su nepogodne za vetar koji
brzo mijenja svoj smer (turbulentne struje). Reenje ovih i drugih
problema horizontalne verzije reava vertikalna verzija
vetroturbine.Poznavajui prirodu vetra u naim krajevima sasvim je
prirodno odluiti se za vertikalnu verziju. Vertikalna vetroturbina
koja e se relativno lako instalirati na stambeni objekat privlai
panju mnogih koji se ve bore za svoj komad trita.
Page | 7
2. Energija i snaga vetraSnaga koju Zemlja dobija zraenjem od
Sunca je 1.741017W od ega se 1 do 2% pretvara u snagu vetra.Gibanje
vazdunih masa u atmosferi javlja se zbog neravnomernog zagrejavanja
povrine Zemlje na razliitim geografskim irinama zbog toga to se
vazduh zagreva indirektno preko tla. Polovi Zemlje dobijaju manje
energije od ekvatora, a kopno se greje bre od mora. Zbog razlika
temperatura u slojevima vazduha stvaraju se razlike pritiska koji
se pretvara u kinetiki oblik energije vetra. Ciklusi strujanja
vazduha izmenjuju se razliitom snagom I razliitim periodima
trajanja zavisno od utiecajnih inilaca. Promene temperature i
pritiska u slojevima vazduha obnavljaju se neprekidno zavisno od
klimatskih promena na Zemlji. Globalni vetrovi duvaju od ekvatora
prema hladnim Zemljinim polovima. Kako je topli vazduh laki od
hladnog on se na ekvatoru podie do visine od otprilike 10 km te
putuje prema severnom i junom polu.
Slika 2.1. Temperature mora
Coriolisova sila deluje na vektor brzine vetra. Coriolisovu
komponentu generie vrtlono strujanje kao posledica rotacije Zemlje.
Takva kombinacija vertikalnog i horizontalnog pomaka stvara tri
zone tj. tri struje. Hadley-evu struju, Ferrelovu struju i Polarnu
struju.
Slika 2.2. Smer globalnog vetra
Coriolis-ova sila uzrokuje strujanje do 30 geografske irine s
gornje i donje strane hemisfere, a tada se javlja polje visokog
pritiska koje se jednim delom vraa prema ekvatoru a jednim kree
dalje prema polu. Zatvorena struja koje se vraa natrag naziva se
Hadley-eva struja,Page | 8
a dio struje koji kree prema polu radi i vrtlog na 60 geografske
irine naziva se Ferrelova struja. Kao i u prethodnom sluaju deo
vrtloga se vraa a deo odlazi jo dalje ka polu te pravi Polarnu
struju. Na polovima vazduh je ohlaen i sputa se kao hladna suha
fronta visokog pritiska uvijajui se prema zapadu usled
Coriolis-ovog efekta stvarajui prolene vetrove. Kod svakog prelaza
izmeu dva vrtloga vazduh se sputa na niu visinu jer se hladi pa je
tako na najveoj visini kod ekvatora a na najnioj na polovima.
Ferrelova struja je sekundarno strujanje koje zavisi od Hadley-evoj
i Polarnoj struji, ponekad se naziva i zonom meanja. Ispod te zone
esto se nalaze zapadni vetrovi. Gore opisani vetrovi nalaze se na
visinama od 1000 m iznad zemljine povrine i na njih ne utie
Zemljino tlo. S druge strane povrinski vetrovi zavise od tla do 100
metara visine.Upravo su povrinski vetrovi ti koji su bitni za
analizu energetske isplativosti vetra kakva je potrebna za
vetroelektrane. Lokalne vetrove pokreu razlike u temperaturi kopna
i mora te dolina i visova. Iako su globalni vetrovi vani za
odreivanje prevladavajuih vetrova u odreenom podruju, lokalni
klimatski uslovi mogu prevladati uticaj uobiajenih smerova vetra.
Lokalni vetrovi se uvek dodaju sistemima vetrova vee skale, tj. na
smer vetra utie suma globalnih i lokalnih efekata. Kada je vetar
vie skale slab, lokalni vetar moe dominirati uzorkom.
Page | 9
Obalska cirkulacijaTokom dana kopno se zagreva bre nego
more.Vayduh se podie i odlazi prema moru gde se stvara podruje
niskog pritiska koje privlai hladan vayduh s povrine vode. U suton
se esto dogaa da su temperature mora i kopna izjednaene i tada nema
vetra.
Slika 2.3. Obalska cirkulacija vetra
Tokom noi vetar duva u suprotnom smeru i uglavnom ima manje
brzine zbog toga to je razlika u temperaturi izmeu kopna i mora nou
manja.
Planinski vetroviPlaninski vetrovi nastaju zbog geometrije i
neravnomernog zagrejavanja tla.Vrh padine zagreava se bre od dna.
Kada se vazduh pri vrhu zageje preuzimajui toplinu od tla njegova
gustina se smanjuje te se on uzdie prema vrhu pratei povrinu
padine, stvara se podruje niskog pritiska i nastaje vetar. Efekat
se poveava ako je dno padine u hladu pa je time razlika u
temperaturi jo vea. Nou se smer vetra menja i zrak putuje prema
dole. Ako dolina ima padinu s dve strane tada se vetar kree kroz
kanjon u jednom od smerova.
Page | 10
Slika 2.4. Smer planinskog vetra
Uticaj hrapavosti povrine na jainu vetraBrzina vetra smanjuje se
prema tlu Zemlje. Na samoj povrini ona je jednaka nuli zbog sile
trenja koja usporava strujanje fluida. Na visinama od otprilike
jednog do dva kilometra tlo nema skoro nikakvog uticaja na
vetar.Duina hrapavosti
.
Hrapavost povrine ima veliki uticaj na brzinu vetra pa tako s
porastom hrapavosti raste i otpor te se vetar usporava. ume i
veliki gradovi oito su mesta velike hrapavosti dok putevi I
betonske povrine stvaraju vrlo mali otpor talasanju vetra. Vodene
povrine stvaraju najmanje otpora vetru dok s druge strane travnate
povrine pune grmlja znaajno usporavaju vetar. Porast brzine vetra s
visinom prisutan je na planinskim prevojima i vrhuncima.Najvee
brzine vetra pojavljuju se pri vrhu troposfere na oko 12 km iznad
tla.
Slika 2.5. Promena brzine vetra s visinom
Page | 11
Na temelju meteorolokih merenja na standardnim visinama od 10
metara iznad tla i s pripadnim faktorom hrapavosti mogue je
izraunati brzinu vetra na potrebnoj visini od tla, npr. Na visini
vrha stupa turbine, a preko te brzine i snagu vetra. Proraun brzine
vetra na traenoj visini izraunava se pomou eksponencijalnog ili
logaritamskog zakona. Ipak, ovi zakoni pojednostavljuju raspodelu
brzine vetra s visinom jer ne uzimaju u obzir efekt topografije
terena i mogue prepreke, promene trenja kao i promene stabilnosti
atmosfere. Pokazani su zakoni primjenjivi za homogeni teren i
atmosfersku stabilnost. Ta promena profila brzine vetra po
vertikali naziva se okomiti gradijent brzine vetra. Vertikalni
gradijent brzine definie se: Kao eksponencijalna funkcija v z z0 =
vr zr Gde su: v - brzina vetra na visini koja se trai z - visina
koju traimo vr - brzina vetra na referentnoj visini zr - referentna
visina merenja z0 - visina iznad sloja trenja (za nisko rastinje
moe se uzeti da je jednaka nuli) - koeficijent hrapavosti povrine
(od 0,1 do 0,32) Kao logaritamska funkcija ln( z / z0 ) ln( zr / z0
)
(1)
v = vr
(2)
Pomou datih jednaina raunaju se brzine vetra na veim visinama na
temelju merenja brzine v na visini z koja se obino meri na visini
od 10 m iznad tla.
Page | 12
Slika
Osa obrtanja turbinskog kola
Mereno
2.6. Promena brzine vetra s visinom
Tablica 2.1. Parametri za proraun brzine vetra prema European
Wind AtlasOpis povrine
koeficijent hrapavosti 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Visina hrapavosti zo ^ Eksponent m a 0,0002 0,0024 0,03 0,055
0,1 0,05 0,4 0,8 1,6 0,01 0,12 0,16 0,28 -
Vodene ploe Potpuno otvorene ploe s glatkom povrinom, npr.
Avionska pista, pokoena trava Otvorena poljoprivredna zemljita bez
ograda i ivica, jako udaljene zgrade Poljoprivredna zemljita s
pojedinim zgradama i 8 m visokim drvoredima udaljenim oko 1250 m
Poljoprivredna zemljita s pojedinim zgradama i 8 m visokim
drvoredima udaljenim oko 500 m Poljoprivredna zemljita s puno
zgrada, drvea i grmlja ili 8m visokim drvoredima udaljenim oko 250
m Sela, manji gradovi, poljoprivredna zemljita s puno zgrada ili
drvoredima, umom i vrlo neravnim i grubim terenom Vei gradovi s
visokim zgradama Vrlo veliki gradovi s visokim zgradama i
neboderima
Page | 13
Pomou logaritamske ekstrapolacije i Weibulove korekcije, a na
temelju podataka merenja raspodele brzina vetra u desetomesenom
razdoblju na visini od 10 m visine od tla, izvedene su krive
uestalosti trajanja brzina vetra na visinama 25, 50 i 100 m. Iz
slike se vidi da je trajanje niih brzina vetra vee na niim visinama
od tla, ali zato je trajanje viih brzina vee na veoj visini od
tla.
Slika 2.7. Krive uestalosti brzina vetrova na visinama 10, 25,
50 i 100 metara od tla
2.1. Parametri vetraPrema Bernoullievoj jednaini: z+ (1) z+ p g
- potencijalna energija p v2 + =C g 2g
v2 - kinetika energija 2 Jednaina opisuje zakon o ouvanju
energije estice fluida odreene mase. Potencijalna energija je zbog
male mase zraka zanemarljiva pa iz gornje jednaine sledi da struja
vetraPage | 14
ima samo kinetiku energiju: mv 2 Ek = 2 (2) Masa vazduha m koja
struji kroz presek A brzinom v, gustine , jednaka je: m = Av (3)
Kada se jednaina (3) uvrsti u jednainu (2) dobijamo: P= (4) P -
snaga vetra u W gustina vazduha u kg /m 3 v - brzina strujanja
vetra u m/s A - povrina turbine u m 2 Iz jednainee (4) se moe
videti da snaga P raste s treom potencijom brzine vetra i s
povrinom A turbine. Snaga se takoe menja promenom temperature
vazduha zbog promene njegove gustine no ta promena se moe
zanemariti zbog toga to je vrlo malog iznosa. Snaga vetra ne moe se
izraunati bez merenja brzine vetra na odreenom podruju kroz period
od godine I vie dana. Brzina vetra menja se unutar delova sata. Ako
se merenje brzine vetra pretvori u spektar snage za jedinicu mase,
grafiki e se videti dva maksimuma.Slika 2.8. Porast snage vetra s
brzinom
1 2 v A 2
Prvi se maksimum formira u vremenskom periodu od nekoliko dana a
odvija se u datom vremenskom sistemu. Drugi vrh pripada snazi
kratkog perioda vrtloenja u atmosferi koji traje nekoliko minuta.
Prvi maksimum je zbog toga pogodan za korienje kod vetroturbina dok
je drugi manje interesantan no mora se uzeti u obzir zbog udara
vetra koji izaziva dinamika optereenja konstrukcije.Page | 15
10min-1h prosean period ujednaenog vetra
Slika 2.9. Spektar snage vodoravne komponente brzine vetra
Osim ovih varijacija postoje i sezonske varijacije koje se
menjaju u ciklusima od 1-3 meseca. Zbog promenjivosti vetra
potrebno je opisati njegovo ponaanje tokom perioda vremena tj.
osrednjavanje. Merenje brzine se vri na visini od 10 m, a period
merenja bi trebao trajati nekoliko godina. Weibullovom funkcijom
najbolje se aproksimiraju prikupljeni podatci.Funkcija daje
verovatnost pojave neke brzine vetra tokom nekog vremenskog
perioda.
Slika 2.10. Weibullova podela
Na dijagramu se moe uoiti da se vetar vrlo velike jaine javlja
retko dok je umereni vetar vrlo est. Dati uzorak ima srednju
vrednost brzine od 7 metara u sekundi a oblik krive odreen je
parametrom oblika k = 2.Page | 16
Jednaina ove podele glasi: kv f (v ) = A A Gdje su: f (v) -
frekvencija dogaanja (verovatnost) odreene brzine vetra k -
parametar oblika vetra A - parametar odnosa veliine (mere) m/s
(predstavlja srednju brzinu vetra na nekom podruju) v - brzina
vetra m/s Graf prikazuje distribuciju pojave odreenih brzina vetra
u postotcima. Podruje ispod krive uvek je 1 budui da je verovatnost
duvanja vetra odreenom brzinom 100%, ukljuujui i brzinu od 0 m/s.
Pola plavog podruja je s leve strane vertikale kod 6,6 m/s. Ta
vertikala naziva se median distribucije.To znai da je e pola
vremena vetar duvati brzinom manjom od 6,6 m/s a pola vremena veom
brzinom od 6,6 m/s. S druge strane srednja vrednost brzine vetra na
podruju merenja je 7 m/s. Brzina od 5,5 m/s je najea i na tom
podruju pojavljivati e se najuestalije. Ona se naziva modalna
vrednost distribucije.Ukoliko pomnoimo svaku brzinu vetra s njenom
verovatnou dobiemo srednju vrednost brzine vetra. Zbog vrlo velikih
razlika naina duvanja vetra irom Zemlje zavisno od lokalnih uslova,
Weibullova distribucija razlikovati e se po obliku i svojoj
srednjoj vrednosti. Ukoliko je parametar k =2 distribuciju nazivamo
Rayleigheva distribucija. Proizvoai vetroturbina obino izraavaju
vrednosti uinka koristei Rayleighevu distribuciju. Jaina vetra
tradicionalno se iskazuje Beaufortovom skalom.k 1
e
v A
k
Page | 17
Tablica 2.2. Beaufortova skala jaine vetraBeaufortova Opis vetra
oznaka, Bf0 1 Tiina Lahor
Delovanje
Brzina na 10 m iznad tla m/s km/h0,0 - 1,4 1,4 - 6,5
v0,0 - 0,9 0,9 - 3,5
Dim se die ravno u vis, zastave i lie se 0,0 - 0,4 ne miu Covek
ne osea, ali dim se vie ne die 0,4 - 1,8 jednoliko, vetrokaz se ne
pokree 1,8 - 3,6 3,6 - 5,8 5,8 - 8,5
2 3 4
Povetarac
Osea se na licu, lie poinje treperiti i vetrokaz se pokree Slab
vetar Lie se neprestano njie i uti, lagana zastava se njie Umereni
vjetar S tla se podie praina, suvo lie i papirii, zastava se
razvija, njiu se manje grane Umjereno jaki Njiu se vee lisnate
grane, a i mala vetar stabla, ljudima je neugodno, stvaraju se mali
talasi Jaki vetar Zuji na predmetima, ice zvide, njiu se velike
grane, teko je nositi kiobran Neprestano se njie drvee, talasi se
pjenu, oteano je hodanje Njiu se debela drvea, lome se velike
grane, onemogueno je hodanje Pomiu se manji predmeti, pomiu se
crepovi, nastaju tete na kuama
6,5 - 13 13 - 20,9 20,9 - 30,6
3,5 - 7 7 - 11 11 - 17
5
8,5 - 11
30,6 - 39,6
17 - 22
6
11 - 14
39,6 - 50,4
22 - 28
7 8
Zestoki vetar Olujni vetar
14 - 17 17 - 21
50,4 - 61,2 61,2 - 75,6
28 - 34 34 - 41
9
Jaki olujni vetar
21 - 25
75,6 - 90
41 - 48
10
Orkanski vetar Obara se i upa drvee sa korenjem, nastaju vee
tete na zgradama Jaki orkanski vetar Velike tete na veem podruju,
razorno delovanje
25 - 29
90 - 104,4
48 - 56
11
29 - 34
104,4 - 122,4
56 - 65
1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 v (vor)
2.2. Pozicioniranje turbineEfekat tunela Prostori izmeu dve
zgrade ili izmeu planinskih prolaza predstavljaju sueni prostor
kroz koji vetar protie bre. To se dogaa zbog toga to se vazduh
sabije i na taj nain protie bre kroz ui prolaz. Princip je isti kao
kod strujanja fluida kroz ui presek cevi. Tako npr. brzina vetra
okoline moe biti 6 m/s a u prostoru izmeu planina ili zgrada
dostizati i do 9 m/s. Da bi se dobro iskoristio efekat tunela,
tunel bi trebao biti mekano smeten u prostoru jer ukoliko su to
otri rubovi moe se javiti mnogo turbulencija.
Page | 18
Efekat ubrzanja ili efekat brda Uobiajeni nain postavljanja
vetroturbina je postavljanje na vrh brda ili na uzvisine koje se
izdiu. Prednost je to je mogue iri slobodan prostor u smeru
prevladavajueg smera vetra u tom prostoru. Takoe, na uzvisinama su
brzine vetra vee nego u okolnom prostoru. To je zbog toga to vetar
biva sabijen s vetrovite strane brda i u trenutku kada doe do vrha
moe se ponovo iriti te se sputa dole u podruje niskog pritiska u
zavetrinu iza brda. Kada vetar proe kroz turbinu postaje
turbulentan i ukoliko okolno podruje nije jednoliko moe doi do
znaajne koliine turbulencije koja moe negativno uticati na
iskoriavanje pogodnog poloaja na uzvisini. Vetar na moru Kako je
povrina vode vrlo glatka (nije hrapava pa je trenje vrlo malo). S
poveanjem brzine vetra deo energije otpada na stvaranje talasa pa
se hrapavost poveava i tako uz nastanak novih talasa dolazi do
neravnomerne hrapavosti kao u sluaju povrine prekrivene s vie ili
manje snega. Takoe se u proraun moraju uvrstiti ostrva, svetionici
koji stvaraju otpor. Na otvorenom moru manja je turbulencija jer su
razlike u temperaturama na otvorenom moru manje. Prepreke Prepreke
na koje vetar nastrujava na putu do vetroturbine ometaju strujanje
i time umanjuju vetropotencijal. To su najee kue, drvee i formacije
stena. Prepreke uzrokuju turbulenciju u blizini vetroturbina.
Slika 2.11. Uticaj prepreke na strujanja
Page | 19
Dnevni i noni temperaturni gradijent U veini lokacija na Svetu
danju je vetrovitije nego nou. Ta varijacija je uzrokovana time to
su temperaturne razlike vee danju nego nou. Vetar je danju
turbulentniji i ee menja smer nego nou.
Slika 2.12. Brzine strujanja vetra danju i nou
2.2. Merenje brzine vetra i rua vetrovaMerenje brzine vetra vri
se pomou anemometra. Anemometar koji se najee koristi sastoji se od
tri poluloptaste aice koje se nalaze na vrhu osovine te se okreu u
smeru vetra. Broj okretaja registruje se elektronski. Uz anemometar
se postavlja i mehanizam koji registruje smer vetra. Tako se
dobijaju podatci o brzini i smeru pomou kojih se izrauje rua
vetrova odreenog podrujaProsena brzina vetra Rua uestalosti
vetrova
Slika 2.13. Rua vetrova
Page | 20
Rua vetrova opisuje brzine vetra iz 12 razliitih smerova, a
izgleda poput kompasa. Svaki od 12 smerova obuhvata 30 horizonta to
je standard za europski atlas vetrova. Karakteristike vetrova na
nekoj lokaciji mogu se razlikovati iz godine u godinu i do 10%, pa
je preporuljivo merenja provesti kroz nekoliko godina.Karta vetrova
daje prikaz vetropotencijala za traenu lokaciju. Zbog vrlo
zahtevnog postupka merenja cena izrade karte je vrlo velika. Ovakva
karta obuhvata i podatke o uticaju terena na brzinu vetra. Atlas
Zapadne Evrope izraen je zbog viegodinje tradicije merenja brzina
vetra na tom podruju te je prikazan na slici.
Podaci o vetru na 50m iznad zemlje
Slika 2.14. Evropska karta vetrova
Page | 21
3. Konstrukcijski oblici vetroturbina
Vetroturbine spadaju u rotacijske maine na strujanje jer njihov
rotor u kojem se vri pretvaranje energije vri rotacijsko pomeranje.
Vetroturbina je izloena slobodnoj struji vazduha tj. kinetikoj
energiji vetra iz okolnog vetroenergetskog polja. Ta se energija u
kolu turbine pretvara u okretni moment vratila. Vetroturbine su
hladne maine, to znai da se u njima pretvara energija prirodnog
fluida koji ima temperaturu okoline. Glavna karakteristika vetra
kao pogonskog fluida je njegova obnovljivost. Nakon to vazduh
napusti sistem kojem je predao energiju vraa se u okolinu
nepromenjenih fizikih i hemijskih svojstava. Preostala energija
fluida na izlazu iz turbine dovoljna je da on napusti sistem.
3.1. Podela vetroturbinaVetroturbine moemo podeliti prema
poloaju ose okretanja. Uobiajene vetroturbine imaju horizontalno
postavljenu osu okretanja i zbog toga se nazivaju Vetroturbine s
horizontalnom osom okretanja ili VSHO (eng. HAWT). Manje poznate
vetroturbine imaju vertikalnu osu okretanja I nazivaju se
Vetroturbine s vertikalnom osom okretanja ili VSVO (eng. VAWT). Da
bi se razjasnila razlika izmeu ove dve vrste vetroturbina potrebno
ih je detaljnije opisati. 3.1.1. Vetroturbine sa horizontalnom osom
okretanja ili VSHO Rotor ovih turbina postavljen je horizontalno na
vrhu stuba. Lopatice koje zahvataju vetar moraju biti usmerene u
njega. Generator ovih turbina obino se postavlja na vrh stupa u
trup zajedno s multiplikatorom ako je on potreban (zavisno od tipa
elektrinog generatora).Multiplikatorom poveavamo brzinu okretanja
ukoliko je brzina okretanja lopatica premala za proizvodnju
elektrine energije . Visina stuba vetroturbine iznosi oko 1,5 do 2
promera lopatica zbog toga da bi turbina mogla hvatati vetrove vee
brzine na veim visinama. Ove vetroturbine moraju imati mogunost
zakretanja trupa zbog zahvatanja vetra iz razliitih smerova pa tako
manje verzije imaju jednostavna krilca koja usmeravaju vetroturbinu
u pravom smeru dok vee imaju servo motor povezan s senzorom.
Postoje dve verzije ovakvih vetroturbina. Jedna verzija je sa
stubom iza lopatica dok je druga verzija sa stubom postavljenim
ispred njih.Verzija sa stubom ispred lopatica ima prednost jer joj
nije potreban mehanizam za zakretanje zbog toga to se trup sam
postavlja prema vetru. Za velike turbine ovo nije najbolje reenje
zbog toga to se gornji deo moe zakrenuti mnogo puta u istom smeru i
stvoriti probleme s voenjem kablova kroz stub (etkice ne dolaze u
obzir u ovom sluaju jer se struje kreu i do 1000 A). Jo vanija
prednost je to to ovakve verzije podnose jae vetrove zbog mogunosti
veeg savijanja lopatica bez opasnosti da e dodirnuti stub. Osim
toga ovakva konstrukcija je uglavnom laka. Glavna mana ove verzije
je toPage | 22
to lopatice prolaze kroz turbulenciju nastalu od tornja to
pridonosi velikom optereenju lopatica.
Slika 3.1.Verzija sa stubom ispred lopatica i verzija sa stubom
iza lopatica
Verzija sa stubom postavljenim iza lopatica najee se koristi.
Prednost ovakve verzije je ta to izbegava senku vetra iza stuba. S
druge strane postoji malo uticaja od turbulencije oko stuba pa tako
pri svakom prolasku lopatice ispred stuba dolazi do laganog pada
snage.Glavna mana ove verzije je ta to rotor turbine mora biti
izveden kruto i udaljeno od stuba, to poveava trokove verzije.Takoe
ureaj za prilagoavanje smeru vetra je obavezan. 3.1.1.1. Broj
lopatica Broj lopatica rotora kod horizontalnih vetroturbina ima
veliki uticaj na njihove karakteristike.Uobiajena vetroturbina s
tri lopatice naziva se klasini Danski koncept. Prema tom konceptu
ocenjuju se ostali jer se pokazao kao najbolje reenje. Te turbine
koriste asinhrone generatore. Neparni broj lopatica u odnosu na
parni pokazao se kao bolje reenje zbog uravnoteenosti konstrukcije.
Vetroturbina s dve lopatice Utedom na jednoj lopatici dobijamo
potrebu za veom brzinom okretanja da bi dobili jednaku koliinu
energije kao vetroturbina s tri lopatice. Vee brzine poveavaju
razinu buke. Osim toga ovakva verzija zahteva sloenije uvrenje
lopatica za trup jer im se moraPage | 23
dopustiti mali ugao okretanja u vertikalnoj osi da bi se izbegla
velika naprezanja pri prolasku lopatice ispred stupa. Vetroturbina
s jednom lopaticom Uprkos jo veoj utedi zbog smanjenja broja
lopatica ovakva verzija nije se pokazala dobrom. Javlja se jo vea
buka, i potreba za protiv spregom na suprotnoj strani lopatice.
Vetroturbina s vie lopatica Amerika vetroturbina Ovakve se
vetroturbine koriste na farmama za pogon pumpi za vodu. Brzina
okretanja je mala.Imaju veliki moment pokretanja ali malu ukupnu
uinkovitost. Verzija je jednostavna I robusna.
Slika 3.2. Amerika vetroturbina
3.1.2. Vetroturbine s vertikalnom osom okretanja ili VSVOPoloaj
vratila ovakve verzije vetroturbine je vertikalan, zbog toga se
generator nalazi u podnoju i time je toranj manje optereen.
Prednost u odnosu na horizontalne vetroturbine je to to se ove
vetroturbine ne moraju usmeravati u vetar. U poslednje vreme
pojavilo se mnogo verzija ovakvih vetroturbina. 3.1.2.1.
Darrieusova vetroturbina Osnovna verzija ove vetroturbine pojavila
se 1927. godine. Francuski inenjer vazduhoplovstva Georges Jean
Marie Darrieus patentirao je svoju vertikalnu vetroturbinu prema
kojoj su kasnije nastale druge verzije.
Slika 3.3. Darrieusova vetroturbina Page | 24
Oko rotirajueg vratila rasporeene su lopatice aerodinaminog
profila. Ovakva verzija jednako je efikasna, nezavisno od smera
duvanja vetra, u odnosu na konvencionalne vetroturbine. Brzina
okretanja ove verzije je uglavnom puno vea od brzine vetra. Princip
rada Darrieusove turbine je sledei. Pretpostavlja se da vetar koji
nailazi na lopaticu duva ravno. Lopatice se vrte mnogo bre u odnosu
na brzinu vetra pa je tako promer brzine vrha lopatice > 3.
Slika 3.4. prikazuje vektor brzine lopatice u razliitim poloajima u
odnosu na vetar. S tako visokim promerom lopatice e rezati vetar s
malim napadnim uglom. Rezultirajua sila pogona pokree rotor, dok je
sila otpora uvek suprotnog smera. Sila uzgona pada na nulu s leve
strane (na 0 ) a s desne se (na 180 ) lopatica pokree u smeru
vjetra pa je u toj poziciji moment je negativan. Kada je lopatica
tano ispred (na 90 )i odpozadi (na 270 ) komponenta pogona je mnogo
vea od komponente otpora pa se proizvodi pozitivan moment. Ukupni
moment po obrtaju biti e pozitivan pa e se tako rotor vrteti u
pravom smeru.Brzina vetra ispred rotora
Smer okretanja
Slika 3.4. Brzine i sile na preseku lopatica Page | 25
Ovakvoj verziji vetroturbine potrebna je pomo pri pokretanju jer
moraju postii odreenu brzinu okretanja pre nego to se ponu same
vrteti. Pri malim brzinama Darrieusova turbine ima vrlo mali moment
pa se vrlo lako zaustavlja zbog trenja u sistemu. H-tip Jedan od
poznatih verzija je H-tip kod kojeg su lopatice postavljene
paralelno s obzirom na osu okretanja. U odnosu na uobiajenu
Darrieus turbinu ovo je jednostavnija verzija, ali problem je u
tome to je masa lopatica pomaknuta u odnosu na simetralu tornja. Iz
tog razloga lopatice moraju biti vre.
Slika 3.5. H-tip turbine
Page | 26
Cilkoturbine Ova verzija vetroturbine ista je kao H-tip a
razlika je u tome to lopatice imaju mogunost okretanja oko svoje
ose. To omoguuje lopaticama postavljanje u poloaj tako da uvek
imaju neki ugao napada vetra. Glavna karakteristika ovog tipa
turbine sa tri ili etiri lopatice je ta to je moment priblino
konstantan. Zbog sistema okretanja dobija se skoro maksimalni mogui
moment to pridonosi poveanju korisnosti ovakve vetroturbine, a to
znai da dobijamo vie energije. Pozitivna karakteristika je mogunost
samopokretanja okretanjem lopatica u optimalan poloaj da bi se
generisala dovoljno velika sila pogona za pokretanje. S druge
strane, mehanizam za okretanje je kompleksan i zahteva neku vrstu
senzora za odreivanje smera vetra.
Relativni smer Sila vetra stvara moment
Slika 3.6. ema sistema za okretanje lopatica Tip sa spiralnim
lopaticama Lopatice Darrieusove turbine mogu tvoriti spiralu npr.
tri lopatice zakrenute za 60 . Vetar moe imati dobar napadni ugao
na lopaticu s obe strane turbine nezavisno od poloaja u kojem se
lopatica nalazi. Razlog tome je upravo spiralni oblik lopatica.
Moment je tako ujednaen tokom cielog okreta i nema pulsiranja, a
kako se aksijalne sile ponitavaju optereenje na leajeve je manje u
odnosu na ostale tipove Darrieusovih turbina. Ovakav oblik takoe
smanjuje otpor rotaciji. Jo jedna povoljna karakteristika ovog
oblika turbine jeste mogunost hvatanja turbulentnih struja kakve se
pojavljuju iznad krovova objekata. Osim toga problem samopokretanja
je otklonjen.
Page | 27
Slika 3.7. Spiralna vetroturbina
Osim vertikalnih verzija postoje i horizontalne verzije
Darrieusove vetroturbine to uveliko olakava i proiruje njihov
spektar primene. Prednost je u tome to su leajevi bolje smeteni na
konstrukciji i time su manje aksijalno optereeni. Ovakvom verzijom
konstrukcija se smeta na odreenu visinu na kojoj hvata jednoliko
rasporeenu brzinu vetra pa je time izbjegnut problem malih brzina
na delu turbine koji se nalazi pri tlu. Negativan aspekt ove
verzije je nemogunost hvatanja vetra iz svih smerova (kao i kod
VSHO) pa se spektar njihove primene smanjuje.
Slika 3.8. Horizontalne verzije Darrieusovih vetroturbina
Page | 28
3.1.2.2. Savoniusova vetroturbinaOva vetroturbina zamisao je
Finskog inenjera Sigurda J. Savoniusa. Ovo je prva verzija
vertikalne vetroturbine, a nastala je 1922. godine. Ponekad moe
imati i tri lopatice.
Slika 3.9. Savoniusova vetroturbina
Ovakav tip vetroturbine radi na principu potisne sile. Gledajui
presek, turbina ima oblik slova S. Zbog zaobljenja lopatica ima
manji potisak kada se giba protiv vetra s ispupenim dielom nego
kada se giba s vetrom uleknutim dielom (slika 3.10.). Na taj nain
potisak je uvek jai u jednom smeru i dolazi do rotacije. Zbog
ovakvog principa rada ove vetroturbine daju puno manje energije
nego pogonske turbine iste veliine.Smer okretanja
Vetar Slika 3.10. Princip rada Savoniusove vetroturbine
Page | 29
Ovakve vetroturbine vrlo su jednostavno izvedene pa se koriste u
sluajevima kada su ciena i pouzdanost bitniji od uinka, npr.
anemometar. Jo jedna upotreba ovog principa pojavljuje se na vrlo
poznatom Flettner ventilatoru. On se koristi na krovovima kuaili
autobusa i slui ventilaciji prostora, pokree ga snaga vetra. Takoe
se ponekad mogu uoiti reklamne oznake u obliku ove vetroturbine,
cilj im je rotacija reklamnog znaka kojom se privlai panja. Postoji
i verzija ovakve turbine kod koje su lopatice spiralno zakrenute po
duini pa se na taj nain dobija ujednaeni moment na vratilu.
Slika 3.11. Spiralna Savoniusova vetroturbina
Page | 30
4. Funkcije rada vetroturbina
4.1. Stepen iskorienja vetroturbineTeoretski stepen iskorienja
pretvaranja energije vetra pokazuje kolika je maksimalna energija
koju moemo dobiti pomou vetroturbine od vetra u slobodnoj struji.
Teorija koja definie maksimalni stepen islorienja vetroturbine
naziva se Betzov zakon prema Nemakom fiziaru Albertu Betzu
(1885.-1968.) pioniru u istraivanju tehnike vetroturbina.Betzov
zakon pokazuje maksimalnu energiju koja se moe dobiti od fluida
koji struji odreenom brzinom kroz infinitezimalno tanki rotor. Da
bi se izraunao maksimalni teoretski stepen delovanja tog rotora on
se predstavlja kao disk kroz koji prolazi fluid i predaje mu svoju
energiju. Prolaskom kroz disk vetar gubi na brzini. Moe se
postaviti jednaina: vsr = 1 ( v1 + v2 ) 2 (1)
Gde je: v - srednja brzina v1 - brzina vetra ispred rotora v2 -
brzina usporenog vetra iza rotora
Slika 4.1. ematski prikaz strujanja fluida kroz disk rotora
Page | 31
Maseni protok je:
A ( v1 + v2 ) 2 g m - protok mase u vremenu A - povrina diska -
gustina fluidam = Avsr =g
(2)
Razlikom kinetike energije pre ulaska fluida u rotor i nakon
njegovog izlaska dobija se snaga vetroturbine: E=g g
1 g 2 m (v1 v2 2 ) 2
(3)
E snaga Ako uvrstimo maseni protok: v 2 v v 3 1 1 2 2 3 E = A
(v1 + v2 )(v1 v2 ) = Av1 1 2 + 2 2 v1 v1 v1 4 4 g
(4)
v2 1 = za datu brzinu vetra v1 i povrinu A v1 3 . Kada se
vrednost uvrsti u jednainu (4) dobija se: Maksimum ove funkcije
dobija se za 16 1 Av13 27 2 Odakle dobijamo koeficijent korisnosti:
Pmax = C p ,max = Cp = 16 = 0,593 ili 59,3% 27 (5)
P Pmax
Page | 32
Slika 4.2. Koeficijent Cp
Stvarni stepen korisnosti uveliko zavisi od konstrukcije
vetroturbina i aerodinamiih Funkcija njihovih lopatica.Vetroturbine
a u dananje vreme mogu postii Cp od 0,4 do 0,5 to je 70 do 80% od
teoretske granice. Gubitci nastaju u leajevima, prenosu, generatoru
itd. Horizontalne vetroturbine imaju vei stepen iskorienja od
vertikalnih vetroturbina, no moramo uzeti u obzir injenicu da
vertikalna vetroturbina nema potrebu zakretati se da bi se usmerila
u vetar pa tako pri vrlo turbulentnim strujama daje vie
energije.
4.2. Koeficijent brzohodnostiKoeficijent brzohodnosti je mera
brzine okretanja vrha lopatice i brzine vetra. Pa je tako:
=
r v
Gde je: r polprenik krunice koju ini vrh lopatice pri rotaciji
brzina okretanja vrha lopatice
Idealna vetroturbina
Slika 4.3. Promena koeficijenta korisnosti s promenom
koeficijenta brzohodnosti
Uprkos konstrukcijama koje se sve vie pribliavaju gornjoj
granici iskoristivosti, horizontalne vetroturbine se suoavaju s
vrtlozima koji nastaju na vrhovima i na eonoj strani lopatica pa je
time dobijena energija umanjena, izmeu ostalog, i za te gubitke.
Kod vetroturbine s vertikalnom osom okretanja nema pojave vrtloga
na vrhovima lopatica.
Page | 33
5. Proizvodnja elektrine energijeVetroelektrana je postrojenje
koje pretvara kinetiku energiju vetra u elektrinu ili mehaniku
energiju. Vetroelektranu inji jedna ili vie vetroturbina
rasporeenih na nekom prostoru, a da su pritom izloene istom vetru i
zajedno spojene na mreu. Prema instaliranoj snazi dele se na male
vetroelektrane i crpne stanice snage do nekoliko desetina kW te
velike vetroelektrane s vetroturbinama pojedinane snage do 3,5 MW.
Male vetroelektrane, tj. energija koju proizvode, mogu se koristiti
na nekoliko naina: Kada je potroa u nemogunosti spojiti se na
elektrinu mreu vetroturbina moe biti samostalan izvor energije.
Ukoliko se proizvede viak energije ona se moe pohraniti u
akumulator za naknadno koritenje. Kako je vetar kao pojava vrlo
nepredvidive prirode moe se dogoditi da na datoj lokaciji u
odreenom vremenskom periodu nema vetra. Iz tog razloga kod ovakvog
naina instalacije poeljno je osigurati rezervni sistem napajanja.
Rezervni sistem moe objediniti nekoliko izvora energije kao npr.
solarne kolektore i diesel agregat. Pri koritenju prednost bi se
uvek trebala dati obnovljivim izvorima energije. Drugi nain
spajanja jeste spajanje vetroturbine na elektrinu mreu pa se,
ukoliko nema vetra, koristi struja iz mree. Ukoliko se troi manje
energije no to vetroturbina proizvede, viak se predaje mrei. I
poslednji nain iskoritavanja energije vetra je pogon vodnih pumpi,
punjenje akumulatora na brodovima i sl.
5.1. Generatori elektrine energije prikladni za rad
vetroturbinaUloga elektrinog generatora u sistemu vetroturbine je
pretvaranje mehanike energije u elektrinu. Nedostatak vetroturbine
kao pogona je fluktuacija okretnog momenta. Takoe zahtijevaju
hlaenje koje se vri vazduhom ili vodom. Generatori koji se koriste
kod vetroturbina mogu biti sinhroni i asinhroni: Sinhroni generator
Sinhroni generator spada u maine nizmenine struje. Njegova brzina
vrsto je povezana s frekvencijom napona i brojem pari polova to se
moe videti iz jednaine:
s =
2 f p
ili
ns =
f p
Sinhroni generatori uglavnom se primenjuju kada se znaju uslovi
rada pogona tj. kada je brzina okretanja vetroelektrane stalna (to
se postie ugradnjom sistema za zakretanje lopatica kod VSHO).
Sinhronim generatorima potreban je pobudni sistem i regulator
brzine kojim e se odravati napon i frekvencija. Oni imaju vei
stepen delovanja i pouzdani su no pri uslovima kada dolazi do
poremeaja brzine okretanja, zbog fluktuacije brzine vetra ili
poremeaja u mrei, teko zadravaju sinhronizam.Page | 34
ns za 50 Hz min-1 1 3000 2 1500 3 1000 4 750 5 600 6 500 8 375
Tablica 5.1. Sinhrone brzine okretanja za razne brojeve pari
polova
p
Za primenu kod vetroturbina koje nemaju konstantnu brzinu
okretanja potrebno je osigurati statiki pretvara frekvencije. Time
se izbegavaju problemi nestabilnosti napona. Ovo je inicijalno
skuplja varijanta ali ako je cena isporuene energije visoka
dugorono dobija na isplativosti. Sinhroni generatori prikladni su
za otoni nain rada uz regulatore napona i frekvencije.Dodatna
prednost ovih generatora je sposobnost proizvodnje jalove snage to
je poeljno ako su prikljueni na naponski slabu mreu. Asinhroni
generator Takoe spadaju u maine naizmenine struje no njihova je
brzina okretanja razliita od sinhrone brzine zavisi je od
optereenja. Kod motornog rada ovih maina prikljuivanjem na
naizmenini simetrini trofazni izvor kroz namotaj statora poteku
struje i stvore rotirajue magnetno polje koje rotira sinhronom
brzinom n i pri rotaciji preseca vodie rotorskog i statorskog
namotaja te se u njima indukuje napon.Rotor se okree u smeru
okretanja magnetnog polja. Brzina okretanja rotora uviek je manja
od sinhrone brzine i zavisi od optereenja motora. Razliitost brzina
okretanja rotora i magnetskog polja izraava se klizanjem s . Ako je
brzina okretanja rotora n , klizanje je:s= ns n ns
Pomou ovog izraza moe se doi do brzine okretranja motora ako je
poznata frekvencija mree, broj polova motora I klizanje:n = ns (1 s
) = f (1 s) p
U generatorskom nainu rada klizanje mora biti s < 0 a brzina
okretanja rotora s Moment je negativan jer moramo dovoditi rad da
bi dobili elektrinu struju.
n > ns .Page | 35
Slika 5.1. Karakteristika momenta asinhrone maine za jedan smer
obrtanja polja
Ovi generatori obino se koriste za spajanje vetroelektrane na
krutu mreu. Osnovna prednost odraava se u njihovoj jednostavnoj i
jeftinoj konstrukciji, no s druge strane moraju imati
kompenzacijski ureaj (uklopive kondenzatorske baterije) i prikljuni
ureaj koji slui za sinhronizaciju s mreom. U uporedjivanjem s
sinhronim generatorom asinhroni je u prednosti kod prikljuenja na
mreu zbog jednostavnijeg sistema upravljanja. Osim toga on je
robusniji I znatno jeftiniji, a uslovi odrivosti sinhronizma mnogo
su fleksibilniji. Za potrebe vetroturbina koje imaju promjenjivu
brzinu okretanja rotora potrebno je dodati diodni ispravlja u
mosnom spoju za regulaciju delatnog otpora rotora i promenu
brzina/moment karakteristike asinhronog motora. Ovde napon i
frekvencija mree odreuju napon i frekvenciju asinhronog generatora.
Maksimalna radna snaga ograniena je najveom doputenom strujom u
trajnom radu, a zavisi od dovedene mehanike snage tj. od brzine
okretanja generatora. . Glavni nedostatak je nemogunost rada bez
napona mree pa je potrebno koristiti samopobudu u obliku
kondenzatora. Nije mu potrebna sinhronizacija niti pobudni sistem,
ali treba imati ureaj za ogranienje brzine okretanja da ne bi dolo
do pobega, tj. do postizanja prevelikih nadsinhronih brzina pri
naglom rastereenju. Lako ih je odravati jer zahtevaju samo
povremenu zamenu leajeva.
Page | 36
Direktan pogon
- jednostavnija verzija celog - velike dimenzije i masa,
vetroagregata jer nema problem izrade, transporta i multiplikatora
koji se smatra montae generatora komplikovanim za izradu i
odravanje - vea korisnost agregata - male dimenzije i masa
generatora - standardni generator - visoka cena, gubitci (2-3)% i
problemi odravanja multiplikatora
Pogon s multiplikatorom
Tablica 5.3. Prednosti i nedostatci direktnog pogona u odnosu na
pogon s multiplikatorom
5.2. Spajanje vetroelektrane u elektroenergetski sistem Da bi se
vetroelektrana spojila na mreu moraju se zadovoljiti osnovni
tehniki kriterijumi pa je tako potrebno: Poznavati najveu
dozvoljenu snagu koju vetroelektrana sme uneti u mreu (to odreuje
HEP s obzirom na mogunosti elektroenergetskog sistema (EES) Srbije)
Odrediti raspon frekvencije sistema Osigurati regulaciju napona
Zadrati stabilnost u stanju kvara, stabilnost ugla i napona
Osigurati kvalitet isporuene elektrine energije - Emisija flikera
(padovi napona koji uzrokuju treptaj na sijalicama) - Fluktuacije
napona - promer radne i jalove snage - Kratki spoj Testiranje:
Pokretanje Zaustavljanje u uslovima velike brzine vetra Vladanje u
uslovima promene frekvencije sistema Vladanje u uslovima promene
napona sistema Vladanje u uslovima njihanja u sistemu Provera
kvaliteta
Page | 37
Slika 5.2. Prikljuenje na mreu
Page | 38
6. Novi konstrukcijski oblici vertikalnih vetroturbinaKako je u
dananje vreme energija vetra postala vrlo privlana, a samim tim i
potencijalno unosna tema, na tritu se pojavilo mnotvo novih
proizvoda koji pretvaraju energiju vetra u elektrinu energiju. Osim
razvoja uobiajenih horizontalnih vetroturbina pojavio se i veliki
interes za razvoj vertikalnih vetroturbina.Pretraivanjem internet
stranica vrlo se lako mogu pronai novi inovativni konstrukcijski
oblici takvih vetroturbina no njihova uinkovitost i ekonomska
isplativost je diskutabilna. U poetku ovog rada navedeni su osnovni
konstrukcijski oblici vertikalnih vetroturbina a to su Darrieusova
i Savoniusova vetroturbina. Ako se razmotre svi konstrukcijski
oblici koji e se opisati u ovom delu rada lako se moe zakljuiti da
se svi baziraju na ta dva osnovna oblika. Podatci koji e biti
navedeni u ovom poglavlju uzimaju se s velikom rezervom jer se na
tritu vetroturbina, zbog borbe s konkurencijom, mnogo puta navode
neistiniti podatci testiranja. Zbog nemogunosti vlastitog
testiranja svih konstrukcijskih oblika neminovno je osloniti se na
date podatke. Navedene konstrukcije odabrane su prema teoretski
pouzdanim kriterijima i mogu se svrstati u oblike kojima se zaista
moe dobiti odreena koliina elektrine energije, no pitanje njihove
iskoristivosti moralo bi se proveriti u laboratorijskim uslovima
merenjem.
6.1. Konstrukcijski oblici vetroturbina na tritu i njihovo
uporedjivanje6.1.1. Helix Wind
Helix Wind vetroturbina konstruirana je i testirana u San Diegu
i Las Vegasu. Podatci o performansama dobijeni su merenjima
instaliranih vetroturbina i testiranjem u vazdunom tunelu. Ova
vetroturbina daje ujednaeni moment u velikom rasponu brzine vetra i
u tekim uslovima rada. Nije potrebno zaustavljanje pri jakom vetru,
instalacija je jednostavna i modularna. Pogodna je za koritenje u
urbanim sredinama. Zahvata vetar iz svih smerova i pogodna je za
turbulentno strujanje vetra. Postoji mogunost modularne nadogradnje
pa je mogue poveati snagu dodavanjem spirala u visinu.
Page | 39
Slika 6.1. Helix Wind vetroturbina
Slika 6.2. Modularna nadogradnja Helix vetroturbine
Page | 40
Specifikacije: Odreena snaga - 2.5 kW Vrna snaga 2.81 kW
Dimenzije rotora - 1.21m x 2.65m Radni prostor - 3.22 m 2
Konstrukcija rotora Ultra vrsta aluminijska legura Tip Savoniusova
helikoidalna vetroturbina s vertikalnom osom okretanja (VSVO)
Generator - 2.5 kW visoko uinkoviti generator s permanentnim
magnetom Brzina vetra pri kojoj zapoinje okretanje - 3.6m/s Koenje
koenje nije potrebno za normalan nain rada. Runo zaustavljanje za
potrebe odravanja. Spajanje na mreu - 110VAC - 240VAC, 50-60Hz
inverter vezan na mreu Bez mree mogunost napajanja baterije Masa
135 kg Radni vek - 30 godina Stub preporuljiva je visina od 4.5m do
6.0m zavisno od okolnih prepreka Cena - oko 7000 evra Konstrukcija
radi vrlo tiho i proizvodi zvuk nii od 5 decibela iznad okolinskih
zvukova Sigurna je za ptice i imie Estetski zadovoljava
Fina laminarna struja vetra Turbulentni sloj Vrlo turbulentni
sloj
Slika 6.3. Turbulentno strujanje vetra kada nailazi na
prepreku
Page | 41
6.1.2. Quiet revolutionBritanska kompanija sa seditem u Pembroke
Dock-u u junom Wales-u bavi se proizvodnjom vertikalnih
vetroturbina spiralnog Darrieus tipa.
Slika 6.4. Quiet revolution turbine
Specifikacije: Dimenzije - 5m visina x 3.1m promer Generator -
istosmerni, generator s permanentnim magnetom Power control -
kontrolom izlazne snage konstantno se optimizuje izlazna snaga za
sva podruja postavljanja i za sve brzine vetra Radno podruje - Max
brzina vetra: 16m/s; Min brzina vetra: 4.5m/s ivotni vek - 25
godina Materijal lopatice i trostrani drai su izraene od karbonskih
vlakana I epoksilne smole Konice Koenje usled prekoraenja brzine se
vri pri brzini vetra od 14m/s, automatsko gaenje pri velikim
brzinama vetra (iznad 16m/s) Praenje i pohrana podataka preko PC-a
prosena brzina vetra i dobijena koliina el. energije Cena turbine
20000 kuna Cena stuba oko 2500 zavisno od visine I obrade Cena
upravljanja 3700 za jednu turbinu, smanjuje se za spajanje vie
turbina u niz
Page | 42
6.2. Uporedjivanje navedenih vetroturbinaPodatci u tablici uzeti
su iz dijagrama koji se nalaze na web stranicama proizvoaa I
prikazuju snagu pri brzini vetra od 7 m/s.
Tablica 6.1. Uporedjivanje snage i dimenzija vetroturbinaNaziv:
Snaga u W (7 m/s) Dimenzije m Helix wind 270 2,64 x 1,2 Quiet
revolution 1000 5 x 3,1
Sledea tablica prikazuje vrednosti za Quiet revolution
vetroturbinu manjih dimenzija koje su dobijene preraunavanjem
vrednosti snage u odnosu na povrinu vetroturbine sledei raspodelu
snage istih dijagrama. Ovde bi se moglo zakljuiti kako vetroturbina
proizvoaa Helix wind daje vie snage za istu povrinu vetroturbine no
taj se podatak mora moi dodatno obrazloiti.
Tablica 6.2. Uporedjivanje snage i dimenzija vetroturbina istih
dimenzijaNaziv: Snaga u W (7 m/s) Dimenzije m Helix wind 270 2,64 x
1,2 Quiet revolution 230 2,64 x 1,2
U dijagramu koji prikazuje odnos stepana iskorienja i
koeficijenta brzohodnosti (slika 4.3.) moe se uoiti da Savonius
vetroturbina ima dvostruko manji stepen iskorienja te zbog toga,
teoretski, nije mogue da daje vie snage od Darrieusove vetroturbine
istih dimenzija no mora se uzeti u obzir i injenica da Helix
vetroturbina ima izmijenjen oblik lopatica u odnosu na klasian
Savonius oblik to pridonosi boljoj iskoristivosti. Toan odgovor na
verodostojnost ovih podataka ne moe se dati bez ispitivanja. U
nemogunosti za dobivanjem tanijih podataka uzima se da su ovi
podatci tani.
Page | 43
6.3. Idejni projekti vertikalnih vetroturbina6.3.1. WingJapanska
kompanija Seabell International, Ltd. utemeljena je 2004. godine i
bavi se proizvodnjom inovativnih tehnikih konstrukcija za
proizvodnju elektrine energije iz obnovljivih izvora za urbanu
sredinu.
Slika 6.5. Wing vetroturbina s solarnim kolektorima
Ovakva konstrukcija kombinuje oba osnovna konstrukcijska oblika
i na taj nain iskoriava najbolje od svakog. Kako je problem
Darrieusove vetroturbine samopokretanje taj problem reava se
menjanjem oblika lopatica tako da poprime zaobljen oblik
Savoniusovog tipa i na principu potisne sile okreu turbinu. Takav
oblik postie se dodavanjem pominog krilca konstrukciji. Kada
vetroturbina postigne dovoljnu brzinu lopatice se izravnavaju i
tvore oblik lopatica Darrieusovog tipa te se turbina pokree silama
uzgona.
Slika 6.6. Pokretanje pri malim brzinama vetra i prilagodjavanje
lopatica velikim brzinama vetra
Time se postigla mogunost pokretanja pri brzini vetra manjoj od
1 m/s to znai da bi se vetroturbina pokretala i pri malom
povetarcu. Preoblikovanjem lopatica dobija se iskorienje koje
odgovara Darrieusovom tipu turbinePage | 44
Aerodinamina svojstva: Profil lopatica je aerodinamian Hvata
vetar iz svih smerova Mala brzina vetra uzrokuje okretanje (ispod 1
m/s) Visoki zakretni moment ak i pri malim brzinama vetra Postie
velike brzine vrha lopatica u irokom rasponu brzine vetra i time
dobija na iskoristivosti s obzirom na koliinu dobijene elektrine
energije Buka i vibracije su minimalne Konstrukcijska svojstva:
Izraena je od izdrljivih delova koji podnose optereenja izazvana
rotacijom Stabilna konstrukcija podnosi ekstremno jake vetrove i
grmljavinu Eksterna svojstva: Zauzima manje prostora u
uporedjivanju sa horizontalnom vetroturbinom iste snage Mogunost
upotrebe u urbanim sredinama Delovi se mogu reciklirati Ne teti
pticama 6.3.2. Tesnic Kompanija Tesnic nastala je 2005. u godine u
Kanadi s fokusom na iskoriavanje energije vetra. Ideja je nastala
kroz potrebu za dobijanjem energije iz vlastitog izvora u sluaju
nestanka struje iz mree. Vetroturbina kompanije Tesnic temelji se
na principu rada Tesline i Darrieusove turbine. Ova vetroturbina
spada u skupinu vetroturbina s vertikalnom osom okretanja (VSVO).
Sklop rotora sadri vie od 200 diskova naslaganih jedan na drugi s
debljinom od 2mm. Na obodu diskova nalaze se lopatice aerodinaminog
oblika koje imaju ulogu usmeravanja fluida tangencijalno na povrinu
diskova.
Slika 6.7. Prikaz slaganja diskova unutar Tesnic
vetroturbine
Oko rotora nalazi se sklop statora koji ima ulogu poveanja
hvatanja vetra tako to neutralie turbulenciju na rotor. Raspodela
statorskih i rotorskih lopatica je takva daPage | 45
se vetar usmerava tangencijalno na povrine diskova nezavisno od
smera vetra. Razmetaj statorskih lopatica takoe onemoguuje prekid
rotacije zaklanjajui rotor od turbulencija od vetra iz bilo kojeg
smera.
Slika 6.8. Unutranjost vetroturbine Tesnic i sklop ureaja
Tesnic turbina koristi energiju vetra na nekoliko naina.
Rotorske lopatice zahvataju vetar na klasian nain, pogon. Nakon
toga struja vetra ulazi u prostor izmeu diskova gde prijanja uz
povrinu diskova i na principu Tesline turbine znaajno doprinosi
rotaciji rotora. Ovakav nain iskoriavanja energije vetra pomou
adhezije u odnosu na klasian nain pokretanja pogonom, omoguuje ovoj
vetroturbini da postie vrlo veliku uinkovitost. Ova vetroturbina
ima jednaku uinkovitost pri turbulentnom strujanju vetra zbog toga
to spoljne lopatice zaklanjaju rotor. Osim toga te lopatice
skrivaju rotor tako da su pokretni delovi jedva vidljivi pa je
Tesnic vetroturbina estetski uravnoteena s okolinom. Masa je vrlo
mala pa je vrlo pogodna za ugradnju na krov. Tako na primjer 3.6
kilovatna verzija tei manje od 150 kg. Simulacije u vazdunom tunelu
pokazuju uinkovitost ove turbine.
Tablica 6.3. Modeli Tesnic vetroturbinaModel turbine T10K T3600
T2K T750 Izmerena snaga Pribline dimenzije 10 kW 3.6 kW 2 kW 750 W
3.3 m visina, 3.3 m promer 2 m visina, 2 m promer 1.5 m visina, 1.5
m promer 0.9 m visina, 0.9 m promer Priblina masa 350 kg 150 kg 85
kg 50 kg
Pokretanje se ostvaruje pri brzini vetra od oko 3 m/s. A znaajna
uteda elektrine energije se osjea ve pri brzini vetra od 5 m/s.
Page | 46
6.3.3. Bri Domestic Wind Turbine Nagrada na BSI Sustainability
Design Awards 2007.
Slika 6.9. Konstrukcija Bri Domestic vetroturbine
Ben Storan, student industrijskog dizajna s Royal College of Art
UK (RCA) osmislio je dizajn vertikalne vetroturbine. Zbog
vertikalne verzije rotacija je sporija te omoguava turbini hvatanje
turbulentnog toka vazduha to je uobiajeno u urbanim sredinama.
Takoe dobra strana ovakve verzije je tii rad. Za vetroturbine sline
veliine navodi se podatak generiranja 1kW elektrine energije pri
brzini vetra od 12 m/s, no obino proizvode samo 40% navedene snage.
Za ovu konstrukciju tvrdi se da bi davala tri puta vie to znai 1.2
kW. Koriste se laki materijali to konstrukciji daje stabilnost,
omoguuje bolje zahvatanje energije vetra i lakou ugradnje. Izgled
ove vetroturbine podsea na Darrieusovu vetroturbinu. Osnovna
razlika je izbor materijala lopatica a samim time oblik lopatica je
drugaiji. Materijal lopatica jest platno koje je napeto izmeu baze
i gornjih napinjaa a oblikovano je tako da stvori profil lopatice.
Specifikacije: Ukupna visina: 4 metra Promer: 2.5 metra Masa:
