Upload
dangcong
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
DIPLOMSKI RAD br. 153
Modeliranje stohastičnosti kombinacije različitih obnovljivih izvora
Janko Poturica
Zagreb, srpanj 2009.
i
ii
Sažetak
Obnovljivi izvori energije prema svojim su prirodnim obilježjima nestalni i
nepredvidivi. Takva prirodna obilježja ograničavaju mogućnost njihovog prihvata u
elektroenergetski sustav. Uzrokuju poteškoće u reguliranju i planiranju rada
elektroenergetskog sustava.
Zadatak je ovog rada bio analizirati kako kombinacija različitih obnovljivih izvora
na različitim lokacijama utječe na ukupno smanjenje stohastičnosti. Ideja je da
elektroenergetski sustav sve obnovljive izvore na svim lokacijama “gleda” kao
jednu virtualnu proizvodnu jedinicu.
Da bi se to istražilo, napravljen je model jednog sustava obnovljivih izvora
energije u programskom paketu MATLAB. U njemu je simulirana proizvodnja
električne energije iz nekoliko obnovljivih izvora energije (Sunce, vjetar, voda) u
satnoj rezoluciji kroz vremensko razdoblje od jedne godine.
Izvođenjem simulacije dobivena je dovoljno velika količina podataka na temelju
koje su se mogli izvući zaključci do kojih se u praksi može doći tek nakon
višegodišnjih mjerenja.
Nakon analize podataka može se zaključiti da se početna pretpostavka
pokazala ispravnom. Kombiniranjem različitih obnovljivih izvora može se postići
smanjenje ukupne stohastičnosti, odnosno povećanje predvidljivosti proizvodnje
energije iz obnovljivih izvora, a time i povećanje stabilnosti samog
elektroenergetskog sustava.
iii
SADRŽAJ
1. UVOD ......................................................................................................................................... 1
2. KARAKTERISTIKE OBNOVLJIVIH IZVORA ...................................................................................... 2
2.1. ENERGIJA VJETRA I VJETROELEKTRANE ............................................................................................... 10
2.1.1. Snaga i energija vjetra i vjetroagregata ......................................................................... 11
2.1.2. Krivulja snage ................................................................................................................. 13
2.1.3. Raspodjela brzina i smjera vjetra ................................................................................... 14
2.1.4. Podjela vjetroelektrana .................................................................................................. 18
2.1.5. Osnovni djelovi vjetroelektrane ...................................................................................... 19
2.1.6. Vjetroelektrane i stabilnost EES-a .................................................................................. 21
2.2. ENERGIJA SUNČEVA ZRAČENJA I FN ELEKTRANE .................................................................................. 22
2.2.1. Potencijal Sunčeva zračenja ........................................................................................... 22
2.2.2. Fotonaponske ćelije ........................................................................................................ 26
2.3. ENERGIJA VODE I MALE HIDROELEKTRANE .......................................................................................... 30
2.3.1. Male hidroelektrane ....................................................................................................... 32
3. STOHASTIČKA PRIRODA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE .......................................................... 39
3.1. UTJECAJ VJETROELEKTRANA NA EES ................................................................................................. 39
3.2. PROMJENJIVI OBNOVLJIVI IZVORI („VAR-RE“) ..................................................................................... 42
4. MODEL SUSTAVA U MATLABU .................................................................................................. 46
4.1. PROGRAMSKI PAKET MATLAB ....................................................................................................... 46
4.2. OPIS MODELA .............................................................................................................................. 47
4.2.1. Opće blok sheme ............................................................................................................ 47
4.2.2. Model stohastičnosti solarnog ozračenja i FN elektrane ............................................... 49
4.2.3. Model stohastičnosti brzine vjetra i vjetroelektrane ...................................................... 50
4.2.4. Model protoka vode ....................................................................................................... 50
4.3. PRIKAZ REZULTATA DOBIVENIH SIMULACIJOM ..................................................................................... 51
4.3.1. Stohastičnost snage na satnoj razini kroz jednu godinu ................................................ 51
4.3.2. Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje .......................................................... 53
4.3.3. Variranje snage kroz razne vremenske periode ............................................................. 56
5. ZAKLJUČAK ............................................................................................................................... 62
6. LITERATURA .............................................................................................................................. 63
7. DODATAK ................................................................................................................................. 64
7.1. SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_KNIN.M ..................................................................................... 64
iv
7.2. SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_OSIJEK.M ................................................................................... 66
7.3. SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_SPLIT.M ..................................................................................... 68
7.4. SADRŽAJ DATOTEKE EXTRATERRESTRIAL.M ......................................................................................... 70
7.5. SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_DUBROVNIK.M ................................................................ 70
7.6. SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_KNIN.M ......................................................................... 72
7.7. SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_OSIJEK.M ....................................................................... 74
7.8. SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_SATNA.M .................................................................................... 76
7.9. SADRŽAJ DATOTEKE SIMULACIJA.M ................................................................................................... 76
7.10. SADRŽAJ DATOTEKE VJETROELEKTRANA1.M ........................................................................................ 76
7.11. SADRŽAJ DATOTEKE VJETROELEKTRANA2.M ........................................................................................ 76
v
Popis oznaka i kratica
OIE obnovljivi izvori energije eng. engleski EES Elektroenergetski sustav Kt indeks prozračnosti β upadni kut Sunčevog zračenja H gustoća solarne energije FN fotonaponski el. en. električna energija MHE mala hidroelektrana HE hidroenergije, hidroelektrana VE vjetroelektrana Var-RE variable renewable energy
vi
Popis tablica
Tablica 1 Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3.] ...................... 2Tablica 2 Pretežno neispunjena poželjna svojstva nekonvencionanih izvora [3.] ................... 4
Popis slika
Slika 1 Usporedba troškova izgradnje pojedinih energetskih tehnologija [4.] ..................................... 8
Slika 2 Usporedba troškova proizvodnje električne energije [4.] ........................................................ 9
Slika 3 Udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne energije 2004. godine [3.] ... 10
Slika 4 Ovisnost snage vjetra o brzini vjetra [4.] ............................................................................... 13
Slika 5 Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [11.] ............................................................ 14
Slika 6 Postavljanje turbina s obzirom na tok vjetra [3.] ................................................................... 16
Slika 7 Normalizirani histogram brzine vjetra na dvije različite lokacije: Atlantski ocean (66oN 4o W,
tamnoplavo) i sjeverna Njemačka (52oN 11oE, svjetlosmeđe). Maksimalna vjerojatnost
odgovarajuće Weibullove razdiobe prikazana je punom (crvenom) linijom. (a) linearna skala (b)
polulogaritamska skala [9.] ............................................................................................................ 17
Slika 8 Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [11.] .................................................................. 19
Slika 9 Prosječna dnevna ozračenost na ravnu površinu [kWh/m2] [3.] ............................................ 23
Slika 10 Ukupna godišnja ozračenost [kWh/m2] za površinu pod optimalnim kutom [3.] ................... 24
Slika 11 Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Sunčeva zračenja tijekom dana [3.] ......... 24
Slika 12 Spektar Sunčeva zračenja na ulasku u atmosferu i na površini Zemlje [3.] ............................. 25
Slika 13 Teorijska efikasnost za razne poluvodičke materijale i prosječne uvjete [3.] .......................... 27
Slika 14 Kako radi solarna ćelija [10.] ................................................................................................. 28
Slika 15 I-U karakteristika za Si FN ćeliju [3.] ...................................................................................... 29
Slika 16 Podudarnost Sunčeve energije i potreba za el. en. tijekom dana [3.] ..................................... 29
Slika 17 Krivulja protoka kroz godinu [3.] ........................................................................................... 31
Slika 18 Moguće izvedbe malih HE ..................................................................................................... 33
Slika 19 Područje primjene različitih vrsta turbina (prema protoku i padu) [3.] ................................... 35
Slika 20 Promjena stupnja djelovanja turbine u ovisnosti o protoku vode [3.] .................................... 35
Slika 21 Danska – primjer odstupanja plana proizvodnje vjetroelektrana od realizacije [6.] ................ 40
Slika 22 Krivulja trajanja proizvodnje vjetroelektrana i raspoloživosti konvencionalnih
elektrana(Vattenfall – Njemačka) [6.] ............................................................................................ 42
Slika 23 Efekt zaglađivanja kombiniranjem vjetroelektrana na različitim lokacijama [5.] .................... 45
Slika 24 Mjesečni faktori opterećenja za vjetrelektrane i solarne panele (2005. godina) [5.] ............... 45
Slika 25 Blokovska shema kompletnog modela .................................................................................. 47
Slika 26 Opća blok shema modela za Sunce ....................................................................................... 48
vii
Slika 27 Opća blok shema modela za vjetar ....................................................................................... 48
Slika 28 Blok shema stohastičnosti solarnog ozračenja i jednostavni model FN elektrane ................... 49
Slika 29 Blok shema FN elektrane ...................................................................................................... 49
Slika 30 Blok shema stohastičnosti brzine vjetra i jednostavni model vjetroelektrane ........................ 50
Slika 31 Blok shema stohastičnosti protoka vode kroz jednu godinu i jednostavan model male
hidroelektrane .............................................................................................................................. 50
Slika 32 Prikaz proizvodnje električne snage male hidroelektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu
godinu .......................................................................................................................................... 51
Slika 33 Prikaz proizvodnje električne snage FN elektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu . 52
Slika 34 Prikaz proizvodnje električne snage vjetroelektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu
52
Slika 35 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jednu
godinu .......................................................................................................................................... 53
Slika 36 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jednu godinu .................. 53
Slika 37 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jedan
mjesec .......................................................................................................................................... 54
Slika 38 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jedan mjesec .................. 54
Slika 39 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jedan dan
55
Slika 40 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jedan dan ....................... 55
Slika 41 Srednja satna snaga FN elektrane (interval od 8 dana) .......................................................... 56
Slika 42 Variranje snage FN elektrane ................................................................................................ 57
Slika 43 Variranje snage vjetroelektrane ............................................................................................ 58
Slika 44 Variranje snage male hidoelektrane ..................................................................................... 59
Slika 45 Usporedba proizvodnje el. en. jedne i svih VE ....................................................................... 60
Slika 46 Usporedba proizvodnje el. en. iz jedne FN elektrane i svih OIE zajedno ................................. 61
Diplomski rad Janko Poturica
1
1. Uvod U današnjem modernom svijetu energija iz obnovljivih izvora zauzima posebno
mjesto, jer donosi obećanje o ostvarivosti ciljeva održivog razvoja. Nove
tehnologije omogućavaju nam iskorištavanje novih, obnovljivih izvora energije
(OIE) za proizvodnju električne energije, a time i odmak od sveprisutnih obrazaca
ovisnosti o fosilnim gorivima. Srednje i dugoročno gledano, za očekivati je da će
obnovljivi izvori energije biti ekonomski konkurentni konvencionalnim izvorima
energije. Teorijski, ali i tehnički iskoristivi prirodni energetski potencijali obnovljivih
izvora ogromni su u usporedbi s ukupnom svjetskom potrošnjom energije. Ipak,
njihovo iskorištavanje u budućnosti prije svega će ovisiti o ekonomskim
karakteristikama energetskih tehnologija.
Nastojimo postati svjesni činjenice o značenju energije i važnosti njenog
racionalnoge korištenja. Svjetski trendovi zaliha fosilnih goriva imaju strogo
padajuću dinamiku i očekuje se skoro njihovo potpuno iscrpljivanje. Fosilna goriva
koja danas predstavljaju dominantni energent imaju negativan utjecaj na okoliš.
Svakodnevno se diljem svijeta iz naftno – petrokemijskih postrojenja i energetskih
procesnih postrojenja emitiraju velike količine stakleničkih plinova, ugljik-dioksida,
oksidi dušika, ugljika i sumpora te odgovarajuće količine sumporovodika,
amonijaka i ostalih kiselih plinova. Uz plinove prisutne su i male količine lebdećih
čestica koje imaju kancerogeno djelovanje i žive koja također ima toksično
djelovanje na ljudski organizam. Ne manje važan efekt je i termičko opterećenje
okoliša koje ponajprije utječe na čitav niz klimatskih promjena i inicira proces
globalnog zagrijavanja na našem planetu. Svjesni smo činjenice da će nafta i
naftni derivati biti dominantan pokretač svjetskog energetskog i gospodarskog
rasta do krajnje eksploatacije i posljednjih zaliha fosilnih goriva, no nameće se i
pitanje što nakon iscrpljivanja posljednje kapi nafte i zemnog plina i kako sačuvati
okoliš u što boljem stanju za buduće generacije. Odgovor valja potražiti u
obnovljivim izvorima energije. Dobro nam je poznato da je danas trenutna situacija
na energetskom planu takva da su fosilna goriva još uvijek dominantan izvor
energije i energenata na svjetskom tržištu, a obnovljivi izvori energije mogu u tom
slučaju poslužiti kao alternativa za pokrivanje vršnih opterećenja u energetskom
sustavu.
Diplomski rad Janko Poturica
2
2. Karakteristike obnovljivih izvora Svojstva nekonvencionalnih izvora energije ne možemo promatrati izdvojeno od
općenito znanih svojstava konvencionalnih izvora, tek uspoređivanjem s tim
svojstvima možemo utemeljeno donositi kvalifikative nekonvencionalnih izvora.
Neka svojstva nekonvencionalnih izvora su poželjna, a neka nepoželjna. U tablici
1 iznose se neka važnija opća i pojedinačna svojstva, ali u kojima pretežu poželjna
svojstva. Zatamnjenja pojedinih polja u tablici znače ispunjenje i neispunjenje
poželjnih svojstava:
Tablica 1 Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3.]
Značenje kolona u tablici je:
MHE - korištenje vodnih snaga u malim hidroelektranama Su-T - korištenje Sunčeva zračenja toplinskim kolektorima Su-E - korištenje Sunčeva zračenja fotoelektričnim ćelijama Vj. - korištenje energije vjetra vjetroelektranama Bio. - korištenje biomase i otpada Geo. - korištenje geotermalne energije
Obnovljivost pojedinog izvora energije najlakše pojmimo ako kažemo da je
obnovljiv izvor onaj čiji se prosječni dotok svake godine ponavlja, bez smanjenja –
barem za ljudsko poimanje vremena. U tom pogledu, svi promatrani
Diplomski rad Janko Poturica
3
nekonvencionalni izvori su obnovljivi. Geotermalnoj energiji izvor su energetski
procesi u Zemljinoj nutrini koji će prema ljudskom poimanju vremena trajati
praktički do u nedostižnu budućnost. U pogledu ogrjevnog drveta, istaknimo da je
uvjet obnovljivosti neprekidno pošumljavanje prostora barem toliko da godišnji
prinos bude jednak godišnjem iskorištenju drvne mase.
Općenito, nekonvencionalni izvori imaju ogroman potencijal – što je poželjno
svojstvo. Sa Sunca na tlo Hrvatske dostruji približno 500 puta više energije nego li
je godišnja hrvatska potrošnja svih oblika energije! Ipak, male hidroelektrane
predstavljaju ograničeni potencijal, kojega naprosto nema na znatnom dijelu
ogromnih prostranstava globusa. Biomase predstavljaju velik ali ipak znatno manji
potencijal od energije Sunčeva zračenja. Geotermalna energija ima pri današnjem
načinu korištenja ograničeni potencijal, ali prikriveni potencijal je ogroman, ako
dođe do prihvatljivog korištenja topline Zemljine unutrašnjosti s velikih dubina.
Ima li se na umu energija potrebna za proizvodnju opreme i materijala koje
treba ugraditi u postrojenja za korištenje nekonvencionalnih izvora, a ne samo toj
energiji odgovarajući novac, onda izlazi da pojedini izvor mora neprekidno raditi
nekoliko godina, da bi tek tada postao netto-proizvođač energije. A kako za
pojedine oblike energije treba mnogo takvog materijala (temelji i nosači fotoćelija i
kolektora, same fotoćelije i kolektori, visoki betonski ili čelični stupovi
vjetrogeneratora) to se energija za njihovu proizvodnju ne smije zanemariti.
Naglašeni utrošak energije je pri proizvodnji fotoćelija. Kod većine
nekonvencionalnih izvora nema utroška energije prilikom pridobivanja izvornog
oblika (kao što postoji značajan utrošak energije pri eksploataciji ugljenokopa), niti
utroška energije za transport izvornog oblika, jer je transport u pravilu nemoguć.
Treba naprosto postrojenja za pretvorbu nekonvencionalnog izvora u povoljniji
oblik izložiti djelovanju tog nekonvencionalnog izvora. Jedino se kod ogrjevnog
drveta, biomase i otpada javljaju ti utrošci energije (koji mogu biti toliko značajni da
cijela stvar postane neracionalna), primjerice za sječu drvne mase, za
pošumljavanje i uzgoj šume, za transport od mjesta sječe do mjesta korištenja te
za pripremu drveta za korištenje. Slično je s biomasom i otpadom, jedino tu može
izostati utrošak pri uzgoju jer se uzgoj odvija neovisno od eventualnog
energetskog korištenja, primjerice slama nastaje kao rezultat poljoprivredne
proizvodnje pšenice te će ili strunuti ili se energetski iskoristiti. Lokalno
Diplomski rad Janko Poturica
4
opterećenje okoline emisijom štetnih tvari ili bukom na mjestu pretvorbe
nekonvencionalnog oblika energije u iskoristljiviji oblik općenito je maleno ili ga
uopće nema. Ali korištenje vjetra izaziva buku, a sagorijevanje biomase izaziva
emisiju plinova eventualno manje štetnih od konvencionalnih goriva jer praktički
nema sumpora (kao u ugljenu ili nafti). Ipak je emisija iz tih postrojenja nešto veća
nego li iz konvencionalnih postrojenja, jer radi se o manjem stupnju djelovanja pri
pretvorbi energije i manjim jedinicama. Emisija kod korištenja otpadaka može biti i
opasna ako se prethodno iz otpadaka (smeća) ne izdvoje evidentno štetni sastojci.
Najznačajnije praktično poželjno svojstvo nekonvencionalnih izvora energije je
mogućnost posvemašnje diverzificirane primjene. Praktički, svi izvori
nekonvencionalne energije – dakako ako se raspoloživi na promatranom mjestu –
mogu se koristiti u malome, u vlastitoj režiji, djelomice ili potpuno u samogradnji –
time se trošak rada kod instaliranja, pogona i održavanja praktički dade izbjeći ili
barem prikriti («radim za sebe, u slobodno vrijeme – dakle besplatno»). Konačno,
o kumulativnoj CO2 neutralnosti nekonvencionalnih izvora energije. Kumulativnoj,
znači promatranoj u ukupnom lancu – od pridobivanja energije, izrade i montaže
pogonskih uređaja, do korištenja i zbrinjavanja nakon korištenja. Iako se često
govori o CO2 neutralnosti apsolutno svih nekonvencionalnih izvora, najčešće se
misli na tu neutralnost prilikom pretvorbe nekonvencionalnog oblika u iskoristljiviji
oblik i tada je takvo gledanje točno. (Za biomasu, to je dakako ispunjeno samo
ukoliko je godišnje iskorištavanje mase jednako ili manje od godišnjeg prirasta
nove mase. Tada će emisija CO2 pri korištenju te biomase biti jednaka apsorpciji
CO2 prilikom fotosinteze te biomase.) Međutim, ako se ima na umu proizvodnja
materijala za izgradnju fotoćelija, a donekle i kolektora, onda izlazi da je primjena
Sunčevog zračenja kumulativno «kvazi-CO2-neutralna», a emisija ostalih
postrojenja podjednaka kumulativnoj emisiji CO2 iz konvencionalnih postrojenja.
U tablici 2 daje se pregled pretežno neispunjenih poželjnih svojstava
nekonvencionalnih izvora energije.
Tablica 2 Pretežno neispunjena poželjna svojstva nekonvencionanih izvora [3.]
Diplomski rad Janko Poturica
5
Površinska distribucija (površinska raspodjela) Sunčeva zračenja po Zemlji
najpravednija je od svih primarnih oblika energije, donekle biomase i otpada
(otpada ima svugdje gdje ima aktivnosti ljudi, a tu je potrebna i energija, nema ga
tamo gdje nema ikakve ljudske aktivnosti pak tamo nema niti potrebe za
energijom). Ostali nekonvencionalni oblici energije nisu ravnomjerno raspoređeni
po Zemljinu globusu.
Površinska gustoća mala je za Sunčevo zračenje, još manja za biomase i
otpad, te nešto veća za vjetar (tamo gdje ga uopće ima raspoloživog za
energetsko korištenje), jedino je kod malih hidroelektrana i kod toplih izvora
površinska gustoća primjereno visoka. Na jedan četvorni metar na našoj
geografskoj širini dostruji godišnje približno 1000 kilovatsati Sunčeva zračenja, a
ako uzgojimo pšenicu na tom četvornom metru, slama će imati energetski sadržaj
od samo 2 kilovatsata. Gdje je to usporedbi s naftnom bušotinom s godišnjim
iscrpkom od recimo 100 tisuća tona čiji je energetski sadržaj otprilike 1 milijarda
kilovatsati, a zauzima površinu od par stotina četvornih metara!
Općenito, izvorno se ne daju transportirati gotovo svi nekonvencionalni oblici
energije, kao niti uskladištiti u izvornom obliku. Moraju se trošiti na mjestu i u ritmu
Diplomski rad Janko Poturica
6
svoga nastanka. Jedino se ogrjevno drvo, te biomasa i otpad daju transportirati na
razumno veliku udaljenost (jer bi pretjerana udaljenost tražila više energije za
transport od energetskog sadržaja tvari koja se prevozi, te bi to bilo nerazumno) i
svakako se daju uskladištiti i koristiti u ritmu potreba.
Oscilacija prirodnog dotoka velika je kod svih nekonvencionalnih oblika
energije, jedino geotermalna energija ne poznaje oscilaciju, ravnomjerno dotječe iz
svog izvora. Donekle, oscilacija dotoka ogrjevnog drveta manja je uzevši u obzir i
mogućnost njegova uskladištenja, oscilacija se dade kompenzirati. Biomase
sazrijevaju praktički trenutno i onda se to ponavlja tek – u pravilu – za godinu
dana. Vjetar ima oscilaciju od nula do preko sto posto, jer pri olujnom vjetru mora
se obustaviti korištenje vjetrogeneratora, kao i pri vrlo malim brzinama vjetra.
Kako je snaga vjetroturbine proporcionalna brzini vjetra na treću potenciju, to i
mala promjena brzine predstavlja znatniju promjenu snage. Udvostručenje brzine
vjetra vodi uosmerostručenju snage! Sunčevo zračenje jednako tako predstavlja
izvor s oscilacijom 0-100%, jer ga noću uopće nema. Male HE također mogu biti
na takvim vodotocima, koji u određenim prilikama znaju posve presušiti. Trajanje
iskorištenja instalirane snage, dakle omjer godišnje proizvedene energije i
instalirane snage, malo je kod svih izvora čije su prirodne oscilacije velike, jer su
samo mali dio godišnjeg vremena u punom pogonu. Za sve oblike energije čije je
trajanje godišnjeg iskorištenja malo mora se osigurati akumulacija energije, pak je
onda koristiti iz akumulatora ako je dotok malen ili posve izostao a potražnja
postoji. Ali, akumulacija praktički dolazi u obzir kod toplinskog korištenja Sunčeva
zračenja (akumulator je dobro toplinski izoliran bojler) ili akumulacija manje
količine električne energije u električnom akumulatoru kod fotonaponskog
korištenja Sunčeva zračenja.
Veću količinu električne energije ne dade se ekonomično akumulirati u
akumulatorima jer bi oni bili velikih masa i time preskupi, tako da se praktički kod
svih drugih obnovljivih izvora poseže za elektroenergetskim sustavom kao
rezervnim rješenjem ili dizel-generatorom. Ogrjevno drvo, biomasa i otpaci te
geotermalna energija ne traže takvu rezervu.
Potrebna rezerva u konvencionalnim postrojenjima može biti znatna, praktički
može doći do udvostučenja instalacije na nacionalnoj razini. S jedne strane
Diplomski rad Janko Poturica
7
instaliramo postrojenja na nekonvencionalni izvor, a s druge strane isto toliku
konvencionalnu rezervu, koja će, k tome, biti slabije iskorištena jer neće raditi u
razdobljima kada je nekonvencionalni izvor raspoloživ. Regulacijska svojstva takve
rezerve moraju biti iznimno visoka jer je za dio nekonvencionalnih izvora
karakteristična njihova brza, a nepredvidljiva promjena. Prijenosna električna
mreža koja povezuje područja gdje su takvi nekonvencionalni izvori s područjima u
kojima je konvencionalna rezerva također mora biti pojačana. U Njemačkoj, gdje je
trenutno instalirano preko 20 gigavata vjetroelektrana u pogonu (najviše u svijetu),
moraju za svaki megavat u vjetroelektranama držati u rezervi još 0,85 megavata u
konvencionalnim elektranama.
Zauzimanje prostora na mjestu pretvorbe primarnog oblika energije u
iskoristljiviji oblik veliko je pri korištenju svih nekonvencionalnih oblika, kod kojih je
površinska gustoća mala. Za fotonaponsko korištenje Sunčeva zračenja to je
izrazito naglašeno, a kod korištenja vjetra i kolektorskog korištenja Sunčeva
zračenja nešto manje. Ogrjevno drvo te biomasa i otpaci traže nešto više prostora
od onoga kojeg bi tražila konvencionalna termoelektrana jednake snage, uz nešto
veći skladišni prostor. Ogrjevno drvo dade se i neposredno koristiti – u štednjaku,
peći za zagrijavanje prostora ili sanitarne vode – pak onda traži samo prostor za
uskladištenje. Geotermalna energija, ukoliko se koristi neposredno za
zagrijavanje, troši najmanje prostora – jednostavno se cijev zabije u tlo i razvede
po kućama.
Stupanj djelovanja pri pretvorbi u koristan oblik općenito je malen ili manji nego
li kod konvencionalnih izvora energije. Osobito je to naglašeno pri fotonaponskom
korištenju Sunčeva zračenja kod kojega je prosječni stupanj djelovanja samo oko
10%, dakle za jedan kilovatsat dobiven iz sunčanih ćelija treba izložiti toliko
površine da bude osunčana s deset kilovatsati. Veći je kod malih hidroelektrana,
toplinskog korištenja Sunčeva zračenja kolektorima i neposrednog toplinskog
iskorištavanja geotermalne energije.
Suvremeni energetski pristup zalaže se za primjenu kogeneracije – dakle
spregnutu proizvodnju toplinske i električne energije, što je više moguće, jer se
time postiže veće iskorištenje primarnog oblika energije. Moguća je samo kod
nekonvencionalnih izvora upotrebljenih kao gorivo u termoelektrama-toplanama ili
ako se geotermalna energija koristi za pogon takve elektrane, dakle mora se raditi
Diplomski rad Janko Poturica
8
o vrlo vrućem izvoru (kakvih ima na Islandu). Također, u blizini postrojenja za
pretvorbu mora biti primjereno velik toplinski konzum, inače se nema kamo
isporučivati proizvedena toplina.
Troškovi pogona i održavanja postoje kod svih izvora. Neki se mogu ne iskazati,
ako su radovi izvedeni u vlastitoj režiji, ali oni teoretski postoje. Podmazivanje,
zaštita od korozije, elementarno čišćenje, redoviti periodički remonti... samo su
neki od primjera troškova pogona i održavanja koji se ne daju izbjeći ako se hoće
ostvariti poželjna životna dob pojedinog uređaja za prihvat i pretvorbu
nekonvencionalnog oblika energije.
Energetski objekti općenito imaju relativno visoku cijenu gradnje u odnosu na
objekte koji se koriste za stanovanje ili kao poslovni prostori, zbog svoje specifične
namjene i visokih zahtjeva sigurnosti. Međutim, cijena gradnje nije jedini trošak
vezan za gradnju obnovljivih izvora energije. Pojedinosti navodimo u nastavku.
Slika 1 Usporedba troškova izgradnje pojedinih energetskih tehnologija [4.]
Visoka cijena gradnje: kod izgradnje objekata obnovljivih izvora energije veće
snage, trošak izgradnje po kW je manji, nego kod izgradnje objekata manjih
snaga.
Diplomski rad Janko Poturica
9
Najskuplje tehnologije po kW su za obnovljive izvore energije koji koriste valove
i plimu i oseku, zbog specifičnosti lokacije (sve je smješteno u vodi), potom
fotonaponske sustave zbog složenosti izrade solarnih panela (zahtijeva se visoka
čistoća sirovine za izradu, posebni uvjeti vezani za temperaturu, vlagu i slično) te
geotermalne elektrane zbog dubokih bušotina.
Usporedbe radi, najskuplja konvencionalna tehnologija po kW instalirane snage
je nuklearna tehnologija, zbog iznimno visokih zahtjeva sigurnosti.
Slika 2 Usporedba troškova proizvodnje električne energije [4.]
Cijena gradnje ne uključuje cijenu sirovine (goriva) koje se koristi za proizvodnju
električne energije, kao ni troškove rada i održavanja postrojenja, a one su
iznimno važne u ukupnom formiranju cijene proizvodnje električne energije iz
nekog postrojenja. Cijena proizvodnje uključuje sve te čimbenike, kao i cijenu
gradnje postrojenja i obično se izražava u valuti po kWh (primjerice, kn/kWh).
Tako je nuklearna elektrana najskuplja pri gradnji, ali ima najnižu cijenu
proizvodnje električne energije, jer koristi najjeftinije gorivo i proizvodi veliku
količinu električne energije pa je, prema tomu, cijena po kWh manja. Kod
obnovljivih izvora energije, izvor može biti i besplatan, ali visoki troškovi gradnje i
Diplomski rad Janko Poturica
10
mali broj godišnjih sati rada uzrok su visoke cijene električne energije iz takvih
izvora.
Na slici 3 prikazan je udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji
električne energije. Iz dijagrama je vidljivo da se trenutno oko dvije trećine
električne energije dobija iz fosilnih goriva (ugljena 40 %, prirodnog plina 20 % i
nafte 7 %), dok su od ostalih izvora značajnije zastupljeni samo nuklearna i
hidroenergija ( s udjelima od 16 %) i to uglavnom zbog konvencionalnih velikih
hidroelektrana. Svi ostali, tj. nekonvencionalni izvori energije (isključujući
hidroelektrane), usprkos njihovom značajnom poticanju i razvoju u posljednje
vrijeme, u svjetskoj prizvodnji
električne energije sudjeluju ukupno samo s 2 %, od čega daleko najviše
biomasa (62%), potom energija vjetra (22%) i geotermalna energija (15%). Izravno
korištenje energije sunčevog zračenja, kao plime i oseke u usporedbi s ostalim
oblicima obnovljivih izvora gotovo je zanemarivo u ovom trenutku, ali ipak treba
naglasiti da ulažu veliki znanstveno-istraživački napori kako bi se ubrazo
tehnološki razvoj fotonaponskih ćelija s ciljem smanjenja investicijskih troškova i
njihove značajnije uporabe.
Slika 3 Udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne
energije 2004. godine [3.] 2.1. Energija vjetra i vjetroelektrane
Sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce prema Zemlji zrači 1015 kWh
po četvornome metru. Oko 1 do 2 posto energije koja dolazi od sunca pretvara se
Diplomski rad Janko Poturica
11
u energiju vjetra. To je primjerice od 50 do 100 puta više od energije pretvorene u
biomasu od svih biljaka na Zemlji. Zbog zemljine rotacije, svaka kretnja na
sjevernoj polutki je usmjerena prema desno. Ta pojava iskrivljena sile je poznata
kao Coriolisova sila. Na sjevernoj polutki vjetar ima smjer rotacije obrnutu smjeru
kazaljke na satu kako se približava području niskog tlaka. Na južnoj polutki vjetar
ima smjer rotacije u smjeru kazaljke na satu oko područja niskog tlaka. Vjetro-
turbina dobiva ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na
elise rotora. Količina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji
čini rotor u vrtnji, brzini vjetra i gustoći zraka. Pri normalnom atmosferskom tlaku
pri temperaturi od 15°C zrak teži otprilike 1.225 kg/m3, ali se povećanjem vlažnosti
i gustoća povećava. Također vrijedi da je zrak gušći kada je hladniji nego kad je
topliji. Na visokim nadmorskim visinama tlak zraka je niži, pa je zrak rjeđi.
Vjetroturbina iskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar dođe do elisa rotora.
To znači da se ne može iskoristiti sva energiju iz vjetra.
2.1.1. Snaga i energija vjetra i vjetroagregata Energija vjetra je kinetička energija ovisna o kvadratu brzine vjetra:
Maksimalna teorijska energija vjetra računa se nadalje kao:
gdje je: ρ – gustoća zraka (približno 1,25 kg/m3);
A – površina rotora vjetroelektrane (volumen V = A·v)
v – brzina vjetra
Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra ovisi o brzini vjetra na treću
potenciju. Ukupna kinetička energija zraka ne može se sva iskoristiti, jer zrak mora
dalje strujati da bi načinio mjesta onome koji dolazi, pa je moguće iskoristiti samo
energiju koja je proporcionalna razlici brzina vjetra na treću potenciju:
Diplomski rad Janko Poturica
12
Maksimalnu snaga koja se može dobiti pogonom pomoću vjetroturbine iz
konstrukcijskih razloga iznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalne
moguće snage vjetra. Uzmemo li u obzir i maksimalni stupanj djelovanja zračne
turbine je 0.65, te stupanj djelovanja generatora 0.8, za maksimalnu energiju
vjetroelektrane vrijedi:
Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kinetičke energije vjetra za
proizvodnju električne energije u vjetroelektranama. Često se za proračun energije
umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine:
S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost
za ocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra je
jako promjenjiva, pa je stoga potrebno mjeriti brzinu vjetra kako bi se mogle
odrediti krivulje frekvencija (statistika vjetra). Brzina vjetra se povećava sa visinom
iznad tla. Može se računati da je omjer brzina razmjeran petom korijenu iz omjera
visina nad zemljom. Na slici 4 prikazana je ovisnost maksimalne i teorijski
iskoristive snagu vjetra, kao i one na osovini vjetroturbine i priključcima generatora
u ovisnosti o brzini vjetra.
Diplomski rad Janko Poturica
13
Slika 4 Ovisnost snage vjetra o brzini vjetra [4.]
2.1.2. Krivulja snage Graf koji nam pokazuje koliko će turbina proizvesti električne energije na
različitim brzinama vjetra je krivulja snage. Vjetroturbine su dizajnirane tako da
počnu raditi pri brzini vjetra između 3 do 5 metara po sekundi. Tu pojavu nazivamo
brzina uključenja vjetra. Turbina se programira tako da prestane raditi pri velikoj
brzini vjetra, pri otprilike 25m/s, da se turbina ili okolina turbine ne bi oštetila.
Prestanak brzine vjetra nazivamo brzinom isključenja vjetra.
Diplomski rad Janko Poturica
14
Slika 5 Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [11.]
Problem krivulje snage je u tome što nam govori koliko snage će proizvesti
vjetroturbina pri prosječnoj brzini vjetra. Obujam energije vjetra se mjenja sa
brzinom vjetra. Koeficijent snage govori koliko se energije vjetra pretvori u
električnu energiju. Efikasnost turbina je malo veća od 20%, ipak ona se mijenja
sa brzinom vjetra. Za ukupnu količinu energije koju zračna turbina pretvara u
električnu energiju brzina vjetra je vrlo bitna. Energija vjetra odgovara prosječnoj
brzini vjetra na treću potenciju, što znači da ako je brzina vjetra dvostruko veća,
dobiva se 8 puta više energije.
2.1.3. Raspodjela brzina i smjera vjetra Prikaz informacije o raspodjeli brzina i smjerova vjetrova, na osnovi
meteoroloških promatranja brzina i smjerova naziva se ruža vjetrova. Ruža
vjetrova daje nam informaciju o relativnoj brzini vjetrova iz različitih smjerova, tj.
svaki od podataka (frekvencija, prosječna brzina vjetra, prosječni kub brzine vjetra)
je pomnožen brojem koji jamči da se najveća kriška točno podudara sa radijusom
vanjskog kruga u dijagramu. Na velikim visinama od oko 1 km, površina zemlje ne
utječe previše na vjetar, dok u nižim slojevima atmosfere trenje o površinu zemlje
jako utječe na brzinu vjetra. Za veća nepravilnosti terena, vjetar je više usporen.
Diplomski rad Janko Poturica
15
Primjerice šume i veliki gradovi, logično će više usporiti vjetar, dok će velike
betonske površine na aerodromima tek neznatno utjecati na brzinu vjetra. Vodene
površine su još više uglađenije od betonskih imaju još manji utjecaj, dok visoka
trava i grmlje imaju znatan utjecaj na brzinu vjetra. Dobra lokacija za zračne
turbine je duž obale. Pretpostavka da bi se postigao bolji efekt postavljanjem
turbina na sam rub litice nije točna, jer litica stvara turbulenciju i usporava vjetar
čak i prije nego što dolazi do same litice, te znatno smanjuje životni vijek turbine
zbog jačeg trošenja uslijed turbulencije. Puno povoljnije bilo bi kada bi litica bila
zaobljena prema moru, jer bi u tom slučaju došlo do efekta ubrzanja vjetra.
Zbog stalnog variranja brzine vjetra, količina energije stalno se mijenja.
Promjena ovisi o vremenskim prilikama, o uvjetima na tlu i preprekama. Izlazna
energija vjetroturbine ovisi o variranju vjetra, iako su najveće varijacije do neke
mjere kompenzirane zbog tromosti rotora turbine. Na većini mjesta na svijetu
danju je vjetrovitije nego noću. Vjetar je mnogo turbulentniji danju i češće mijenja
smjer. Veća proizvodnja danju je prednost jer je i potrošnja danju veća. Snažne
oluje često su popraćene čestim udarima vjetra koji naglo mijenjaju smjer i brzinu
vjetra. U područjima sa nejednakim izgledom terena, i iza prepreka poput zgrada,
dolazi do turbulencije sa vrlo nepravilnim tokovima vjetra i vrtlozima. Turbulencija
smanjuje mogućnost iskorištavanja energije vjetra, te uzrokuje veće trošenje
turbina. Površine mora i jezera su glatke pri konstantnoj brzini vjetra, nepravilnost
površine je vrlo mala. Povećanjem brzine vjetra dio energije vjetra se iskorištava
na podizanje valova što čini površinu nepravilnom. Pošto je nepravilnost na
morskoj površini vrlo mala, brzina vjetra se previše ne mijenja pa visina osovine
turbine ne mora biti visoka kao na kopnu. Najekonomičnija visina osovine turbine
smještene na površini mora je 0,75 puta promjer rotora. Tornjevi turbina obično se
prave dovoljno visoki da bi izbjegli turbulencije od vjetra blizu tla. Vjetar na moru je
manje turbulentan nego na kopnu, zato turbine na moru imaju veći životni vijek od
onih na kopnu.
Svaka vjetroturbina usporava vjetar iza sebe nakon što iz njega izvuče energiju
i pretvori je u električnu. Iz tog razloga bi turbine trebalo smjestiti što je moguće
dalje jednu od druge. Iskoristivost zemljišta i cijena spajanja turbina na električnu
mrežu, traže da ih smjestimo što bliže jednu drugoj. Vjetroturbine su udaljene
između 5 do 9 dužina promjera rotora u smjeru dolaska vjetra i između 3 do 5
Diplomski rad Janko Poturica
16
dužina promjera rotora u smjeru okomitom na smjer vjetra. Gubitak energije zbog
zavjetrine koje stvaraju jedna drugoj iznosi negdje oko 5 posto. Na vjetrovitoj strani
zgrada ili planina, zrak se kompresira i njegova se brzina između prepreka znatno
povećava. Ta je pojava znana kao „efekt tunela“. Tunel bi trebao biti što pravilniji.
Slika 6 Postavljanje turbina s obzirom na tok vjetra [3.]
Meteorološki podaci, proračunati za posljednjih 30 godina najbolji su vodič pri
izboru lokacije za vjetroturbinu, ali potrebno je biti oprezan zbog toga što ti podaci
nisu prikupljeni baš na toj točnoj lokaciji. Ako u području već postoje turbine,
njihovi rezultati proizvodnje daju najbolji uvid u osobine vjetra. Velike turbine se
spajaju na električnu mrežu. Kod manjih projekata pazi se da vjetroturbine
postavimo dovoljno blizu srednjenaponskih 10 do 35 kV dalekovoda da troškovi
proširenja električne mreže ne budu previsoki. Generatori u velikim modernim
Diplomski rad Janko Poturica
17
zračnim turbinama najčešće proizvode struju pri naponu od 690 V. Transformator
smješten uz turbinu ili u samom tornju turbine pretvara energiju na viši naponski
nivo (obično 10-35 kV). Ako je više turbina već spojeno na mrežu, trebalo bi
povećati presjek kabela. Projektanti vjetro-elektrana moraju poznavati informaciju
promjene brzine vjetra, time smanjuju troškove izgradnje i sama elektrana ima
veću korisnost. Razdioba brzine vjetra na tipičnom položaju dobija se mjerenjem,
a matematički opisuje Weibullovom razdiobom.
Weibullova razdioba je najšire prihvaćeni model za određivanje vjerojatnosti
pojave vjetra određene brzine je dvoparametarska Weibullova razdioba.
gdje s0 i k označavaju parametar razmjera odnosno oblika. Rayleighova
razdioba (koja se također može koristiti za modeliranje brzine vjetra) je specijalan
slučaj Weibullove razdiobe sa k = 2, dok k = 1 daje jednostavnu eksponencijalnu
razdiobu. Weibullova funkcija gustoće razdiobe je najpopularniji model za
određivanje distribucije kvarova. U kontekstu histograma brzina vjetra, radije je
možemo razmotriti kao generalizaciju Rayleighove razdiobe s kojom dobivamo
povećanu fleksibilnost da se bolje može prilagoditi empirijskim podacima.
Karakteristike Weibullove razdiobe su detaljno istražene i brojne studije pokazuju
da je vrlo dobra za modeliranje brzine vjetra na nekoliko lokacija.
Slika 7 Normalizirani histogram brzine vjetra na dvije različite lokacije:
Atlantski ocean (66oN 4o W, tamnoplavo) i sjeverna Njemačka (52oN 11oE,
svjetlosmeđe). Maksimalna vjerojatnost odgovarajuće Weibullove razdiobe
Diplomski rad Janko Poturica
18
prikazana je punom (crvenom) linijom. (a) linearna skala (b) polulogaritamska
skala [9.]
Primjeri aproksimacije stvarnih izmjerenih podataka Weibullovom razdiobom su
na slici 7 gdje su lokacije odabrane tako da ilustriraju posebno dobre i loše
aproksimacije. Općenito, Weibullova funkcija gustoće razdiobe je relativno dobar
model za oceane i mora, pa ipak, histogrami za velika kopnena područja
aproksimiraju se s relativno velikom pogreškom. Slika 7 pokazuje da ni srednje
brzine vjetra niti rep sa velikom brzinama vjetra nisu dobro aproksimirani
Weibullovom funkcijom. U praksi je posebno problematična netočnost
aproksimacije velikih brzina vjetra jer je tipična brzina (“cut in” brzina) vjetra ispod
koje turbine ne rade 3-5 m/s i zbog toga je adekvatna aproksimacija repa koji
sadrži velike brzine vjetra ključna za predviđanje proizvodnje.
2.1.4. Podjela vjetroelektrana Općenito postoje dva tipa vjetroelektrana: s okomitim i s vodoravnim rotorom.
Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rjeđe koriste. Većina vjetroturbina sa
vodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomoću elektromotora i prijenosa
drži turbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine
mogu biti okrugli čelični, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za
male zračne turbine. Velike zračne turbine se izvode sa okruglim čeličnim
tornjevima, koji se proizvode u dijelovima od 20 – 30 metara koji se spajaju na
mjestu postavljanja turbine. Promjer tornja se povećava prema temelju, da bi
povećali čvrstoću i uštedili na materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem
čeličnih profila. Osnovna prednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola
manje materijala a postiže se ista čvrstoća. S obzirom na mjesto postavljanja
vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljaju na kopnu i one na morskoj
pučini. S obzirom na snagu uobičajena je podjela na male (1 do 30 kW), srednje i
velike (30 do 1500 kW), te one na pučini (>1500 kW).
Male se koriste obično na dalekim izoliranim mjestima, pri čemu postoji velika
raznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obično rade na mreži,
kao samostalne ili u grupi (vjetroparkovi). One instalirane snage veće od 650 kW
danas su su komercijalne i proizvode se u velikim serijama. Vjetroelektrane na
Diplomski rad Janko Poturica
19
pučini mogu imati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u
razvoju, a glavna zapreka je velika cijena postolja.
2.1.5. Osnovni djelovi vjetroelektrane
Slika 8 Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [11.]
Lopatice (eng. blades) - većina vjetroturbina ima sustav s dvije ili tri lopatice. S
obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao
aerodinamičnim kočnicama) ili s krilcima. Obje izvedbe su ujedno sekundarni
kočni sustavi, koji u slučaju otkaza primarnog kočnog sustava (mehanička
kočnica) stvaraju moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom
površinom (eng. spoiler), te na taj način ograničavaju brzinu vrtnje.
Rotor - sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glava (eng. hub) i lopatice.
Kočnica (eng. brake) - kada generator ispadne iz mreže, odnosno brzina naleta
vjetra prijeđe maksimalnu vrijednost (isključnu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do
izrazitog dinamičkog opterećenja mora postojati kočni sustav kako bi rasteretio
prijenosnik snage, odnosno zaustavio rotor. Osim toga, bitno je reći da je također
zadatak ovog sustava održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno
osigurati sustav čije je djelovanje dinamički uravnoteženo. Disk kočnica je
Diplomski rad Janko Poturica
20
najčešća izvedba kočnog sustava (kojom se na suvremenim strojevima upravlja
mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnoj osovini prije prijenosnika ili na
brzookretnoj osovini generatora.
Prijenosnik snage (eng. gear box) - prijenosnik vjetroturbine spaja sporookretnu
s brzookretnom osovinom i povećava brzinu vrtnje s oko 30 – 60 o/min na oko
1200 – 1500 o/min tj. na brzinu vrtnje, za većinu generatora, nužnu za stvaranje
električne energije. Prijenosnik je u većini slučajeva multiplikator i može biti
različitih izvedbi. Hlađenje prijenosnika se najčešće vrši zrakom, a podmazivanje
sintetičkim uljem. Prilikom analiziranja načina na koji se vrtnja prenosi s
vjetroturbinskog dijela na električni generator, naročitu važnost zauzimaju
materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prijenosni omjer. Prijenosnik je
skup i težak dio vjetroturbine pa zbog toga inženjeri istražuju mogućnost izravnog
pogona generatora bez prijenosnika.
Generator - turbinski dio vjetroelektrane s rotorom, kočnicama i prijenosnikom
snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, čija je osnovna funkcija pogon
generatora. Za pravilno i sigurno funkcioniranje čitavog vjetroturbinsko -
generatorskog sustava, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: visok
stupanj iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja, izdržljivost
rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih
sustava, izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim
opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju
generatora. Uzimajući u obzir uvjete povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost
na krute čestice, povišenu temperaturu i slične uvjete, pred generatore se također
postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su
kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora.
Upravljački i nadzorni sustav (eng. controller) - kao što samo ime kaže, ovaj
mikroprocesorski upravljan sustav je u osnovi zadužen za cjelokupno upravljanje i
nadziranje rada vjetroturbinsko-generatorskog sustava. Ako ovakav sustav nije u
cijelosti smješten na vjetroturbinskoj jedinici (kao što može biti slučaj), već je
jednim dijelom na nekom udaljenijem mjestu onda sustav zahtjeva i posebnu
telekomunikacijsku opremu.
Diplomski rad Janko Poturica
21
Oprema za zakretanje (eng. yaw gear) - služi za zakretanje turbinsko-
generatorskog sustava. Nalazi se ispod kućišta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko
pužnog prijenosa (omjera reda veličine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom,
učvršćenim na stupu, izravnava se os osovine rotora s pravcem vjetra. Zakretanje
zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje
zakretanje kućišta zbog naleta vjetra. Zakretanje kućišta regulira sustav koji je
izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset
minuta dogodi se zakretanje kućišta).
Gondola (eng. nacelle) - kućište s jedne strane štiti generatorski sustav sa svim
komponentama od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke dotičnog
sustava.
Stup (eng. tower) - može biti izveden kao cjevasti, konusni, teleskopski,
rešetkasti, učvršćeni ili povezani. Danas se najčešće koristi cjevasta konstrukcija,
a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke čvrstoće karakterizira i veća
otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti,
a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i
montažu.
2.1.6. Vjetroelektrane i stabilnost EES-a Priključenje vjetroelektrana na elektroenergetsku mrežu je značajan problem
obzirom na to da vjetroelektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sustava i
kvalitetu električne energije u mreži. Kriteriji priključenja se definiraju u obliku
Mrežnih pravila za vjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se Mrežna pravila
ne izrađuju na način da isključe ili diskriminiraju određenu vrstu generatora,
njihove su odredbe obično definirane imajući u vidu konvencionalne
termoelektrane i hidroelektrane. Vjetroturbinski generatori se znatno razlikuju od
sinkronih generatora zbog čega se uobičajeno izrađuju dvije vrste Mrežnih pravila
za vjetroelektrane; jedna se vrsta odnosi na njihovo priključenje na prijenosni
sustav (nazivni napon ≥ 110 kV), a druga na distribucijski sustav (nazivni napon ≤
35 kV).
Sposobnost održavanja stanja pogonske ravnoteže pri normalnim uvjetima i
sposobnost postizanja prihvatljivog stanja ravnoteže pri pogonskim uvjetima nakon
pojave poremećaja, može se definirati kao stabilnost elektroenergetskog sustava.
Diplomski rad Janko Poturica
22
Pod pojmom stabilnost podrazumijeva se iznos napona, kut, frekvencija, koji mogu
biti promijenjeni (poremećeni) uslijed priključenja vjetroelektrana na električnu
mrežu. Najčešća vrsta priključka vjetroelektrana je na distribucijsku mrežu.
Današnji distribucijski sustavi se izvode na način da omoguće prihvat snage iz
prijenosne mreže, koju će zatim razdijeliti potrošačima tako da se tokovi djelatne i
jalove snage uvijek kreću u smjeru od više prema nižoj naponskoj razini.
Distribucijska mreža može biti aktivne ili pasivne naravi. Kod mreže pasivne naravi
misli se na napajanje potrošača, dok aktivna podrazumijeva tokove snaga i
napone koji su određeni na osnovi kako opterećenja, tako i proizvodnje. Dakle,
distribuirana proizvodnja uzrokuje promjene tokova djelatne i jalove snage, te
stvara značajne tehničke i ekonomske posljedice po EES. Kako je mreža do sad
bila pasivne naravi, te je gotovo uvijek zadržavala stabilnost uz stabilnu prijenosnu
mrežu, problem stabilnosti nije ulazio u analizu distribucijskih mreža. Isto tako pri
procjeni iskoristivosti proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora,
stabilnost se u većini zemalja rijetko uzima u obzir i analizira. Međutim, s
očekivanim povećanjem prodiranja obnovljivih izvora te njihovim doprinosom
sigurnosti mreže, predviđa se da će se takav pristup stabilnosti promijeniti s
posebnim naglaskom na analizu stabilnosti kuta i napona. Stabilnost frekvencije
pojavljuje se kao problem u izoliranim sustavima, kao što su oni na udaljenim
otocima. Ako postoji povećana integriranost vjetroelektrana i EES-a, u slučaju
brzih promjena vjetra i vrlo visokih brzina vjetra, može doći do iznenadnih gubitaka
proizvodnje, odnosno do odstupanja frekvencije i dinamički nestabilnih stanja.
2.2. Energija Sunčeva zračenja i FN elektrane
Energija Sunca osnovni je pokretač svih klimatskih i životnih ciklusa na Zemlji.
Stoga je Sunce predstavljalo centar pravjerovanja brojnih civilizacija. Danas Sunce
doživljavamo kao izvor ugode i kao enormni neiskorišteni potencijal za
podmirivanje energetskih potreba uz minimalan utjecaj na globalno zagrijavanje.
2.2.1. Potencijal Sunčeva zračenja Energija Sunčeva zračenja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okreće oko
svoje osi i oko Sunca. Posljedično imamo dnevne i sezonske mijene snage
Sunčeva zračenja koje stiže do površine Zemlje. Snaga Sunčeva zračenja na
ulazu u Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 1370 W/m2
Diplomski rad Janko Poturica
23
(uslijed blage ekscentričnosti putanje Zemlje oko Sunca i različite udaljenosto
tijekom godine vrijednost solarne konstante varira ±3,5%. To se može zanemariti
prema ostalim varijabilnim utjecajima). Do površine Zemlje stiže otprilike pola.
Snaga koju stvarno na površini imamo značajno ovisi o prilikama u atmosferi i o
oblacima. Za grubu ocjenu prosječne snage Sunčeva zračenja na površini zemlje
tijekom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro 200 W/m2.
Za neku određenu lokaciju potencijal Sunčeva zračenja se određuje mjerenjem i
analitički. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Analitički pristup daje
zadovoljavajuće rezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozračnosti (Kt – određuje
koliko zračenja dođe do površine). Piranometrom (termičkim ili poluvodičkim) se
mjeri globalna (ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozračenost na horizontalnu
površinu (gustoća energije - H Wh/m2). Daljnja analitička procjena je nužna zbog
toga što su rezultati mjerenja najčešće dostupni samo za ukupnu ozračenost i jer
se konverzija Sunčeva zračenja odvija pod određenim kutom (β) u odnosu na
horizontalnu površinu, a difuzno i direktno zračenje također ovise o tom kutu i o
indeksu prozračnosti. Dodatno treba voditi računa i o reflektiranoj komponenti koja
ovisi o direktnoj komponenti, kut β i specifičnoj konfiguraciji terena.
Slika 9 Prosječna dnevna ozračenost na ravnu površinu [kWh/m2] [3.]
Diplomski rad Janko Poturica
24
Slika 10 Ukupna godišnja ozračenost [kWh/m2] za površinu pod optimalnim
kutom [3.]
Spektar svjetlosti koja obasjava FN ćeliju ovisi o debljini i sastavu atmosfere
kroz koju prolazi. Slika 11 ilustrira utjecaj stanja u atmosferi (smog i oblaci) na
intenzitet.
Slika 11 Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Sunčeva zračenja
tijekom dana [3.]
Diplomski rad Janko Poturica
25
Ovisno o dobu dana, zemljopisnoj širini i godišnjem dobu svjetlost do neke
točke na površini Zemlje putuje kroz deblji ili tanji sloj atmosfere. Koliki je taj put u
odnosu na najkraći izražava se kao omjer mase zraka. Slika 12 prikazuje spektar
Sunčeva zračenja na ulazu u atmosferu i na tlu nakon direktnog prolaza.
Slika 12 Spektar Sunčeva zračenja na ulasku u atmosferu i na površini
Zemlje [3.]
Za procjenu potencijala korištenja Sunčeva zračenja i preliminarne analize
primjene dovoljni su i ovako relativno grubi podaci. Ograničenje za korištenje
Sunčeve energije u podnebljima poput našega sigurno nije primarno u dostupnim
podacima o potencijalu. Vodeća Europska zemlja u korištenju Solarne energije je
Njemačka gdje je godišnja prosječna ozračenost na optimalnu površinu ispod
1000 kWh/m2.
Diplomski rad Janko Poturica
26
2.2.2. Fotonaponske ćelije Pojavu da svjetlost određene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink
ili natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ove
kvantnomehaničke pojave, kojom se može proizvoditi električnu energiju, dao je
Einstein 1905. Prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava opisani
efekt, ostvarena je 1954. u Bell Labs.
Prema podacima za 2006. u svijetu ima 8400 MWe instalirane snage
fotonaponskih ćelija. EU ima instalirano preko 40% ukupnog svjetskog kapaciteta,
a preko 90% toga je instalirano u Njemačkoj.
Fotonaponsko korištenje Sunčeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom
od 40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastući novi izvor. Ovako veliki rast
predstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr.
silicija i indija). Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankog-
filma, uz solidan stupanj djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da će
se potrebe za osnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati.
Fotoefekt kojim se može proizvoditi električna energije nastaje kada foton
dovoljne energije pogodi elektron u neutralnom p-n poluvodičkom spoju. Poluvodič
p-tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna
elektrona) dopira 3 - valentnim elementom, npr. borom, a n-tip ima slobodne
šupljine (manjak elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim elementom,
npr. fosforom. Na spoju ova dva tipa poluvodiča, rekombinacijom elektrona i
šupljina, nastaje neutralno područje sa električnim poljem. Da bi foton u sudaru
prebacio elektron kroz to polje treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju. To
praktično znači da svi fotoni koji imaju energiju manju od potrebne ne mogu
ostvariti fotoefekt, a svi elektroni koji imaju veću energiju od potrebne ostvaruju
izbacivanje samo jednog elektrona. Različiti materijali imaju određeni iznos
energije praga ili zabranjenog pojasa.
Diplomski rad Janko Poturica
27
Slika 13 Teorijska efikasnost za razne poluvodičke materijale i prosječne
uvjete [3.]
Teorijska iskoristivost Sunčeve svjetlosti za proizvodnju električne energije u
fotonaponskoj ćeliji sa jednim p-n spojem ograničena je energijom praga kristala i
nizom efekata gdje se gubi energija (npr. zagrijavanje i parazitne struje ovisno o
temperaturi). Od teorijskog maksimuma za silicij od 28% na 0 oC u laboratoriju je
ostvareno 25%. Praktično se može postići stupanj djelovanja i preko 50%
kombiniranjem više p-n spojeva zajedno i drugim naprednim rješenjima (npr.
kvantne točke i udubljenja) koja iskorištavaju potpunije spektar Sunčeva zračenja.
Napon i maksimalna efikasnost na fotonaponskoj ćeliji ovise o energiji praga
poluvodiča (slika 13).
Diplomski rad Janko Poturica
28
Slika 14 Kako radi solarna ćelija [10.]
Strujno naponska karakteristika FN ćelije je slična onoj poluvodičke diode, ali
kao izvor el. en. Za praktične primjene dobro je gledati I-U karakteristiku na nivou
modula u koji se FN ćelije spajaju. Način povezivanja FN ćelija u module ovisi o
željenom izlaznom naponu i snazi koje se želi postići. Slika 15 prikazuje I-U
karakteristiku za Si FN ćeliju.
Praktične izvedbe FN ćelija karakterizira napon otvorenog kruga, struja kratkog
spoja te stupanj djelovanja. Kod instalacije FN modula treba paziti na to da stupanj
djelovanja FN ćelije pada sa porastom temperature (skoro 0,5% za +1 oC).
Važna je činjenica da izgled karakteristike FN diode određuju unutrašnji otpori i
da se maksimalna snaga na trošilu postiže samo u jednoj točki.
Diplomski rad Janko Poturica
29
Slika 15 I-U karakteristika za Si FN ćeliju [3.]
Slika 16 Podudarnost Sunčeve energije i potreba za el. en. tijekom dana [3.]
Diplomski rad Janko Poturica
30
Nazivna snaga
Fotonaponski sustavi se označavaju prema vršnoj snazi (peak kilowatts, kwp).
To je količina električne snage koja bi trebao isporučiti novi, čisti sustav kad je
Sunce direktno iznad glave u vedrom, čistom danu. Sa sigurnošću možemo
zaključiti da stvarno proizvedena snaga nikad neće dostići tu vrijednost. Snaga
sustava će biti manja zbog kuta Sunaca, atmosferskih uvjeta, prašine u zraku i na
samoj površini, i na kraju zbog zamora materijala. Osim toga, u usporedbi sa
konvencionalnim sustavima, fotonaponski sustavi mogu generirati snagu samo
tijekom dana.
Efikasnost ćelija
Efikasnost fotonaponskog sustava je postotak sunčeve energije koja padne na
fotonaponski panel koji se pretvori u električni energiju. Tablice efikasnosti rade se
prema laboratorijskim mjerenjima gdje se koriste manje ćelije. Manja ćelija ima niži
unutarnji otpor i zbog toga će biti efikasnija nego veće ćelije koje se koriste u
praksi. Dodatno, fotonaponski paneli se rade tako da se brojne ćelije serijski spoje
da bi davale neki praktični napon. Zbog unutrašnjeg otpora svake ćelije ukupni
otpor se poveća i efikasnost padne na 70% vrijednosti samostalne ćelije.
Efikasnost je veća na nižim temperaturama, a u laboratorijima se radi na nižim
temperaturama nego u praksi.
Efikasnost pretvorbe
Najefikasniji FN moduli su izgrađeni od monokristalnog silicija, koji daje
efikasnost do 15%, ali je i najskuplji za proizvodnju. Polikristaln silicij je jeftiniji, ali
ima i manju efikasnost. Najmanji korisnost imaju ćelije koje koriste amorfni silicij,
ali su zato najjeftinije.
2.3. Energija vode i male hidroelektrane
Energija položaja vode obnovljiva je zahvaljujući Sunčevoj energiji koja
neprestano održava hidrološki ciklus. Uobičajeno je različito vrednovanje velikih i
malih hidroelektrana kada je riječ o utjecaju na okoliš. Premda sveobuhvatna
istraživanja nisu dostupna uvriježen je pogled da se korištenje energije položaja
vode u malim postrojenjima smatra ekološki prihvatljivijim. No, i za velika
Diplomski rad Janko Poturica
31
postrojenja se smatra da je njihov višestruki negativni utjecaj na okoliš
nadomještava doprinos smanjenju emisije stakleničkog plina CO2. Ovo poglavlje u
nastavku opisuje prirodu i resurse energije položaja vode kako u svijetu tako i u
Republici Hrvatskoj. Opisano je stanje i trend korištenja malih hidroelektrane
(MHE). Potom su iznesene glavne značajke za MHE. Na kraju je dan opis češće
korištenih vodnih turbina i generatora s napomenama o načinu priključivanja MHE
na el. en. mrežu. Količina vode i iskoristiv pad određuju potencijal za korištenje
energije položaja vode. Padaline i tlo (konfiguracija i sastav) određuju obje
značajke. Uobičajeno je za neki vodotok prikazivati srednju vrijednost protoka u
ovisnosti o nadmorskoj visini (tzv. Q-H dijagram).
Za neku konkretnu lokaciju od značaja je poznavati vjerojatno trajanje
određenog protoka vode i iskoristivi pad. Krivulja trajanja protoka nastaje iz
mjerenja ili iz procjene. Samo dugotrajna mjerenja protoka mogu dati pouzdane
podatke zbog velike varijabilnosti uslijed uobičajenih klimatskih varijacija. Slika 3
ilustrira krivulju protoka i krivulju trajanja protoka.
Slika 17 Krivulja protoka kroz godinu [3.]
Diplomski rad Janko Poturica
32
Poznavanjem ili procjenom trajanja protoka i iskoristivih padova moguće je
procijeniti hidroenergetske resurse. Uobičajeno se HE resursi dijele na ukupni
(teorijski), tehnički i ekonomski iskoristive. Tehnički potencijal je nekoliko puta (npr.
3x) manji od ukupnog i nešto veći (npr. 30%) od ekonomskog. Konačnu
iskoristivost određuju ekološki, ekonomski i društveni faktori zbog kojih danas
gotovo da više i nema daljnjeg korištenja HE u velikim postrojenjima razvijenih
zemalja.
Slika 17 ilustrira veliku varijabilnost protoka rijeke tijekom godine i još veću kroz
više godina. Ovisno o vremenu topljenja snijega kod nižih planinskih područja
vršni protok se pojavljuje tijekom proljeća, a kod viših tijekom ljeta. Varijabilnost
protoka ima značajan utjecaj na mogućnost proizvodnje el. en. i ekonomičnost
postrojenja. Posebno kada je mogućnost akumuliranja vode mala kao kod MHE.
2.3.1. Male hidroelektrane Mala HE može sadržavati sve elemente koje ima veliko postrojenje. Razlika je
najveća u znatno manjoj potrebi za ekstenzivnim hidrološkim i topološkim
studijama te u relativno malom obimu potrebnih građevinskih radova. Ovo
posebice vrijedi za male protočne HE, ali značajno je i kod rješenja s
akumulacijom.
Razlog navedenih razlika dijelom je u manjem korištenju protoka, a dijelom i u
mogućnosti primjene inovativnih fleksibilnih rješenja. Primjerice dovodni kanal se
može probušiti kroz zemlju, a prepreka u vodotoku može biti gumena i adaptivna
za razne protoke. Slika 18 ilustrira raznolikost mogućnosti izvedbi malih HE.
Diplomski rad Janko Poturica
33
Slika 18 Moguće izvedbe malih HE
Za sve izvedbe potrebni su zahvat, dovod, postrojenje i odvod. Ovisno o
specifičnosti izvedbe potrebna je pregrada (brana), vodna komora, tlačni cjevovod,
zaštita od hidrauličkog udara te zaustavni ventili. Postrojenje se uvijek sastoji od
turbine, generatora el. en., rasklopnog postrojenja te sustava kontrole, zaštite i
nadzora cijele MHE.
Pregrada ili brana za MHE se najčešće izvodi tako da osigura minimalni utjecaj
na tok vode i život u njoj. Zanimljiva su tzv. kombinirana rješenja od gume i sl. gdje
se veličina pregrade mijenja količinom napuhanog zraka ili vode. Sva rješenja
brana trebaju imati posebno izvedene mogućnosti reguliranja preljeva i čišćenja
nakupina sitnih i krupnih naslaga na rešetkama kod zahvata vode. Kod izvedbi
gdje se ne održava konstantan pad pregrade se mogu izvesti bez pokretnih
dijelova.
MHE mogu biti izvedene (ovisno o padu) kao nisko (do 20 m), visoko (preko
100 m) i srednje tlačne (između). Prema tome kako su postavljene u odnosu na
Diplomski rad Janko Poturica
34
riječni tok MHE mogu biti protočne i derivacijske. Ova podjela je identična kao i za
velike HE.
Turbina i generator predstavljaju dvije najvažnije aktivne komponente HE.
Principi djelovanja i izbor turbine i generatora slični su kao i za velike HE.
Značajna je razlika u tom što se za MHE turbine i generatori ne proizvode
posebno za svaku izvedbu. Za MHE postoji veliki izbor gotovih vrsta i veličina
turbina i generatora.
Turbina
Voda u pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehaničku energiju na osovinu.
Ovisno o uvjetima koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj različitih
izvedbi da bi se postigla efikasnija pretvorba energije. Najpoznatije turbine kod
velikih postrojenja su Pelton, Francis i Kaplan. Za mala postrojenja postoji veliki
broj dodatnih izvedbi od kojih je poznatija Michel-Banki (s poprečnim tokom).
Turbine za MHE se rade serijski, a postoje i primjene s pumpama zbog
ekonomičnosti. Razlika turbina u principu djelovanja odražava se na optimalni
raspon protoka i padova za stupanj djelovanja. Slika 19 prikazuje područje
primjene različitih vrsta turbina prema protoku i padu. Uočljivo je da poznate vrste
turbina pokrivaju područje primjene za velika i mala postrojenja. Turbine s
poprečnim protokom i Turgo pokrivaju područje padova i protoka za male HE (isto
vrijedi i za veliki broj različitih vrsta turbina koje nisu prikazane na slici).
Vidljivo je da se područja primjene uvelike preklapaju te se odluka o izboru
temelji na ekonomskim i drugim tehničkim parametrima. Svaka turbina ima
maksimalan stupanj djelovanja pri instaliranom protoku (ili u blizini). Ovisno o vrsti
turbine stupanj djelovanja se manje ili više smanjuje sa smanjivanjem protoka
vode.
Diplomski rad Janko Poturica
35
Slika 19 Područje primjene različitih vrsta turbina (prema protoku i padu) [3.]
Slika 20 Promjena stupnja djelovanja turbine u ovisnosti o protoku vode [3.]
Diplomski rad Janko Poturica
36
Slika 20 prikazuje promjenu stupnja djelovanja za odabrane turbine. Vidljivo je
da Kaplan i Pelton turbine imaju stupanj djelovanja koji je dobar i stabilan u
velikom rasponu protoka. Ovakva karakteristika ima svoju cijenu.
Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode (akcija energije položaja
vode pretvorena u konetičku energiju) pri približno atmosferskom tlaku. Kod
izvedbi s više mlazova situacija s tlakovima je nešto složenija. Male Pelton turbine
mogu raditi ekonomično već i s protocima od 30 l/s uz pad od 20 m. Da bi se
smanjilo aksijalne sile kod većine modernijih izvedbi lopatice turbine su oblikovane
tako da razdvajaju mlaz. Za optimiranje efikasnosti i osiguravanje slobodnog
otjecanja vode nakon lopatica potrebno je osigurati ispunjavanje Masonyieva
kriterija da omjer promjera lopatica (D) bude 10 puta veći od promjera mlaza. Kod
promjene opterećenja ili potrebe za naglim zaustavljanjem turbine potrebno je
zaustaviti ili preusmjeriti mlaz od lopatica. Promjena smjera mlaza vode je bolje
rješenje jer naglo zaustavljanje protoka može izazvati tzv. vodni udar. Ponekad se
primjenjuje i protumlaz kao vodna kočnica. Jednostavnost izvedbe i pristupa
osigurava lagano održavanje Pelton turbine.
Francis turbina se može instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna
izvedba ima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja
jer zahtijeva veći prostor, ima veću ukupnu masu postrojenja i dodatno je složenija
za održavanje. Francis turbina ima niz nedostataka u odnosu na Pelton izvedbu:
osjetljivija je na problem kavitacije i na nečistoće u vodi; efikasnost značajno
opada kod manjeg protoka od nazivnog (ovisno o izvedbi već kod 50%
instaliranog protoka pada blizu 0,6); pogon nije stabilan kod protoka manjeg od
40% instaliranoga; brzo zatvaranje protoka izaziva veći vodni udar te je potrebno
bolje dimenzionirati dovodnu cijev; kompleksnija izvedba i kontrola zahtijevju
složeno održavanje. Prednost Francis turbine u odnosu na Pelton je u
iskorištavanju kompletnog pada. Iskustveni podaci o brzini okretanja Francis
turbine za padove od 10 do 50 m su između 900 i 1200 min-1, a za veće padove i
do 1500 min-1.
Kaplan turbina se koristi za male padove ili za protočne HE. Prednost Kaplan
turbine prema drugim sličnim izvedbama za male padove (npr. bulb, propeler, S i
Straflo) je u manjoj cijeni i u pozicioniranju elektromehaničkog dijela izvan vode
(lakše održavanje i sigurnije kod poplavljanja). Utjecaj na okoliš izvedbi s Kaplan
Diplomski rad Janko Poturica
37
turbinom je manji zbog nepostojanja akumulacije i manjeg zauzimanja prostora.
Ovisno o protoku (reguliran ili varijabilan) postoje izvedbe sa fiksnim i pomičnim
krilcima lopatica rotora (veća efikasnost). Dvostruka regulacija osigurava dobar
stupanj djelovanja za veliki rasopn protoka (do 30% instaliranog protoka).
Michel-Banki turbina (crossflow – poprečna; s radialnim potiskom) za razliku od
ostalih ima primjenu samo kod MHE (do 0,8 MW). Kod primjene protoci se kreću
između 25 i 700 l/s. Rotor se dijeli na 26 do 30 pregrada ovisno o promjeru (od 0,2
do 0,6 m). Turbina se instalira sa slobodnim otjecanjem vode ili sa nastavkom
(difuzor) za korištenje cijelog pada. Posebnost podjele rotora na 1/3 i 2/3 za
efikasnije korištenje manjih protoka od nazivnoga je već prije spomenuta (slika na
prethodnim stranicama). Varijabilni kapacitet protoka osigurava rad i na 20%
instaliranog protoka. Ovo je važno za veliki broj potencijalnih lokacija za vrlo male
HE s jako promjenjivim protokom. Dodatna prednost Michel-Banki turbine je brzo
sastavljanje, manji zahtjevi na izvedbu postrojenja (građevinski radovi) i lagan
pristup svim dijelovima za održavanje.
Vodno kolo povezano je s najstarijim načinom korištenja energije položaja vode.
Zanimljivo je da i danas vodno kolo ima veliki broj prednosti kod vrlo malih HE.
Najprije vrlo je veliki broj lokacija koje imaju relativno mali pad i umjerenu snagu
(<5 m, do 75 kW). Potom, vodno kolo predstavlja dobar kompromis između
proizvodnje i očuvanja okoliša. Pogon je neometan prljavštinama u vodi. Tijekom
rada se ostvaruje samoregulacija momenta promjenom količine zahvaćene
količine vode. Nedostatak vodnog kola je mala kutna brzina (do 8 min-1) koja
zahtjeva multiplikator brzine (prijenos ili remen) prema generatoru (~1:20) što
izaziva dodatne gubitke. Pokraj toga potreba za reguliranjem brzine komplicira
veliku jednostavnost izvedbu. Vodna kola se mogu koristiti za izvedbe koje imaju
pad do 10 m i protoke do 2 m3/s.
Vodne pumpe kao turbine za vrlo male HE dosta se često primjenjuju. Osnovni
razlog tome je u činjenici da su vrlo jeftine (masovna proizvodnja) i lako se
nabavljaju s velikim varijacijama karakteristika. Njihov nedostatak je u manjoj
efikasnosti i većoj osjetljivosti na kavitaciju i radni raspon. Glavni problem
predstavlja nemogućnost kontrole protoka. Primjena je stoga najjednostavnija s
konstantnim protokom. Uvjete promjenjivog protoka je moguće rješavati na
različite načine, npr.: dodatna manja pumpa, ili elektronska kontrola (tereta).
Diplomski rad Janko Poturica
38
Generator
Rješenja MHE za samostalni rad moraju imati sinkroni generator što poskupljuje
izvedbu. Male HE koje su priključene na mrežu najčešće koriste jednostavni
asinkroni generator. Izvedbe vrlo malih snaga (ispod 100 kVA) se priključuju na
niskonaponsku mrežu (0,4 kV), a za veće snage se radi priključak na
srednjenaponsku mrežu (10/20 kV). Potrebno je osigurati faktor snage iznad 0,9.
Treba voditi računa o strujama kratkog spoja, prenaponskoj zaštiti, zaštiti od
napona dodira i ponovnom automatskom uključivanju. Sve izvedbe trebaju imati
nadstrujnu, podnaponsku i zaštitu od kratkog spoja. Za snage iznad 0,25 MVA
treba dodati i zaštite generatora od zemnog spoja i povratne snage (sinkroni
generator). Mjerenje el. en. (radne i jalove u oba smjera) i brojnih drugih veličina
obvezno je i potrebno za dobar i autonoman rad male HE.
Kod dimenzioniranja male HE (posebice turbine i generatora) važno je paziti na
ekonomičan odabir. To je moguće napraviti samo kada se poznaje krivulja trajanja
iskoristivog protoka, krivulju ovisnosti pada o protoku, gubitke na dovodu u funkciji
protoka, ovisnost efikasnosti turbine o protoku, obim građevinskih radova,
mogućnost iskorištavanja proizvedene el. en. (otočni rad ili ograničenje
povezanosti sa mrežom). Investicijski troškovi ovise o lokaciji i nazivnoj snazi: za
snage ispod 200 kW iznose oko 9000€/kW, a za snage oko 1 MW oko 5000€/kW.
Kod obnavljanja i moderniziranja cijene su višestruko niže.
Dobrim rješenjima MHE mogu dijelom smanjiti potrebu za fosilnim gorivima, a
integriranim pristupom pomoći kod navodnjavanja i zaštite od poplava. Male HE
mogu pozitivno djelovati na sigurnost i pouzdanost opskrbe el. en. u radu na
mreži. Slabe naponske prilike se mogu poboljšati na krajevima mreže. Moguć je i
negativan utjecaj na kvalitetu napona (izobličenja). Malim HE je moguće riješiti
napajanje udaljenih lokacija od mreže. Problem predstavlja varijabilnost dostupnih
protoka jer su akumulacije vrlo male ili ih uopće nema. Ukupno MHE ne
predstavljaju veliki potencijal, ali to je obnovljiv potencijal, moguće je koristiti
vlastita rješenja i dijelom smanjiti ovisnost o uvozu el. en.
Diplomski rad Janko Poturica
39
3. Stohastička priroda obnovljivih izvora energije Obnovljivi izvori energije prema svojim su prirodnim obilježjima nestalni i
nepredvidivi. Primjerice, ne može se sa potpunom sigurnošću kratkoročno
predvidjeti intenzitet vjetra ili Sunčevog zračenja ili se ne može predvidjeti hoće li
pasti dovoljno kiše za dotok rijeka dovoljan za proizvodnju u hidroelektranama i
slično. Nestalna prirodna obilježja obnovljivih izvora energije ograničavaju
mogućnost njihovog prihvata u elektroenergetski sustav. Proizvodnja električne
energije iz obnovljivih izvora energije jako varira tijekom dana i teško je planirati
kada će elektrana raditi (i s kojom snagom) ili biti zaustavljena. Zbog toga, u mreži
uvijek mora postojati dovoljna pričuva trenutačno raspoložive instalirane snage
koja može pokriti nedostatak koji nastaje kada pojedini obnovljivi izvor ne radi
(primjerice, vjetroelektrana ne radi kada nema vjetra). Nadalje, elektroenergetska
mreža na određenoj lokaciji može primiti samo određenu količinu električne
energije bez opasnosti od preopterećenja i narušavanja stabilnosti ustava.
Najveće poteškoće s prihvatom u mrežu elektroenergetskog sustava javljaju se
kod vjetroelektrana i stoga se on ograničava na razinu snage, prihvatljivu za
električnu mrežu te siguran i stabilan rad cijelog sustava.
3.1. Utjecaj vjetroelektrana na EES
Utjecaj rada vjetroelektrana na EES možemo promatrati na tri razine: Utjecaj na okolnu prijenosnu i/ili distribucijsku mrežu - povećava se opterećenje
okolne mreže (struja, napon), povećavaju se statičke varijacije napona (specifično
za „slabije“ distribucijske mreže), dolazi do dinamičkih promjena napona, flikera i
javljaju se viši harmonici, promijenjeni zahtjevi na sustava zaštite okolne mreže itd.
Sustavni utjecaj na prijenosnu mrežu - utječe na dinamičku stabilnost,
održavanje frekvencije (posebno pri poremećajima), naponsku stabilnost itd.
Utjecaj na planiranje i vođenje EES-a - nije moguće dugoročno planirati
proizvodnju, ograničene su mogućnosti katkoročnog planiranja proizvodnje,
zahtjevi za dodatnom balansnom energijom (energijom odstupanja – razlika
planirane i realizirane potrošnje i proizvodnje električne energije na npr. satnoj
razini).
Diplomski rad Janko Poturica
40
Potrebni su dodatni kapaciteti za regulaciju radne snage i frekvencije.
Nemoguća je garancije snage itd.
Varijabilnost rada vjetroelektrana prisutna je na svim vremenskim razinama, a
ista se može ublažiti samo u slučaju dobre prostorne disperzije.
Predvidivost proizvodnje na dnevnoj razini u rijetkim slučajevima iznosi i do
90%, ali ipak rijetko iznad 50%. Na mjesečnoj, a pogotovo godišnjoj razini,
predvidivost proizvodnje vjetroelektrana po planskim intervalima (npr. mjesečna
proizvodnja u slučaju godišnjeg plana) je gotovo zanemariva. Zbog toga je nužna
odgovarajuća podrška odnosno rezerva u klasičnim elektranama. Za ilustraciju je
na slici prikazana usporedba tromjesečne i trodnevne prognoze s ostvarenim
vrijednostima proizvodnje vjetroelektrana u Danskoj, kao zemlji s najvećim
udjelom proizvodnje vjetroelektrana u ukupnoj proizvodnji električne energije.
Slika 21 Danska – primjer odstupanja plana proizvodnje vjetroelektrana od
realizacije [6.]
Diplomski rad Janko Poturica
41
Vjetroelektrane praktički ne mogu sudjelovati u primarnoj i sekundarnoj
regulaciji snage/frekvencije, te dodatno utječu na ukupnu regulacijsku grešku, što
zahtijeva dodatnu hladnu i rotirajuću rezervu u EES-u. Značaj ovakvog utjecaja
ovisi o ukupnom udjelu vjetrelektrana u EES-u i samoj strukturi EES-a.
Dosadašnja istraživanja ipak pokazuju kako varijacije proizvodnje vjetroelektrana
na razini 1-3 minute ipak nisu značajne i ne predstavljaju veći problem u vođenju
EES-a. To će zasigurno vrijediti i u Hrvatskoj, budući da visoki udio akumulacijskih
hidroelektrana može bez problema pokriti vjetroelektrane čak i u slučaju njihove
veće penetracije u EES Hrvatske. Međutim, to u određenoj mjeri može utjecati na
ekonomičnost rada hidroelektrana.
Među najvećim nedostacima vjetroelektrana u tržišnom okruženju spada
problem energije odstupanja (balansne energije). Radi se o energiji koja nastaje
kao razlika planirane i ostvarene proizvodnje/potrošnje na razini 15-60 minuta, a
koja se regulira na način da određene elektrane moraju povećavati ili smanjivati
svoju planiranu proizvodnju. Takva regulacija se naplaćuje od proizvođača i
potrošača koji su uzrokovali odstupanje, putem tržišnih mehanizama ili po
reguliranim tarifama. Odstupanje proizvodnje vjetroelektrana od planirane
proizvodnje na satnoj razini je redovito vrlo veliko, što može uzrokovati dodatne
troškove reda veličine 10-30% ukoliko bi se odstupanje stvarno naplaćivalo od
vjetroelektrana. Djelomično rješenje ovog problema se može potražiti u
međusobnom povezivanju svih proizvođača električne energije iz vjetroelektrana
(tzv. „balansna grupa“), budući da se u tom slučaju ukupna pogreška u relativnim
iznosima smanjuje.
Rezerva snage kod intermitentnih izvora kao što su vjetroelektrane trajno će
ostati kao problem koji nije moguće riješiti. Prema strogim kriterijima sigurnosti,
vjetroelektrane ne bi uopće trebalo uzimati u obzir po pitanju rezerve snage u
EES-u.
Diplomski rad Janko Poturica
42
Slika 22 Krivulja trajanja proizvodnje vjetroelektrana i raspoloživosti
konvencionalnih elektrana(Vattenfall – Njemačka) [6.]
U proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora imamo pouzdane i
promjenjive tipove tehnologija.
Pouzdane tehnologije su one u koje se, bez obzira na stanje zaliha ili tehnički
kvar, možemo pouzdati da će nam isporučiti električnu energiju kad nam je
potrebna. To se odnosi na akumuliranu hidroenergiju, biomasu, geotermalnu
energiju i u manjoj mjeri na tehnologiju koncentriranja solarne energije.
3.2. Promjenjivi obnovljivi izvori („var-RE“)
Var-RE postrojenja se oslanjaju na resurse koji fluktuiraju na vremenskoj razini
nekoliko sekundi do par dana i ne uključuju nikakav oblik integriranog spremnika.
Takve tehnologije uključuju direktnu energiju vjetra, energiju valova i plime,
protočnu energiju rijeka i solarnu energiju kod fotonaponskih panela. Proizvodnja
takvih postrojenja varira ovisno o količni dostupnog resursa (vjetra, oblačnosti,
Diplomski rad Janko Poturica
43
kiše, valova itd.). Takve tehnologije se često nazivaju intermitentnim
(isprekidanim), ali takav naziv nije ispravan. Ukupna proizvodnja na razini cijelog
sustava na pada sa pune snage na nulu i obratno nego određenim gradijentom
raste i pada kako se vrijeme mijenja.
Promjenjivost i povremeni prekidi opskrbe su realnost elektroenergetskih
sustava. Ispadi elektrana ili prijenosnih vodova, suše (utječu posebno na
hidroelektrane, ali ponekad čak i na „nuklearke“). Potrebe za električnom
energijom, koje se temelje na ponavljajućim obrascima društvenog ponašanja,
mogu biti relativno lake za predvidjeti, ali neočekivana vršna opterećenja se uvijek
mogu pojaviti (nagli porast ili pad temperature ili neki drugi razlog).
Meteorološka predviđanja, iako se polako poboljšavaju, i dalje su do određene
mjere nepouzdana, i to je razlog zabrinutosti povezan sa sposobnošću
elektroenergetskog sustava da uravnoteži opskrbu i potražnju kod visokih udjela
var-RE izvora i da održi siguran i stabilan rad sustava. U tom smislu, izazov kod
promijenjivih izvora nije toliko njihovo variranje, nego više predvidljivost.
Povezanost između potražnje i opskrbe iz var-RE
Često se bez rezerve uzima da povećanje proizvodnje iz var-RE izvora nužno
dovodi do dodatnog opterećenja u smislu uravnoteživanja ponude i potražnje. To
nije uvijek slučaj: ako se proizvodnja povećava u isto vrijeme kada raste i
potražnja, kao što je slučaj sa fotonaponskim ćelijama i klima uređajima u vrućim
zemljama, proizvodnja iz fotonaponskih sustava će unijeti malo neravnoteže, ali će
smanjiti razinu potražnje radeći kao „vršna“ elektrana. To može biti posebno važno
na razini distribucije gdje proizvodnja iz fotonaponskih sustava može biti locirana
na mjestu potrošnje (npr. solarne ćelije integrirane na uredske zgrade).
Faktori koji imaju efekt smanjivanja promjenjivosti (variranja)
Prije diskusije o mjerama koje se mogu poduzeti da se poveća fleksibilnost
elektroenergetskog sustava i tako omogući veći udio varirajućih obnovljivih izvora,
važno je razmotriti kako sama promjenjivost može biti smanjena do određene
razine – reduciranje ekstremno visokih i niskih vrijednosti. Jedna metoda je
kombiniranje različitih tehnologija na način da ukupna proizvodnja na točki
prihvata u mrežu bude relativno glatka. To može biti korisno u manjim sustavima
koji nisu sposobni apsorbirati velike fluktuacije.
Diplomski rad Janko Poturica
44
Udruživanje proizvodnih postrojenja na razini elektroenergetskog sustava
neupitno smanjuju promjenjivost. Ako se kombinirana proizvodnja mnogih var-RE
elektrana, koje se baziraju na različitim resursima i, što je važnije, raspršene su na
širokom prostoru, gleda kao proizvodnja jedne jedinice – njezina promjenjivost
prema elektroenergetskom sustavu je manja nego promjenjivost individualnih
elektrana. Iako vremenske fronte mogu biti na razini kontinenta, statistički – što je
veća udaljenost između dva generatora to će njihova proizvodnja biti manje
međusobno povezana. Taj efekt je posebno važan na razini sata.
Efekt izglađivanja je manje naglašen na nekopnenim postrojenjima: velike
oceanske fronte se rastežu stotinama kilometra, pa je potrebno jako široko
rasporediti postrojenja da bi se smanjila povezanost njihove proizvodnje.
Slika 23 ilustrira efekt zaglađivanja zbog prostornog rasporeda vjetroelektrana
u Njemačkoj. Pokazuje variranje normalizirane snage koju proizvedu A) jedna
turbina B) grupa vjetroelektrana i C) sve vjetroelektrane u Njemačkoj u vremenu
od 10 dana.
Udruživanje proizvodnje električne energije iz različitih tehnologija
Proizvodnja iz različitih varirajućih obnovljivih izvora se također može gledati
udruženo na razini elektroenergetskog sustava. Slika 24 pokazuje inverznu
korelaciju (povezanost) sezonskih faktora opterećenja (omjer stvarno isporučene
snage i maksimalne potencijalne snage postrojenja) vjetra i solarnih panela za
2005. godinu u Njemačkoj - više vjetra u zimi i više sunca ljeti. Da bi takav
raspored postrojenja imao efekt zaglađivanja, proizvodnja postrojenja mora biti
istog reda veličine.
Diplomski rad Janko Poturica
45
Slika 23 Efekt zaglađivanja kombiniranjem vjetroelektrana na različitim
lokacijama [5.]
Slika 24 Mjesečni faktori opterećenja za vjetrelektrane i solarne panele (2005.
godina) [5.]
Diplomski rad Janko Poturica
46
4. Model sustava u MATLABU
4.1. Programski paket MATLAB
MATLAB je složeni programski sustav i viši programski jezik za razna tehnička izračunavanja. Integrira računanje, vizualizaciju i programiranje u korisnički orijentiranom okruženju, u kojem se problemi i rješenja iskazuju u uobičajenoj matematičkoj notaciji.
Tipične primjene MATLAB-a su: numerička i simbolička izračunavanja, razvoj algoritama, akvizicija podataka, modeliranje i simulacija sustava, eksperimentiranja sa sustavima u stvarnome vremenu, analiza, obradba i vizualizacija podataka, znanstveno-inženjerska grafika, razvoj aplikacija, uključujući i razvoj grafičkih korisničkih sučelja.
MATLAB je interaktivni programski sustav kojemu je osnovni podatkovni element polje. Polju nije potrebno zadavati dimenziju pa se razni algoritmi, osobito oni koji zahtijevaju operacije s matricama i vektorima, programiraju neusporedivo brže u MATLAB-u nego u neinteraktivnim skalarnim programskim jezicima, kao što su C ili Fortran.
Ime MATLAB je akronim za matrix laboratory, jer je MATLAB izvorno bio pisan s idejom jednostavnog pristupa matričnim programskim paketima razvijenim u okvirima projekata LINPACK i EISPACK. Današnji MATLAB uključuje LAPACK i BLAS biblioteke koje sadrže najmodernije algoritme matričnih proračunavanja.
Na razvoj MATLAB-a od početaka prije dvadesetak godina pa sve do danas značajno su utjecali i mnogobrojni korisnici. Tako da je MATLAB na sveučilištima postao gotovo nezamjenljivi programski alat za izvođenje nastave na mnogobrojnim kolegijima iz prirodoslovnih i tehničkih znanstvenih disciplina. U industriji je MATLAB postao najzastupljeniji programski alat za visoko-učinkovita istraživanja i razvoj.
Osim ovoga temeljnoga programskog okruženja, MATLAB se sastoji i od velikoga broja dodatnih funkcija razvrstanih u tzv. "toolboxove" (engl. toolboxes), koji su organizirani prema području primjene. Primjerice, postoje "toolboxovi" za obradbu signala, upravljanje sustavima, neuronske mreže, neizrazitu logiku, wavelete, komunikacije, simboličku matematiku, statistiku itd. Ova široka lepeza "toolboxova" u velikoj mjeri doprinosi velikoj rasprostranjenosti i popularnosti MATLAB-a jer omogućuje korisnicima brzo učenje i primjenu specijaliziranih znanja iz odredjenog područja.
Diplomski rad Janko Poturica
47
4.2. Opis modela
4.2.1. Opće blok sheme Zadatak je bio modelirati stohastičnost nekoliko obnovljivih izvora energije na
različitim lokacijama. Bloka shema modela prikazana je na slici 25. Sastoji se od
tri modula: solarno ozračenje, vjetar, vodotok. Za Sunce i vjetar su kompletno
simulirane po tri lokacije za svaki izvor dok je za vodotok zbog složenosti uzeti
stvarni podaci od jedne lokacije.
output 7
lika
output 6
wind _os
output 5
wind _knin
output 4
wind _st
output 3
solarno _os
output 2
solarno _knin
output 1
solarno _du
Vjetar
Out1
Out2
Out3
Solarno zracenje
Out1
Out2
Out3
Protok vode
Out1
PV elektrana Dubrovnik
PV elektrana Knin
PV elektrana Osijek
Vjetroelektrana Split
Vjetroelektrana Knin
Vjetroelektrana Osijek
Mala hidroelektrana Lika
Slika 25 Blokovska shema kompletnog modela
Diplomski rad Janko Poturica
48
Na nekoliko lokacija simulirali smo stohastičnost proizvodnje snage električne
energije na satnoj frekvenciji (vjetar, solarno) i dnevnoj frekvenciji (protok vode).
Lokacije s kojih su uzeti višegodišnji mjereni podaci za solarnu energiju su
Dubrovnik, Knin i Osijek, podaci za vjetar su uzeti s lokacija u okolici Splita, Knina
i Osijeka, dok je protok od jedne ličke rijeke.
Datoteke u koje se spremaju rezultati simulacije su: solarno_du, solarno_knin,
solarno_os, wind_st, wind_knin, wind_os i lika.
Out 33
Out 22
Out11
Solarno Osijek
Out1
Solarno Knin
Out1
Solarno Dubrovnik
Out1
Slika 26 Opća blok shema modela za Sunce
Out33
Out 22
Out11
Vjetar Split
Out1
Vjetar Osijek
Out1
Vjetar Knin
Out1
Slika 27 Opća blok shema modela za vjetar
Diplomski rad Janko Poturica
49
4.2.2. Model stohastičnosti solarnog ozračenja i FN elektrane
Out11
prozracnost _satna
MATLABFunction
prozracnost _dnevna
MATLABFunction
model FN sustava
In1 Out1
ekstrateresticko ozracenje
MATLABFunction
Saturation 2
Saturation 1
Saturation
Product
Geo . sirina
43
Clock3
Clock1
Clock
Add
Slika 28 Blok shema stohastičnosti solarnog ozračenja i jednostavni model
FN elektrane
Funkcije prozracnost_dnevna i prozracnost_satna generiraju indeks
prozračnosti koji ustvari određuje količinu sunčevog zračenja koje dospije na
površinu. To je stohastički dio modela jer faktor prozračnosti ovisi o brojnim
utjecajima, prije svega oblačnosti. Sadržaji datoteka s programskim kodom nalaze
se u Dodatku.
Deterministički dio modela se odnosi na odnos položaja Sunca i Zemlje kroz
godinu. Taj odnos je u ovom kontekstu određen ekstraterestičkim ozračenjem.
Ekstraterestičko ozračenje ovisi o danu u godini i o geografskoj širini. Generiranje
ekstraterestičkog ozračenja kroz godinu opisano je funkcijom
ekstratersticko_ozracenje (kod se nalazi u Dodatku).
Out 11
to kW
-K-
module efficiency
-K-
Saturation 3 A [m2]
-K-In11
Slika 29 Blok shema FN elektrane
Diplomski rad Janko Poturica
50
Jednostavan model FN elektrane je prikazan blok shemom na slici 29. Blok
Saturation 3 označava nazivnu snagu (maksimalnu) 1 m2 solarnih ćelija. Blok
module efficiency je efiksnost cijelog sustava (odnosno koliko se dozračene
energije pretvori u električnu energiju). Imamo još i modul A [m2] (ukupna površina
solarnih ćelija) i modul koji pretvara snagu iz vata u kilovate.
4.2.3. Model stohastičnosti brzine vjetra i vjetroelektrane
Out11
brzina vjetra
MATLABFunction
Modelvjetroelektrane
MATLABFunction
Cut outClock
Slika 30 Blok shema stohastičnosti brzine vjetra i jednostavni model
vjetroelektrane
Blok shema se sastoji od bloka koji modelira brzinu vjetra kroz godinu (kod
funkcije je u Dodatku), bloka koji sadrži cut out brzinu vjetroturbine i blok u kojem
se na jednostavan način modelira vjetroelektrana (ulaz je brzina vjetra, a izlaz
generirana el. snaga).
4.2.4. Model protoka vode
Out11
netto pad
-K-
korisnost generatora
-K-
korisnist turbine u ovisnosti o protoku
f(u)
g force
-K-
Protok rijeke
Out1
Out2
Product
Slika 31 Blok shema stohastičnosti protoka vode kroz jednu godinu i
jednostavan model male hidroelektrane
Blok shema se sastoji od bloka koji sadrži protok vode kroz jednu godinu. Mala
hidroelektrana je pojednostavljeno modelirana.
Diplomski rad Janko Poturica
51
4.3. Prikaz rezultata dobivenih simulacijom
4.3.1. Stohastičnost snage na satnoj razini kroz jednu godinu
Slika 32 Prikaz proizvodnje električne snage male hidroelektrane (1500 kw)
na razni sata kroz jednu godinu
Diplomski rad Janko Poturica
52
Slika 33 Prikaz proizvodnje električne snage FN elektrane (1500 kw) na razni
sata kroz jednu godinu
Slika 34 Prikaz proizvodnje električne snage vjetroelektrane (1500 kw) na
razni sata kroz jednu godinu
Diplomski rad Janko Poturica
53
4.3.2. Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje
Slika 35 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim
elektranama kroz jednu godinu
Slika 36 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz
jednu godinu
Diplomski rad Janko Poturica
54
Slika 37 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim
elektranama kroz jedan mjesec
Slika 38 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz
jedan mjesec
Diplomski rad Janko Poturica
55
Slika 39 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim
elektranama kroz jedan dan
Slika 40 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz
jedan dan
Diplomski rad Janko Poturica
56
4.3.3. Variranje snage kroz razne vremenske periode
Slika 41 Srednja satna snaga FN elektrane (interval od 8 dana)
Dani sa nižom proizvodnjom su oblačni. Dnevna krivulja uglavnom prati krivulju
ekstraterestičkog ozračenja s manjim odstupanjima faktora prozračnosti. Naravno,
tijekom noći nema proizvodnje električne energije.
Diplomski rad Janko Poturica
57
Slika 42 Variranje snage FN elektrane
Prikaz variranja snage FN elektrane kroz jedan dan (prosjek na razini sata),
kroz jedan mjesec (prosjek na razini dana) i kroz jednu godinu (prosjek na razini
polumjesečnog intervala).
Diplomski rad Janko Poturica
58
Slika 43 Variranje snage vjetroelektrane
Prikaz variranja snage vjetroelektrane kroz jedan dan (prosjek na razini sata),
kroz jedan mjesec (prosjek na razini dana) i kroz jednu godinu (prosjek na razini
polumjesečnog intervala).
Vidi se da se odstupanje smanjuje što se kroz duži vremenski period promatra
prosječna proizvodnja.
Diplomski rad Janko Poturica
59
Slika 44 Variranje snage male hidoelektrane
Prikaz variranja snage male hidroelektrane kroz jedan dan (prosjek na razini
sata), kroz jedan mjesec (prosjek na razini dana) i kroz jednu godinu (prosjek na
razini polumjesečnog intervala).
Za razliku od Sunca i vjetra, protok više varira sezonski, dok je tijekom kraćih
perioda relativno stabilan.
Diplomski rad Janko Poturica
60
Slika 45 Usporedba proizvodnje el. en. jedne i svih VE
Iz prikaza je vidljivo da se stohastičnost smanjuje što se više (neovisnih)
proizvodnih postrojenja uzima u obzir.
Diplomski rad Janko Poturica
61
Slika 46 Usporedba proizvodnje el. en. iz jedne FN elektrane i svih OIE
zajedno
Iz prikaza je vidljivo da je puno manja stohastičnost što je veći broj različitih
izvora uključeno u sustav. Primjetan je veći utjecaj FN elektrana, ali to nije
problem jer se noću kad nema Sunca ionako troši mnogo manje el. energije.
Diplomski rad Janko Poturica
62
5. Zaključak Nakon provedene simulacije i stvaranja zadovoljavajućeg skupa podataka
provedena je analiza proizvodnje električne energije na razini jedne godine,
jednog mjeseca i jednog dana.
Pretpostavka s kojom smo krenuli u analizu je bila sljedeća: ako se kombinirana
proizvodnja mnogih OIE-elektrana, koje se baziraju na različitim resursima i, što je
još važnije, koje su raspršene na širokom prostoru, gleda kao proizvodnja jedne
jedinice – onda je njena promjenjivost (stohastičnost) prema elektroenergetskom
sustavu mnogo manja nego promjenjivost individualnih elektrana i proizvodnja je
ujednačenija.
Iz grafičkih prikaza vidljivo je da je pretpostavka točna jer je stohastičnost svih
elektrana zajedno manja od stohastičnosti proizvodnje pojedinih elektrana.
Nameće se zaključak da s povećanjem broja nezavisnih postrojenja (dakle
geografski dovoljno udaljenih) i kombiniranjem različitih obnovljivih izvora raste
stabilnost njihove zbirne proizvodnje.
Drugi zaključak koji se može izvesti iz prikazanih rezultata simulacije je vezan
za vremensku ovisnost variranja proizvodnje: što se proizvodnja promatra kroz
duži vremenski rok to je promjenjivost manja. Tako imamo da je najveća
promjenjivost na razini dana, a praktički zanemariva na razini godine, što se i
podudara sa očekivanjima.
Za pretpostaviti je da će kombinacija različitih obnovljivih izvora koji su dobro
prostorno razmješteni omogućiti veću stabilnost proizvodnje energije iz obnovljivih
izvora, a time omogućiti smanjivanje potrebne rotirajuće i hladne rezervne snage u
sustavu.
Diplomski rad Janko Poturica
63
6. Literatura 1. World wind energy report 2008.[brošura], World Wind Energy Association,
February 2009. URL: www.wwindea.org [30.09.2009.]
2. Suad Haličević, Vesna Bukarica, Elena Boškov, Brošura o tehnologijama za uporabu obnovljivih izvora energije [brošura] Sveučilište u Ljubljani, Elektrotehnički fakultet URL: http://www.vbpc-res.org/files/brosura1/Brochure1_CRO.pdf [30.09.2009.]
3. Damir Šljivac, Zdenko Šimić, Obnovljivi izvori energije – vrste, potencijal, tehnologije [publikacija u sklopu projekta AWERES (AWareness and Education in Renewable Energy Sources)] URL: http://www.aweres.net/Preuzmi/Obnovljivi%20izvori%20energije_dio%20I.pdf [30.09.2009.]
4. URL: http://www.hep.hr/oie/oie/ [30.09.2009.] 5. Empowering Variable Renewables, International Energy Agency, 2008.
URL: http://www.iea.org/g8/2008/Empowering_Variable_Renewables.pdf [30.09.2009.]
6. Ranko Goić, Marko Lovrić, Uklapanje vjetroelektrana u EES Hrvatske i ekonomska valorizacija električne energije proizvedene u vjetroelektranama [članak] URL: http://bib.irb.hr/prikazi-rad?&rad=245711 [30.09.2009.]
7. Zdenko Šimić, Obnovljivi izvori energije – male hidroelektrane, Zagreb, travanj, 2008.
8. Jayanta Deb Mondol, Yigzaw G. Yohanis, Brian Norton, Solar radiation modelling for the simulation of photovoltaic systems [članak], lipanj, 2007. URL: www.sciencedirect.com
9. Péter Kiss, Imre M. Jánosi, Comprehensive empirical analysis of ERA-40 surface wind speed distribution over Europe [članak], veljača, 2008. URL: www.sciencedirect.com
10. Thomas Penick, Bill Louk, Photovoltaic Power Generation [članak], prosinac, 1998. URL: http://www.teicontrols.com/notes/TechCommunicationsEE333T/FinalReport-PhotovoltaicPowerGeneration.pdf [30.09.2009.]
11. Nijaz Dizdarević, Matislav Majstrović, Srđan Žutobradić, Pogon vjetroelektrana [članak], 2003. URL: http://www.eihp.hr/~ndizdar/CIGRE2003_02.pdf [30.09.2009.]
12. HOMER - software za optimiziranje i analizu sustava baziranih na obnovljivim izvorima energije, http://www.homerenergy.com/ [30.09.2009.]
Diplomski rad Janko Poturica
64
7. Dodatak
7.1. Sadržaj datoteke brzina_vjetra_knin.m % funkcija koja opisuje variranje brzine vjetra kroz godinu % za generiranje brzine se koristi dvoparametarska Weibullova razdioba % generiraju se srednje satne vrijednosti % parametri Weibullove razdiobe aproskimiraju stvarnu razdiobu brzina % vjetra kroz mjesec i računaju se iz izmjerenih podataka od više godina % oba parametra se još dodatno variraju da bi se modelirala raznolikost % vjetra function brzina_vjetra = f(u); var_scale = 10; %za koliko posto variramo scale faktor na razini mjeseca var_shape = 20; %za koliko posto variramo shape faktor na razini mjeseca %matrica koja sadrži prosječne scale i shape parametre za svaki mjesec parametar = [3.424,4.257,2.996,3.303,2.682,3.063,2.452,2.452,2.697,1.999,2.953,4.017; 1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03]; %prvi redak matrice predstavlja parametar scale za svaki mjesec % drugi redak predstavlja parametar shape za svaki mjesec %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (u >= 0 && u < 744); %sijecanj if (u==0); parametar(1,1) = normrnd(parametar(1,1),parametar(1,1)/var_scale); %variramo scale faktor parametar(2,1) = normrnd(parametar(2,1),parametar(2,1)/var_shape); %variramo shape faktor end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,1),parametar(2,1)); elseif (u >= 744 && u < 1416); %veljaca if (u == 744); parametar(1,2) = normrnd(parametar(1,2),parametar(1,2)/var_scale); parametar(2,2) = normrnd(parametar(2,2),parametar(2,2)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,2),parametar(2,2)); elseif (u >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (u == 1416); parametar(1,3) = normrnd(parametar(1,3),parametar(1,3)/var_scale); parametar(2,3) = normrnd(parametar(2,3),parametar(2,3)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,3),parametar(2,3)); elseif (u >= 2160 && u < 2880); %travanj if (u == 2160); parametar(1,4) = normrnd(parametar(1,4),parametar(1,4)/var_scale); parametar(2,4) = normrnd(parametar(2,4),parametar(2,4)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,4),parametar(2,4)); elseif (u >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (u == 2880); parametar(1,5) = normrnd(parametar(1,5),parametar(1,5)/var_scale); parametar(2,5) = normrnd(parametar(2,5),parametar(2,5)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,5),parametar(2,5)); elseif (u >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (u == 3624); parametar(1,6) = normrnd(parametar(1,6),parametar(1,6)/var_scale);
Diplomski rad Janko Poturica
65
parametar(2,6) = normrnd(parametar(2,6),parametar(2,6)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,6),parametar(2,6)); elseif (u >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (u == 4344); parametar(1,7) = normrnd(parametar(1,7),parametar(1,7)/var_scale); parametar(2,7) = normrnd(parametar(2,7),parametar(2,7)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,7),parametar(2,7)); elseif (u >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (u == 5088); parametar(1,8) = normrnd(parametar(1,8),parametar(1,8)/var_scale); parametar(2,8) = normrnd(parametar(2,8),parametar(2,8)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,8),parametar(2,8)); elseif (u >= 5832 && u < 6552); %rujan if (u == 5832); parametar(1,9) = normrnd(parametar(1,9),parametar(1,9)/var_scale); parametar(2,9) = normrnd(parametar(2,9),parametar(2,9)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,9),parametar(2,9)); elseif (u >= 6552 && u < 7296); %listopad if (u == 6552); parametar(1,10) = normrnd(parametar(1,10),parametar(1,10)/var_scale); parametar(2,10) = normrnd(parametar(2,10),parametar(2,10)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,10),parametar(2,10)); elseif (u >= 7296 && u < 8016); %studeni if (u == 7296); parametar(1,11) = normrnd(parametar(1,11),parametar(1,11)/var_scale); parametar(2,11) = normrnd(parametar(2,11),parametar(2,11)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,11),parametar(2,11)); else %prosinac if (u == 8016); parametar(1,12) = normrnd(parametar(1,12),parametar(1,12)/var_scale); parametar(2,12) = normrnd(parametar(2,12),parametar(2,12)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,12),parametar(2,12)); end
Diplomski rad Janko Poturica
66
7.2. Sadržaj datoteke brzina_vjetra_osijek.m %funkcija koja opisuje variranje brzine vjetra kroz godinu %za generiranje brzine se koristi dvoparametarska Weibullova razdioba % generiraju se srednje satne vrijednosti % parametri Weibullove razdiobe aproskimiraju stvarnu razdiobu brzina % vjetra kroz mjesec i računaju se iz izmjerenih podataka od više godina % oba parametra se još dodatno variraju da bi se modelirala raznolikost % vjetra function brzina_vjetra = f(u); var_scale = 10; %za koliko posto variramo scale faktor na razini mjeseca var_shape = 20; %za koliko posto variramo shape faktor na razini mjeseca %matrica koja sadrži prosječne scale i shape parametre za svaki mjesec parametar = [2.442,2.609,2.542,2.576,2.219,2.144,2.001,2.044,2.310,2.351,2.526,2.266; 2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15]; %prvi redak matrice predstavlja parametar scale za svaki mjesec % drugi redak predstavlja parametar shape za svaki mjesec %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (u >= 0 && u < 744); %sijecanj if (u==0); parametar(1,1) = normrnd(parametar(1,1),parametar(1,1)/var_scale); %variramo scale faktor parametar(2,1) = normrnd(parametar(2,1),parametar(2,1)/var_shape); %variramo shape faktor end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,1),parametar(2,1)); elseif (u >= 744 && u < 1416); %veljaca if (u == 744); parametar(1,2) = normrnd(parametar(1,2),parametar(1,2)/var_scale); parametar(2,2) = normrnd(parametar(2,2),parametar(2,2)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,2),parametar(2,2)); elseif (u >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (u == 1416); parametar(1,3) = normrnd(parametar(1,3),parametar(1,3)/var_scale); parametar(2,3) = normrnd(parametar(2,3),parametar(2,3)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,3),parametar(2,3)); elseif (u >= 2160 && u < 2880); %travanj if (u == 2160); parametar(1,4) = normrnd(parametar(1,4),parametar(1,4)/var_scale); parametar(2,4) = normrnd(parametar(2,4),parametar(2,4)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,4),parametar(2,4)); elseif (u >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (u == 2880); parametar(1,5) = normrnd(parametar(1,5),parametar(1,5)/var_scale);
Diplomski rad Janko Poturica
67
parametar(2,5) = normrnd(parametar(2,5),parametar(2,5)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,5),parametar(2,5)); elseif (u >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (u == 3624); parametar(1,6) = normrnd(parametar(1,6),parametar(1,6)/var_scale); parametar(2,6) = normrnd(parametar(2,6),parametar(2,6)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,6),parametar(2,6)); elseif (u >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (u == 4344); parametar(1,7) = normrnd(parametar(1,7),parametar(1,7)/var_scale); parametar(2,7) = normrnd(parametar(2,7),parametar(2,7)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,7),parametar(2,7)); elseif (u >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (u == 5088); parametar(1,8) = normrnd(parametar(1,8),parametar(1,8)/var_scale); parametar(2,8) = normrnd(parametar(2,8),parametar(2,8)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,8),parametar(2,8)); elseif (u >= 5832 && u < 6552); %rujan if (u == 5832); parametar(1,9) = normrnd(parametar(1,9),parametar(1,9)/var_scale); parametar(2,9) = normrnd(parametar(2,9),parametar(2,9)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,9),parametar(2,9)); elseif (u >= 6552 && u < 7296); %listopad if (u == 6552); parametar(1,10) = normrnd(parametar(1,10),parametar(1,10)/var_scale); parametar(2,10) = normrnd(parametar(2,10),parametar(2,10)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,10),parametar(2,10)); elseif (u >= 7296 && u < 8016); %studeni if (u == 7296); parametar(1,11) = normrnd(parametar(1,11),parametar(1,11)/var_scale); parametar(2,11) = normrnd(parametar(2,11),parametar(2,11)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,11),parametar(2,11)); else %prosinac if (u == 8016); parametar(1,12) = normrnd(parametar(1,12),parametar(1,12)/var_scale); parametar(2,12) = normrnd(parametar(2,12),parametar(2,12)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,12),parametar(2,12)); end
Diplomski rad Janko Poturica
68
7.3. Sadržaj datoteke brzina_vjetra_split.m %funkcija koja opisuje variranje brzine vjetra kroz godinu %za generiranje brzine se koristi dvoparametarska Weibullova razdioba % generiraju se srednje satne vrijednosti % parametri Weibullove razdiobe aproskimiraju stvarnu razdiobu brzina % vjetra kroz mjesec i računaju se iz izmjerenih podataka od više godina % oba parametra se još dodatno variraju da bi se modelirala raznolikost % vjetra function brzina_vjetra = f(u); var_scale = 10; %za koliko posto variramo scale faktor na razini mjeseca var_shape = 20; %za koliko posto variramo shape faktor na razini mjeseca %matrica koja sadrži prosječne scale i shape parametre za svaki mjesec parametar = [5.185,5.198,5.102,4.287,3.224,4.082,3.652,3.076,3.712,4.199,3.397,4.265; 1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35]; %prvi redak matrice predstavlja parametar scale za svaki mjesec % drugi redak predstavlja parametar shape za svaki mjesec %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (u >= 0 && u < 744); %sijecanj if (u==0); parametar(1,1) = normrnd(parametar(1,1),parametar(1,1)/var_scale); %variramo scale faktor parametar(2,1) = normrnd(parametar(2,1),parametar(2,1)/var_shape); %variramo shape faktor end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,1),parametar(2,1)); elseif (u >= 744 && u < 1416); %veljaca if (u == 744); parametar(1,2) = normrnd(parametar(1,2),parametar(1,2)/var_scale); parametar(2,2) = normrnd(parametar(2,2),parametar(2,2)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,2),parametar(2,2)); elseif (u >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (u == 1416); parametar(1,3) = normrnd(parametar(1,3),parametar(1,3)/var_scale); parametar(2,3) = normrnd(parametar(2,3),parametar(2,3)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,3),parametar(2,3)); elseif (u >= 2160 && u < 2880); %travanj if (u == 2160); parametar(1,4) = normrnd(parametar(1,4),parametar(1,4)/var_scale); parametar(2,4) = normrnd(parametar(2,4),parametar(2,4)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,4),parametar(2,4)); elseif (u >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (u == 2880); parametar(1,5) = normrnd(parametar(1,5),parametar(1,5)/var_scale);
Diplomski rad Janko Poturica
69
parametar(2,5) = normrnd(parametar(2,5),parametar(2,5)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,5),parametar(2,5)); elseif (u >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (u == 3624); parametar(1,6) = normrnd(parametar(1,6),parametar(1,6)/var_scale); parametar(2,6) = normrnd(parametar(2,6),parametar(2,6)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,6),parametar(2,6)); elseif (u >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (u == 4344); parametar(1,7) = normrnd(parametar(1,7),parametar(1,7)/var_scale); parametar(2,7) = normrnd(parametar(2,7),parametar(2,7)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,7),parametar(2,7)); elseif (u >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (u == 5088); parametar(1,8) = normrnd(parametar(1,8),parametar(1,8)/var_scale); parametar(2,8) = normrnd(parametar(2,8),parametar(2,8)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,8),parametar(2,8)); elseif (u >= 5832 && u < 6552); %rujan if (u == 5832); parametar(1,9) = normrnd(parametar(1,9),parametar(1,9)/var_scale); parametar(2,9) = normrnd(parametar(2,9),parametar(2,9)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,9),parametar(2,9)); elseif (u >= 6552 && u < 7296); %listopad if (u == 6552); parametar(1,10) = normrnd(parametar(1,10),parametar(1,10)/var_scale); parametar(2,10) = normrnd(parametar(2,10),parametar(2,10)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,10),parametar(2,10)); elseif (u >= 7296 && u < 8016); %studeni if (u == 7296); parametar(1,11) = normrnd(parametar(1,11),parametar(1,11)/var_scale); parametar(2,11) = normrnd(parametar(2,11),parametar(2,11)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,11),parametar(2,11)); else %prosinac if (u == 8016); parametar(1,12) = normrnd(parametar(1,12),parametar(1,12)/var_scale); parametar(2,12) = normrnd(parametar(2,12),parametar(2,12)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,12),parametar(2,12)); end
Diplomski rad Janko Poturica
70
7.4. Sadržaj datoteke extraterrestrial.m
%funkcija koja racuna ekstrateresticko ozracenje %definiranje funkcije function extraterrestrial = f(u); %definiranje varijabli time = u(1); %vrijeme simulacije fi_deg = u(2); %geo. sirina u stupnjevima pi = 3.14159265; fi = (pi/180)*fi_deg; %pretvaranje stupnjeva u radijane dan = time/24; E_nula = 1353; %solarna konstanta omega_deg = 15*(time - 12); %satni kut omega = (pi/180)*omega_deg; delta = 0.409*sin(2*pi*((284+dan)/365)); %deklinacija E_nula_dnevno = E_nula*(1+0.033*cos((2*pi*dan)/365)); %izraz koji opisuje promjenu solarne konstante tijekom godine extraterrestrial = E_nula_dnevno*(sin(fi)* sin(delta)+cos(delta)*cos(fi)*cos(omega));
%ekstrateresticko ozracenje %iznad neke lokacije u nekom danu godine
7.5. Sadržaj datoteke prozracnost_dnevna_dubrovnik.m %generiranje globalnih faktora prozracnosti (na razini nekoliko dana) function prozracnost_dnevna = f(u); vrijeme = u; global PROMJENA; global CLEARNESS; clearness_ulaz = [0.173,0.251,0.367,0.467,0.622,0.736,0.751,0.610,0.439,0.274,0.172,0.143; 0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25]; %prvi redak matrice su srednje mjesecne vrijednosti faktora prozracnosti %drugi redak je standardno odstupanje faktora prozracnosti od srednjih %vrijednosti %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (vrijeme >= 0 && u < 744); %sijecanj if (vrijeme == 0); PROMJENA = 0; end if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,1),clearness_ulaz(2,1)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 744 && u < 1416); %veljaca if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,2),clearness_ulaz(2,2)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,3),clearness_ulaz(2,3));
Diplomski rad Janko Poturica
71
PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2160 && u < 2880); %travanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,4),clearness_ulaz(2,4)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,5),clearness_ulaz(2,5)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,6),clearness_ulaz(2,6)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,7),clearness_ulaz(2,7)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,8),clearness_ulaz(2,8)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5832 && u < 6552); %rujan if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,9),clearness_ulaz(2,9)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 6552 && u < 7296); %listopad if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,10),clearness_ulaz(2,10)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 7296 && u < 8016); %studeni if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,11),clearness_ulaz(2,11)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end else %prosinac if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,12),clearness_ulaz(2,12)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end end prozracnost_dnevna = CLEARNESS;
Diplomski rad Janko Poturica
72
7.6. Sadržaj datoteke prozracnost_dnevna_knin.m %generiranje globalnih faktora prozracnosti (na razini nekoliko dana) function prozracnost_dnevna = f(u); vrijeme = u; global PROMJENA; global CLEARNESS; clearness_ulaz = [0.130,0.202,0.305,0.398,0.537,0.631,0.659,0.535,0.376,0.228,0.136,0.109; 0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25]; %prvi redak matrice su srednje mjesecne vrijednosti faktora prozracnosti %drugi redak je standardno odstupanje faktora prozracnosti od srednjih %vrijednosti %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (vrijeme >= 0 && u < 744); %sijecanj if (vrijeme == 0); PROMJENA = 0; end if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,1),clearness_ulaz(2,1)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 744 && u < 1416); %veljaca if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,2),clearness_ulaz(2,2)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,3),clearness_ulaz(2,3)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2160 && u < 2880); %travanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,4),clearness_ulaz(2,4)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,5),clearness_ulaz(2,5)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,6),clearness_ulaz(2,6)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,7),clearness_ulaz(2,7)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end
Diplomski rad Janko Poturica
73
elseif (vrijeme >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,8),clearness_ulaz(2,8)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5832 && u < 6552); %rujan if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,9),clearness_ulaz(2,9)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 6552 && u < 7296); %listopad if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,10),clearness_ulaz(2,10)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 7296 && u < 8016); %studeni if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,11),clearness_ulaz(2,11)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end else %prosinac if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,12),clearness_ulaz(2,12)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end end prozracnost_dnevna = CLEARNESS;
Diplomski rad Janko Poturica
74
7.7. Sadržaj datoteke prozracnost_dnevna_osijek.m %generiranje globalnih faktora prozracnosti (na razini nekoliko dana) function prozracnost_dnevna = f(u); vrijeme = u; global PROMJENA; global CLEARNESS; clearness_ulaz = [0.139,0.219,0.322,0.419,0.552,0.623,0.630,0.532,0.373,0.243,0.142,0.113; 0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25]; %prvi redak matrice su srednje mjesecne vrijednosti faktora prozracnosti %drugi redak je standardno odstupanje faktora prozracnosti od srednjih %vrijednosti %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (vrijeme >= 0 && u < 744); %sijecanj if (vrijeme == 0); PROMJENA = 0; end if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,1),clearness_ulaz(2,1)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 744 && u < 1416); %veljaca if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,2),clearness_ulaz(2,2)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,3),clearness_ulaz(2,3)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2160 && u < 2880); %travanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,4),clearness_ulaz(2,4)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,5),clearness_ulaz(2,5)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,6),clearness_ulaz(2,6)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,7),clearness_ulaz(2,7));
Diplomski rad Janko Poturica
75
PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,8),clearness_ulaz(2,8)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5832 && u < 6552); %rujan if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,9),clearness_ulaz(2,9)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 6552 && u < 7296); %listopad if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,10),clearness_ulaz(2,10)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 7296 && u < 8016); %studeni if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,11),clearness_ulaz(2,11)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end else %prosinac if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,12),clearness_ulaz(2,12)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end end prozracnost_dnevna = CLEARNESS;
Diplomski rad Janko Poturica
76
7.8. Sadržaj datoteke prozracnost_satna.m %funkcija koja generira promjenu faktora prozracnosti na razini sata function prozracnost_satna = f(u); prozracnost_satna = normrnd(0,0.05);
7.9. Sadržaj datoteke simulacija.m %skripta koja izvrti simulaciju xy puta i nakon svake simulacije rezultate %sprema u odgovarajucu datoteku (matricu podataka) sprintf('\n\n********SIMULACIJA POKRENUTA************') for i = 1:100; sim variranje; rez_solarno_du(i,1:8761) = solarno_du; rez_solarno_knin(i,1:8761) = solarno_knin; rez_solarno_os(i,1:8761) = solarno_os; rez_wind_os(i,1:8761) = wind_os; rez_wind_knin(i,1:8761) = wind_knin; rez_wind_st(i,1:8761) = wind_st; rez_lika(i,1:8761) = lika; end
7.10. Sadržaj datoteke vjetroelektrana1.m %kakakteristika brzina vjetra - izlazna el. snaga vjetroelektrane function brzina_vjetra_snaga = f(u); brzina = u; if (u < 3.5); snaga = 0; elseif (u >= 3.5 && u < 14); snaga = 107*brzina; else snaga = 1500; end brzina_vjetra_snaga = snaga;
7.11. Sadržaj datoteke vjetroelektrana2.m %kakakteristika brzina vjetra - izlazna el. snaga vjetroelektrane function brzina_vjetra_snaga = f(u); brzina = u; if (u < 3.5); snaga = 0; elseif (u > 3.5 && u < 11.5); snaga = 130.43*brzina; else snaga = 1500; end brzina_vjetra_snaga = snaga;