Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
OBRATOVALNE KARAKTERISTIKE MODELA VETRNE
TURBINE
Diplomsko delo
Študent: Kristjan HOSTNIK
Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo
Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo
Mentor: Doc. dr. Ignacijo BILUŠ
Somentor: Asist. dr. Luka LEŠNIK
Maribor, september 2016
- II -
- III -
I Z J A V A
Podpisani Kristjan Hostnik, izjavljam, da:
je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,
da je predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli
izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,
da so rezultati korektno navedeni,
da nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,
da soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter
Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in
elektronske verzije zaključnega dela.
Maribor, 15.9.2016 Podpis: ________________________
- IV -
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc dr. Ignaciju Bilušu in
somentorju dr. Luki Lešniku za pomoč in vodenje pri
opravljanju diplomskega dela.
Zahvaljujem se tudi g. Mariu Vetrihu za izdatno pomoč
pri opravljanju meritev.
Posebna zahvala velja tudi staršem, ki so mi študij
omogočili.
- V -
OBRATOVALNE KARAKTERISTIKE MODELA VETRNE TURBINE
Ključne besede: Obnovljivi viri energije, energija vetra, vetrna turbina, oblikovanje lopatice,
meritve, rezultati.
UDK: 621.548.4(043.2)
POVZETEK
Diplomsko delo zajema izdelavo 3D modela vetrne turbine, premera rotorja 260 milimetrov v
CAD programu, katerega smo izdelali s postopkom selektivnega laserskega sintranja. S fizičnim
modelom smo opravljali meritve na testni progi v Laboratoriju za turbinske stroje na Fakulteti
za strojništvo v Mariboru. Cilj diplome je bil prikaz obratovalnih karakteristik trikrake vetrne
turbine v primerjavi s trikrakim propelerjem. Najbolj nas je zanimala odvisnost med izkoristkom
rotorja in koeficientom moči. Primerjava rezultatov meritev kaže, da so obratovalne
karakteristike obeh rotorjev zelo podobne.
- VI -
OPERATING CHARACTERISTICS OF WIND TURBINE MODEL
Key words: Renewable energy, wind energy, wind turbine, blade design, measurements,
results .
UDK: 621.548.4(043.2)
ABSTRACT
The thesis includes production of 3D model of wind turbine rotor, with diameter of 260
millimeters in CAD software package, which was produced by selective laser sintering
process. The physical measurements were performed on the track at the Laboratory for
turbomachinery used at the Faculty of Mechanical Engineering in Maribor. The objective
degree was to obtain the operating characteristics of a three blade wind turbine in
comparison with three blade propeller of RC plane. Mostly we were interested in the
correlation between the efficiency of the rotor and power coefficient. The results of
comparison shows that both operating characteristics of the two rotors are very similar.
- VII -
KAZALO
1 UVOD ................................................................................................................................. 1
2 ENERGETSKI VIRI ........................................................................................................ 2
2.1 Področja skupne porabe energije ..................................................................................... 2
2.2 Tradicionalni viri energije ............................................................................................... 5
2.3 Alternativni – obnovljivi viri energije ............................................................................. 6
3 VETRNA ENERGIJA ...................................................................................................... 8
3.1 Nastanek vetrov ............................................................................................................... 8
3.2 Izkoriščanje vetrne energije v Sloveniji ........................................................................ 10
3.3 Ekonomsko socialni vidiki v Sloveniji .......................................................................... 13
3.4 Okoljski vidiki za Slovenijo .......................................................................................... 14
3.5 Faktorji, ki vplivajo na hitrost zračnih mas ................................................................... 16
3.6 Pretvorba vetrne energije ............................................................................................... 19
3.7 Pretvorba električne energije ......................................................................................... 20
3.8 Dejanska moč vetrne turbine ......................................................................................... 22
3.9 Hitrostno število ............................................................................................................ 25
3.10 Obratovalne karakteristike vetrnih turbin .................................................................... 25
4 IZBIRA LOKACIJE ZA POSTAVITEV VETRNE TURBINE ................................ 27
4.1 Vetrne rože ..................................................................................................................... 27
5 VETRNE TURBINE ....................................................................................................... 29
5.1 Delitev vetrnih turbin .................................................................................................... 30
5.2 Posebni tipi rotorjev ...................................................................................................... 32
6 MODELIRANJE LOPATICE IN ROTORJA TURBINE .......................................... 34
6.1 Izračun Reynoldsovega števila in določitev profila lopatice .......................................... 35
6.2 Računanje obodne hitrosti od korena lopatice proti njenemu vrhu ................................ 36
6.3 Profili lopatice na različnih premerih ............................................................................. 38
7 MERITVE ........................................................................................................................ 40
7.1 Opis merilne proge ......................................................................................................... 40
- VIII -
7.2 Izsledki meritev .............................................................................................................. 41
7.3 Slučajni pogrešek ............................................................................................................ 57
8 SKLEP .............................................................................................................................. 60
9 ZAKLJUČEK .................................................................................................................. 61
10 VIRI .................................................................................................................................. 62
- IX -
KAZALO TABEL
Tabela 1: Tehnične specifikacije načrtovanih vetrnih turbin [7] .............................................. 11
Tabela 2: Vzroki za smrt ptic v ZDA [8].................................................................................. 16
Tabela 3: Hitrost vetra v testnem kanalu v odvisnosti od vrtljajev elektro motorja ................. 42
Tabela 4: Vhodni in izhodni podatki za meritev na trikraki vetrnici........................................ 47
Tabela 5: Ključni izračunani parametri za karakteristiko trikrake vetrnice ............................. 49
Tabela 6: Vhodni in izhodni podatki za meritev na trikrakem propelerju................................ 53
Tabela 7: Ključni izračunani parametri za karakteristiko trikrakega propelerja ...................... 55
Tabela 8: Parameter t Studentove porazdelitve [22] ................................................................ 58
- X -
UPORABLJENI SIMBOLI
𝑃𝑚𝑒ℎ mehanska moč
n število obratov
𝑀𝑚𝑒ℎ mehanski moment
𝑘𝑚 navorna konstanta
ø magnetni pretok
𝑘𝑢 električna konstanta
𝑘𝑚𝑜𝑡 konstanta elektromotorja
𝐶𝐿 koeficient aerodinamičnega vzgona
𝐶𝐷 koeficient aerodinamičnega upora
𝐹𝐿 sila aerodinamičnega vzgona
𝐹𝐷 sila aerodinamičnega upora
𝑐∞ hitrost natekanja zraka
c dolžina tetive lopatice
l dolžina krila, oziroma lopatice rotorja
𝛿 napadni kot
�⃑⃑⃑� vektor relativne hitrosti
�⃑⃑� vektor obodne hitrosti
λ izkoristek vetrne turbine
𝐶𝑝 koeficient moči
T moment, ki deluje na gred turbine
Re Reynoldsovo število
u obodna hitrost rotorja turbine
D premer rotorja turbine
𝑣0 hitrost vetra na neki višini
𝑣 hitrost vetra na višini h
H višina rotorja
∝ eksponent porazdelitve vetra
𝑝(𝑣) Rayleighova porazdelitev hitrosti vetra
�̅� dejanska povprečna hitrost, ki poganja vetrnico
- XI -
𝑃𝑛 nazivna moč vetrnice
𝐶𝐹 konstanta, ki je odvisna od izkoristka vetrnice
𝐼𝐶𝐶 cena ene vetrnice
𝑃𝑡𝑜𝑡 moč vetra
�̇� masni pretok
𝑣𝑖 hitrost vetra
𝜌 gostota zraka
𝜂𝑚𝑎𝑥 koeficient moči oz. Betzov količnik
𝑃𝑒𝑙 električna moč
𝑈𝑖 inducirana napetost na kotvah rotorja električnega generatorja
𝐼 električni tok
𝑈𝑖𝑧𝑚 izmenična napetost
𝑅𝐴 notranja električna upornost generatorja
- XII -
UPORABLJENE KRATICE
AOA Angle of Attack,
NACA National Advisory Committee for Aeronautics,
SLS Selektivno lasersko sintranje.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 1 -
1 UVOD
Diplomska naloga obravnava vetrno energijo in pridobivanje električne energije s pomočjo
vetrnih elektrarn. Kot vemo, predstavlja iz leta v leto povečana poraba energije vedno večji
problem. Tudi zaloge fosilnih energentov so iz leta v leto manjše, napovedi pa niso nič kaj
svetle, saj nam jih bo po pričakovanjih strokovnjakov zmanjkalo v naslednjih nekaj desetletjih.
Potrebno je torej razmišljati v smeri obnovljivih virov energije in eden izmed teh, ki je po
prepričanju mnogih tudi najbolj okolju prijazen in ekonomsko sprejemljiv, je energija vetra. V
sklopu diplomske naloge smo se ukvarjali s pomanjšanim modelom vetrnice, ki je bil
zmodeliran s pomočjo računalniškega paketa SolidWorks in izdelan s postopkom selektivnega
laserskega sintranja. Na merilni progi (v zračnem kanalu) laboratorija za turbinske stroje,
Katedre za energetsko, procesno in okoljsko inženirstvo na Fakulteti za strojništvo v Mariboru
smo opravljali meritve.
Vetrnico premera 260 mm smo namestili na gred majhnega električnega enosmernega
elektromotorja, ki lahko deluje tudi kot generator. S standardnim trofaznim elektromotorjem na
koncu merilne proge, ki poganja ventilator, smo ustvarjali zračni tok, ter s tem vetrove do
približno 23 m/s. Na enofazni generator, na katerem je vetrnica smo priklapljali električne upore
različnih vrednosti in s tem spreminjali električno breme, ki je vetrnico zaviralo. Kot rezultat
smo želeli dobiti karakteristično krivuljo moči vetrnice v odvisnosti od vrtilne frekvence
rotorja. Krivulja koeficienta moči naj bi do neke vrednosti naraščala, potem pa pričela padati,
torej pričakovali smo prevoj. Največjo omejitev je predstavljalo območje vrtljajev trofaznega
elektromotorja, ki se lahko vrti do 2000 obratov na minuto, ter enofaznega elektromotorčka,
katerega območje sega do 1500 vrtljajev v minuti. Velik izziv je predstavljala tudi aerodinamika
rotorja, saj je ta bistveno manjših gabaritov kot realni rotorji. Posledica majhnih dimenzij je
tudi zelo nizko Reynoldsovo število, zato je bilo potrebno izbrati primeren profil rotorja in
njegov napadni kot. Na znanje je potrebno vzeti tudi vetrovne pogoje na testni progi, ki so
praktično stalni in jih s hitrostjo vrtenja ventilatorja lahko reguliramo, v naravi pa se ti
spreminjajo iz trenutka v trenutek.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 2 -
2 ENERGETSKI VIRI
Živimo v času, kjer si življenja brez električne energije preprosto ne znamo več predstavljati,
virov iz katerih tovrstno energijo pridobivamo pa nam pričenja primanjkovati. Največji delež v
svetovni rabi energetskih virov še vedno zavzemajo fosilni energenti, katerih razpoložljivost ni
odvisna zgolj od njihove dostopnosti, temveč tudi od družbeno političnih razmer na območjih
njihovih nahajališč. Po mnogih znanstvenih raziskavah naj bi zaloge fosilnih goriv kot sta nafta,
in zemeljski plin zadostovale za največ še nekaj desetletij, zato je pomembno vztrajati z
obširnimi raziskavami na področju obnovljivih virov energije, ki ne zagotavljajo le
prijaznejšega odnosa do okolja, temveč tudi avtonomnost.
Glavni vir energije za današnjo družbo še zmeraj predstavlja nafta, ki se uporablja ne le
za pogonske agregate in ogrevanje, temveč tudi v vseh panogah industrije, kmetijstva in
pridelave hrane.
Združene države Amerike predstavljajo približno 5 % svetovne populacije, pa vendar je
znano, da za svojo industrijo in vsakdanje življenje porabijo kar četrtino svetovne proizvodnje
nafte in kar 40 % bencina. Zaradi iztrošenosti lastnih virov in rezerv, so ZDA prisiljene uvoziti
do dve tretjini nafte in bencina. Takšna odvisnost je razlog za občutljivost naftnega trga ZDA
na vsako motnjo v dobavi in dvig cen surove nafte [1].
2.1 Področja skupne porabe energije
Po svetu se energija porablja za:
promet – transport 29 %,
gospodinjstva 21 %,
trgovina 18 %,
industrija 32%.
Prvi dve področji potrošnje energije (transport in gospodinjstva), predstavljata energijo, ki jo
porabljajo posamezniki. Poraba industrijskega in trgovskega sektorja pa je v večji meri odvisna
od vladne politike in storitvenih dejavnosti [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 3 -
Transportni sektor vključuje vsa vozila, ki se uporabljajo za individualno rabo ali za
transport tovora. Največ je osebnih transportnih vozil, ki jih poganja bencinsko gorivo in
predstavljajo kar 65 %. Ta transportna vozila so predvsem osebni avtomobili, ki so v večji meri
v zasebni lasti. Vozila, ki jih poganjajo dizelski agregati predstavljajo 20 % deleža porabe
energije v transportnem sektorju. Med vozila z dizelskim pogonom prištevamo težke
tovornjake, dizelske lokomotive, trgovske ladje, itd. Preostalih 15 % porabe energije pa
prištevamo letalskemu prometu [1].
Energija, ki jo porabljajo gospodinjstva se v polovični meri ali celo več namenja za
ogrevanje in ohlajanje najrazličnejših bivališč, privatnih stanovanj, vikendov in podobno (slika
2.1). Poraba energije močno zavisi tudi od klimatskih razmer okolja in krajevnih določil in
zakonov. Po energetski krizi v 70-ih letih prejšnjega stoletja, se zakonsko vzpodbuja izdelava
in uporaba grelnih in hladilnih teles s čim večjim izkoristkom. Življenjski slog današnje
zahodne družbe pa teži k vedno večjemu udobju, za ogrevanje in ohlajanje svojih bivališč smo
pripravljeni odšteti vedno več, bivalni prostori pa se tudi vedno večajo, zato ni presenetljivo,
da je potreba po energiji tudi znotraj gospodinjskega sektorja večja. Leta 1970 je povprečna
kvadratura hiše v razvitem svetu znašala 150 𝑚2, leta 2001 pa je številka narastla na 230 𝑚2.
Konec 80-ih let prejšnjega stoletja je 23 % gospodinjstev v razvitem svetu imelo centralno
klimatsko napravo, leta 2001 pa že kar 55 % [1].
Slika 2.1: poraba energije gospodinjstev v Sloveniji [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 4 -
V trgovski sektor prištevamo veleblagovnice, trgovske centre, trgovine na drobno,
poslovne in vladne stavbe, šole, pošte, banke, restavracije in druga delovna mesta. Energija se
znotraj tega sektorja porablja za podobne namene kot v gospodinjstvih, le da se posamezni
deleži znatno razlikujejo. Največ energije se porablja za vzdrževanje primernih delovnih
pogojev, pod kar štejemo ogrevanje, hlajenje in prezračevanje, toda ta delež porabljene energije
je v primerjavi z gospodinjstvi bistveno manjši, okoli 30 %. Za razsvetljavo pa se porabi kar 25
% energije, kar kaže na to, da je potrebno veliko pozornosti nameniti varčnim svetilom [1].
Pod industrijski sektor štejemo proizvodne dejavnosti, katerih produkt so najrazličnejši
izdelki, ter tudi storitve. Sem prištevamo dejavnosti konstrukcijskih birojev, gospodarjenje z
vodami, rudarstvo, kmetovanje in ostalo. Zadnja tri desetletja je zaznamovalo dvigovanje
stroškov, kar je v vseh vejah industrije, ki so kot vemo veliki porabniki energije, imelo za
posledico tudi dvig učinkovitosti. Zanimivo je dejstvo, da je potreba po energiji v jeklarski in
papirni industriji padla za okoli 40 %, količina energije, ki jo porabijo naftne rafinerije,
proizvodnja aluminija in cementa, pa se je znižala za približno četrtino. Takšne padce v porabi
energije lahko v večji meri pripišemo racionalnejši rabi materialov in recikliranju odpadnih
količin. Velik vpliv na varčnejšo rabo energija pa imajo tudi regeneracijske ogrevalne opreme
[1].
Slika 2.2: Poraba energije za pridobivanje različnih materialov [3]
V industrijskem sektorju je v zadnjih letih poraba energije znatno upadla, v vseh drugih
sektorjih pa je opazen porast. Posledica tega je selitev dela za katerega so potrebne velike
količine energije v druge države sveta, predvsem v razvoju, kjer je delovna sila poceni. Po
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 5 -
navajanjih Svetovnega inštituta za naravne vire, fosilna goriva zadostujejo svetovnim potrebam
po energiji. Največji delež k svetovni oskrbi z energijo še vedno prispeva nafta s 37 %, sledi ji
premog s 25 %, ter zemeljski plin s 23 % [1].
2.2 Tradicionalni viri energije
Premoga je od vseh fosilnih goriv največ in ocenjujejo, da je njegovih zalog še za vsaj 1000
let. Skoraj 40 % vse proizvedene električne energije po svetu dajejo termoelektrarne, katerih
energent ja v večji meri ravno premog. Avstralija je največji svetovni izvoznik premoga, saj ga
nakopljejo približno tretjino. Zanimiva pa so dejstva, ki jih za javnost navaja inštitut
Worldwatch, da je premog fosilno gorivo z največjo vsebnostjo ogljika, ter da sprošča 29 %
več ogljika v atmosfero na enoto energije kot nafta in kar 80 % več kot zemeljski plin. Zaradi
uporabe premoga kot energenta se letno v atmosfero sprosti za 43 % vsega ogljika, kar znaša
približno 2,7 milijarde ton. Izpusti toplogrednih plinov in sajastih, ter prašnih delcev, ki so
posledica zgorevanja premoga in drugih fosilnih goriv, pa nimajo negativnih posledic zgolj na
naravo, temveč tudi na človekovo zdravje [1].
V naslednjih desetletjih naj bi po poročilu IEO2003 povpraševanje po zemeljskem plinu
kot osnovnem energentu naraščalo. Po nekaterih trditvah je zemeljski plin gorivo z najčistejšim
zgorevanjem, v zemljini skorji pa naj bi ga bilo ogromno. Glavna sestavina zemeljskega plina
je metan, ki je močan toplogredni plin, saj zadržuje toploto ozračju 21-krat učinkoviteje kot
ogljikov dioksid. Kljub vsemu pa nekateri znanstveniki trdijo, da bi zmanjšanje emisij
ogljikovega dioksida zaradi uporabe zemeljskega plina močno odtehtalo škodljive učinke
povečanih emisij metana [1].
Jedrska energija je ena izmed najčistejših in najvarnejših oblik energije, če se jo
proizvaja pod ustreznimi varnostnimi ukrepi. Po podatkih Australian Geographic okoli 430
jedrskih reaktorjev proizvede približno 16 % vse električne energije, k obstoječemu številu
reaktorjev pa se gradijo tudi novi, predvsem v azijskih državah. Znanstvena revija New Science
poroča, da so nekateri reaktorji v Ameriki varnostno neustrezni zaradi razpok in korozije.
Zaskrbljujoč je primer, ko se je leta 2002 reaktor v kraju Davis-Besse v Ohiu skoraj pričel taliti
zaradi korozije, kar bi lahko privedlo do katastrofe. Jedrska energija ima mnoge prednosti,
vendar je z njo potrebno ravnati skrajno previdno. Spomnimo se samo ukrajinske jedrske
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 6 -
katastrofe v Černobilu leta 1986 in leta 2011 v Fukušimi na Japonskem, katere posledice
Ukrajinsko in Japonsko prebivalstvo čuti še danes [1].
Nafte se po svetu porabi 75 milijonov sodčkov na dan (en sodček nafte predstavlja 159
litrov), vendar se ta podatek razlikuje od države do države, glede na njeno stopnjo razvitosti.
Če to številko preračunamo, dobimo podatek, da je povprečna poraba nafte za enega človeka 2
litra na dan. Zaskrbljujoče je dejstvo, da je od 2 bilijona sodčkov nafte, ki predstavljajo celotno
svetovno zalogo, bilo porabljenih že skoraj polovica. Glede na sedanjo stopnjo izkoriščanja, naj
bi zaloge nafte zadostovale le še za nekaj desetletij, največ pol stoletja. Nafta pa ni bistvena
zgolj za sodobno življenje, temveč je po izjavah Organizacije držav izvoznic nafte (OPEC) tudi
strateška pridobitev. Nafta v meddržavnih odnosih predstavlja politični nadzor, v smislu
embargov in sankcij. Samo spomnimo se poostrenih odnosov med Rusijo in Ukrajino pred
nekaj leti, ko je Rusija prekinila dobavo sicer zemeljskega plina v Zahodno Evropo [1].
2.3 Alternativni – obnovljivi viri energije
Tradicionalnih virov energije, ki so predvsem fosilnega izvora bo v relativno bližnji prihodnosti
z gotovostjo zmanjkalo, zato je nujno iskanje novih rešitev. Potrebno je najti vire, ki bodo
čistejši, varnejši, predvsem pa zanesljivejši in bodo nudili določeno stopnjo avtonomnosti. Tako
imenovanih alternativnih oziroma obnovljivih virov je precej, vendar bomo v nadaljevanju
izpostavili zgolj najpomembnejše.
Geotermična energija nekaterim državam predstavlja velik del vira energije. V 58
državah po svetu uporabljajo vročo vodo in paro, ki nastane v globinah zemljine skorje zaradi
neposredne bližine magme za ogrevanje ali proizvodnjo električne energije. Dober primer je
Islandija, ki skoraj polovico svojih potreb po energiji zadovolji z geotermično energijo. Ta
oblika energije je posledica višanja temperature v smeri proti jedru planeta, kjer ta znaša
približno 4000 ºC. Po vsakem izkopanem kilometru, se temperature dvigne za okoli 30 ºC. V
Avstraliji razmišljajo o zanimivi ideji, da bi v okolico vročih in suhih skal nekaj kilometrov pod
površjem črpali vodo, ta bi agregatno stanje spremenila v parno fazo, to pa bi vodili na parne
turbine, ki bi poganjale električne generatorje. Po mnenju strokovnjakov znanstvene revije
Australian Geographic, bi lahko več desetletij, morda celo stoletij na ta in podoben način
proizvajali energijo [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 7 -
Za energijo vetra lahko skoraj z gotovostjo trdimo, da je okolju najbolj prijazna in
najmanj obremenilna oblika izkoriščanja energije. Človek že stoletja izkorišča moč vetrne
energije za pogon ladij, jadrnic, vrtenje mlinov in vodnih črpalk. Zanimanje za izkoriščanje
tovrstne energije se zavzemajo praktično vse države sveta, saj tehnično zelo dovršene vetrne
turbine ustvarjajo električno energijo, za ceno minimalnega ali praktično nobenega vpliva na
okolje. Danska je ena izmed evropskih držav, ki se močno zanaša na izkoriščanje moči vetra,
saj za to državo ta predstavlja kar 20 % proizvedene električne energije. Vetrnic niso postavili
zgolj na kopnem, temveč tudi velika vetrna polja na odprtem Severnem morju, ki to omogoča
zaradi svoje relativne plitvosti. V Evropi tem trendom sledita tudi Nemčija in Španija.
Ključnega pomena za postavitev vetrnice ali vetrnega polja, je lokacija, ki zagotavlja konstantne
zračne tokove. Tudi v Sloveniji imamo možnost koriščenja moči vetra, še posebej na vetrovnih
planotah Krasa, vendar je do tega koraka kljub že obstoječim načrtom še dolga pot, predvsem
zaradi birokracije, nasprotujejo pa tudi okoljevarstveniki iz bolj ali manj tehtnih razlogov, kot
je denimo nizkofrekvenčni hrup, svetlobna onesnaženost in ogrožanje redkih vrst ptic [1].
Z energijo vode, ki jo pridobivamo v hidroelektrarnah kjer potencialno energijo vode
pretvarjamo v kinetično, to pa na turbinah v mehansko delo, ki poganja električne generatorje,
zadovoljujemo že več kot 6 % svetovnih potreb po električni energiji. Tudi ta oblika obnovljive
energije, je okolju zelo prijazna, če odštejemo infrastrukturo, kjer imamo v mislih predvsem
mogočne jezove, za katerimi se ustvarjajo ogromna akumulacijska jezera, ki uničujejo
kmetijske površine, živalske habitate in ekosistem [1].
Sončna energija je tista, ki na našem planetu omogoča življenje in ima posreden vpliv
tudi na vse ostale naravne pojave. Smiselna je ideja, da bi to energijo pričeli koristiti za lajšanje
našega življenja, saj je na voljo velik del dneva, še posebej če je nebo jasno. V ta namen so bile
razvite fotovoltaične celice, ki pa imajo trenutno zelo slab izkoristek. Čeprav lahko rečemo, da
je energija Sonca povsem varna in zastonj, pa njena pretvorba ni tako nedolžna. Pri proizvodnji
sončnih celic se uporabljajo zelo strupene in rakotvorne snovi kot sta galijev arzenid in
kadmijev sulfid. V naravi razpadata več stoletij, zato je njuno skladiščenje in recikliranje zelo
problematično, okolju nevarno in nenazadnje tudi drago [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 8 -
3 VETRNA ENERGIJA
Sonce je glavni vir energije za naš planet, zato je nič kaj presenetljivo, da sončna energija
botruje tudi nastanku vetrov. Sončno sevanje povzroča neenakomerno segrevanje Zemljinega
površja, kar ima za posledico gibanje zračnih mas [4].
3.1 Nastanek vetrov
Vetrove delimo na dve glavni skupini, lokalne in planetarne. Slednji so posledica
intenzivnejšega ogrevanja zemeljskega površja vzdolž ekvatorja napram legam v bližini
južnega in severnega pola. Ta neenakomerna porazdelitev toplote povzroča dviganje toplega in
vlažnega tropskega zraka na ekvatorju, ki se v višjih plasteh atmosfere giba proti poloma, med
tem pa se hladnejši zrak ob površju Zemlje giblje iz smeri obeh polov nazaj proti ekvatorju
(slika 3.1). Vlažen in topel tropski zrak se v višjih slojih atmosfere ohladi in se na 30º
zemljepisne širine (meja med zmernim in subtropskim pasom) prične spuščati na površino
Zemlje. Večji del se ga ob površju usmeri nazaj proti ekvatorju, manjši del pa nadaljuje pot
proti poloma in pri 60º zemljepisne širine trči ob hladne zračne mase, ki se spuščajo od obeh
polov. To ima za posledico ponoven dvig v višje sloje atmosfere, kjer se večji del teh zračnih
mas usmeri nazaj proti 30 º zemljepisne širine, del pa ga potuje naprej proti poloma, po poti se
ohlaja in se ponovno spušča proti površju. Od polov se ob površini Zemlje zračne mase ponovno
usmerijo proti ekvatorju, s čimer se cikel planetarnega kroženja zraka zaključi [4].
Na smer gibanja planetarnih vetrov ne vpliva zgolj neenakomerno segrevanje
zemeljskega površja, temveč tudi Coriolisov pospešek, ki je posledica vrtenja Zemlje. Toplejši
zrak, ki se v višjih slojih atmosfere premika proti poloma, se giba v smeri proti vzhodu (na
severni in južni polobli). V tem primeru govorimo o prevladujočem zahodniku. Hladnejši zrak,
ki se ob površju Zemlje odmika od polov proti ekvatorju, pa se zaradi Coriolisovega pospeška
usmeri proti zahodu in povzroči nastanek polarnega severovzhodnika in severovzhodnih
pasatnih vetrov v subtropskem pasu severne poloble (slika 3.1). Na južni polobli pa se razvijeta
polarni jugovzhodnik in jugovzhodni pasat [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 9 -
Slika 3.1: Planetarno kroženje vetrov [5]
Gibanje zračnih mas in nastanek planetarni vetrov (zahodni vetrovi pri gibanju v smeri
proti poloma in vzhodnik pri gibanju od polov proti ekvatorju), ki so posledica rotacije Zemlje,
se odražajo pri nastanku vrtincev ob polnjenju področij nizkega tlaka. Na severni polobli imajo
ti vrtinci, tako imenovani cikloni protiurno smer vrtenja, na južni polobli pa se v vrtijo v smeri
urinega kazalca. Nagib Zemljine osi, ki znaša 23° 26’ 21,44” [6] ima vpliv na nastanek letnih
časov in s tem neenakomerno stopnjo ogrevanja površja v času enega leta, kar ima za posledico
večje ali manjše odmike od prej opisanih smeri gibanja zračnih mas [4].
Vzrok nastanka lokalnih vetrov je delovanje dveh mehanizmov. Prvi je posledica
razlike akumuliranja toplote kopenskih in vodnih površin. Na kopnem se sončno sevanje skoraj
v celoti pretvori v senzibilno toploto, zaradi tega se temperatura Zemljinega površja hitro
dvigne, v primeru vodnih površin, pa se del absorbirane toplote porablja za uparjanje vode, del
pa se je akumulira v globljih vodnih slojih. Temperatura kopenskih površin se zato povzpne
nad temperaturo vodnih površin, kar ima za posledico intenzivnejše segrevanje zraka nad
kopnim, ki se zaradi zmanjšane gostote dviga, nadomešča pa ga hladnejši zrak z morja. Tako
nastane t.i. zmorec, ki ga na Jadranu imenujejo maestral. Ponoči, pa se smer vetra obrne, saj v
primeru jasnega neba kopno oddaja toploto v vesolje v obliki sevanja. Velike vodne površine,
pa delujejo kot toplotni rezervoar zaradi lastnosti vode, ki je zaradi visoke specifične toplote v
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 10 -
primerjavi z zrakom zmožna akumulirati velike količine toplote (kar je glavni razlog, da je
obmorska klima pozimi milejša kot globje na celini). Zrak nad morjem je posledično ponoči
toplejši, zato se dviga, nadomešča pa ga hladnejši zrak s kopnega. Tako nastane veter kopnik,
ki ga imenujejo tudi burin [4].
Drugi mehanizem nastanka lokalnih vetrov je topografija oziroma razgibanost Zemljine
površine, kjer imamo v mislih predvsem gore, hribe in kotanje. Zrak nad pobočjem se čez dan
veliko intenzivneje segreje, ponoči pa ohladi v primerjavi z zrakom v dolinah, kar povzroči
gibanje toplega zraka čez dan po pobočju navzgor gornik, ter gibanje hladnejšega zraka ponoči
po pobočju navzdol dolnik [4].
Stroka ocenjuje, da se približno 2% vse sončne energije pretvori v kinetično v atmosferi,
od tega pa se je kar 30% pojavlja nižje od 1000 metrov nadmorske višine, kar je idealno za
izkoriščane tovrstne energije na vetrnih turbinah. Čeprav je posledica sončnega sevanja, ki je
ciklično, predvidljivo, v nekaterih delih sveta pa celo stalno, pa je vetrna oblika energije z
izjemo nekaterih redkih območij nestalna in slabše predvidljiva. Kljub vsemu, pa na območjih
z bolj ali manj stalnimi vetrovi predstavlja pomemben vir obnovljive energije [4].
3.2 Izkoriščanje vetrne energije v Sloveniji
V Sloveniji se na letni ravni pridela 13 TWh električne energije, od tega 20 % pripada republiki
Hrvaški, saj je njihove polovice električne energije pridelane v nuklearki Krško. Nekaj
električne energije tudi uvozimo, ta odvisnost pa narašča s stopnjo povečevanja porabe, zato v
Sloveniji nujno potrebujemo tudi druge vire energije [7].
V Elektro Primorska so se odločili, da bodo začeli izkoriščati električni potencial
primorskih pokrajin. Prioritetna je izraba vetrne energije, kasneje pa tudi sončne. Vrsto let so
opravljali meritve vetrnega potenciala na hribih in grebenih in dobili obetajoče podatke, ki so
skladni tudi s podatki meritev, ki jih je opravil Meteorološki zavod Slovenije. V načrtu je bilo
150 vetrnic na treh lokacijah: Volovje reber, Vremščica in Selivec. Več o tehničnih
specifikacijah vetrnic najdemo v spodnji tabeli (tabela 1) [7].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 11 -
Tabela 1: Tehnične specifikacije načrtovanih vetrnih turbin [7]
VE Volovje
reber
VE Vremščica VE Selivec
Število vetrnih turbin 47 45 58
Model vetrne energije (kW) G52-850 GE 1,5s GE 1,5s
Proizvajalec Gamesa Eolica GE Wind Energy GE Wind Energy
Moč vetrne turbine (kW) 850 1500 1500
Moč vetrne elektrarne (MW) 40 67,5 87
Nazivna hitrost vetra (m/s) 14 12 12
Višina stolpa vetrne turbine (m) 55 80 80
Teža stolpa vetrne turbine (t) 57 110 110
Premerja rotorja vetrne turbine
(m) 52 70,5 70,5
Površina rotorja vetrne turbine
(𝑚2) 2124 3904 3904
Teža rotorja z elisami (t) 10 29,7 29,7
Teža generatorja z ohišjem (t) 23 49 49
Skupna višina vetrne turbine (m) 81 115 115
Dimenzije temelja vetrne turbine
(m) 12·12·1,2 13·13·1,5 13·13·1,5
Najprej se bomo osredotočili na Volovje reber, saj je po mnenju strokovnjakov energetike
to primerno področje za postavitev vetrnih elektrarn, po mnenju okoljevarstvenikov pa ravno
najbolj sporen. Na tem kraju je letna izmerjena hitrost vetra na višini 15 m enaka 7,39 m/s. Ker
bo višina rotorja vetrnice bistveno višje od 15 metrov, je smiselno sklepati, da se bo hitrost
vetra na tej višini zagotovo povečala. To poviševanje hitrosti vetra z višino nam podaja enačba
3.1, oziroma graf na sliki 3.2 [7].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 12 -
(𝑣
𝑣0) = (
ℎ
10)𝛼
, (3.1)
𝑣0[𝑚/𝑠] - hitrost vetra na višini 15 metrov,
𝑣 [𝑚/𝑠] - hitrost vetra na višini ℎ,
ℎ [𝑚] - višina osi rotorja,
𝛼 [/] - eksponent porazdelitve, ki je odvisen od topografije pokrajine.
Slika 3.2: Spreminjanje hitrost vetra z višino [7]
Iz tabele 1 lahko razberemo, da višina na kateri bo os vetrnice načrtovane za Volovji
reber znaša 55m. Dejansko povprečno hitrost vetra, ki bo poganjala vetrnico tako izračunamo
z izrazom 3.2:
�̅� = (ℎ
10)𝛼
· 𝑣0, (3.2)
�̅� [𝑚/𝑠] - dejanska povprečna hitrost vetra, ki bo poganjala vetrnico,
pri tem zanemarimo, da se gostota zraka z višino zmanjšuje, saj je razlika v gostoti na 55 metrih
neznatna [7].
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 10 12
Viš
ina
(m)
Hitrost vetra (m/s)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 13 -
Po formuli 3.3 izračunamo Rayleighovo porazdelitev za hitrost vetra od 0 do 25 m/s (slika
3.3):
𝑝(𝑣) =𝜋∙𝑣
2∙𝑣2̅̅̅̅∙ 𝑒−
𝜋
4∙(
𝑣
�̅�)2
. (3.3)
Dobljen rezultat množimo s številom ur v letu in dobimo koliko ur v letu bo pihal veter z
določeno hitrostjo [7].
Slika 3.3: Graf karakteristike vetrnice, ki je načrtovana za Volovje reber [7]
Nato glede na karakteristiko vetrne turbine izračunamo še električno energijo, ki jo daje pri
danih hitrostnih pogojih vetra. Ko te energije seštejemo, dobimo koliko MWh električne
energije letno, bi dala ena vetrnica predvidena za Volovje reber, slika 3.3.
3.3 Ekonomsko socialni vidiki v Sloveniji
Težko je oceniti ali se postavitev vetrne elektrarne splača ali ne. Cena električne energije
pridobljene z vetrno elektrarno je preračunana in že dalj časa znana, ter znaša 0,06 EUR/kWh.
Ocenjena proizvodna vrednost električne energije iz vetrne elektrarne pa je 0,045 EUR/kWh,
torej bi investitor Elektro Primorska iz vsake prodane kilovatne ure električne energije zaslužil
0,015 EUR. Na letni ravni bi to pomenilo dobra dva milijona evrov čistega dobička samo iz
elektrarne Volovje reber. Veliko je bilo govora o tem ali se to izplača, saj je tovrstna električna
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 5 10 15 20 25 30Mo
č ve
tra
v o
dvi
sno
sti o
d h
itro
sti
vetr
a(k
W)
Hitrost vetra (m/s)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 14 -
energija skoraj trikrat dražja v primerjavi s tisto, ki jo pridobivamo v termoelektrarnah in
hidroelektrarnah. V primerjavi z drugimi evropskimi državami je cena električne energije
pridobljene v naših vetrnih elektrarnah dokaj sprejemljiva, saj je z 0,06 EUR/kWh najnižja. Na
primer Francija ima ceno 0,07 EUR/kWh, Nemčija 0,09 EUR/kWh , Italija pa celo 0,12
EUR/kWh. Vetrne elektrarne so iz ekonomskega vidika naložba namenjena dobičku, še posebej
če vemo v kolikšnem času se bo investitorjem naložba povrnila. To izračunamo po spodnji
enačbi 3.4:
Za 𝐶𝐹 = 0,3 ,
𝐶𝐶 =𝐼𝐶𝐶
𝑃𝑛∙𝐶𝐹∙8766 ℎ∙0,06 𝐸𝑈𝑅/𝑘𝑊ℎ=
1001502,253 𝐸𝑈𝑅
850 𝑘𝑊∙0,3∙8766 ℎ∙0,06 𝐸𝑈𝑅/𝑘𝑊ℎ= 7,46 𝑙𝑒𝑡𝑎 , (3.4)
in za 𝐶𝐹 = 0,5 ,
𝐶𝐶 =1001502,253 𝐸𝑈𝑅
850 𝑘𝑊∙0,5∙8766 ℎ∙0,06 𝐸𝑈𝑅/𝑘𝑊ℎ= 4,48 leta , (3.5)
𝐼𝐶𝐶 [𝐸𝑈𝑅] - cena ene vetrnice,
𝐶𝐶 [𝑙𝑒𝑡𝑎] - čas povrnitve naložbe,
𝑃𝑛 [𝑘𝑊] - nazivna moč vetrnice,
𝐶𝐹 [/] - konstanta, ki je odvisna od izkoristka vetrnice.
Oba rezultata sta izračunana za najbolj pesimistično in najbolj optimistično napoved hitrostnih
karakteristik vetra. V obeh primerih pa se bo naložba povrnila relativno hitro [7].
3.4 Okoljski vidiki za Slovenijo
Večina naravovarstvenikov se strinja, da je pridobivanje električne energije s pomočjo vetrnih
elektrarn okolju še najbolj prijazno. Ko so postavljene, delujejo brez vpliva na okolico, ne
proizvajajo smeti ali izpuščajo strupenih plinov, nizkofrekvenčni hrup pa je že tudi skoraj
popolnoma odpravljen. Jabolko spora tega smelega projekta je ravno umestitev tovrstnih
tehnoloških naprav v prostor, saj so najboljše lokacije s stališča ugodnih vetrovnih razmer tudi
biološko najbolj bogate in raznolike, zato prihaja do nesporazumov med investitorji in
naravovarstveniki [7].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 15 -
Tipičen primer je Volovje reber, slika 3.4, greben golega Krasa, s svojo značilno floro in
favno. Problem, ki ga je izpostavil dr. Trontelj pa je nevarnost, ki jo tovrstne naprave
predstavljajo za tam živeče ptice, kot sta orel kačar in beloglavi jastreb, ki sta že tako ogrožena
vrsta pri nas. Po njegovem mnenju je velika možnost trkov ptic z lopaticami vetrnice, na račun
postavitve vetrnic pa bi naj bil zmanjšan tudi življenjski prostor ptic. Seveda se poraja vprašanje
kje potemtakem je primeren kraj za postavitev vetrnih elektrarn, da bi obe strani sklenili
kompromis. Naravovarstveniki se sicer strinjajo z gradnjo vetrnih polj Vremščica in Selivec,
veliko drugih lokacij pa investitorjem praktično več ne preostane, saj je 35,5 % Slovenije
zaščiten krajinski park Natura 2000 (od tega je kar 65 % Primorske, ki pa je kot vemo vetrovno
najbolj idealna za tovrsten projekt) [7].
Slika 3.4: Zračni posnetek Volovje reber za katerega je načrtovano vetrno polje [7]
Zanimiva je raziskava, ki so jo naredili v ZDA in Kanadi. Ta nam daje konkretne številke,
koliko ptic pogine zaradi trkov z vetrnimi turbinami, v primerjavi z drugimi vzroki za njihovo
smrt. Letno bi naj zaradi vetrnih elektrarn poginilo med 214 000 in 368 000 ptic, kar je
zanemarljivo v primerjavi s 6,8 milijoni, ki so posledica trkov z radijskimi stolpi in 1,4 do 3,7
milijarde, ki jih pobijejo domače ali divje mačke. Namen vetrnih elektrarn je zmanjšanje
uporabe fosilnih goriv in posledic, ki jih povzroča njihovo zgorevanje. Podnebne spremembe
ne vplivajo samo na okolje, temveč tudi na vsa v njem živeča živa bitja, tudi ptice. Zaradi
tovrstnih vplivov so v ZDA resno ogrožene nekatere vrste ptic, med katerimi je tudi zaščiten
gologlavi orel [8]. V tabeli 2 lahko vidimo tudi ostale vzroke za smrt ptic v ZDA, v primerjavi
z vetrnimi elektrarnami.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 16 -
Tabela 2: Vzroki za smrt ptic v ZDA [8]
VZROKI OCENJENO ŠTEVILO LETNO
UBITIH PTIC V ZDA
Divje in domače mačke Med 1400 in 3700 milijonov
Okna 599 milijonov
Avtomobili 200 milijonov
Visokonapetostni električni vodi 25 milijonov
Komunikacijski in radijski stolpi 6,6 milijonov
Pesticidi 2,7 milijonov
Vetrne elektrarne 0,2 do 0,4 milijona
3.5 Faktorji, ki vplivajo na hitrost zračnih mas
Pred postavitvijo vetrnice ali polja več le-teh, je najbolj pomembno proučiti lastnosti terena, za
katerega je gradnja planirana. Topografske konfiguracije pokrajine močno vplivajo na možnost
izkoriščanja vetrnega potenciala in jih je pogosto možno s pridom izkoristit.
Efekt lijaka je pojav zožitve pretočnega prereza in deluje na principu Venturijevega
efekta, slika 3.5. Ko zračne mase trčijo v svoji smeri na vzporedne ovire (gore, hribi, griči) in
nadaljujejo svojo pot med temi ovirami, se pretočni prerez v smeri vetra zmanjša, njegova
hitrost pa bistveno naraste (lahko tudi za 50%). Takšne lokacije je smiselno izkoristiti za
postavitev vetrnih turbin. Podobne efekte lahko opazimo na morju v kanalih ob hribovitih ali
goratih otokih. Pojav je tem ugodnejši, čim bolj gladke so stene lijaka. Neravnine in poraščenost
z gozdnimi površinami povzroča turbulence, kar izniči ugodne učinke. Dodatna slabost je
frekventno spreminjajoča se smer vetra [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 17 -
Slika 3.5: Efekt lijaka [4]
Efekt hriba je izkoriščanje lokalnega povečanja tlaka na privetrni strani in lokalno
znižanje tlaka na zavetrni strani hriba, slika 3.6. Tlačno razliko med privetrno in zavetrno
stranjo lahko vetrnica s pridom izkoristi. To je glaven razlog zakaj je postavitev vetrnih turbin
na gorskih grebenih zelo pogosta. Ponovno pa ima pomemben vpliv oblika terena. Prestrma
pobočja povzročajo močne turbulence, kar ima za posledico izničenje ugodnega učinka [4].
Slika 3.6: Efekt hriba [4]
Efekt brazde je slabost gradnje večje skupine vetrnic na eni lokaciji, ki jo imenujemo
tudi vetrno polje. Takšen način postavitve vetrnic zmanjša stroške gradnje in potrebne
infrastrukture, ter poveča izkoristek prostora. Slaba stran tega, pa je nastanek brazde v zračnem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 18 -
toku za turbino, kar neugodno vpliva na delovanje turbin, ki v smeri vetra sledijo. Primer brazde
vidimo na sliki 3.7, kjer vidimo, da turbino zapušča močno turbulenten tok, katerega kinetična
energija je manjša, saj se je del na rotorju vetrnice pretvoril v mehansko. Zmanjšana hitrost
vetra in turbulenca, pa imata močan vpliv na znižanje izkoristka in moči vetrnic, ki sledijo. Iz
tega razloga, so turbine na vetrnem polju med seboj razmaknjene za vsaj tri premere rotorja, v
prevladujoči smeri vetra pa še bolj [4].
Slika 3.7: Efekt brazde [4]
Iz energetskega vidika bi bilo najbolj ugodno, če bi vetrnice v prevladujoči smeri vetra postavili
čimbolj narazen. Ker to iz stališča izkoristka prostora in možnosti priključitve vetrnic na
električno omrežje ne bi bilo sprejemljivo, se v praksi sprejme kompromis. Vetrna polja se tako
gradijo z razmikom, ki znaša 5 do 9 premerov rotorja v prevladujoči smeri vetra in 3 do 5
premerov rotorja v smeri pravokotno na smer vetra. Takšno razporeditev vetrnic prikazuje slika
3.8. Turbine so v prevladujoči smeri vetra med seboj oddaljene za 7-kratno razdaljo premera
rotorja, pravokotno na smer vetra pa razdalja znaša 4 premere rotorja. Pri takšni postavitvi so
izgube zaradi medsebojnega vpliva vetrnic približno 5 % [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 19 -
Slika 3.8: Konfiguracija polja vetrnic [4]
3.6 Pretvorba vetrne energije
Moč toka zračne mase zapišemo kot produkt masnega pretoka in specifične kinetične energije,
kot je zapisano v enačbi 3.6:
𝑃𝑡𝑜𝑡 = �̇� ∙𝑣𝑖
2
2 , (3.6)
𝑃𝑡𝑜𝑡 [𝑊] - moč vetra,
𝑚 ̇ [𝑘𝑔 𝑠⁄ ] - masni pretok,
𝑣𝑖[𝑚 𝑠⁄ ] - hitrost vetra.
Masni pretok skozi opazovan prerez A je podan z enačbo:
�̇� = 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣𝑖 , (3.7)
𝜌 [𝑘𝑔 𝑚3⁄ ] - gostota zraka (približno 1,2 [𝑘𝑔 𝑚3⁄ ]),
𝐴 [𝑚2] - površina, ki jo oriše vrh lopatice rotorja oz. površina opazovanega prereza.
Tako lahko moč zračnega toka, ki vstopa v opazovan prerez s hitrostjo 𝑣𝑖 zapišemo kot:
𝑷𝒕𝒐𝒕 =𝟏
𝟐∙ 𝝆 ∙ 𝑨 ∙ 𝒗𝒊
𝟑 . (3.8)
Iz enačbe 3.8 opazimo, da moč toka zračne mase narašča s tretjo potenco hitrosti in da je
sorazmerna gostoti zraka ter površini opazovanega prerez. Odvisnost prikazuje slika 3.9 [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 20 -
Slika 3.9: Moč vetra v odvisnosti od hitrosti vetra in površine opazovanega prereza pri tlaku
1013 mbar in temperaturi 15ºC [4]
3.7 Pretvorba električne energije
Električno moč 𝑃𝑒𝑙 izračunamo z izrazom 3.9 [9]:
𝑃𝑒𝑙 = 𝑈𝑖 ∙ 𝐼 , (3.9)
𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - električna moč,
𝑈𝑖 [𝑉] - inducirana napetost na kotvah rotorja generatorja,
𝐼 [𝐴] - električni tok.
Inducirana napetost 𝑈𝑖 je nekoliko večja od izmerjene, ker pride do majhnega padca
zaradi upornosti generatorja in priključnih kablov (𝑅𝐴).
Slika 3.10: Električna upornost generatorja/elektromotorja [9]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 21 -
Inducirano napetost 𝑈𝑖 izračunamo kot [9]:
𝑈𝑖 = 𝑈𝑖𝑧𝑚 + 𝐼𝐴 ∙ 𝑅𝐴 , (3.10)
𝑈𝑖𝑧𝑚 [𝑉] - izmerjena napetost,
𝐼𝐴 [𝐴] - izmerjen električni tok iz generatorja,
𝑅𝐴 [Ω] - notranja električna upornost generatorja (elektromotorja) in priključnih kablov.
Mehansko moč 𝑃𝑚𝑒ℎ izračunamo z izrazom 3.11 [9]:
𝑃𝑚𝑒ℎ = 𝜔 ∙ 𝑀𝑚𝑒ℎ , (3.11)
𝑃𝑚𝑒ℎ = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛 ∙ 𝑀𝑚𝑒ℎ , (3.12)
𝑀𝑚𝑒ℎ = 𝑘𝑚 ∙ ∅ ∙ 𝐼𝐴 , (3.13)
𝑃𝑚𝑒ℎ [𝑊] - mehanska moč,
𝑛 [𝑚𝑖𝑛1] - število vrtljajev rotorja generatorja,
𝑀𝑚𝑒ℎ [𝑁𝑚] - mehanski moment,
𝑘𝑚 [𝑁𝑚 𝐴⁄ ] - navorna konstanta,
∅ [𝑉𝑠 𝑜𝑧. 𝑊𝑏 − 𝑊𝑒𝑏𝑒𝑟] - magnetni pretok.
Električni moment 𝑀𝑒𝑙 zapišemo kot:
𝑀𝑒𝑙 = 𝑘𝑢 ∙ ∅ ∙ 𝐼𝐴 , (3.14)
𝑀𝑒𝑙 = 𝑘𝑚𝑜𝑡 ∙ 𝐼𝐴 , (3.15)
𝑀𝑒𝑙 [𝑁𝑚] - električni moment,
𝑘𝑢 [𝑉 ∙ 𝑠 𝑟𝑎𝑑⁄ ] - električna konstanta,
𝑘𝑚𝑜𝑡 [𝑉 ∙ 𝑠] - konstanta elektro motorja.
Izraz 𝑘𝑚𝑜𝑡 = 𝑘𝑢 ∙ ∅ dobimo tako, da generator (kot motor) poganjamo v prostem teku (brez
obremenitve) z znano napetostjo in izmerimo število vrtljajev [9].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 22 -
3.8 Dejanska moč vetrne turbine
Način pretvorbe kinetične energije zračnih mas v mehansko delo na rotorju vetrne turbine je
najenostavneje pojasniti s teorijo obtekanja osamljenega profila lopatice. Sprememba gibalne
količine je vzrok za nastanek tlačne razlike in nastanek sile vzgona. Kot posledica trenja in
razlike tlakov pa je nastanek sile upora. Sili navadno predstavimo s koeficientoma vzgona 𝐶𝐿
in upora 𝐶𝐷:
𝐶𝐿 =𝐹𝐿
1
2∙𝑐∞
2 ∙𝜌∙𝑐∙𝑙 , (3.16)
in
𝐶𝐷 =𝐹𝐷
1
2∙𝑐∞
2 ∙𝜌∙𝑐∙𝑙 , (3.17)
𝐹𝐿 [𝑁] - sila aerodinamičnega vzgona,
𝐹𝐷[𝑁] - sila aerodinamičnega upora,
𝑐∞2 [𝑚 𝑠⁄ ] - hitrost natekanja,
𝑐 [𝑚] - dolžina tetive profila,
𝑙 [𝑚] - dolžina krila, oziroma lopatice rotorja.
Oba koeficienta sta močno odvisna od pogojev obtekanja profila, ki jih v prvi vrsti določa
napadni kot 𝛿. Ta odvisnost je prikazana na sliki 3.11 [4].
Slika 3.11: Obtekanje osamljenega profila [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 23 -
Razmere obtekanja profila lopatice so odvisne od hitrosti vetra in obodne hitrosti lopatice
na mestu opazovanja. Tako je hitrost natekanja 𝑐∞ enaka relativni hitrosti 𝑤, ki je enaka razliki
vektorjev hitrosti vetra in obodne hitrosti 𝑢:
�⃑⃑⃑� = 𝒗𝒂⃑⃑ ⃑⃑ − �⃑⃑� , (3.18)
�⃑⃑⃑� [𝑚 𝑠⁄ ] - vektor relativne hitrosti,
𝒗𝒂⃑⃑ ⃑⃑ [𝑚 𝑠⁄ ] -hitrost vetra,
�⃑⃑� [𝑚 𝒔⁄ ] - vektor obodne hitrosti.
Hitrost vetra tik pred lopatico vetrnice je, kot smo že povedali manjša od dejanske hitrosti vetra
in je enaka 𝑣𝑎 ≈ 𝑣𝑡. Kot med relativno in obodno hitrostjo (slika 3.13) imenujemo relativni kot,
ter ga označimo z 𝛽. V tem primeru je napadni kot 𝛿 med tetivo profila in relativno hitrostjo.
Razliko med kotoma 𝛽 in 𝛿, ki meri kot med tetivo profila in obodno smerjo, pa imenujemo
nastavni kot. Označujemo ga z 𝜀. Določajo ga geometrijske razmere [4].
Slika 3.12: Koeficient vzgona in upora v odvisnosti od nastavnega kota [4]
Komponenta rezultante sile 𝐹𝑟𝑒𝑧 je sila, ki poganja rotor v obodni smeri. Izračunamo jo
kot razliko obodnih komponent sile vzgona in upora:
𝐹𝑟𝑒𝑧 = 𝐹𝐿 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛽 − 𝐹𝐷 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛽 . (3.19)
Produkt obodne sile in ročice (razdalja od osi rotorja do prijemališča obodne sile), pa je enak
navoru oz. momentu, ki deluje na os vetrnice [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 24 -
Slika 3.13: Obtekanje profila lopatice vetrne turbine s pripadajočimi vektorji hitrosti in sil, ki
delujejo nanjo [4]
Pogoji natekanja profila lopatice, pa niso enaki po celotni dolžini lopatice. Obodna hitrost
rotorja 𝑢 se namreč povečuje z večanjem razdalje od osi vrtenja, zato se logično spreminja tudi
relativna hitrost obtekanja profila 𝑤, prilagajati pa se ji mora tudi naklon profila oz. nastavni
kot 𝜀, z namenom, da ostaja napadni kot 𝛿 optimalen. S tem razlogom so lopatice po dolžini
uvite, slika 3.14. Največji možni teoretični izkoristek tako velja le ob idealnih pogojih obtekanja
lopatice, ki pa v realnosti niso nikoli izpolnjeni [4].
Slika 3.14: Shematičen prikaz spremembe razmer natekanja vzdolž lopatice vetrne turbine [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 25 -
3.9 Hitrostno število
Hitrostno število nam podaja razmerje obodne hitrosti vrha lopatice in hitrosti vetra. Zapišemo
ga z izrazom 3.20:
𝜆 =𝑢
𝑣𝑡=
2∙𝜋∙𝑛∙𝑅
𝑣𝑡, (3.20)
𝜆 [/] - izkoristek vetrne turbine,
𝑛 [𝑠−1] - število vrtljajev rotorja vetrnice,
𝑅 [𝑚] - polmer rotorja vetrnice.
𝐶𝑝 =𝑃𝑒𝑙
𝑃𝑡𝑜𝑡 , (3.21)
𝐶𝑝 [/] - koeficient moči,
𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - izhodna moč električnega generatorja,
𝑃𝑡𝑜𝑡 [𝑊] - moč vetra.
Pri obravnavi idealne propelerske turbine lahko opazimo močno odvisnost izkoristka
(koeficienta moči) od hitrostnega števila. Najvišji izkoristki so pri vrednostih nad 5, medtem
ko v primeru hitrostnega števila nižjega od 2, izkoristek tudi v primeru idealne izvedbe
drastično pade. V primeru realnih vetrnih turbin je odvisnost izkoristka od hitrostnega števila
še očitnejša. Opazimo lahko, da se največji izkoristek navadno pojavlja le znotraj ozkega
okvirja optimalnega razmerja med obodno hitrostjo vrha lopatice in hitrostjo vetra. Izkoristki
dejanskih vetrnic tako ne presegajo 50 % in se navadno gibljejo med 30-40 %. Moč vetrne
turbine lahko tako zapišemo kot [4]:
𝑃 = 𝜂 ∙ 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝜂 ∙1
2∙ 𝐴 ∙ 𝑣𝑖
3 . (3.22)
3.10 Obratovalne karakteristike vetrnih turbin
Pogoste spremembe moči vetrne turbine zaradi spreminjajočih se hitrosti vetra v proizvodnji
električne energije niso zaželene, saj povzročajo nihanja v električnem omrežju in oscilacije
mehanskih napetosti. Posledično so iz takšnih, predvsem pa ekonomskih vidikov izkoriščenosti
opreme vetrne turbine projektirane za moči obratovanja nižje od maksimalno dosegljivih. V
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 26 -
dejanski uporabi so zato turbine in generatorji manjših moči, ki pri hitrostih vetra nad nazivno
vrednostjo ne uspejo predelati celotne razpoložljive energije vetra, vendar pa delujejo večji del
časa v področju konstantne nazivne moči, kar je zelo pomembno s stališča zanesljivosti
obratovanja. Takšnemu načinu obratovanja pravimo znižana kapaciteta in ga prikazuje slika
3.15. Črtkana linija prikazuje klasično karakteristiko vetrne turbine, pri kateri moč narašča s
tretjo potenco hitrosti vetra. V področju nizkih moči je ta karakteristika odrezana (pod startno
vrednostjo hitrosti vetra turbina ne obratuje), nato sledi klasični karakteristiki do nazivne moči,
nad to vrednost pa se ne povzpne, temveč ostane kljub povečevanju hitrosti vetra konstantna,
kar se doseže s spreminjanjem kota lopatic. Ko je največja dopustna hitrost vetra presežena, se
turbina zaustavi. Zagonska hitrost je navadno 4 𝑚 𝑠⁄ , hitrost izklopa 25 𝑚 𝑠⁄ , nazivna hitrost
pa je pogojena vetrovnim razmeram [4].
Slika 3.15: Karakteristika delovanja vetrne turbine z znižano kapaciteto [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 27 -
4 IZBIRA LOKACIJE ZA POSTAVITEV VETRNE TURBINE
Lokacijo predvideno za postavitev elektrarne je potrebno pazljivo izbrati, ter smiselno oceniti
razpoložljivost vetrne energije na tem območju. Pri tem se sklicujemo na rezultate obsežnih in
dolgotrajnih meritev lokalnih hitrosti vetra [4].
4.1 Vetrne rože
Je prikaz podatkov o razporeditvi hitrosti vetra in hitrosti spreminjanja smeri vetra. Vetrne rože
so izdelane na osnovi meteoroloških opazovanj hitrosti in smeri vetra [4]. Na slikah 4.1 in 4.2
je primer vetrne rože za Letališče Edvarda Rusjana v Mariboru in Novo Gorico. Vetrni roži
prikazujeta pogostost vetra po smereh za omenjena kraja, na osnovi polurnih meritev
povprečnih hitrosti, ki sta jih izmerili samodejni meteorološki postaji na višini 10 metrov od
tal. Vetrni roži se močno razlikujeta, saj na porazdelitev vetra in njegovo hitrost močno vpliva
topografija površja.
Slika 4.1: Vetrna roža za Letališče Edvarda Rusjana Maribor [10]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 28 -
Slika 4.2: Vetrna roža za Novo Gorico [11]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 29 -
5 VETRNE TURBINE
Vetrna turbina je energetski stroj, ki kinetično energijo vetra pretvarja v mehansko delo. V
primeru, da se pretvorjeno mehansko delo uporablja za mletje ali črpanje, takšnemu stroju
pravimo mlin na veter (slika 5.1). Danes pa tovrstne stroje navadno povezujemo s pretvorbo
mehanske energije v električno (slika 5.2). Proizvodnja modernih vetrnih turbin se je pričela po
t.i. energetski krizi leta 1973. V več industrijsko razvitih državah po svetu so se vlade odločile
vložiti denar v razvoj vetrnih turbin, moči nekaj megavatov. Istočasno se je nekaj privatnih
podjetij odločilo za samostojen vstop na energetski trg z razvojem vetrnic manjših moči,
namenjenih komercialni rabi [12].
Slika 5.1: Mlin na veter [13]
Slika 5.2: Vetrna turbina za proizvodnjo električne energije [14]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 30 -
5.1 Delitev vetrnih turbin
Obstaja več vrst vetrnih turbine, zato ji delimo glede na:
a. Glede na delovanje sile vetra na lopatice rotorja:
naprave, ki delujejo na principu dinamičnega vzgona,
naprave, ki delujejo na principu aerodinamičnega upora.
Naprave z nizko vrtilno frekvenco rotorja navadno delujejo na principu sile zračnega
upora (Savoniusov rotor, skodelični tip rotorja-anemometri). Njihova hitrost vrtenja je manjša
od hitrosti vetra, na pogonsko gred pa delujejo z znatnim momentom. Vetrne turbine tega tipa
se ne uporabljajo za proizvodnjo električne energije, so pa zaradi preprostejše izvedbe uporabne
za črpanje vode in vetrne mline [15].
Vetrne turbine modernega tipa, pa delujejo predvsem na efektu dinamičnega vzgona, ki
je posledica spremembe gibalne količine med spodnjim in zgornjim robom lopatice. Tovrstne
naprave se vrtijo s hitrostjo enako ali celo višjo od hitrosti vetra. V primerjavi s turbinami, ki
delujejo na principu aerodinamičnega upora, imajo te vetrnice zaradi boljšega izkoristka 𝐶𝑝
nekajkrat višjo moč, posledično pa na pogonsko gred delujejo z manjšim momentom [15].
b. Glede na postavitev osi vrtenja rotorja:
vertikalne,
horizontalne.
Prednost strojev z vertikalno osjo je njihova neodvisnost od smeri vetra; pa tudi težek
strojni del z generatorjem in mehanskim prenosnikom se nahaja na tleh. Najbolj znan primer
vetrne turbine z vertikalno osjo vrtenja je Darrieus-ov rotor. Tovrstne vetrnice pa imajo tudi
svojo pomanjkljivost, saj se zaradi pulzirajočega navora ne morejo zagnati same. Iz takšnih
razlogov se v komercialni rabi raje poslužujemo tipa vetrnic s horizontalno osjo vrtenja rotorja.
Navadno so v uporabi vetrnice z dvema ali tremi lopaticami, katerih vrtenje je posledica
delovanja dinamičnega vzgona, ki deluje na lopatice rotorja. Rotor vetrnice in ohišje z
generatorjem ter mehanskim prenosnikom sta postavljena na visok steber, na katerem se lahko
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 31 -
gibata za kot 360º v horizontalni smeri. Za ustrezno usmerjenost rotorja (pravokotno na smer
vetra) skrbi regulacija in naprave, ki neprestano merijo smer in hitrost vetra [15].
c. Glede na način obratovanja:
Vetrne turbine s konstantno hitrostjo vrtenja,
Vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja.
Za preprostejše aplikacije, kot je črpanje vode, mletje in polnjenje akumulatorskih baterij
je dovoljena uporaba vetrnic s spremenljivo hitrostjo vrtenja. Če pa se te uporabljajo za
proizvodnjo električne energije, ki se oddaja v omrežje, je nujna uporaba pretvornika s
širokopasovnim vhodom. Za tovrstne namene so najpogosteje uporabljene vetrnice s
konstantno hitrostjo vrtenja, saj ta omogoča uporabo preprostih generatorjev, katerih hitrost je
usklajena s frekvenco električnega omrežja [15].
d. Glede na hitrost vrtenja rotorja:
Počasi tekoče vetrnice imajo rotor z 8 ali več lopaticami (slika 5.3). Navadno se jih
uporablja za domačo oskrbo, kot je poganjanje vodnih črpalk, polnjenje električnih
akumulatorjev ali poganjanje mehanskih mlinov. Tovrsten tip vetrnic ima velik vrtilni moment
že pri nizkih hitrostih vetra. Uporabljajo se v Avstraliji in v Severni Ameriki. [16].
Slika 5.3: Ameriški tip vetrnice [16]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 32 -
Hitro tekoče vetrnice imajo rotor z eno, dvema ali tremi lopaticami. Za ta tip vetrnice je
značilno, da za začetek delovanja potrebujejo določeno minimalno hitrost vetra, ki mora znašati
več kot 4 m/s. Pri nizkih hitrostih vetra imajo zato nizek vrtilni moment in moč. Vetrnice s samo
eno lopatico služijo kot prototipne izvedbe za raziskovalne namene, saj so v primerjavi z rotorji,
ki imajo dve ali tri lopatice bistveno hrupnejši, iz vetra pa pridobijo približno za 10% manj
energije. Za pridobivanje električne energije se danes največ uporabljajo vetrnice z dvema ali
tremi lopaticami. Iz stališča konstrukcijske trdnosti in zanesljivosti so v prednosti rotorji s tremi
lopaticami, saj so tudi manj hrupni in vizualno manj moteči [16].
5.2 Posebni tipi rotorjev
Savoniusov rotor (slika 5.4) je preprosta vetrnica z vertikalno usmerjeno osjo vrtenja
rotorja. Sestavljata jo dva enaka polkrožna valja, ki sta drug proti drugemu zamaknjena.
Rotor tega tipa za vrtenje izkorišča razliko v sili upora vetra na konkavni in konveksni
strani polkrožnega valja. Težava tovrstnega tipa vetrne turbine je hrup, ki ga povzroča
med obratovanjem in nizek koeficient moči [16].
Slika 5.4: Savoniusov rotor [18]
Windside rotor (slika 5.5) je sodobnejša izvedba Savoniusovega rotorja. S pomočjo
spiralnih polvaljev izkorišča Magnusov efekt. Ta se pojavi če vrteč valj postavimo
prečno na tok vetra. Efekt s pomočjo spiralnih polvaljev v katere se veter upira, pride
še bolj do izraza. Turbine tega tipa pričnejo obrativati že pri nizkih hitrostih vetra (2-3
m/s), so tudi tišje od klasične izvedbe Savoniusovega rotorja, ter delujejo do hitrosti
vetra 60 m/s [16].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 33 -
Slika 5.5: Windside rotor [19]
Darreiusov rotor (slika 5.6) je najbolj razširjen tip vetrne turbine z navpično osjo
vrtenja rotorja. Rotor ima običajno dve ukrivljeni in vertikalno postavljeni lopatici.
Zaradi ukrivljenosti lopatic je obremenitev na rotor, ki je posledica centrifugalne sile,
zmanjšana. Lopatica rotorja seka zračni tok dvakrat. Enkrat pred osjo vrtenja – upwind,
in drugič za osjo vrtenja – downwind. Koeficient moči je posledično večji, celo v
primerjavi s hitro vrtečimi turbinami z horizontalno osjo vrtenja rotorja in znaša 0,42
(medtem, ko je pri turbinah s horizontalno osjo vrtenja rotorja približno 0,40). Takšne
vrednosti koeficienta moči se dosežejo celo pri nižjem hitrostnem številu λ, ki znaša od
3 do 6. Darreiusova turbina deluje neodvisno od smeri vetra, vendar ima to slabo
lastnost, da se ne more zagnati sama. Potreben je zaganjalnik, ki rotor zažene. S tem
namenom je navadno dograjen Savoniusov rotor, ki se zažene samostojno [16]
Slika 5.6: Darreiusov rotor [20]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 34 -
6 MODELIRANJE LOPATICE IN ROTORJA TURBINE
Rotor turbine smo zmodelirali v programskem paketu SolidWorks. Največji izziv je bila
določitev primerne geometrije lopatice in njenega profila. Odločili smo se za koncept turbine s
trikrakim rotorjem, saj so ti v komercialni rabi najbolj pogosti. Dimenzije lopatic, kot je dolžina
tetive 𝑐 smo izbrali izkustveno, saj smo pri predhodnem rotorju na sliki 6.1, ki je imel dolžino
tetive na vrhu lopatice zgolj nekaj milimetrov ugotovili, da se pri višjih hitrostih vetra v testnem
kanalu, vrh lopatice preveč zvija. Vzrok za to je bil material, ki se uporablja za postopek SLS,
kateri ni nudil dovolj togosti pri tako tankem profilu lopatice. Ta rotor se je vrtel tudi z bistveno
nižjimi obrati, saj ozke in tanke lopatice niso nudile dovolj aerodinamičnega upora v primerjavi
z ustreznim rotorjem, na katerem so bile opravljene meritve.
Slika 6.1: Neustrezna vetrnica
Na sliki 6.2 je za meritve ustrezen rotor, premera 260 milimetrov, kateremu se dolžina
tetive profila 𝑐 proti vrhu lopatice zmanjša iz 20 milimetrov pri korenu lopatice, na 16
milimetrov pri njenem vrhu.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 35 -
Slika 6.2: Za meritve primerna vetrnica
6.1 Izračun Reynoldsovega števila in določitev profila lopatice
Reynoldsovo število, je brezdimenzijsko število, s katerim v mehaniki tekočini opisujemo način
toka. Definiramo ga kot kvocient med zmnožkom hitrosti toka in karakteristične dimenzije, ki
je v našem primeru dolžina tetive, katero označimo s c (ang. chord line), ter kinematično
viskoznostjo ν.
Podatki:
- 𝑣 = 16 𝑚/𝑠 , povprečna hitrost vetra v kanalu testne proge,
- 𝜈 = 15,7𝑚𝑚2 𝑠⁄ = 15,7 ∙ 10−6 𝑚2 𝑠⁄ , kinematična viskoznost zraka pri 20 ºC,
- 𝑐 = 20𝑚𝑚 = 0,02𝑚 , najdaljša dolžina tetive profila lopatice.
𝐈𝐳𝐫𝐚č𝐮𝐧:
𝑅𝑒 =𝑣∙𝑙
𝜈=
𝑣∙𝑐
𝜈=
16∙0,02
15,7∙10−6≈ 2 ∙ 104 , (6.1)
𝑅𝑒 [/] - Reynoldsovo (brezdimenzijsko) število,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 36 -
𝑣 [𝑚/𝑠] - hitrost toka tekočine,
𝑙 = 𝑐 [𝑚] - karakteristična dimenzija, oziroma dolžina tetive profila lopatice,
𝜈 [𝑚2/𝑠] - kinematična viskoznost.
Glede na rezultat izračuna Reynoldsovega števila, ki nam podaja tokovni režim čez profil
lopatice, je bilo potrebno izbrati ustrezen profil, s primernim napadnim kotom δ (AOA – Angle
Of Attack). Odločili smo se za standard NACA (National Advisory Committee for
Aeronautics), ki podaja aerodinamične karakteristike posameznih lopatic ali kril. NACA
standard podaja analitično izračunane koordinate na sprednji in zadnji strani profila lopatice in
s tem podaja njegovo zakrivljenost. Iz izbrane literature [21] smo poiskali primeren profil
lopatice, kot prikazuje slika 6.4. Odločili smo se za profil NACA 4412, saj zajema vrednosti
Reynoldsovega števila med 20 000 in 250 000, slika 6.3. Primeren napadni kot δ (AOA) za ta
profil znaša 16 º.
Slika 6.3: Iz leve proti desni; leto raziskovanja, znanstvenik, laboratorij, območje
Reynoldsovega števila in oznaka profila lopatice [21]
Slika 6.4: Profil lopatice NACA 4412
6.2 Računanje obodne hitrosti od korena lopatice proti njenemu vrhu
Logično je, da se obodna hitrost od korena lopatice proti njenemu vrhu veča, kar je posledica
večanja radija. Zaradi tega, je potrebno izračunati obodne hitrosti na posameznih odsekih krila
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 37 -
(na različnih polmerih rotorja), saj lahko samo na ta način narišemo trikotnike hitrosti. Ker
želimo po celotni dolžini lopatice zagotoviti konstanten napadni kot 𝛿, moramo temu primerno
prilagajati nastavni kot 𝜀. Obodne hitrosti na različnih premerih rotorja izračunamo z izrazom
6.2:
𝑢 = 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑛 , (6.2)
𝑢 [𝑚/𝑠] - obodna hitrost rotorja,
𝐷 [𝑚] - premer rotorja,
𝑛 [𝑠−1] - vrtljaji rotorja na sekundo.
Najprej je potrebno izračunati obodno hitrost lopatice na njenem vrhu. To izračunamo z
izrazom 6.3:
𝜆 =𝑢
𝑣 → 𝑢 = 𝜆 ∙ 𝑣 = 6 ∙ 16 = 96 𝑚/𝑠 , (6.3)
𝜆 [/] - koeficient obodne hitrosti rotorja in hitrosti vetra, ki za trikrako vetrnico znaša 6,
𝑢 [𝑚/𝑠] - obodna hitrost rotorja,
𝑣 [𝑚/𝑠] - hitrost vetra.
Za izračun obodnih hitrosti na posameznem premeru rotorja potrebujemo tudi njegovo
število vrtljajev n. Izračunamo jih z izpeljavo izraza 6.2:
𝑢 = 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑛 → 𝑛 =𝑢
𝜋∙𝐷=
96
𝜋∙0,26= 117,52 𝑠−1 ≈ 7051 𝑣𝑟𝑡/𝑚𝑖𝑛 . (6.4)
Sedaj lahko s pomočjo izraza 6.2 izračunamo obodno hitrost pri posameznem premeru
(polmeru) rotorja vetrnice:
- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟏 = 𝟔𝟎 𝒎𝒎 :
𝑢1 = 𝜋 ∙ 𝐷1 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,06 ∙ 117,52 ≈ 22 𝑚/𝑠 (6.5)
- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟐 = 𝟏𝟎𝟎 𝒎𝒎 :
𝑢2 = 𝜋 ∙ 𝐷2 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,1 ∙ 117,52 ≈ 37 𝑚/𝑠 (6.6)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 38 -
- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟑 = 𝟏𝟓𝟎 𝒎𝒎 :
𝑢3 = 𝜋 ∙ 𝐷3 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,15 ∙ 117,52 ≈ 55 𝑚/𝑠 (6.7)
- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟒 = 𝟐𝟎𝟎 𝒎𝒎 :
𝑢4 = 𝜋 ∙ 𝐷4 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,2 ∙ 117,52 ≈ 74 𝑚/𝑠 (6.8)
- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟓 = 𝟐𝟔𝟎 𝒎𝒎 :
𝑢5 = 𝜋 ∙ 𝐷5 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,26 ∙ 117,52 ≈ 96 𝑚/𝑠 (6.9)
6.3 Profili lopatice na različnih premerih
Lopatica rotorja se proti svojemu vrhu stanjša za 4 milimetre in sicer iz 20 na 16 milimetrov.
Iz slike 6.5 je razvidno, da se spreminja tudi nastavni kot 𝜀, z namenom ohranitve konstantnega
napadnega kota δ, ki po vsej dolžini lopatice znaša 16 º glede na relativno hitrost 𝑣𝑟𝑒𝑙.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 39 -
Slika 6.5: Profili lopatice od premera 𝐷1 do 𝐷5, katerih dolžina tetive profila c se od premera
𝐷1 do 𝐷5 zmanjša iz 20 mm na 16 mm
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 40 -
7 MERITVE
Meritve na modelu vetrne turbine so jedro tega diplomskega dela, zato bomo nekaj besed
namenili tudi napravi, na kateri so meritve bile opravljene.
7.1 Opis merilne proge
Na začetku zračnega kanala je nameščen elektromotor, ki preko merilne gredi poganja
ventilator. Ta aksialno skozi PVC cev notranjega premera 288 mm sesa zrak in s tem ustvarja
zračni tok. V sredino PVC cevi je nameščen enosmerni generator, ki se ga lahko uporablja tudi
kot elektromotor. Na gred enosmernega generatorja smo namestili trikrako vetrnico, ki smo jo
predhodno zmodelirali v programu Solid Works in izdelali s SLS postopkom, slika 7.1.
Slika 7.1: Rotor trikrake vetrnice na katerem smo opravljali meritve, vpet na enosmerni
električni generator
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 41 -
Slika 7.2: Merilna proga (zračni kanal) [9]
Vir električne energije je enosmerni precizijski generator tipa Escap 28D2R (slika 7.3) z
dvojnim vležajenjem, katerega specifikacije so:
- največja napetost: 12 V,
- zagonski moment: 96 mNm ,
- največji dovoljeni trajni tok: 1,5 A (moč: 15W) ,
- priključen upor: 2,75 Ω ,
- konstanta vrtilnega momenta: 20 mN/A.
Slika 7.3: Enosmerni generator (elektromotor) [9]
7.2 Izsledki meritev
Meritve smo opravljali pri različnih električnih upornostih vezanih na enosmerni električni
generator in s tem spreminjali breme, ter vetrnico različno zavirali. Najprej smo naredili meritve
pri upornosti 4,7 Ω , vendar smo ugotovili, da ja krivulja pri vrednostih 2,2 Ω električne
upornosti bolj zvezna, ter z lepšim prevojem. Dobljene rezultate meritev in krivulje smo
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 42 -
primerjali z meritvami, ki smo jih opravili na trikrakem propelerju, pri istih električnih
upornostih. Meritve na vetrnici in propelerju so bile opravljene pri naslednjih vrednostih hitrosti
vetra in obratih trofaznega elektromotorja, tabela 3:
Tabela 3: Hitrost vetra v testnem kanalu v odvisnosti od vrtljajev elektro motorja
Vrtljaji EM [𝒎𝒊𝒏−𝟏] Hitrosti vetra [𝒎/𝒔]
180 2,27
200 2,45
300 3,82
400 5,13
500 6,71
600 7,79
700 9,23
800 10,51
900 11,95
1000 13,05
1100 14,54
1200 16,06
1300 17,40
1400 18,42
1500 20,07
1600 21,26
1700 23,06
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 43 -
Slika 7.4: Hitrost vetra v testnem kanalu v odvisnosti od vrtljajev elektromotorja
Izsledke meritev smo zajemali s programskim paketom LabVIEW 2012 in A/D merilno
kartico modela NI PCI 6036E (slika 7.5), ki je vgrajena v osebni računalnik.
Slika 7.5: A/D pretvornik NI PCI 6036E [9]
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
hit
rost
vet
ra (
m/s
)
vrtljaji EM (1/min)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 44 -
Osebni računalnik je preko kabla povezan s priključnim poljem NI BNC-2110, slika 7.6 [9].
Slika 7.6: Priključno polje NI BNC-2110 [9]
Virtualni inštrument, na katerem smo opazovali spremembo vrtljajev pogonskega
trofaznega elektromotorja, vetrnice na generatorju, ter napetosti in tokov, ki jih generator
proizvaja, je bil že izdelan in je prikazan na sliki 7.7.
Slika 7.7: Virtualni inštrument [9]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 45 -
Na sliki 7.8 je prikazana natančna shema virtualnega inštrumenta izdelanega v programu
LabVIEW.
Slika 7.8: Shema virtualnega inštrumenta [9]
Na sliki 7.7 lahko vidimo, da se na levi strani virtualnega inštrumenta (''NASTAVI'')
nastavljajo vhodni podatki, oziroma vrtljaji trofaznega elektromotorja, ki poganja ventilator
testne proge. Na desni strani inštrumenta (''MERI''), pa odčitavamo izhodne podatke, kot so
vrtljaji vetrnice, električna napetost in tok, ki ju proizvaja enosmerni generator. Vhodne
veličine, oziroma vrtljaje pogonskega trofaznega elektromotorja smo nastavljali s frekvenčnim
regulatorjem, s pomočjo precizijskega gumba, slika 7.9.
Slika 7.9: Frekvenčni regulator [9]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 46 -
Meritve na trikraki vetrnici, pri pogojih:
- barometrski tlak: 993,6 mbar ,
- temperatura laboratorija: 23,0 ºC ,
- električna upornost vezana na enofazni generator: 2,2 Ω ,
- gostota 𝜌: 1,1690 𝑘𝑔 𝑚3⁄ .
V tabeli 4 imamo združene vse vhodne in izhodne podatke meritev, ki so bili opravljani
na trikraki vetrnici pri zgoraj opisanih pogojih. Vrtljaje trofaznega elektromotorja, ki poganja
ventilator testne proge, smo nastavljali s precizijskim gumbom frekvenčnega regulatorja,
katerega številsko območje sega do 1000. S sondo anemometra smo merili hitrosti vetra v cevi,
za pripadajoče vrtljaje pogonskega elektromotorja. S pomočjo virtualnega inštrumenta (slika
7.7) izdelanega v programu LabVIEW smo odčitavali izhodne parametre, kot so električna
napetost, električni tok, in vrtljaje vetrnice. Izhodno moč električnega generatorja 𝑃𝑒𝑙 pa smo
izračunali po naslednjem izrazu:
𝑃𝑒𝑙 = 𝑈 ∙ 𝐼 , (7.1)
𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - izhodna električna moč generatorja,
𝑈 [𝑉] - električna napetost,
𝐼 [𝐴] - električni tok.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 47 -
Tabela 4: Vhodni in izhodni podatki za meritev na trikraki vetrnici
Vrtljaji EM
[𝟏/𝒎𝒊𝒏]
Število
potenciometra v [𝒎/𝒔]
El.
napetost
[𝑽]
El. tok
[𝒎𝑨]
Obrati
vetrnice
[𝟏/𝒎𝒊𝒏]
𝑃𝑒𝑙 [𝑊]
180 86 2,27 0,038 12,100 54 0,000
200 92 2,45 0,052 26,300 102 0,001
300 149 3,82 0,161 75,662 235 0,012
400 199 5,13 0,301 137,803 428 0,041
500 255 6,71 0,451 222,000 647 0,100
600 307 7,79 0,594 266,988 842 0,159
700 360 9,23 0,741 336,921 1054 0,250
800 413 10,51 0,884 403,346 1252 0,357
900 464 11,95 1,034 463,224 1430 0,479
1000 518 13,05 1,177 529,948 1633 0,624
1100 570 14,54 1,335 605,464 1846 0,808
1200 622 16,06 1,487 676,276 2052 1,006
1300 672 17,40 1,657 751,057 2276 1,245
1400 724 18,42 1,837 839,433 2501 1,542
1500 770 20,07 2,017 926,545 2703 1,869
1600 816 21,26 2,182 993,569 2904 2,168
1700 863 23,06 2,365 1073,718 3118 2,539
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 48 -
V tabeli 5 imamo združene vse podatke, ki so ključni za izdelavo grafov karakterističnih krivulj
trikrake vetrnice. Te smo izračunali s pomočjo izhodnih parametrov meritev iz tabele 4. Za
izračun smo uporabili naslednje izraze:
Obodna hitrost 𝑢:
𝑢 = 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑛 , (7.2)
𝑢 [𝑚/𝑠] - obodna hitrost rotorja,
𝐷 [𝑚] - premer rotorja propelerja, ki znaša 0,260 m,
𝑛 [1/𝑠] - vrtljaji rotorja vetrnice.
Hitrostno število 𝜆:
𝜆 =𝑢
𝑣 , (7.3)
𝜆 [/] - hitrostno število,
𝑢 [𝑚/𝑠] - obodna hitrost rotorja,
𝑣 [𝑚/𝑠] - hitrost vetra.
Moč vetra 𝑃𝑡𝑜𝑡:
𝑃𝑡𝑜𝑡 =𝟏
𝟐∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣3 , (7.4)
𝑃𝑡𝑜𝑡[𝑊] - moč vetra
𝜌 [𝑘𝑔 𝑚3⁄ ] - gostota zraka pri dani temperaturi,
𝐴 [𝑚2] - površina, ki jo oriše vrh lopatice rotorja,
𝑣 [𝑚/𝑠] - hitrost vetra.
Koeficient moči 𝐶𝑝:
𝐶𝑝 =𝑃𝑒𝑙
𝑃𝑡𝑜𝑡 , (7.5)
𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - izhodna moč električnega generatorja,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 49 -
𝑃𝑡𝑜𝑡 [𝑊] - moč vetra.
Tabela 5: Ključni izračunani parametri za karakteristiko trikrake vetrnice
Obodna hitrost 𝒖 [𝒎/
𝒔]
Hitrostno število
𝝀
Moč vetra 𝑷𝒕𝒐𝒕 [𝑾] Koeficient moči 𝑪𝒑
0,7351 0,3238 0,3630 0,0013
1,3886 0,5668 0,4564 0,0030
3,1992 0,8375 1,7299 0,0070
5,8266 1,1358 4,1897 0,0099
8,8080 1,3127 9,3757 0,0107
11,4626 1,4715 14,6706 0,0108
14,3487 1,5546 24,4029 0,0102
17,0442 1,6217 36,0283 0,0099
19,4674 1,6291 52,9590 0,0090
22,2310 1,7035 68,9711 0,0090
25,1306 1,7284 95,3957 0,0085
27,9350 1,7394 128,5501 0,0078
30,9845 1,7807 163,4871 0,0076
34,0475 1,8484 193,9566 0,0080
36,7975 1,8335 250,8869 0,0074
39,5338 1,8595 298,2123 0,0073
42,4471 1,8407 380,5517 0,0067
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 50 -
Na sliki 7.10 je graf, ki prikazuje odvisnost naraščanja moči vetra 𝑃𝑡𝑜𝑡 od naraščanja
hitrosti vetra 𝑣 za trikrako vetrnico.
Slika 7.10: Graf naraščanja moči vetra 𝑃𝑡𝑜𝑡 v odvisnosti od naraščanja hitrosti vetra 𝑣 za
trikrako vetrnico
Moč vetra 𝑃𝑡𝑜𝑡 narašča po enačbi 3.8 iz poglavja 3 in sicer s tretjo potenco hitrostjo vetra 𝑣
𝑃𝑡𝑜𝑡 =1
2∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣𝑖
3 . (7.6)
-50,0000
0,0000
50,0000
100,0000
150,0000
200,0000
250,0000
300,0000
350,0000
400,0000
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
Pto
t(W
)
v (m/s)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 51 -
Slika 7.11 prikazuje graf naraščanja električne moči enosmernega generatorja 𝑃𝑒𝑙 v odvisnosti
od naraščanja hitrosti vetra 𝑣 za primer vetrnice.
Slika 7.11: Graf naraščanja električne moči enosmernega generatorja 𝑃𝑒𝑙 v odvisnosti od
naraščanja hitrosti vetra 𝑣 za trikrako vetrnico
Na sliki 7.12 je prikazan graf koeficienta moči 𝐶𝑝 v odvisnosti od hitrostnega števila 𝜆, za
meritve opravljene na trikraki vetrnici.
Slika 7.12: Graf odvisnosti koeficienta moči 𝐶𝑝 v odvisnosti od hitrostnega števila 𝜆 za
trikrako vetrnico
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
P el(W
)
v (m/s)
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Cp
λ
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 52 -
Meritve na trikrakem propelerju, pri pogojih:
- barometrski tlak: 993,6 mbar ,
- temperatura laboratorija: 23,0 ºC ,
- električna upornost vezana na enofazni generator: 2,2 Ω,
- gostota 𝜌: 1,1690 𝑘𝑔 𝑚3⁄ .
V tabeli 6 imamo združene vse vhodne in izhodne podatke meritev, ki so bili opravljani
na trikrakem propelerju pri pogojih opisanih zgoraj. Vrtljaje trofaznega elektromotorja, ki
poganja ventilator testne proge, smo nastavljali z precizijskim gumbom frekvenčnega
regulatorja, katerega številsko območje sega do 1000. S sondo anemometra smo merili hitrosti
vetra v cevi, za pripadajoče vrtljaje pogonskega elektromotorja. S pomočjo virtualnega
inštrumenta (slika 7.7) izdelanega v programu LabVIEW smo odčitavali izhodne parametre,
kot so električna napetost, električni tok, in vrtljaje vetrnice. Izhodno moč električnega
generatorja 𝑃𝑒𝑙 smo izračunali po naslednjem izrazu:
𝑃𝑒𝑙 = 𝑈 ∙ 𝐼 , (7.7)
𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - izhodna