VETRNA ELEKTRARNA ZA NAPAJANJE STANOVANJSKE HIŠE · Energija vetra je tako kot vodna energija posledica obsevanja Zemljinega površja s sončnimi žarki. Sonce segreva različne

VETRNA ELEKTRARNA ZA NAPAJANJE STANOVANJSKE

HIŠE

Diplomsko delo

Študent: Edin Kuhinja

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Energetika

Mentor: izr. prof. dr. Peter Virtič

Somentor: red. prof. dr. Andrej Predin

Lektorica: Jerneja Verboten, prof.

Krško, november 2016

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Petru Virtiču, in somentorju, prof. dr. Andreju Predinu,

za vodenje in pomoč pri izdelavi diplomske naloge. Diplomsko delo je posvečeno mojim

staršem.

IV

VETRNA ELEKTRARNA ZA NAPAJANJE STANOVANJSKE HIŠE

Ključne besede: energija vetra, vetrna elektrarna, okolje, direktni pogon, RETScreen

UDK: 621.311.245(497)(043.2)

Povzetek

V diplomskem delu je predstavljena upravičenost gradnje male vetrne elektrarne v vasi Katun

- Odžak v občini Pljevlja ter priklop na elektroenergetsko omrežje.

V začetnih poglavjih so predstavljeni zgodovina in splošni podatki o vetrnih elektrarnah,

malih vetrnih elektrarnah, vetrnih elektrarnah z direktnim pogonom ter o energiji vetra. Nato

so opisani glavni elementi vetrnice, karakteristike vetrne elektrarne in njeno delovanje. V

zadnjem delu je predstavljen program RETScreen, s pomočjo katerega je izdelana analiza za

gradnjo male vetrne elektrarne v zgoraj omenjeni vasi. Opisano je območje postavitve,

izbrana vetrna elektrarna in njena priključitev na nizkonapetostno omrežje. Izdelanih je več

primerov postavitve elektrarne, ki prikazujejo, pod kakšnimi pogoji je smiselno postaviti

vetrnico na tem območju.

V

WIND POWER PLANT FOR RESIDENTIAL HOUSE POWER SUPPLY

Key words: wind energy, wind power plant, environment, direct drive, RETScreen

UDK: 621.311.245(497)(043.2)

Abstract

In this diploma thesis the construction of small wind power plant in the village Katun - Odžak

in the municipality Pljevlja and connection the the electricity grid are presented.

In the first section the history and general information of wind power plants, small wind

power plants, wind power plants with ''direct drive'' generator and wind energy are described.

Then the main elements of the wind power plant, characteristics and operation are shown. The

last section presents RETScreen program and the analysis of the construction of the small

wind generating plant in the above mentioned village. The thesis describes the area of

installation, chosen wind power plant and its connection to the low voltage network. Several

examples are created showing whether the installation of wind power plant is meaningful in

suggested area.

VI

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................................... 1

2 ZGODOVINA VETRNIH ELEKTRARN ............................................................................................ 3

3 ENERGIJA VETRA ............................................................................................................................. 5

3.1 PRIRAST HITROSTI VETRA Z VIŠINO .............................................................................. 8

3.2 HRAPAVOST OKOLJA ......................................................................................................... 9

4 TEORIJA VETRNIH ELEKTRARN ................................................................................................. 13

4.1 IZVEDBE VETRNIH ELEKTRARN .................................................................................... 14

4.2 ZGRADBA VETRNE ELEKTRARNE ................................................................................. 16

4.2.1 Rotor ............................................................................................................................... 17

4.2.2 Mehanski prenos ............................................................................................................ 18

4.2.3 Generator ........................................................................................................................ 18

4.2.4 Zavorni sistem ................................................................................................................ 19

4.2.5 Čeljustni sistem .............................................................................................................. 19

4.2.6 Stolp ............................................................................................................................... 20

4.2.7 Anemometer ................................................................................................................... 20

4.3 EKONOMIČNOST VETRNIC .............................................................................................. 20

5 VETRNICE BREZ MENJALNIKA ................................................................................................... 22

5.1 DIREKTNI PRENOSNI MEHANIZEM ............................................................................... 23

6 PREDSTAVITEV MALIH VETRNIH ELEKTRARN ...................................................................... 25

6.1 SAMOOSKRBA IN PRODAJA ............................................................................................ 26

7 PREDLOG IZVEDBE ........................................................................................................................ 28

7.1 LOKACIJA POSTAVITVE ................................................................................................... 28

7.2 IZBIRA USTREZNE OPREME ............................................................................................ 29

8 EKONOMSKA UPRAVIČENOST IN IZRAČUN PROIZVODNJE ................................................ 33

9 PRIKLJUČITEV NA OMREŽJE ....................................................................................................... 52

10 SKLEP ................................................................................................................................................. 54

VIRI IN LITERATURA ............................................................................................................................. 56

PRILOGE .................................................................................................................................................... 58

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV ........................ 58

VII

PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA ................................................ 59

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1 Kmečki mlin na veter v Nemčiji [9] ......................................................................................... 3

Slika 3.1: Nastanek vetra [7] .................................................................................................................... 5

Slika 3.2: Odvisnost koeficienta moči od hitrosti vetra [10] .................................................................... 8

Slika 3.3: Različni višinski Hellmannovi koeficienti s statističnimi višinskimi gradienti hitrosti vetra

[3] ............................................................................................................................................................. 9

Slika 3.4: Višinski koeficienti v odvisnosti od različnih dolžin hrapavosti terena [3] ........................... 10

Slika 4.1: Konfiguracija vetrne turbine .................................................................................................. 14

Slika 6.1: Sestavni deli male vetrnice [17] ............................................................................................. 25

Slika 1.2: Samooskrba hiše z vetrno energijo [8] 26

Slika 1.3: Samooskrba in prodaja vetrne energije [8] 27

Slika 7.1: Vas Katun [12] ....................................................................................................................... 28

Slika 1.2: Vetrnica Aventa AV-47 [14]...................................................................................... .............................29

Slika 1.3: Obratovalna karakteristika vetrnice AV-47 [1] 32

Slika 8.1: Začetna stran projekta ............................................................................................................ 34

Slika 8.2: Vnos začetnih podatkov ......................................................................................................... 36

Slika 8.3: Vnos začetnih, investicijskih ter obratovalnih stroškov ......................................................... 37

Slika 8.4: Analiza škodljivih plinov ....................................................................................................... 38

Slika 8.5: Finančni parametri ................................................................................................................. 39

Slika 8.6: Grafični prikaz finančnih izračunov ...................................................................................... 40


Slika 8.8: Grafični prikaz finančnih izračunov ...................................................................................... 42


Slika 8.10: Prikaz finančnih izračunov ................................................................................................... 44

Slika 8.11: Finančni parametri ............................................................................................................... 45

Slika 8.12: Grafični prikaz finančnih izračunov .................................................................................... 46


Slika 8.14: Grafični prikaz finančnih parametrov .................................................................................. 48


IX

Slika 8.16: Grafični prikaz finančnih parametrov .................................................................................. 50

Slika 9.1: Priključitev na NN omrežje.................................................................................................... 52

Slika 9.2: Prikaz priključitve MVE neposredno na omrežje .................................................................. 53

X

KAZALO TABEL

Tabela 7.1: Prikaz proizvodnje električne energije za vetrno turbino AV-47 [14] ................................ 31

Tabela 8.1: Meteorološki podatki za izbrano lokacijo iz programa RETScreen .................................... 35

Tabela 8.2: Primerjava primerov ............................................................................................................ 51

XI

UPORABLJENE KRATICE

AC - izmenična napetost

DC - enosmerni tok

HAWT - vodoravna turbina

MVE - mala vetrna elektrarna

MW - megavati

MWh - megavatna ura

NASA - Nacionalna zrakoplovna in vesoljska uprava

NN - nizka napetost

NSV - neto sedanja vrednost

OVE - obnovljivi viri energije

tCO2 - tona ogljikovega dioksida

TP - transformatorska postaja

UNESCO - Organizacija Združenih narodov za izobraževanje, znanost in kulturo

VAWT - vetrikalna turbina

VE - vetrna elektrarna

ZDA - Združene države Amerike

XII

UPORABLJENI SIMBOLI

A - površina

Cp - koeficient moči

CO2 - ogljikov dioksid

Dn - bodoči donos

i - diskontna stopnja

I0 - začetna investicija

m - masa

Nd - neodim

P - električna moč

Rχ - razred hrapavosti

v* - hitrost vetra na referenčni višini

vz - srednja hitrost vetra na višini z

W - kinetična energija

z* - referenčna višina

ς - višinski Hellmannov eksponent vetra

χ0 - dolžina hrapavosti v trenutni smeri vetra

𝜌 - gostota

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

Naš planet se sooča s hitro rastjo prebivalstva, z njo pa se povečuje tudi potreba po električni

energiji. Planet se zaradi prekomernega izkoriščanja neobnovljivih virov energije (nafta,

premog, plin ...) sooča z velikim energetskim problemom, saj se zaloge neobnovljivih virov

drastično zmanjšujejo. Mnogi se sprašujejo, kako nadomestiti neobnovljive vire energije in s

tem zmanjšati emisije toplogrednih plinov, ki zaradi globalnega segrevanja uničujejo naš

planet. Čeprav se človeštvo usmerja v obnovljive vire energije (sonce, veter, voda ...), je treba

vedeti, da energija iz obnovljivih virov prav tako ni 100-odstotno čista, saj jo dobimo s

pomočjo energije, ki je pridobljena iz neobnovljivih virov.

Pomembna strateška zaloga energije so obnovljivi viri energije (v nadaljevanju OVE). OVE

zmanjšujejo odvisnost od uvoza fosilnih goriv, s tem pa zmanjšujejo tudi emisije CO2. Velik

del električne energije v Črni Gori je uvožen. Črna Gora je majhna država in glede na svoje

geografske značilnosti nima veliko lokacij za izgradnjo večjega števila vetrnih elektrarn. Tiste

lokacije, ki bi bile primerne, pa so pod zaščito UNESCA, saj se na njih nahajajo pomembne

kulturne znamenitosti, redke oz. skoraj izumrle živali ipd.

V prvem delu diplomske naloge je predstavljena zgodovina in razvoj vetrnih elektrarn,

energija vetra, gradnja vetrnih turbin ter vetrne turbine brez menjalnika. V raziskovalnem delu

pa so narejeni izračuni za morebitno postavitev vetrne elektrarne (v nadaljevanju VE) v

črnogorski vasi Katun - Odžak, ki spada v občino Pljevlja, in sicer na podlagi povprečne

hitrosti vetra za to lokacijo.

Izveden je tudi izračun ekonomske upravičenosti izgradnje elektrarne glede na opremo in

različne pogoje ter možno vključitev v nizkonapetostno (v nadaljevanju NN)


2

elektroenergetsko omrežje. Ekonomska upravičenost namestitve male vetrne elektrarne na

izbrani lokaciji je opisana v sklepu.


3

2 ZGODOVINA VETRNIH ELEKTRARN

Ljudje že veliko let izkoriščajo vetrno energijo. Mehanske naprave, ki so prve izkoriščale

vetrno energijo, so bile verjetno jadrnice in mlini na veter (prve naprave na trdnih tleh). Prve

mline na veter so začeli gradili že v 7. stoletju na območju današnjega Afganistana in Irana.

Gradnja vetrnih mlinov se je od tod razširila na Bližnji vzhod, Kitajsko in v Indijo. Prve mline

(Slika 2.1) so uporabljali najprej za mletje žita, pozneje za gnanje žag, črpanje vode itd. [13].

Slika 2.1 Kmečki mlin na veter v Nemčiji [9]

Anglež Smeanton je v 18. stoletju na podlagi meritev prišel do treh pomembnih odkritij, ki so

temelj današnjih teorij vetrnih elektrarn. Ta so:

- Obodna hitrost lopatic turbin je v idealnem primeru sorazmerna hitrosti vetra.

- Največji vrtilni moment je sorazmeren kvadratu hitrosti vetra.

- Največja moč turbine je sorazmerna kubu hitrosti vetra.

https://sl.wikipedia.org/wiki/Ljudjehttps://sl.wikipedia.org/wiki/Jadrnicahttps://sl.wikipedia.org/wiki/Mlinhttps://sl.wikipedia.org/wiki/Afganistanhttps://sl.wikipedia.org/wiki/Iranhttps://sl.wikipedia.org/wiki/Indijahttps://sl.wikipedia.org/wiki/%C5%BDitohttps://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=John_Smeanton&action=edit&redlink=1


4

Škotski akademik James Blyth je leta 1887 izvajal poizkuse z močjo vetra. Charles F. Brush je

v ZDA proizvajal električno energijo s pomočjo močnega vetrnega stroja, ki ga je pognal

pozimi 1887–1888 za napajanje svojega doma in laboratorija do leta 1900. Danski znanstvenik

Paul la Couur je leta 1890 izdelal vetrno turbino za električno energijo, ki je bila namenjena

proizvodnji vodika. To so bili začetki sodobnih vetrnih elektrarn.

Majhne vetrne turbine, ki se uporabljajo za razsvetljavo podeželskih stavb, so se razširile v

prvi polovici 20. stoletja. Priključitev več enot na distribucijsko omrežje so preizkusili na več

lokacijah, vključno s Sovjetsko zvezo (Balaklava) leta 1931 in eksperimentalnimi enotami

(1,25 MW) v Vermontu leta 1941.

Podjetja Kuriant, Nordtank in Bonus so leta 1979 začela serijsko proizvajati sodobne vetrne

turbine. Začetne turbine so bile majhne z močjo po 20–30 kW, danes pa poznamo mnogo

večje [13].


5

3 ENERGIJA VETRA

Energija vetra je tako kot vodna energija posledica obsevanja Zemljinega površja s sončnimi

žarki. Sonce segreva različne dele kopnega, morja in ozračja z različno jakostjo. Ko se toplejši

ali bolj vlažen zrak dviguje, podenj priteka hladnejši oz. bolj suh zrak. Tako nastajajo zračni

tokovi oz. veter kot vidimo na sliki 3.1 [7].

Slika 3.1: Nastanek vetra [7]

Vetrna energija je obnovljiva in čista, ne onesnažuje zraka, ne oddaja CO2 in ne povzroča

kislega dežja in ne uničuje ozonskega plašča. Z uporabo vetrne energije ni neželenih

odpadkov, uporablja pa se za proizvodnjo električne energije – kinetična energija vetra se

pretvori v mehansko energijo in v naslednjem koraku se mehanska energija pretvori v

električno energijo. Za zdaj se je vetrna energija izkazala kot resen obnovljiv vir energije.

Glavni razlogi za to so:

- ogromna količina energije,


6

- zmanjšanje cen vetrnih turbin in z njimi povezane opreme,

- ekološko čist način za pretvorbo energije in

- majhna zasedenost zemljišč.

Sodobne vetrne turbine začnejo proizvajati električno energijo pri hitrosti vetra 2,5 m/s in se

zaradi varnostnih razlogov ustavijo pri hitrosti 25 m/s. Ekonomska upravičenost gradnje

vetrnih elektrarn je pri najmanjši letni hitrosti vetra od 4,9 do 5,8 m/s. Zaradi trenja med

zrakom in zemljo ter tudi notranjega viskoznega trenja hitrost vetra narašča z večanjem višine

nad tlemi. Jasno je, da na hitrost vetra vplivajo hrapavost terena, prisotnost naravnih in

umetnih ovir ter drugi topografski elementi. Najpogosteje se uporabljajo sodobne vetrne

turbine, ki imajo kapaciteto od 500 kW do 3 MW, čeprav se gradijo tudi močnejši generatorji

[16].

Energija vetra se izračuna po naslednji enačbi [9]:

𝑊 =𝑚∙𝑣2

2 (3.1)

kjer je:

W – energija vetra,

m – masa zraka (kg),

v – hitrost vetra (m/s).

Enačba za izračun moči vetra:

𝑃 = (𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣)𝑣2

2 (3.2)

saj je pretok skozi površino A v [kg/s] enak 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣,

kjer je:

P – moč vetra (W),

A – površinski presek, skozi katerega poteka zračni tok (m2),


7

𝜌 – gostota (kg/m3),

v – hitrost vetra (m/s).

Moč vetrne turbine je enaka razliki vetrne kinetične energije pred in za vetrnico. Cp je

koeficient vetrnega izkoristka, pri čemer je njegova maksimalna vrednost 59 %. Definiran je

kot delež vetrne energije, ki ga lahko turbina prejme iz vetra. Najsodobnejše turbine imajo

koeficient vetra približno 0,42, kar pomeni, da je izkoristek vetra 42 %.

Moč vetrne turbine se tako izračuna po enačbi:

𝑃 = 𝐶𝑝 ∙𝜌∙𝐴∙𝑣2

2 (3.3)

kjer je :

Cp – koeficient vetrnega izkoristka,

A – površinski presek, skozi katerega teče zračni tok (m2),

ρ – gostota (kg/m3).

Koeficient vetrnega izkoristka Cp ni konstanten, ampak je v splošnem funkcija hitrosti vetra

(Slika 3.2), zato moč turbine ni popolnoma sorazmerna s kubom hitrosti vetra [9].


8

Slika 3.2: Odvisnost koeficienta moči od hitrosti vetra [10]

3.1 PRIRAST HITROSTI VETRA Z VIŠINO

Hitrost vetra se zmanjšuje s trenjem zračnih mas ob zemeljski površini. Prirast hitrosti vetra z

višino je odvisen od vrste meteoroloških faktorjev. Med drugim nanj vplivajo tudi vlažnost

zraka in temperaturne plasti. Dolgoročno je pričakovana statistična srednja vrednost na nekem

področju odvisna od hrapavosti površine. Srednja hitrost vetra na višini z je podana po

Hellmanonovem zakonu z enačbo (3.1.1).

𝑣𝑧 = 𝑣∗ ∙ (

𝑧

𝑧∗)

𝜍

(3.1.1)

kjer je:

vz – srednja vetrna hitrost na višini z (m/s),

v* – vetrna hitrost na referenčni višini (m/s),

z*

– referenčna višina (ponavadi 10 m) (m),

ς – višinski vetrni eksponent (Hellmannov eksponent).


9

Slika 3.3: Različni višinski Hellmannovi koeficienti s statističnimi višinskimi gradienti hitrosti vetra [3]

V naravnih okoljih je območje geostrofskega vetra nad 400 metri nadmorske višine malo nad

20 m/s, kar prikazuje slika 3.3. S približevanjem tlom hitrost vetra najmanj upada nad odprtim

morjem, najhitreje pa upada nad gozdnimi področji [3].

3.2 HRAPAVOST OKOLJA

Ovire na terenu, visoke zgradbe in gosta poraščenost lahko pomembno zmanjšajo površinsko

hitrost vetra. Na drugi strani pa letališča, avtoceste ali razsežne ravnine z nizko hrapavostjo

mnogo manj vplivajo na površinsko hitrost vetra.

Pri oceni vetrnih razmer, ki opisujejo stanje na terenu, se uporabljajo dolžine hrapavosti oz.

razmere hrapavosti običajno na podlagi Evropskega atlasa vetrov. Višina nad tlemi je

definirana kot dolžina hrapavosti, kjer bi morala teoretično biti hitrosti vetra enaka 0. Na Sliki

3.4 vidimo različne dolžine hrapavosti terena z višinskimi koeficienti [3].


10

Slika 3.4: Višinski koeficienti v odvisnosti od različnih dolžin hrapavosti terena [3]

Višinski koeficienti, podani za različne dolžine hrapavosti terena, so podani v Tabeli 3.1.

Tabela 3.1: Višinski koeficienti, podani za različne dolžine hrapavosti terena [3]

Razredi

hrapavosti

Dolžine

hrapavosti

Energijski

indeksi

Vrsta okolja

(m) (%)

0 0,0002 100 Vodne površine

0,5 0,024 73 Prostor, popolnoma odprt, z gladko površino,

kot na primer letališča, pokošena trava,

betonske avtoceste …

1 0,030 52 Kmetijsko odprto območje brez ograj in živih

mej in z razširjenimi zgradbami.

''se nadaljuje''


11

''nadaljevanje''

1,5 0,055 45 Kmetijska območja s posameznimi hišami in z

8 m visokimi zaščitnimi živimi mejami s

približno 1.250 m vmesnih razdalj.

2 0,10 39 Kmetijska območja s posameznimi hišami in z

8 m visokimi zaščitnimi živimi mejami s

približno 500 m vmesnih razdalj.

2,5 0,20 31 Kmetijska območja z več hišami, grmičevjem

in rastlinami ali pa z 8 m visokimi zaščitnimi

živimi mejami s približno 250 m vmesnih

razdalj.

3 0,40 24 Majhna mesta, vasi, kmetijska območja z

velikimi ali visokimi zaščitnimi živimi mejami.

3,5 0,80 18 Velika mesta z visokimi stavbami.

4 1,60 13 Zelo velika mesta z visokimi stavbami in

nebotičniki.

Za dolžine hrapavosti, ki so enake ali manjše od 0,03 m, je odvisnost med dolžino hrapavosti

in razredom hrapavosti definirana z enačbo:

𝑅𝜒 = 1,699823015 +𝑙𝑛 (𝜒0)

𝑙𝑛 (150) (3.1.1.1)

kjer je:

𝑅𝜒 – razred hrapavosti,

𝜒0 – dolžina hrapavosti (m).

Za dolžine hrapavosti nad 0,03 m je odvisnost med dolžino hrapavosti in razredom hrapavosti

definirana z enačbo:


12

𝑅𝜒 = 3,912489289 +𝑙𝑛 (𝜒0)

𝑙𝑛 (3,333333) (3.1.1.2)


13

4 TEORIJA VETRNIH ELEKTRARN

Vetrne elektrarne se lahko postavijo v kateri koli dovolj velik in odprt prostor. Vetrni parki so

komercialne naprave, za katere je potrebna optimizacija njihove stroškovne učinkovitosti. To

je pomembno ne samo iz razloga, da se stroški investicije pokrijejo, ampak da se ustvari tudi

dobiček. Za načrtovanje ekonomsko privlačnega projekta vetrne energije je nujno, da imamo

zanesljivo znanje o značilnostih vetra, ki prevladuje v območju postavitve vetrnih elektrarn. Iz

časovnih in finančnih razlogov so dolgoročna merilna obdobja pogosto brez pomena. Kot

nadomestek se lahko uporabljajo matematične metode za napovedovanje hitrosti vetra na

različnih lokacijah. Izračunane značilnosti vetra in podatki, ki so povezani s proizvodnjo

energije, lahko služijo kot osnova za ekonomske izračune. Poleg tega se lahko lastnosti

simulacije vetra uporabljajo za vzpostavitev korelacije med merjenimi parametri vetra na

določeni točki in meritvami na bližnjih lokacijah z namenom prepoznave režima vetra za

celotno območje.

Vetrna turbina je izraz, ki se pogosto uporablja za naprave z vrtenjem kril, ki pretvarjajo

kinetično energijo vetra v uporabno obliko energije. Obstajata dve osnovni vrsti vetrnih turbin

(Slika 4.1) glede na usmerjenost osi rotorja, in sicer turbine s horizontalno (HAWT) in turbine

z vertikalno osjo (VAWT).


14

Slika 4.1: Konfiguracija vetrne turbine

4.1 IZVEDBE VETRNIH ELEKTRARN

Glede na izvedbo delimo vetrne elektrarne v dve skupini:

Vetrne elektrarne z vertikalno osjo (Slika 4.2):

- Savonius,

- večelisna Savonius,

- skodelična,

- F-Darrieus,

- Δ-Darrieus,

- Giromil,

- Savonius F-Darrieus,

- Split Savonius,

- Magnus,

- Airfoil.


15

Slika 4.2: Vetrne elektrarne z vertikalno osjo

Vetrne elektrarne s horizontalno osjo (Slika 4.3):

- enoelisna,

- dvoelisna,

- troelisna,

- ameriške večelisne,

- večelisne v obliki kolesa,

- Down-wind,

- Up-wind,

- Enfield-Andeau,

- multirotor,

- turbina na jadra,

- nasprotirotirajoča.


16

Slika 4.3: Vetrne elektrarne s horizontalno osjo

4.2 ZGRADBA VETRNE ELEKTRARNE

Glavni elementi, ki tvorijo vetrno turbino, so: rotor, menjalnik, generator, regulacijski sistem

ter gibljiva čeljust. Zgradba tipične vetrne turbine je podana na Sliki 4.4 [9].


17

Slika 4.4: Zgradba tipične vetrne turbine [10]

4.2.1 Rotor

Navadne vetrne turbine (dvo- ali trikrake vetrne turbine) normalno obratujejo pri obodni

hitrosti od 50 do 70 m/s. Trikrake turbine pri teh vrednostih dajejo najboljše izkoristke,

dvokrake turbine pa imajo 2–3 % slabši izkoristek. Zato raje uporabljamo trikrake, saj so sile,

ki delujejo na rotor, bolj enakomerno razporejene in tudi estetsko najbolje izgledajo. Lopatice

turbine so narejene največkrat iz poliestra in steklenih vlaken, lesnega laminata ali lesa,

aluminija ali pa iz ogljikovih vlaken. Cena, modul elastičnosti, teža in druge karakteristike so

predvsem odvisne od izbire materialov [9].

Pri izdelavi bolj kakovostnih lopatic se upošteva:

- visoko razmerje aerodinamičnih sil/upora za čim večji izkoristek v celotnem območju

delovanja,


18

- čim boljša žilavost in mehanska vzdržljivost,

- majhna teža,

- nizka proizvodnja zvoka.

Turbine lahko montiramo proti vetru, lahko pa tudi obratno, položaj turbine se praviloma sam

prilagaja smeri vetra. Graf (Slika 3.2) kaže, da moč vetrne turbine raste s kubom hitrosti vetra

do neke vrednosti, za katero je bila zgrajena vetrna turbina (obratovalna oz. nazivna moč) [9].

4.2.2 Mehanski prenos

Mehanska moč, ki jo turbina generira, se prenese na gred generatorja s pomočjo mehanskega

prenosa. Deli mehanskega prenosa so: sklopka, menjalnik in zavora. Za zvišanja vrtljajev

gredi rotorja je namenjen menjalnik, ki je dimenzioniran tako, da lahko vzdrži visoke

dinamične sile, ki nastopajo, ko naprava deluje. Nekateri konstrukterji zato poleg menjalnika

vključijo še dodatno vztrajnik, ki na te sile deluje kot dušilec [9].

4.2.3 Generator

Pretvarjanje mehanske energije v električno se opravi s pomočjo generatorja. Pri vetrnih

elektrarnah se skoraj izključno uporablja asinhronski generator. Razlog za izbiro

asinhronskega generatorja je njegovo obratovanje z omrežjem. Pri hitrosti vrtenja rotorja, ki je

večja od sinhronske, frekvenca toka ni nikoli višja od frekvence v omrežju [9].


19

4.2.4 Zavorni sistem

Ob visokih hitrostih vetra se pojavljajo sile znatnih veličin (vetrna moč je sorazmerna tretji

potenci vetra). Zaradi tega v vsaki vetrni elektrarni obstajata najmanj dva medsebojno

neodvisna zavorna sistema in oba imata sposobnost zmanjšanja hitrosti turbine ali popolne

zaustavitve. Predvsem pri močnih vetrovih pride v uporabo zavorni sistem (zmanjšanje

vrtljajev) ali pa med vzdrževalnimi deli (mirujoč sistem). Tudi izpad električnega omrežja ter

izguba nasprotujočega vrtilnega momenta gredi lahko privede do nevarnih hitrosti rotorja [9].

Pri regulaciji Cp (pitch control) spreminjamo na lopaticah naklonski kot, pri čemer nam zasuk

vpadnega kota vetra na 0° ali celo v negativno stran povzroči upočasnitev turbine. Kjer

uporabljamo drugačno regulacijo, npr. ''stall control'', rotiranje lopatic rotorja ni možno, zato

pa so na koncu turbinskih lopatic navadno vgrajene zavorne lopute, ki se ob aktivaciji

postavijo v položaj največjega zračnega upora. Mehanske zavore, ki se ponavadi zaradi

manjših zavornih momentov nahajajo za menjalnikom, uporabljamo za popolno zaustavitev

rotorja. Pri projektiranju zavor je predvsem treba paziti, da kljub možni okvari sistem ostane

varen [9].

4.2.5 Čeljustni sistem

Horizontalno-osne turbine se lahko obračajo proti vetru, kar jim omogoča čeljustni sistem.

Merilec vetrne hitrosti se nahaja na okrovu turbine (anemometer). Te podatke nato pošlje

regulacijskemu sistemu, ta pa z motornim pogonom obrača čeljustni sistem tako, da je smer

vetra pravokotna na površino turbine [9].


20

4.2.6 Stolp

Naloga stolpa je držanje generatorja skupaj z vetrno turbino (HWAT) na neki višini.

Zagotoviti mora tudi nemoteno delovanje in dobro stabilnost. Stolpi so izdelani iz železa ali

betona. Večji betonski stolpi so navadno votli, v njih pa se lahko povzpnemo do turbine oz.

generatorja. Stolpi morajo biti postavljeni na masivne temelje, saj se pri prelahkih pojavi

problem resonančnih frekvenc, ki se pojavijo ob določenih vrtljajih turbine [9].

4.2.7 Anemometer

Anemometer je naprava, ki nenehno daje informacije o smeri ter hitrosti vetra. S hitrostjo

vetra sta pogojena vklop in izklop vetrne turbine. Zaradi vetra se vrtijo skodelice vetromera.

Hitreje ko se vrtijo, več električne energije proizvaja majhen generator in višja je vrednost, ki

jo lahko odčitamo na merilniku [9].

4.3 EKONOMIČNOST VETRNIC

Ekonomičnost vetrne elektrarne je odvisna od celotnih stroškov, ki jih imamo z izgradnjo

vetrne elektrarne, stroškov obratovanja, vzdrževanja ter dohodkov, ki jih imamo od prodaje

električne energije, proizvedene v življenjskem ciklu vetrne turbine. Ocenjeni stroški

vzdrževanja in obratovanja so do ~2 % stroškov postavitve vetrne elektrarne. Projektirana

življenjska doba vetrnih elektrarn je ~30 let. Ekonomski izračuni se morajo tako vezati na

življenjsko dobo vetrnic, možnost odstopanja zaradi težkih razmer in podobno [7].


21

Če je investicija smotrna ali ne, lahko izračunamo s pomočjo enačbe neto sedanje vrednosti

(NSV):

𝑁𝑆𝑉 =𝐷1

(1+𝑖)+

𝐷2

(1+𝑖)2+∙∙∙ +

𝐷𝑛

(1+𝑖)𝑛− 𝐼0 = (∑

𝐷𝑘

(1+𝑘)𝑘𝑛𝑘+1 ) − 𝐼0 (4.3.1)

kjer je:

𝐷𝑛 – bodoči donos (predviden prihodek od obratovanja vetrne elektrarne),

𝑖 – diskontna stopnja (stopnja, s katero izračunamo sedanjo vrednost prihodnjih

denarnih tokov),

𝐼0 – začetna investicija (ves predviden vložek v izgradnjo vetrne elektrarne) [3].


22

5 VETRNICE BREZ MENJALNIKA

Vetrnice ''direct drive'' so brez menjalnika. Namesto z menjalnikom je rotor direktno povezan

z generatorjem, ki se vrti z enako hitrostjo kot lopatice. Enercon in EWT (prej znan kot

Lergerway) sta proizvajala vetrne turbine brez menjalnika s posebno vzbujenim električnim

generatorjem. Siemens proizvaja ''reverse generator'' 3 MW brez menjalnika, medtem ko je še

vedno v razvoju generator moči 6 MW. Z namenom, da ima direktni pogon generatorja manjše

število vrtljajev, se premer rotorja generatorja povečuje in zato vsebuje več trajnih magnetov,

ki omogočajo, da se ustvari več energije pri nizkih navorih.

Turbine brez menjalnika so ponavadi težje kot navadne turbine z menjalnikom. Raziskave EU,

imenovane ''Reliawind'', ki temeljijo na vzorcu večjega števila turbin, so pokazale, da

zanesljivost prenosa ni glavni problem vetrnih turbin. Zanesljivost vetrnih turbin z direktnim

pogonom je še vedno neznana, saj obstaja zelo malo primerov takšnih turbin.

Strokovnjaki iz Tehniške univerze na Danskem (Technical University of Denmark) ocenjujejo,

da lahko generator z menjalnikom in trajnimi magneti uporabi 25 kg/MW elementov redkih

zemeljskih elementov, kot je neodim (Nd), medtem ko generator brez menjalnika uporabi 250

kg/MW.

V decembru 2011 je ameriško ministrstvo za energijo objavilo poročilo, v katerem so

izpostavili resno pomanjkanje elementov redkih zemelj, kot je neodim (neodim je lantanoid;

ime izvira iz grške besede neon in didymos, ki združena pomenita '' novi dvojčki'' [6]).

Uporablja se v velikih količinah za trajne magnete v vetrnih turbinah brez menjalnikov.

Kitajska proizvede več kot 95 % elementov redkih zemelj, medtem ko podjetje Hitachi


23

razpolaga z več kot 600 patenti z neodimovimi magneti. Turbine z direktnim pogonom

uporabljajo 600 kg trajnih magnetov na MW materiala, kar pomeni, da se uporablja nekaj 100

kg trajnih magnetov iz redkih zemeljskih elementov na MW. Vsebnost neodima je ocenjena na

31 % teže trajnih magnetov. Hibridni pogoni (pogoni med direktnim in tradicionalnim)

uporabljajo precej manj redkih zemeljskih elementov. Medtem ko trajni magneti vetrnih turbin

predstavljajo le okoli 5 % trga zunaj Kitajske, se njihov tržni delež na Kitajskem ocenjuje na

25 % ali več [15].

5.1 DIREKTNI PRENOSNI MEHANIZEM

Direktni prenosni mehanizem je namenjen prenosu moči neposredno iz motorja brez

predhodnih izgub (v menjalniku).

Prednosti:

- Večja učinkovitost: ni izgub moči pri trenju (jermena, verige, posebej menjalnika itd.);

- Znižanje hrupa: enostavnost naprave – mehanizem z direktnim pogonom ima manj

delov, ki vibrirajo in celotni sistem emisije hrupa je običajno nižji;

- Daljša življenjska doba: manj gibljivih delov je vzrok za manj okvar. Okvare v

sistemih najpogosteje povzročajo staranje komponent sistema ali obremenitev;

- Visok vrtilni moment pri nizkem številu vrtljajev;

- Hitro in natančno določanje položaja: visok vrtilni moment in nizka vztrajnost

omogočata hitrejše določanje položaja na sinhronskem servopogonu. Povratne

informacije iz senzorja, neposredno na vrteči del, omogočajo precizno kotno

pozicioniranje.

Slabosti:

- Največja pomanjkljivost tega sistema je, da potrebuje poseben motor. Mehanizmi bi

morali imeti razmeroma velik vrtilni moment pri nizkih hitrostih;


24

- Počasni motor mora biti fizično večji kot hitrejši motorji;

- Mehanizmi z direktnim pogonom potrebujejo natančen mehanizem nadzora. Motorji

visokih hitrosti imajo relativno visoko vztrajnost, ki sicer pomaga h konstantnemu

vrtenju [4].


25

6 PREDSTAVITEV MALIH VETRNIH ELEKTRARN

Vetrne elektrarne delimo glede na moč na:

- majhne (električna moč do 50 kW),

- srednje (od 50 kW do 500 kW) in

- velike (od 500 kW do 5 MW).

V komercialnih sistemih za pridobivanje električne energije se uporabljajo predvsem velike

vetrne elektrarne, srednje pa v manjši meri. Majhne vetrne elektrarne se uporabljajo za

pokrivanje individualnih potreb ali pa na lokacijah, kjer električna energija ni dostopna zaradi

oddaljenosti od omrežja [1].

Slika 6.1: Sestavni deli male vetrnice [17]

Slika 6.1 prikazuje sestavne dele majhne vetrne elektrarne.

Sestavni deli so:


26

- generator z direktnim prenosom moči,

- doživljenjska doba ležajev ter

- rep za obračanje v smeri vetra.

6.1 SAMOOSKRBA IN PRODAJA

Za počitniške hiše je samooskrba primerna takrat, ko te niso povezane na javno električno

omrežje (Slika 6.2). Električna energija, ki jo proizvaja vetrna elektrarna, se shranjuje preko

regulatorja napajanja v akumulatorju. Nazivna napetost vetrnice in akumulatorja mora biti

enaka (ponavadi 12 V ali 24 V). Inverter oz. vmesnik pretvarja električno napetost na omrežno

napetost (220 V). Ko se baterije napolnijo, regulator napajanja preusmeri električni tok na npr.

gretje sanitarne vode s pomočjo električnega grelca. Vso zeleno energijo, pridobljeno na tak

način, tako izkoristimo [8].

Slika 6.2: Samooskrba hiše z vetrno energijo [8]


27

Sistem prodaje in samooskrbe pride v poštev samo na zelo vetrovnih območjih. Z namestitvijo

večje vetrne turbine lahko proizvajamo več električne energije kot jo sami porabimo. Presežek

električne energije odvajamo v električno omrežje (Slika 6.3). Za namestitev omenjenega

sistema moramo pridobiti soglasje za priključitev na električno omrežje, ki ga izda

distribucijsko podjetje. Za postavitev je potrebno gradbeno dovoljenje [8].

Slika 6.3: Samooskrba in prodaja vetrne energije [8]

Turbine manjših velikosti, ki so primerne za široko potrošnjo, so premera od 2,1 do 7,6 m in

lahko proizvedejo od 400 do 50.000 W električne energije. Nekatere enote so zgrajene iz zelo

lahkih materialov in tehtajo okrog 16 kg. Te turbine so zelo občutljive na majhne sunke vetra

[11].


28

7 PREDLOG IZVEDBE

7.1 LOKACIJA POSTAVITVE

Zaselek Katun (789 m, 250 prebivalcev) je naselje v občini Pljevlja v Črni Gori. Katun se

nahaja na vzhodni strani vasi Odžak, pri čemer obe naselji pripadata občini Pljevlja. Zaselek je

oddaljen od glavne ceste Pljevlja–most Đurđevića Tara–Podgorica zgolj 1,7 km. Lokacija

postavitve vetrne elektrarne bi bila pred mojo hišo, ki je dobro dostopna in primerna za

namestitev elektrarne. Hiša stoji med travniki in naselji. Na Sliki 7.1 vidimo posnetek vasi.

Slika 7.1: Vas Katun [12]


29

7.2 IZBIRA USTREZNE OPREME

Zaradi primernih lastnosti lokalnega vetra smo izbrali nizkovetrno turbino AVENTA AV-47

(Slika 7.2) [1].

Slika 7.2: Vetrnica Aventa AV-47 [14]

Osnovni podatki:

Višina stolpa: 18,0 (m)

Premer rotorja: 12,9 (m)

AC nazivna moč: 6,5 (kW)

Vklopna hitrost vetra: 2,0 (m/s)

Nazivna hitrost vetra: 6,0 (m/s)

Izklopna hitrost vetra: 14,0 (m/s)

Emisija hrupa (na razdalji 50 m): < 30 dB

Rotor:


30

Premer: 12,9 (m)

Površina rotorja: 129 (m2)

Moč na m2: 50 (W/m

2)

Število lopatic: 3

Orientacija: horizontalna

Hitrost konic lopatic: 44 (m/s)

Stolp:

Višina: 18,0 (m)

Izvedba: cevna

Material: jeklo ali beton

Generator:

Izvedba: sinhronski generator s trajnimi magneti

Priklop na NN omrežje preko AC/DC pretvornika

Prenos moči:

Izvedba: prenos preko jermenov

Prestavno razmerje: 1:12

Nadzor in varnostni sistemi:

Nadzor hitrosti vrtenja: zasuk lopatic

Omejitev moči: zasuk lopatic

Mehanizem čeljusti: azimut kot

Zavorni sitem 1: električni

Zavorni sistem 2 (zasilno zaustavljanje): mehanski

Nadzor veličin: hitrost vrtenja, vibracije, temperatura generatorja, izhod generatorja,

temperatura v celici

Varnostna naprava (50-letni sunek): 42 (m/s)


31

Teža:

Celica brez rotorja: 700 (kg)

Rotor: 470 (kg)

Lopatice: 117 (kg)

Stolp: beton: 12.500 (kg)

jeklo: 2.100 (kg)

Tabela 7.1: Prikaz proizvodnje električne energije za vetrno turbino AV- 47 [14]

Letna povprečna hitrost vetra (m/s) Letna proizvodnja električne energije (kWh)

2,5 8.000

3 12.000

3,5 16.000

4,0 20.000

4,5 24.000

Iz Tabele 7.1 je razvidno, da se pri spremembi zgolj za 2 m/s zelo spremeni povprečna letna

proizvodnja električne energije. Znana je tudi obratovalna karakteristika vetrne elektrarne, kar

je razvidno s Slike 7.3, ki nam pove, da je vključna hitrost vetra pri 2 m/s (za črnogorske

razmere zelo primerno) in da nazivno hitrost vetra vetrnica doseže pri 6,5 m/s. Izključna

hitrost vetra je pri 14 m/s.


32

Slika 7.3: Obratovalna karakteristika vetrnice AV-47 [1]


33

8 EKONOMSKA UPRAVIČENOST IN IZRAČUN PROIZVODNJE

S programom RETScreen bomo izračunali, ali je smotrno graditi VE v zgoraj omenjenemu

zaselku. Program RETScreen (Clean Energy Project Analysis Software) je dostopen na uradni

spletni strani (http://www.nrcan.gc.ca/energy/software-tools/7465). Program na osnovi

značilnosti vetra in generirane vetrne energije podaja oceno proizvodnje energije, stroškov,

prihrankov ter finančne sposobnosti in tveganja za različne vrste tehnologij. Za izračune smo

uporabili turbino AVENTA AV-47, saj so njene lastnosti primerne za lokalni veter. S

spreminjanjem različnih parametrov smo izvedli več primerov. Slika 8.1 prikazuje začetno

stran projekta, kjer je bilo treba izpolniti podatke o projektu. Pri vrsti projekta, ki jo zahteva

program, smo izbrali moč. Nato smo izbrali delovno tehnologijo in označili vetrno turbino. V

nadaljevanju smo izmed dveh razpoložljivih metod izbrali drugo metodo, saj nam ta omogoča

izračun proizvedene energije, finančne zmogljivosti, zmanjšanja emisij in tveganja za različne

vrste tehnologij. Izbrana valuta je evro (€) in enota za dolžino meter. Pri zadnji kategoriji smo

za naše primere izbrali lokacijo Titograd/Golubovci, ker je ta najbližja lokaciji postavitve

vetrne turbine.

Program RETScreen je priporočen s strani podjetij, ki se ukvarjajo z vetrno energijo, in ima

visoko oceno zaupanja. Da se popolnoma prepričamo, ali je postavitev vetrne turbine smotrna

ali pa ne, je najbolje, če sami izvedemo meritve ali pa plačamo nekoga, da jih izvede.


34

Slika 8.1: Začetna stran projekta


35

Tabela 8.1: Meteorološki podatki za izbrano lokacijo iz programa RETScreen

Iz Tabele 8.1 so razvidni meteorološki podatki za Titograd/Golubovci na višini 10 m, ki jih

program vključi samodejno preko spletne povezave z bazo meteoroloških podatkov. V vasi

Katun je povprečna hitrost vetra 2,6 m/s (to informacijo smo pridobili iz knjige "Život na

selima oko Pljevalja", avtorja Vojina Čabarkape [19]).

Tabela prikazuje naslednje podatke: temperaturo zraka, vlažnost, zračni tlak, hitrost vetra,

temperaturo tal ter podatek o najbolj vročem ter najhladnejšem dnevu vsakega meseca v letu.

Nato izračunamo še povprečne vrednosti posameznih parametrov. Tako je povprečna

temperatura 15,2 °C, povprečna vlaga 65,9 %, povprečna hitrost vetra 2,6 m/s, povprečen

zračni tlak 94,0 kPa in povprečna temperatura tal 12,0 °C.


36

Slika 8.2: Vnos začetnih podatkov

Podatki s Slike 8.2, dobljeni s pomočjo programa RETScreen, nam pokažejo, da znaša hitrost

vetra v obravnavanem zaselku na višini 10 m 2,6 m/s. Porazdelitveni eksponent je 0,25,

povprečna temperatura 15,2 °C in povprečni tlak 94,0 kPa. Višina vetrne elektrarne je 18 m,

njena moč pa znaša 6,5 kW. Na višini 18 m je povprečna hitrost vetra 3 m/s. Površina rotorja

je 129 m2, njegov premer pa 13 m. Vetrna elektrarna bo delovala skozi leto 18,2 % in bo


37

proizvedla 10 MWh električne energije. Nakupna cena električne energije v Črni Gori znaša

81,30 €/MWh (ta podatek smo dobili na spletni strani Elektroprivreda Crne Gore [18]).

Slika 8.3: Vnos začetnih, investicijskih ter obratovalnih stroškov

Slika 8.3 prikazuje ceno namestitve celotne vetrne turbine z vključenim stroškom prevoza, kar

znese skupaj 16.634,00 €. Ne smemo pozabiti, da je vsakih 5 let potrebna prenova in da ti

stroški znašajo okoli 400,00 €.


38

Slika 8.4: Analiza škodljivih plinov

V Črni Gori znaša faktor zmanjševanja emisij 0,405 tCO2. Ker vetrnica proizvede 10 MWh,

bomo tako emisije zmanjšali za 4,2 tCO2 na leto, kar je razvidno s Slike 8.4.

Primer 1:

V prvem primeru (Slika 8.5) smo predvidevali, da ima vetrna elektrarna 30-letno življenjsko

dobo. Vetrno elektrarno smo zgradili brez kredita. Predvidevali smo, da se cene električne

energije naslednjih 30 let ne bodo spreminjale in da je stopnja inflacije 0,5 %.


39

Slika 8.5: Finančni parametri

Skupni stroški namestitve elektrarne znašajo 16.634,00 €. Stroški prenove na vsakih 5 let

znašajo 400,00 €. Celotni dohodek je 841,00 €. Letni prihranek je -343,00 €. Za diskontno

stopnjo smo vzeli 5,2 % (tolikšna je diskontna stopnja v Črni Gori).


40

Slika 8.6: Grafični prikaz finančnih izračunov

S Slike 8.6 je razvidno, da krivulja začne naraščati, prav tako lahko vidimo padec krivulje

vsakih 5 let, in sicer zaradi remonta, ki znaša 400,00 €. Vidimo tudi, da po 21,8 letih

odplačamo celotno vetrnico in začnemo poslovati pozitivno. Interna stopnja donosnosti je 2 %

in je manjša od diskontne stopnje, ki znaša 5,2 %, zato v obravnavanem primeru gradnja

vetrne elektrarne ni smotrna. Neto sedanja vrednost je -5.159,00 € (če bi bila neto sedanja

vrednost pozitivna, bi bila gradnja objekta smotrna).

Primer 2:

V drugem primeru (Slika 8.7) smo predvidevali, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in

da vzamemo 10-letni kredit. Cena vetrne električne energije se v teh letih naj ne bi spreminjala

in inflacija bi znašala 0,5 %.


41


Skupni stroški znašajo 16.634,00 €. Redni stroški prenove so 400,00 € na vsakih 5 let. Celotni

dohodek je 841,00 €. Kredit znaša 4.990,00 €, obrestna mera pa 6,5 %. Tako bomo 10 let

odplačevali kredit po 694,00 €. Letni prihranek je negativen in znaša -364,00 €. Za diskontno

stopnjo vzamemo 5,2 %.


42


S Slike 8.8 je razvidno, da se v prvih 10. letih krivulja ne spremeni veliko, saj odplačujemo

kredit. Po tem obdobju začne krivulja naraščati, po 24,3. letih začnemo poslovati pozitivno.

Vsakih 5 let opazimo upad zaradi prenove, ki znaša 400,00 €. Interna stopnja je 1,6 % in je

manjša od diskontne, ki znaša 5,2 %, zaradi tega pa ne moremo potrditi ekonomične

upravičenosti gradnje elektrarne. Neto sedanja vrednost je -5.477,00 €.

Primer 3:

V tretjem primeru (Slika 8.9) smo predvidevali, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in

da vzamemo 10-letni kredit. Nakupna cena električne energije se vsako leto povečuje za 2,5

%, inflacija pa ostaja enaka (0,5 %).


43


Skupni stroški namestitve elektrarne znašajo 16.634,00 €. Redni stroški prenove na vsakih 5

let so 400,00 €. Celotni dohodek je 841,00 €. Kredit znaša 4.990,00 €, obrestna mera je 6,5 %.

To pomeni, da bomo 10 let odplačevali kredit po 694,00 €. Cena električne energije se vsako

leto povečuje za 2,5 %. Letni prihranek je negativen in znaša -55,00 €. Diskontna stopnja

ostaja enaka 5,2 %.


44

Slika 8.10: Prikaz finančnih izračunov

S Slike 8.10 je razvidno, da se prvih 10 let krivulja ne spremeni veliko, saj odplačujemo

kredit. Po tem začne naraščati in po 18,4. letih odplačamo celotno vetrno elektrarno in

začnemo poslovati pozitivno. Elektrarno odplačamo prej kot v drugem primeru, zaradi

povečane cene odkupne električne energije 2,5 % vsako leto. Vsakih 5 let opazujemo upad

dobička zaradi prenove, ki znaša 400,00 €. Interna stopnja je 4,8 % in je manjša od diskontne,

ki znaša 5,2 %. V tem primeru gradnja elektrarne prav tako ne bi bila upravičena. Neto sedanja

vrednost je -825,00 €.

Primer 4:


45

Za ta primer (Slika 8.11) smo predvideli 30-letno življenjsko dobo vetrne elektrarne, za njeno

izgradnjo bi vzeli 10-letni kredit. Cena električne energije se 30 let ne bi spreminjala,

spreminjala pa bi se stopnja inflacije, ki bi znašala 0,35 %.



46

Skupni stroški elektrarne znašajo 16.634,00 €. Redni stroški prenove so 400,00 € na vsakih 5

let. Celotni dohodek je 841,00 €. Kredit znaša 4.990,00 €, obrestna mera je 6,5 %. Tako bi 10

let odplačevali kredit po 694,00 €. Letni prihranek je negativen in znaša -362,00 €. Spremenila

se je stopnja inflacije, ta znaša 0,35 %. Diskontna stopnja je ostala enaka, in sicer 5,2 %.


S Slike 8.12 je razvidno, da se krivulja v prvih 10. letih ne spremeni veliko, saj še vedno

odplačujemo kredit. Šele nato začne naraščati in po 24,2. letih odplačamo vetrno elektrarno ter

začnemo poslovati pozitivno. Elektrarno odplačamo prej kot v drugem primeru, in sicer zaradi

upada stopnje inflacije na 0,35 %. Vsakih 5 let opažamo tudi upad dobička zaradi prenove, ki

znaša 400,00 €. Interna stopnja je 1,6 % in je manjša od diskontne (5,2 %). Tudi v tem primeru

gradnja elektrarne ne bi bila smotrna. Neto sedanja vrednost je -5.445,00 €.

Primer 5:


47

Ta primer (Slika 8.13) pokaže, v kakšnih pogojih bi bila postavitev vetrnice vendarle smotrna.

Predvidevali smo, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in da smo vzeli 10-letni bančni

kredit. Cena električne energije pa naj bi se vsako leto povečala za 3,5 %. Stopnja inflacije

ostaja enaka, in sicer 0,5 %.


Skupni stroški znašajo 16.634,00 €. Kredit znaša 4.990,00 €, obrestna mera pa je 6,5 %. Iz

česar sledi, da bomo 10 let odplačevali kredit po 694,00 €. Redni stroški bodo vsakih 5 let

znašali 400,00 €. Celotni dohodek bo 841,00 €. Cena električne energije se bo vsako leto

povečala za 3,5 %. Letni prihranek bo znašal 112,00 €. Diskontna stopnja pa ostaja enaka, in

sicer 5,2 %.


48

Slika 8.14: Grafični prikaz finančnih parametrov

S Slike 8.14 je razvidno, da v prvih 10. letih krivulja narašča, čeprav še odplačujemo kredit.

Po teh letih krivulja začne bolj strmo naraščati in po 17,1. letu smo gradnjo elektrarne

odplačali, kar pomeni, da začnemo poslovati pozitivno. Vsakih 5 let opazimo upad zaradi

prenove, ki znaša 400,00 €. Interna stopnja je 6 % in je večja od diskontne, ki je 5,2 %, kar

pomeni, da je projekt v tem primeru smotrn. Neto sedanja vrednost znaša 1.678,00 €. Treba je

izpostaviti, da zgornji primer ni realen, z njim smo želeli zgolj pokazati in dokazati, kdaj bi

bila gradnja smotrna oz. ekonomična.

Primer 6:

V tem primeru (Slika 8.15) smo spremenili višino stolpa vetrnice z 18 na 50 m. S porastom

višine se povečuje hitrost vetra, in sicer znaša 3 m/s. Vetrna elektrarna ima 30-letno


49

življenjsko dobo in za njeno gradnjo najamemo 10-letni kredit. Cena vetrne energije se v teh

30. letih ne spreminja, inflacija pa prav tako ostaja enaka, in sicer 0,5 %.


Ker nismo našli podatkov o tem, kolikšni bi bili stroški podaljška, dolgega 32 m, smo

predvidevali enake stroške gradnje kot v prejšnjih primerih (16.634,00 €). Redni stroški

znašajo 400,00 € na vsakih 5 let. Kredit znaša 4.990,00 €, njegova obrestna mera pa je 6,5 %.

Tako bi 10 let odplačevali kredit po 694,00 €. Celotni dohodek bi znašal 1.394,00 €. Letni

prihranek bi bil pozitiven in bi znašal 192,00 €. Diskontna stopnja ostaja 5,2 %.


50

Slika 8.16: Grafični prikaz finančnih parametrov

S Slike 8.16 je v prvih 10. letih viden dobiček zaradi povečane hitrosti vetra. Po odplačanem

kreditu začne krivulja strmo naraščati. Po 13,9. letih je gradnja odplačana in začnemo

poslovati pozitivno. Vsako leto opazimo upad dobička zaradi prenove, ki znaša 400,00 €.

Interna stopnja je 6,9 % in je višja od diskontne, ki je 5,2 %. V tem primeru se nam gradnja

splača. Neto sedanje vrednosti je 2.881,00 €. Stroške, ki nastanejo zaradi povišanja stolpa,

nismo upoštevali. Če bi jih upoštevali, bi se pojavilo vprašanje, ali bi realizacija projekta sploh

bila smotrna.


51

Tabela 8.2: Primerjava primerov

Življenjska

doba

Kredit Stroški

remonta

Inflacija Povečanje

cene

vetrne

energije

Neto

sedanja

vrednost

Ali se

izplača?

1. primer

30 let

NE

400 €

0,5 %

0 %

-5.159 €

NE

2. primer

30 let

DA

400 €

0,5 %

0 %

-5.477 €

NE

3. primer

30 let

DA

400 €

0,5 %

2,5 %

-825 €

NE

4. primer

30 let

DA

400 €

0,35 %

0 %

-5.445 €

NE

5. primer

30 let

DA

400 €

0,5 %

3,5 %

1.678 €

DA

6. primer

30 let

DA

400 €

0,5 %

0 %

2.881 €

DA

Tabela 8.2 nam prikazuje, da gradnja vetrne elektrarne v vasi Katun v prvih štirih primerih ni

smiselna. V zadnjih dveh primerih bi bila izgradnja ekonomična, toda navedeni primeri v

praksi niso realni.


52

9 PRIKLJUČITEV NA OMREŽJE

Elektrarna bo delovala na NN distribucijskem omrežju. Energija, ki se ne bo porabila za lastno

porabo, se bo oddala v NN distribucijsko omrežje, kot je razvidno na Sliki 9.1.

Slika 9.1: Priključitev na NN omrežje

Vetrna elektrarna ima moč 6,5 kW in jo priklopimo preko AC/AC pretvornika. Generira se

izmenična napetost, ki je preko odklopnika sinhronizirana na 0,4 kV javno distribucijsko

omrežje. Priklop bo v naselju Katun, ki je od hiše oddaljen približno 500 m. Priklop bomo

naredili s kablom, dimenzije 4 x 16 mm2, ki bo vkopan v zemljo. Kabel ima dobro termično

obremenitev in je dobro izoliran. Merilna omarica in stikala bodo nameščeni na stebru

vetrnice, v njej pa bo obračunsko mesto in glavno stikalo. Ločilno mesto bo izvedeno na 0,4

kV napetostnem nivoju v novi NN priključno-merilni omarici z odklopnikom. Pravilno

izvedena mora biti tudi ozemljitev objekta.


53

Na Sliki 9.2 je prikazana priključitev MVE na NN omrežje.

Slika 9.2: Prikaz priključitve MVE neposredno na omrežje


54

10 SKLEP

Diplomska naloga je sestavljena iz splošnega dela in dela, kjer je predstavljen projekt

izgradnje male vetrne elektrarne v vasi Katun - Odžak v občini Pljevlja. V splošnem delu je

predstavljena zgodovina vetrnih elektrarn, predstavljene so velike in male vetrne elektrarne in

pa vetrne elektrarne brez menjalnika oz. "direct drive" vetrne elektrarne. Predstavili smo

njihovo sestavo ter tipe, ki jih lahko uporabimo. V drugem delu pa smo govorili o ideji, katero

vetrnico bi bilo dobro uporabiti, o lokaciji vetrne elektrarne ter o tipu vetrne turbine.

Predstavili smo tudi način priključitve na distribucijsko omrežje. Uporabili smo program

RETScreen in nato izvedli 6 primerov ter jih med seboj primerjali.

Zaradi majhne hitrosti vetra v štirih primerih gradnja elektrarne ne bi bila smiselna, kar smo

ugotovili s pomočjo programa RETScreen. Izgradnja se nam v petem primeru splača, a je ta

primer nerealen, saj bi se morala cena električne energije vsako leto povečati za 3,5 %. V

šestem primeru, ki je realen, bi lahko poslovali pozitivno, a ker nimamo cene podaljška stebra,

je tudi ta primer glede stroškov vprašljiv. Podana sta bila podatka, da bi vetrna elektrarna na

leto lahko obratovala 1.594,32 ur ali 66,43 dni in da bi lahko proizvedla 10 MWh. Lokacija

zaselka Katun je odigrala ključno vlogo, saj je znana po majhni hitrosti vetra, ki znaša okoli

2,6 m/s na višini 10 m. Ugotovili smo, da v vasi Katun postavitev vetrne elektrarne ne bi bila

smotrna, kot ne bi bila smotrna na nobeni lokaciji z majhno hitrostjo vetra.

Črna Gora kot država hribov, neravnega reliefa in pomanjkanja vetra nima veliko lokacij za

izgradnjo vetrnih elektrarn. Obstaja sicer nekaj krajev, kjer se je začela gradnja vetrnih

elektrarn, kot sta Krnovo in Nikšić. V teh krajih je postavitev vetrnih elektrarn smiselna zaradi

povprečne hitrosti vetra, ki znaša med 5,5 in 6,5 m/s. Toda kljub temu menimo, da ima Črna


55

Gora veliko večji potencial obnovljivih virov energije iz sonca in vode. Vodni potencial je v

tej državi zelo velik, toda ne dovolj izkoriščen.


56

VIRI IN LITERATURA

[1] Zaveršnik, M. Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski

dolini.

Diplomsko delo. Maribor: FERI, 2011. Dostopno na:

https://dk.um.si/Dokument.php?id=25260

&lang=slv [5. 7. 2016].

[2] Andrews J., Jelly N. Enery Science (Principles, tehnologies and impact); New York:

Oxford, University Press, 2007.

[3] Sovič, B. Optimizacija oskrbe z obnovljivimi viri energije. Magistrsko delo. Maribor:

FERI

2009. Dostopno na: file:///C:/Users/Edin/Downloads/MAG_Sovic_Boris_1956.pdf .

[4] Direktni mehanski prenos. Dostopno na:

https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_drive_mechanism

[2. 9. 2016].

[5] Vetroturbine brez menjalnika. Dostopno na:

https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Gearless_wind_turbine [2. 9.

2016].

[6] Neodijum. Dostopno na: https://sh.wikipedia.org/wiki/Neodijum [3. 9. 2016].

[7] Energija vetra. Dostopno na: http://www.esvet.si/drugi-viri-energije/vetrna-energija

[4. 5. 2016].

[8] Samooskrba in prodaja. Dostopno na: http://www.lontech.si/vetrne-elektrarne [4. 5.

2016].

[9] Vetrna turbina, wikipedija. Dostopno na: https://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina

[13. 4. 2016].

https://dk.um.si/Dokument.php?id=25260file:///C:/Users/Edin/Downloads/MAG_Sovic_Boris_1956.pdfhttps://en.wikipedia.org/wiki/Direct_drive_mechanismhttps://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Gearless_wind_turbinehttps://sh.wikipedia.org/wiki/Neodijumhttp://www.esvet.si/drugi-viri-energije/vetrna-energijahttp://www.lontech.si/vetrne-elektrarnehttps://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina


57

[11] Small wind turbin. Dostopno na: https://en.wikipedia.org/wiki/Small_wind_turbine [5.

5. 2016].

[12] Katunova vas. Dostopno na:

https://www.google.com/maps/dir/43.2799915,19.3509109/43.2801487,19.3443995/@

43.2801753,19.3440608,579m/data=!3m1!1e3!4m2!4m1!3e1 [5. 8. 2016].

[13] Zgodovina Vetrnih elektrarn, wikipedija. Dostopno na:

https://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_energija [4. 6. 2016].

[14] Slika nizkovetrne turbine Aventa AV-47. Dostopno na: http://www.aventa.ch/das-

leichtwindkonzept.html [6. 22. 2016] .

[15] Slika vetrnice. Dostopno na:

https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine#/media/File:Wind_turbine_1888_Charles_

Brush.jpg [7. 4. 2016].

[16] Energija vetra. Dostopno na: http://www.esco.rs/energija-vetra.html [11. 4. 2016].

[17] Slika 5.1 Sastavni deli male vetrnice

https://www.google.me/search?q=small+wind+turbine&sa=X&biw=1366&bih=667&t

bm=isch&tbo=u&source=univ&ved=0ahUKEwiIlpGlj8DMAhUFdCwKHSTODfsQs

AQIFw#imgrc=E6QDqq9QPKCC_M%3A [5. 4. 2016].

[18] Elektroprivreda Crne Gore. Dostopno na: http://www.epcg.com/ [3. 5. 2016].

[19] Čabarkapa, V. Život na selima oko Pljevalja avtorja Vojina Čabarkape. Leta 2005

[6.6. 2016].

https://en.wikipedia.org/wiki/Small_wind_turbinehttps://www.google.com/maps/dir/43.2799915,19.3509109/43.2801487,19.3443995/@43.2801753,19.3440608,579m/data=!3m1!1e3!4m2!4m1!3e1https://www.google.com/maps/dir/43.2799915,19.3509109/43.2801487,19.3443995/@43.2801753,19.3440608,579m/data=!3m1!1e3!4m2!4m1!3e1https://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_energijahttp://www.aventa.ch/das-leichtwindkonzept.htmlhttp://www.aventa.ch/das-leichtwindkonzept.htmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine#/media/File:Wind_turbine_1888_Charles_Brush.jpghttps://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine#/media/File:Wind_turbine_1888_Charles_Brush.jpghttp://www.esco.rs/energija-vetra.htmlhttps://www.google.me/search?q=small+wind+turbine&sa=X&biw=1366&bih=667&tbm=isch&tbo=u&source=univ&ved=0ahUKEwiIlpGlj8DMAhUFdCwKHSTODfsQsAQIFw#imgrc=E6QDqq9QPKCC_M%3Ahttps://www.google.me/search?q=small+wind+turbine&sa=X&biw=1366&bih=667&tbm=isch&tbo=u&source=univ&ved=0ahUKEwiIlpGlj8DMAhUFdCwKHSTODfsQsAQIFw#imgrc=E6QDqq9QPKCC_M%3Ahttps://www.google.me/search?q=small+wind+turbine&sa=X&biw=1366&bih=667&tbm=isch&tbo=u&source=univ&ved=0ahUKEwiIlpGlj8DMAhUFdCwKHSTODfsQsAQIFw#imgrc=E6QDqq9QPKCC_M%3Ahttp://www.epcg.com/


58

PRILOGE

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV


59

PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA

Documents

VETRNA ELEKTRARNA ZA NAPAJANJE STANOVANJSKE HIŠE · Energija vetra je tako kot vodna energija posledica obsevanja Zemljinega površja s sončnimi žarki. Sonce segreva različne