Miha Zaveršnik
UPRAVIČENOST POSTAVITVE MALE
VETRNE ELEKTRARNE V SPODNJI
SAVINJSKI DOLINI
Diplomsko delo
Maribor, september 2011
I
Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa
UPRAVIČENOST POSTAVITVE MALE VETRNE ELEKTRARNE V SPODNJI
SAVINJSKI DOLINI
Študent: Miha Zaveršnik
Študijski program: univerzitetni, elektrotehnika
Smer: močnostna elektrotehnika
Mentor(ica): red. prof. dr. Jože PIHLER
Somentor(ica): red. prof. dr. Gorazd ŠTUMBERGER
Lektor(ica): univ. dipl. slov. Anita Nonkovič
Maribor, september 2011
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, red. prof. Jože
Pihlerju, za pomoč in vodenje pri opravljanju
diplomskega dela. Zahvalil pa bi se tudi prof.
Klemnu Deželaku.
Posebna zahvala velja staršem, ki so me ves čas
podpirali in mi omogočili študij, in vsem
ostalim, ki so mi pomagali pri nastanku
diplomskega dela.
IV
UPRAVIČENOST POSTAVITVE MALE VETRNE ELEKTRARNE V SPODNJI SAVINJSKI DOLINI
Ključne besede: proizvodnja električne energije, vetrna elektrarna, ekonomska
upravičenost, RETScreen, okolje UDK: 621.311.245(043.2)
Povzetek:
Diplomsko delo obravnava upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji
Savinjski dolini ter priklop na elektroenergetsko omrežje.
Začetna poglavja podajajo zgodovino ter splošne podatke o vetrnih elektrarnah,
malih vetrnih elektrarnah, morskih vetrnih elektrarnah ter o energiji vetra. Nato so
opisani glavni elementi vetrnice, njena karakteristika in samo delovanje. V zadnjem
delu je v programu RETScreen izdelana analiza za izgradnjo vetrne elektrarne. V njej je
opisano območje postavitve, izbrana vetrnica in njena priključitev na omrežje. Izdelanih
je več primerov, ki pokažejo, kdaj se vetrnico na tem območju splača postaviti.
V
POSSIBILITY OF INSTALLING SMALL WIND POWER
STATION IN SPODNJA SAVINJSKA DOLINA
Key words: power generation, wind power, economic viability, RETScreen, environment
UDK: 621.311.245(043.2) Abstract:
The diploma thesis deals with the possibility of installing small wind power station
in Spodnja Savinjska dolina and connection to the electricity grid.
The opening chapters provide the history and general information about wind
power, small wind power plants, marine wind power and wind energy. The following
section describes the main elements of the wind power station, characteristic and
operation of wind turbines. The final section shows program RETScreen, which shows
the analysis for the construction small wind power station. it is described the layout
area, chosen wind turbine and grid connection. There is produced several examples that
show when wind power station in this area worth place.
VI
VSEBINA
1 UVOD ...................................................................................................................... 9
2 SPLOŠNO O VETRNIH ELEKTRARNAH ..................................................... 11
2.1 ZGODOVINA...................................................................................................... 11
2.2 SPLOŠNO ....................................................................................................... 13
2.3 VETRNE ELEKTRARNE V SLOVENIJI .................................................................. 16
2.4 MALI VETRNE ELEKTRARNE ............................................................................. 18
2.5 MORSKE VETRNE ENERGIJE .............................................................................. 19
2.6 ENERGIJA VETRA .............................................................................................. 20
3 PREDSTAVITEV VETRNE ELEKTRARNE .................................................. 23
3.1 SPLOŠNO........................................................................................................... 23
3.2 VRSTE VETRNIH TURBIN ................................................................................... 23
3.3 OSNOVNI TIPI VETERNIH TURBIN....................................................................... 25
3.4 PRIMERJAVA MED HORIZONTALNIMI IN VERTIKALNIMI TURBINAMI VZGONSKEGA
TIPA .................................................................................................................. 27
3.5 VETRNE TURBINE.............................................................................................. 28
3.6 ZGRADBA VETRNE TURBINE.............................................................................. 32
3.7 OBRATOVALNE KARAKTERISTIKE..................................................................... 42
4 PREDLOG IZVEDBE ......................................................................................... 44
4.1 IZBIRA LOKACIJE .............................................................................................. 44
4.2 IZBIRA OPREME................................................................................................. 45
4.3 VKLJUČITEV NA OMREŽJE ................................................................................. 48
5 IZRAČUN PROIZVODNJE ............................................................................... 49
6 SKLEP ................................................................................................................... 68
7 VIRI, LITERATURA........................................................................................... 69
8 SEZNAM SLIK, TABEL IN GRAFOV ............................................................. 72
VII
UPORABLJENI SIMBOLI
W – kinetična energija
m – masa
v – hitrost vetra
A – površina
P – električna moč
ρ – gostota
Cp – koefcient moči
ω – kotna hitrost
r – polmer
VIII
UPORABLJENE KRATICE
BOF – Beaufortova skala
VE – vetrna elektrarna
ELES – Elektro Slovenija
AC – izmenična napetost
MVE – mala vetrna elektrarna
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 9
1 UVOD
Svetovno prebivalstvo uporablja vse več energije iz fosilnih goriv. Sem spadajo nafta,
premog in zemeljski plin, ki so nastali pred milijoni let z odlaganjem in odmiranjem rastlin
in živali. Fosilna goriva nastajajo tudi danes, vendar zaradi počasnega nastajanja novih in
velikega onesnaževanja okolja z njimi svetovno gospodarstvo teži k razvoju in uporabi
obnovljivih virov energije.
Leta 1973 je naftna kriza svetu dala vedeti, da energetska prihodnost na globalnem
nivoju ni tako rožnata. V različnih ustanovah so se pričele raziskave v smeri
učinkovitejšega izkoriščanja obnovljivih virov energije (vetrna energija, energija vode,
sončna energija, kemična energija bioloških odpadkov, hidrotermalna energija). Poleg
vodnih virov se je kot najboljša možnost pojavila vetrna energija. V začetku osemdesetih
let prejšnjega stoletja se je začela vetrna energija uporabljati kot obnovljivi vir. Za
raziskave glede vetrnih turbin so morali inženirji poznati študije okolja in vremena,
topologije prostora, oblikovanje samih ohišij in nosilcev turbin, meritve dinamike vetrnih
tokov, itd. Vir energije je kinetična energija vetra, torej so njegove lastnosti (struktura,
dinamika, statistika) pomembni faktorji, ki ob pravi izbiri omogočajo največjo učinkovitost
(izkoristek turbin).
Pod geslom „20-20-20 do 2020“ so se politiki v Evropi odločili za prehod v
nizkoogljično družbo. Do leta 2020 naj bi se tako zmanjšale emisije toplogrednih plinov za
20 %, zvišala energetska učinkovitosti za 20 % in povečala delež obnovljivih energetskih
virov na 20 %.
Izkoriščanje vetrne energije predstavlja enega najhitreje rastočih virov električne
energije v Evropi. V Evropi je v preteklih letih v absolutnem merilu samo rast
instaliranih moči plinskih elektrarn presegla rast vetrnih elektrarn. Svetovna letna rast
instaliranih vetrnih elektrarn se je v preteklih letih gibala med 20 % in skoraj 40 %. V
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 10
letu 2008 je njihova skupna zmogljivost presegla 100 000 MW. Ob tem velja omeniti,
da prednjači Evropa in da se skoraj 40% svetovnih instaliranih moči nahaja v Nemčiji in
Španiji. Slovenija ostaja na zemljevidu kapacitet vetrnih elektrarn bela lisa. Razen tega,
da so vetrne razmere v Sloveniji na meji tega, kar smatramo (ob upoštevanju subvencij)
za rentabilno, so praktično vse tehnično sprejemljive lokacije v območjih, ki so
naravovarstveno zaščitena (Natura 2000), kar možnost postavitve skoraj onemogoča. Na
ta način se Slovenija praktično odpoveduje resnejšim namenom izkoriščati vetrno energijo
[1].
Kdor se odloči za postavitev elektrarne na veter, mora najprej opraviti natančne meritve
vetra na izbranem območju. Meritve morajo biti opravljene na določeni oddaljenosti od
zemeljske površine, saj se hitrost z oddaljenostjo od površine zemlje povečuje. Meritve
nam dajo podatke o smeri, hitrosti in konstantnosti. Na podlagi vseh teh podatkov se potem
izvede izračun, koliko električne energije se lahko proizvede. Vsak poseg v naravo za naš
boljši življenjski standard ima prednosti in slabosti. Prednosti vetrnih elektrarn so
enostavna pretvorba energije vetra v električno energijo, proizvajanje električne energije
ne povzroča emisij in ne onesnažuje zraka, zmanjšuje porabo primarne energije (nafta,
zemeljski plin, …). Dve pomembnejši slabosti pa sta vizualni vpliv na okolico (zaradi
svoje velikosti) ter da v bližini povzročajo določen nivo hrupa [24].
Cilj diplomske naloge je raziskava o smotrnosti postavitve male vetrne elektrarne v
Spodnji Savinjski dolini.
V prvem delu je opisana zgodovina ter splošno o vetrnih elektrarnah. V drugem
predstavitev vetrne elektrarne ter turbine skupaj z njeno zgradbo. V zadnjem delu pa
predlog izvedbe postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini ter njen
izračun. Izbrana lokacija vetrne elektrarne je upravičena z enoletnimi meritvami vetra.
Hitrost vetra na lokaciji, kjer bo stala vetrna elektrarna, dosega za slovenske razmere zelo
nizke vrednosti. Zaradi teh vrednosti se tudi zanimanje za njihovo postavitev v tem delu ne
povečuje. Projekt nam da potrditev ali opustitev teze o upravičenosti postavitve vetrne
elektrarne.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 11
2 SPLOŠNO O VETRNIH ELEKTRARNAH
2.1 Zgodovina
Ljudje že več tisoč let izkoriščajo energijo vetra in prve naprave, ki so jo izkoriščale so
bile jadrnice, prve naprave na trdnih tleh pa mlini na veter. Prve mline na veter so zgradili
šele v sedmem stoletju našega štetja na ozemlju današnjega Irana in Afganistana. Od tod se
je gradnja mlinov na veter razširila na srednji vzhod ter v Indijo in na Kitajsko [1]. V
Evropi so se mlini prvič pojavili v srednjem veku. Prvi zgodovinski zapisi za njihovo
uporabo so bili v 11. stoletju v Angliji. Prve mline na veter so uporabljali najprej za mletje
žita, pozneje pa todi za črpanje vode, gnanje žag, itd.
V 18. stoletju je Anglež John Smeanton prišel na podlagi meritev do treh pomembnih
zaključkov, ki še danes predstavljajo temelj teorije vetrnih turbin. To so: obodna hitrost
lopatic turbin je v idealnem primeru sorazmerna hitrosti vetra, maksimalen navor je
sorazmeren kvadratu hitrosti vetra in maksimalna moč turbine je sorazmerna kubu hitrosti
vetra [1].
Ob koncu 19. stoletja je nastal naslednji zgodovinski mejnik, ko so naredili prvi
električni generator. In ker so ga ljudje začeli povezovati z vetrnicami, so leta 1888 zgradili
prvo vetrno turbino. Prvo je izdelal Američan Charles F. Brush (1849-1929).
Izumil je zelo uporaben dinamo – generator na enosmeren tok, ki je bil vključen v
električno omrežje. Na prehodu iz leta 1887 in 1888 je zgradil prvo avtomatizirano vetrno
turbino z vgrajenim električnim generatorjem. Premer rotorja je bil 17 m in je vseboval
144 lopatic. Delovala je 20 let in v tem času bila zadolžena za napajanje graščine. Vendar
moč ni bila velika zaradi majhne kapacitete 12 kW (razlog je počasno vrtenje rotorja).
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 12
To še ni pomenilo razmah vetrnih elektraren, so pa se že pojavljale vetrnice, ki so gnale
majhne generatorje [1]. Na Danskem je leta 1900 bilo približno 2500 vetrnic, ki so
proizvajale po ocenah skupaj maksimalno okoli 30 MW moči. Največji stroji so bili 24
metrov visoki stolpi s štirimi lopaticami. Do 1908 je bilo v ZDA 72 vetrnic za pogon
električnih generatorjev, ki so imele moči od 5 kW do 25 kW. Do leta 1930 so bile vetrnice
za elektriko v Ameriki nameščene predvsem na osamljenih kmetijah. Predhodnik sodobne
vodoravne osi vetrnih generatorjev je bil v uporabi na Jalti leta 1931. To je bil 100 kW
generator na 30 metru visokem stolpu priključenim na 6,3 kV distribucijski sistem [2].
Kmalu zatem pa so se že pojavili predniki sodobnih vetrnih turbin in v začetku 20. stoletja
so se že zasnovale prve velike družbe, ki so intenzivno razvijale začetno tehnologijo [1].
Slika 2.1: Prva vetrna turbina [2]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 13
2.2 SPLOŠNO
Vetrna energija je pretvorba energije vetra v uporabno obliko energije z uporabo vetrnih
turbin. Ob koncu leta 2010 je bila načrtovana zmogljivost vetrnih turbin 194 GW (graf 2.1)
[3].
Graf 2.1: Zmogljivosti vetrnih elektrarn [3]
Pri zadnjem merjenju je bilo proizvedene energije okoli 430 TWh, kar je približno 2,5%
svetovne porabe električne energije. Danes več tisoč vetrnih turbin deluje s skupno
zmogljivostjo 194.400 MW. Evropa predstavlja 48 % vse proizvedene energije. V letu
2010 je Španija postala vodilni evropski proizvajalec vetrne energije, saj so dosegli 42.976
GWh. Vendar pa ima Nemčija prvo mesto v Evropi glede na obstoječe zmogljivosti, s
skupno 27.215 MW na dan 31. decembra 2010. Vetrna energija predstavlja približno 21 %
porabe električne energije na Danskem, 18 % na Portugalskem, 16 % v Španiji, 14 % v
republiki Irski in 9 % v Nemčiji (tabela 2.2). 83 držav po vsem svetu pa uporabljajo vetrno
energijo [3]. Njena prisotnost pa se bo iz leta v leta povečevala (graf 2.2).
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 14
Graf 2.2: Napoved zmogljivosti vetrnih elektrarn [3]
Obsežne vetrne elektrarne so priključene na električno omrežje za prenos moči, manjše
pa se uporabljajo za zagotavljanje električne energije na osamljenih mestih. Podjetja vse
bolj odkupujejo presežne električne energije proizvedene v malih domačih elektrarnah.
Vetrna energija je alternativna energija za fosilna goriva in je široko razširjena, čista in ne
proizvaja emisij toplogrednih plinov med delovanjem [3].
Graf 2.3: Proizvodnja vetrnih elektrarn Danske v odvisnosti od vetra [15]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 15
Tabela 2.1: Države z vetrno energijo [3]
Najboljših 10 držav z vetrno energijo (februar 2011)
Država Zmogljivost vetra (MW)
Kitajska 44.733
ZDA 40.180
Nemčija 27.215
Španija 20.676
Indija 13.066
Italija 5.797
Francija 5.660
Velika Britanija 5.204
Kanada 4.008
Danska 3.734
Tabela 2.2: Države z največ proizvedene vetrne električne energije [3]
Država Proizvodnja vetrne električne
energije (GWh)
Španija 42.976
Nemčija 35.500
Velika Britanija 11.440
Francija 9.600
Portugalska 8.852
Danska 7.808
Nizozemska 3.972
Švedska 3.500
Irska 3.473
Grčija 2.200
Avstrija 2.100
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 16
2.3 Vetrne elektrarne v Sloveniji
V Sloveniji so natančne meritve začele izvajati šele v zadnjem času. Tako imamo na
voljo le kratek časovni niz meritev, primernih za natančnejšo analizo vetrovnih razmer v
naših krajih. Jakost vetra pa se že dalj časa meri na meteoroloških postajah. Te ocene
temeljijo na opazovanju pojavov, ki se pod vplivom vetra dogajajo v naši okolici. Pri tem
je v veliko pomoč Beaufortova skala [4].
Največje hitrosti vetra so v Sloveniji v pomladanskem in jesenskem času. Za večino
krajev v Sloveniji so hitrosti vetra med letom od 1 do 3 m/s, kar pa niso ravno velike
vrednosti za izkoriščanje vetra. Le v višjih predelih so povprečne mesečne hitrosti vetra
višje in dosegajo vrednost nekako med 3,5 in 7,5 m/s. Eden od kriterijev za določanje
vetrovnosti posameznega kraja je tudi število dni, ko jakost vetra preseže 6 (10,8 do 13,8
m/s) ali 8 BOF (17 do 21 m/s). To so dnevi z močnimi vetrovi, ki lahko povzročijo škodo
na kmetijskih rastlinah ali celo objektih. Slovenija ni vetrovna država, vendar se tudi pri
nas pojavljajo dnevi z močnim vetrom, še posebno v gorah in ob obali. Slovenija ima
povprečno 43 dni, ko jakost vetra preseže 6 BOF in le 10 dni, ko jakost vetra preseže
hitrost 8 BOF. Smiselna namestitev vetrnic v Sloveniji je predvsem v gorskem v svetu,
vendar se tu pojavijo dodatne težave glede zaledenitve vetrnic (nizke temperature) in s tem
oteženo delovanje le-teh [4].
Nekaj upanja za postavitev vetrnic dajejo tudi nekateri kraji po Sloveniji, ki imajo vsaj
del leta konstanten in dovolj močan veter (tabela 2.3). V času, ko piha dovolj močan veter
bi izkoriščali vetrno energijo, v mesecih, ko pa veter ni tako močan, pa bi jo kombinirali s
kakšno drugo vrsto energije (npr. vodno energijo, sončno energijo). Postavili bi tako
imenovane hibridne elektrarne. Če bi kombinirali s sončno energijo, bi pozimi in spomladi
izkoriščali vetrno energijo, poleti in jeseni pa sončno energijo in bi s tem proizvedli dovolj
energije čez vso leto [4].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 17
Tabela 2.3: Tehnični podatki načrtovanih vetrnih elektrarn v Sloveniji [16]
Vetrna elektrarna Volovja reber
Instalirana moč ene vetrnice bi znašala 0,85 MW, torej če bi bilo 29 vetrnic 24,65 MW.
Ob polnem obratovanju vse leto bi vetrna elektrarna dala 215,9 GWh. Ker bi elektrarna
obratovala s polno močjo le kadar je hitrost vetra ugodna (pogosto sploh ne piha ali pa piha
preveč), izkoristek ne bi mogel biti 100%. Če predpostavimo, da bi omenjena elektrarna
delala s 23 % izkoristkom (to pomeni obratovanje s polno močjo približno 2000 ur na leto),
bi dala na leto 49,7 GWh energije. Verjetno pa je tudi ta podatek daleč od realnosti, saj
recimo vetrne elektrarne na Danskem, ki slovi po ugodnih konstantnih vetrovih, delajo le z
22,2 % izkoristkom, v Nemčiji pa celo z 16,8 % izkoristkom. Upoštevaje, da je letna
proizvodnja električne energije v Sloveniji 13.289 GWh (ELES), bi Volovja reber
predstavljala zgolj 0,37 % delež [5].
Proizvodnja elektrike iz vetrnih elektrarn je neekonomična, zato jo države povsod
izdatno subvencionirajo. V Sloveniji bi to uredili z visoko zajamčeno odkupno ceno
proizvedene energije. Proizvajalci bi elektriko iz vetrne elektrarne državi prodajali po ceni
60 € za MWh, čeprav elektrika takšne kvalitete na trgu ni vredna več kot 25 € za MWh.
Razliko bi pokrili davkoplačevalci, saj gre za posredno zmanjšanje državnega proračuna na
račun manjšega dobička javnega podjetja ELES. Po izračunih dr. Mihaela Tomšiča iz
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 18
Inštituta Jožef Stefan bi, ob predpostavljeni letni proizvodnji 49,7 GWh, subvencija na
letnem nivoju znašala 1.740.000 €. To pomeni velikanski vložek denarja, ki bi imel za
posledico neposredno uničenje Volovja reber (slika 2.2) [5].
Slika 2.2: Predlog postavitve Volovja reber [17]
2.4 Male vetrne elektrarne
Male vetrne elektrarne so sistemi z zmogljivosti za proizvodnjo do 50 kW električne
energije. V izoliranih skupnostih, ki se sicer lahko zanesejo na dizelske generatorje, lahko
uporabljamo vetrne turbine, da izpodrinejo dizelskega goriva. Posamezniki kupijo ta sistem
za zmanjšanje ali odpravo njihove odvisnosti od električnega omrežja, iz ekonomskih ali
drugih razlogov ali pa zaradi zmanjšanja emisij ogljikovega dioksida [2].
Več povezanih vetrnih turbin lahko uporabimo za shranjevanje električne energije in
tako ta izpodriva kupljeno lokalno proizvodnjo energije. Opreme, kot so parkirne ure, se
lahko poganjajo na vetrnico in tako bi se nadomeščala potreba po priključitev na električno
omrežje. Nova študija potenciala malih vetrnih elektrarn je pokazala, da bi lahko majhne
vetrne turbine zagotovile do 1,5 teravatnih ur (TWh) na leto električne energije in
prihranek 0,6 milijona ton ogljikovega dioksida (Mt CO2) [2].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 19
Slovenija
Hčerinsko podjetje Elektro Primorske je oktobra leta 2008 v Ajdovščini in Divači
postavilo dve mali vetrni elektrarni in ju priključilo na električno omrežje. Trikraki vetrnici
v Ajdovščini in Divači sta tako postali prvi mali vetrnici v Sloveniji, ki sta priključeni na
električno omrežje, s tem pa želijo ljudem približati koncept vetrnih elektrarn [32].
Izdelali so ju v škotskem podjetju Proven Energy, vsaka pa bo proizvedla med 2.500 in
5.000 kilovatnih ur električne energije na leto. Največji izkoristek imata pri hitrosti vetra
15 metrov na sekundo, kar zadošča za porabo večje družine [32].
2.5 Morske vetrne energije
Vetrne elektrarne na morju se nanašajo na izgradnjo vetrnic na morju in s tem boljši
izkoristek. Boljše hitrosti vetra so na voljo na morju v primerjavi hitrosti na kopnem, tako
da je prispevek vetrne energije v smislu dobavljene električne energije večje.
Od oktobra 2010 je 3,16 GW zmogljiva vetrna elektrarna na morju predvsem v Severni
Evropi. Več kot 16 GW dodatnih zmogljivosti bo nameščenih pred koncem leta 2014 in s
tem bosta Velika Britanija in Nemčija postali vodilni na tem področju. Zmogljivost vetrne
energije na morju bo po pričakovanjih dosegla skupno moč 75 GW do leta 2020 po vsem
svetu, s pomembnimi prispevki iz Kitajske in ZDA [2].
Alpha Ventus
Nemčija je odprla svojo prvo vetrno elektrarno na morju (slika 2.3). Polje 12 vetrnic je
vredno 250 milijonov evrov in bodo proizvedle 60 MW, kar bo zadoščalo za oskrbo 60.000
gospodinjstev. Polje vetrnic je postavljeno 45 kilometrov severno od otoka Borkum v
Severnem morju, kjer bodo turbine narazen 800 m, pritrjene pa bodo 30-40 m pod vodo.
Turbine bodo morale delovati v težkih pogojih, saj veter dosega hitrosti preko 160 km/h,
valovi pa lahko dosegajo višino 15 m. Zahteven projekt je povezan tudi z visokimi stroški
vzdrževanja, ki naj bi se gibali med 20-30 % vrednosti projekta [6].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 20
Slika 2.3: Alpha Ventus [6]
Thanet
Na jugovzhodu Velike Britanije so odprli največjo vetrno elektrarno na morju.
Ta bo lahko s 100-imi vetrnicami z električno energijo oskrbovalo 240.000 gospodinjstev.
V štirih letih naj bi jo povečali na 341 vetrnic, doslej pa je izgradnja stala 920 milijonov
evrov. Polje vetrnic z višino 115 metrov se razprostira na 35 kvadratnih kilometrih okoli
12 kilometrov od obale, z nazivno močjo 300 MW. Skupna instalirana moč vetrnih
elektrarn v Veliki Britaniji dosega 5 GW, kar zadošča za porabo električne energije na
Škotskem. V Veliki Britaniji je okoli 250 polj vetrnic, od tega okoli 12 na morju. V njih je
skupaj skoraj 3000 turbin [7].
2.6 Energija vetra
Energija vetra je tista, ki poganja vetrno elektrarno. Veter pa nastaja zaradi delovanja
sonca (topli zrak se dviga in na njegovo mesto doteka hladen zrak).
Ko merimo veter gledamo na različne parametre: povprečna hitrost, smer in razlike med
hitrosti vetra. Zato moramo poznati potek vertikalnega hitrostnega gradienta vetra, ki je v
splošnem logaritemska funkcija, ki pa je odvisna tudi od narave terena (pove, da je
povprečna hitrost vetra pri tleh zaradi trenja 0, z višino pa logaritemsko narašča (slika 2.4))
[1].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 21
Slika 2.4: Predstavitev poteka hitrosti vetra v odvisnosti od višine [1]
Energija oziroma kinetična energija vetra:
2
2vm
W⋅
= (J) oziroma 2
2v
W = (J) (2.1)
kjer je :
m - masa zraka (kg),
v - hitrost vetra (m/s).
Masni pretok zraka skozi površino A v
s
kg enak vA ⋅⋅ρ , tako je moč vetra enaka:
( )22
32vAv
vAP⋅⋅
=⋅⋅⋅=ρ
ρ ; (2.2)
kjer je:
A - presek (m2),
ρ - gostota (kg/m3),
v - hitrost (m/s).
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 22
Moč vetra je odvisna od tretje potence le-tega. Moč vetrne turbine pa je enaka razliki
moči vetra pred in za veternico oziroma razliki kinetične energije vetra. Koeficient
izkoristka vetrne turbine (Cp) je definiran kot delež energije vetra, ki jo je turbina sposobna
izvleči iz vetra (njegova maksimalma vrednost je 59 %). Najmodernejše turbine imajo
vrednost Cp približno 0,42, kar pomeni, da imajo te turbine 42-% izkoristek vetra. Iz tega
sledi izraz za moč vetrne turbine:
2
3vA
CP p
⋅⋅⋅=
ρ (2.3)
V resnici moč turbine ni čisto sorazmerna s kubom hitrosti vetra, saj koeficient Cp ni
konstanten, marveč je v splošnem funkcija hitrosti vetra (graf 2.4) [1].
Graf 2.4: Odvisnost koeficienta izkoristka v odvisnosti od hitrosti vetra [1]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 23
3 PREDSTAVITEV VETRNE ELEKTRARNE
3.1 Splošno
Vetrna elektrarna je elektroenergetski objekt, s katerim pretvarjamo energijo vetra v
električno energijo. Sestavljena je iz manjšega ali večjega števila vetrnih turbin z
generatorji, transformatorske postaje in daljnovoda, ki vetrno elektrarno povezuje s
prenosnim omrežjem.
Vetrne elektrarne so del t. i. zelene energije oziroma okolju prijazne energije, saj
izkoriščajo naravno energijo vetra, pri tem pa se ne sproščajo naravi nevarne snovi. Ta
trditev je sicer resnična, vendar se ne sme pozabiti tudi drugih posrednih dejavnikov, ki pa
v nekaterih pogledih celo bolj vplivajo na okolje kot neobnovljivi viri energije. Vetrne
elektrarne pa imajo tudi nekaj pomanjkljivosti kot so le 15-25 % izkoristek, potrebujejo
veliko prostora, proizvajajo majhen delež električne energije, itd. [8].
Vetrna turbina je vrteč se energijski stroj, ki pretvarja kinetično energijo vetra v druge
oblike mehanske energije. V primeru, da se kinetična energija turbine uporablja
neposredno za delo (npr. mletje ali črpanje), ji pravimo mlin na veter. V sodobnem času pa
z izrazom označujemo predvsem stroje, ki pretvarjajo mehansko energijo v elektriko [9].
3.2 Vrste vetrnih turbin
Vetrne turbine delimo na turbine s horizontalno osjo rotorja in z vertikalno osjo rotorja
[10].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 24
Turbine s horizontalno osjo:
• enoelisna, • dvoelisna, • trielisna, • ameriške večelisne, • večelisna v obliki kolesa, • veter-generator-rotor (Down-wind), • veter-rotor-generator (Up-wind), • Enfield-Andeau, • multirotor, • turbina na jadra, • nasproti-rotirajoča elisa.
Slika 3.1: Turbine s horizontalno osjo [30]
Turbine z vertikalno osjo:
• Savonius, • večelisna Savonius, • skodelična, • Φ-Darrieus, • ∆-Darrieus, • Giromil, • Savonius Φ-Darrieus, • Split Savonius, • Magnus, • Airfoil.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 25
Slika 3.2: Turbine z vertikalno osjo [30]
3.3 Osnovni tipi vetrnih turbin
V preteklosti znane vetrne turbine so generirale moč na principu upora. Moderne vetrne
turbine generirajo moč na principu vzgona in razvijejo glede na uporovni tip turbin mnogo
večji koeficient moči Cp [11].
Tabela 3.1: Delitev vetrnih turbin [11]
horizontalna os vrtenja (HAWT) vzgonski tip
vertikalna os vrtenja (VAWT: Darreiusova turbina)
horizontalna os vrtenja (mlin na veter) uporovni tip
vertikalna os vrtenja (Savoniusova turbina, Windside turbina)
Turbine uporovnega tipa so počasi tekoče, razvijejo pa visok vrtilni moment. Turbine
vzgonskega tipa pa so hitro tekoče in razvijajo majhen vrtilni moment. Za primerjavo
vetrnih turbin uporabljamo razmerje hitrosti [11].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 26
Da vemo, kaj se tu dogaja, moramo definirati dve definiciji: definicija razmerja
hitrosti λλλλ (razmerje hitrosti je koeficient med hitrostjo lopatice in hitrostjo vetra) in
definicija izhodne moči iz turbine P(W).
( ) 30,5 , ; p
rP C Aλ β ρ ω λ
ω
Ω⋅= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = (3.1) in (3.2)
Kjer je:
ρ - gostota zraka (1.2 kg/m3), Cp - koefcient moči, A - površina rotorja z normalo v smeri vetra (m2), v - hitrost vetra (m/s), r - polmer rotorja (m) , ω - kotna hitrost rotorja (rad/s), v - hitrost vetra (m/s).
Izhodno moč lahko izračunamo s programom za horizontalne ali vertikalne turbine.
Koeficient moči pa je merilo za izkoristek vetrne turbine. Pri maksimalnem koeficientu
moči Cpmax = 0,59 (Betzov koeficient), bi idealna turbina obratovala z izkoristkom 88,8 %,
današnji konstrukcijski prijemi pa omogočajo, da vetrne turbine dosegajo koeficient moči
okrog 0,4 [11].
Graf 3.1: Koeficient moči v odvisnosti od razmerja hitrosti [19]
Znano je, da turbine uporovnega tipa dosegajo največjo moč pri hitrostih rotorja, ki so
manjše od hitrosti vetra (λ < 1). Iz grafa 3.1 pa je vidno, da turbine vzgonskega tipa
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 27
dosegajo največjo moč pri hitrostih rotorja, ki so nekajkrat večje od hitrosti vetra
(λ > 4) [11].
3.4 Primerjava med horizontalnimi in vertikalnimi turbinami vzgonskega
tipa
Tabela 3.2: Primerjava turbin [11]
Horizontalne vetrne
turbine
Vertikalne vetrne
turbine
Zmožnost prilagoditve smeri vetra slabša zelo dobra
Generacija zvoka pri obratovanju večja manjša
Krmiljenje nastavnega kota lopatice enostavno težje
Oblika lopatice nesimetrična simetrična
Možnost samozagona mogoča nemogoča
Vzdrževanje težje lažje
Vertikalne turbine so neodvisne od smeri vetra, so manj glasne kot horizontalne, vendar
pa je krmiljenje nastavnega kota zapleteno (večina ima zato nepremične lopatice, zaradi
tega pa ima nekoliko večjo obodno hitrost rotorja). Pri njih se uporabljajo simetrični
profili, saj jih je lažje izdelati kot nesimetrične. Zaganjajo se lahko le tako, da se uporabi
generator kot elektromotor (ko doseže rotor vertikalne turbine določeno hitrost, se
elektromotor izklopi, vzgonske sile pa rotor pospešujejo do določene hitrosti ko se vklopi
generator). Lahko jo zaženemo tudi z dograditvijo rotorja uporovnega tipa (Savoniusov
rotor), ki nekoliko zmanjša koeficient moči. Te turbine pa se tudi lažje vzdržujejo, saj je
generator in multiplikator pri tleh.
Pri večjih horizontalnih turbinah pa opravlja usmerjanje rotorja servomotor (povečuje
ceno turbine). Če je sprememba smeri hitra, nastopijo na gredi rotorja horizontalne turbine
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 28
velike obremenitve. Poznanih je več sistemov krmiljenja nastavnega kota. Zanimivo je tudi
to, da te turbine uporabljajo nesimetrične profile, poleg tega se presek profila spreminja ter
da je lopatica glede na svojo vzdolžno os zavita (dražja izdelava). Tudi zaganjajo se lahko
samodejno.
Slika 3.3: Navpično-vodoravna turbina [1]
3.5 Vetrne turbine
Vetrnih turbin obstaja več vrst, zato jih delimo na naslednje načine:
a) Glede na način delovanja sile vetra na lopatice rotorja:
• vetrnice, ki delujejo na principu aerodinamične sile dviga (efekt letalskega
krila),
• vetrnice, ki delujejo na principu aerodinamične sile zračnega upora.
Vetrnice z nizkim številom obratov navadno delujejo na principu sile zračnega upora
(Savonius-ov rotor, skodelični tip rotorja-anemometri…). Njihova hitrost vrtenja je manjša
od hitrosti vetra, na pogonsko gred pa delujejo z znatnim momentom. Te izvedbe se za
generiranje električne energije ne uporabljajo, so pa zaradi enostavnosti izdelave priročne
za črpanje vode, mline, itd [1].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 29
Novejše vetrne turbine, ki imajo visoko število obratov na minuto, pa delujejo skoraj
izključno na principu aerodinamične sile dviga. Te naprave se vrtijo s hitrostjo, ki je
nekajkrat višja od hitrosti vetra. V primerjavi z rotorji prejšnjega tipa, ki delujejo na
principu sile zračnega upora, imajo te vetrnice zaradi boljšega izkoristka Cp nekajkrat višjo
moč, na gredi pa zato posledično oddajajo nekaj manjši navor [1].
b) Glede na postavitev glavne osi vrtenja:
• vertikalne (navpična os vrtenja rotorja),
• horizontalne (vodoravna os vrtenja rotorja).
Vetrnice z navpično osjo vrtenja rotorja imajo to prednost, da je njihovo delovanje
neodvisno od smeri vetra ter da se tudi težki strojni del z generatorjem se nahaja na tleh.
Najbolj znana modela sta Darrieusov in Savoniusov rotor, ki ga prikazuje slika 3.4 in slika
3.5. Slaba lastnost je, da se zaradi pulzirajočega navora ne morejo zagnati same ter da je
tudi regulacija hitrosti vrtenja pri močnih vetrovih je zelo problematična [1].
Savoniusov rotor: dva pokončna polkrožna valja, ki stojita eden zraven drugega v obliki
črke S. Razlike v sili upora »vrtijo« rotor in pomenijo praktično neodvisnost delovanja
vetrnice od smeri vetra, vendar pa je potreben velik zagonski moment. Hrupnost in nizek
koeficient moči sta njena največja slabost [33].
Slika 3.4: Savoniusov rotor [20]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 30
Darrieusov rotor: najbolj razširjena vetrnica z navpično osjo vrtenja. Ima dve ali tri
ukrivljene lopatice, zato je imenujejo tudi »stepalnik jajc«. So neodvisne od smeri vetra, a
za zagon potrebujejo dodatno silo (možno tudi s pomočjo Savoniusovega rotorja, ki ga
dogradimo na vrh osi) [33].
Slika 3.4: Darrieusov rotor [21]
Vetrnic z vodoravno osjo vrtenja se zato raje poslužujemo (za vetrne elektrarne
največkrat uporabljene). Dvo- ali trikraki rotorji delujejo na principu aerodinamičnega
dviga, vse skupaj z generatorjem pa je postavljeno na velik steber, regulacija pa ves čas
meri smer in jakost vetra ter celotno kompozicijo obrača proti vetru [1].
Počasi tekoča vetrnica: ima rotor z velikim številom lopatic (osem ali več). Uporablja se
največkrat za pogon vodnih črpalk, mlinov ter žag, saj obratuje že pri nižjih hitrostih vetra
(slika 3.5) [33].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 31
Slika 3.5: Počasi tekoče vetrnice [22]
Hitro tekoče vetrnice: ta vetrnica ima največ tri lopatice in za delovanje potrebuje večjo
hitrost vetra. Če ima vetrnica le eno lopatico je cenejša in sama se lažje prilagodi na smer
vetra, vendar so glasnejše in manj učinkovite. Z dvema lopaticama so malo dražje in lažje
se namesti rotor na stolp kot pa pri tistem s tremi lopaticam, vendar za enake moči
zahtevajo višjo hitrost vetra in potemtakem so tudi glasnejša. Tako so vetrnice s tremi
lopaticami najdražje, vendar so se zaradi vizualnega učinka in enakomerne obremenitve
lopatic najbolj uveljavile (slika 3.6) [33].
Slika 3.6: Hitro tekoče vetrnice [22]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 32
Graf 3.2: Koeficienti moči v odvisnosti od razmerja hitrosti [23]
c) Glede na vrsto obratovanja:
• vetrne turbine s konstantno hitrostjo vrtenja,
• vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja.
Za črpanje vode ali polnjenje akomulatorskih baterij (manj zahtevne aplikacije) se
dovoljuje uporabo vetrnih turbin s spremenljivo hitrostjo vrtenja. Če pa le-te uporabljamo
za generiranje električne energije za omrežje, pa moramo uporabiti konverter z
širokopasovnim vhodom [1].
Vetrne elektrarne s konstantno hitrostjo vrtenja so najbolj pogost sistem, saj nam
dovoljuje uporabo preprostih generatorjev, katerih hitrost vrtenja je določena z omrežno
frekvenco [1].
3.6 Zgradba vetrne turbine
Glavni elementi, ki sestavljajo vetrno turbino so vetrnica oz. rotor, menjalnik tj. prenos,
generator, gibljiva čeljust ter regulacijski sistem. Zgradba se lepo vidi na prečnem prerezu
tipične vetrne turbine (slika 3.7) [14].
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 33
Slika 3.7: Prečni prerez tipične vetrne elektrarne [1]
KABINA
Sestavni deli kabine so zunanji okvir (ščiti pred zunanjim okoljem) ter notranji okvir
(podpira in razporeja težo notranjih komponent). Sestavlja jo še generator, pogon (obrača
kabino na stolpu) in elektronika (upravlja in nadzoruje celoten proces) (slika 3.8).
Slika 3.8: Zgradba kabine [12]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 34
ROTOR
Vetrne turbine (tiste z dvo- ali tri-krake vetrnice) normalno obratujejo pri obodni
hitrosti 50-70 m/s. Pri teh vrednosti dajejo trikraki propelerji najboljše izkoristke (dvokraki
propelerji le 2-3 % slabši izkoristek). Vseeno raje uporabljamo trikrake vetrnice, saj so sile,
ki delujejo na rotor, bolj enakomerno razporejene (tudi estetsko lepše). Rotor sam oziroma
lopatice propelerja so največkrat narejene iz steklenih vlaken in poliestra (tudi iz lesa ali
lesenega laminata, karbonskih vlaken ali iz aluminija). Izbira materiala zavisi predvsem od
zahtevnosti izdelave, namembnosti (teža, modul elastičnosti, …) in cene. Seveda pa se pri
izdelavi stremi po čim bolj kakovostnih lopaticah:
• visoko razmerje aerodinamičnih sil dviga in uporu za večji izkoristek v celotnem
območju delovanja,
• čim boljša mehanska vzdržljivost, žilavost,
• majhna teža,
• nizka produkcija zvoka.
Propeler je lahko montiran proti vetru ali pa obratno, čeprav se slednja orientacija
propelerja praviloma sama prilagaja smeri vetra, je zaradi nekoliko višjega hrupa (turbina
je v stolpovem zavetrju) dokaj redko vidna. Moč vetrne turbine narašča s kubom hitrosti
vetra vse do neke vrednosti, za katero je bila vetrna turbina zgrajena tj. nazivna oziroma
obratovalna moč. Drugače povedano, vetrnica se začne vrteti pri neki hitrosti vetra (cut-in),
zatem njeno število obratov z vetrom raste, pri neki nazivni vrednosti pa želimo kljub
morebitnim večjim hitrostim vetra obdržati nazivno moč. To dosežemo z regulacijo
aerodinamičnosti turbine oziroma s spremembo faktorja Cp. Vendar ko je hitrost vetra
znatno večja od normalne vrednosti obratovanja moramo vetrno turbino zaustaviti (cut-
out), saj lahko pride do nepravilnega delovanja in celo uničenja [1].
REGULACIJA MOČI
Moč vetrnih turbin lahko reguliramo na več načinov [1]:
• moč vetrne turbine spreminjamo s faktorjem izkoristka Cp (pitch control)
Kot že vemo je moč vetrne turbine 2
3vA
CP p
⋅⋅⋅=
ρ. To pomeni, da lahko moč
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 35
manipuliramo z regulacijo faktorja izkoristka Cp (storimo tako, da lopaticam med
obratovanjem spremenimo vpadni kot vetra α ). S tem zmanjšamo aerodinamično silo
dviga in povečamo silo upora lopatic. Rezultat je zmanjšanje Cp, kar se vidi v manjši moči
vetrne turbine tj. manjši hitrosti. Seveda pa lahko spreminjamo do nekih meja, zato se
takega načina regulacije moči ne poslužujemo več.
• moč vetrne turbine reguliramo z navorom generatorja (stall control)
Ta tip uporablja največ vetrnih turbin (50-500 kW) za generiranje električne energije za
omrežje. Običajno so elektrarne tega tipa opremljene z asinhronskim generatorjem. V
normalnem obratovanju je okoli lopatic, ki so nastavljene na kar najbolj optimalen vpadni
kot vetra, zagotovljeno lamilarno gibanje zraka (aerodinamičen izkoristek vetrnice je
čimvečji). Ko pa nastopi hitrost vetra, pri kateri generator doseže svojo nazivno moč
(mejna vrednost), pa moramo nadaljnje naraščanje navora na rotor preprečiti. Ker je
elektrarna priklopljena na togo omrežje, se asinhronski generator s svojim slipnim
momentom upira nadsinhronski hitrosti, kar povzroči praktično konstantno hitrost
propelerja. Če hitrost vetra še narašča, se posledično spremeni tudi vpadni kot vetra na
lopatice, ki se še vedno vrtijo s konstantno hitrostjo. Laminaren tok vetra se na zadnjem
delu lopatice ”odlepi”, kar se posledično manifestira kot torbolenten tok zraka okoli
lopatic. Ta povzroči, da se sila upora napram aerodinamični sili dviga močno poveča, kar
se rezultira kot poslabšanje faktorja Cp oziroma zmanjšanje moči vetrne turbine.
• moč vetrne turbine reguliramo z obračanjem vetrne turbine iz smeri vetra (yaw control)
Ta tip regulacije zasledimo v le redkih primerih. Če je vetrna turbina preobremenjena,
jo enostavno z čeljustnim mehanizmom obrnemo iz smeri vetra.
MEHANSKI PRENOS
Mehanska moč, ki jo generira propeler, se preko mehanskega prenosa prenese na os
generatorja. Mehanski prenos je navadno sestavljen iz menjalnika, sklopke in zavornega
sistema in mora biti dimenzioniran tako, da vzdrži visoke dinamične sile (nastopajo med
obratovanjem naprave). Menjalnik je namenjen zvišanju obratov rotorske gredi na nivo, ki
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 36
ustreza dotičnemu generatorju. Poleg menjalnika pa nekateri konstruktorji vključijo še
vztrajnik, ki na take sile deluje kot dušilni člen [1].
GENERATOR
Generator je člen, ki pretvarja mehansko energijo v električno. Pri vetrnih elektrarnah s
konstantno hitrostjo vrtenja se skoraj vedno uporablja asinhronske generatorje. Pomemben
razlog za to izbiro je, da se pri vetrnih elektrarnah s sinhronskim generatorjem lahko
pojavijo nezaželjene resonance, ki jih lahko povzroči le-ta s svojo konstantno frekvenco ter
turbina s svojim pulzirajočim navorom na gredi generatorja. Ta problem učinkovito
odpravlja asinhronski generator, ki take pulzirajoče spremembe navora elegantno absorbira
s svojim slipom. Generatorji v takšnih elektrarnah običajno obratujejo na napetostnem
nivoju 690 V. Slaba lastnost asinhronskih generatorjev je velik zagonski tok, ki ga pa
rešujemo z mehkim zagonom s pomočjo tiristorjev. Nekoliko slabši ϕcos pa popravljamo
s kondenzatorskimi baterijami (locirani so ob vznožju stolpa) [1].
Za vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja se uporabljajo tako sinhronski kot
asinhronski generatorji. Razvoj pa gre v smeri generatorjev, ki ne bi potrebovali
menjalnika med propelerjem in generatorsko osjo. Velika pozornost se posveča tudi
konverterjem, kjer bi glavno vlogo preklapljanja imeli močnostni tranzistorji (konverter bi
imel nizek faktor popačenja, vendar pa pri velikih močeh nastopajo tudi precejšnje toplotne
izgube) [1].
Torej poznamo [12]:
• sinhronski generatorji (direktna priključitev na omrežje):
Sinhronski generatorji morajo obratovati pri povsem konstantni hitrosti vrtenja, zato se
ne uporabljajo prav pogosto (jo je težko zagotoviti). Dobra stran je, da lahko proizvajajo
jalovo moč (reguliramo jo z spreminjanjem vzbujanja rotorja). Pred sinhronizacijo z
omrežjem se mora rotor vrteti s sinhronsko hitrostjo. Zagon rotorja pa mora zagotoviti
veter. Ker na tržišču niso prisotni, jih v nadaljevanju detajlneje ne opisujemo.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 37
• asinhronski generatorji:
Hitrost vrtenja asinhronskih generatorjev ni povsem konstantna, a je območje delovanja
zelo ozko – nekaj procentov sinhronske hitrosti vrtenja (graf 3.3). Je pa ta lastnost
bistvenega pomena za dinamični odziv na spremembe vetra ali bremena. Zato je odziv
asinhronskega generatorja na nenadne spremembe precej bolj ugoden kot pri sinhronskem
generatorju. Z dodatno regulacijo upornosti rotorja (s polprevodniškimi elementi), lahko
spreminjamo slip in s tem povečamo območje možnih vrtilnih hitrosti, ki se ob taki
regulaciji lahko spreminja do 10 % nazivne vrtilne hitrosti. Na ta način se lahko v določeni
meri prilagajamo v smislu maksimalnega izkoristka vetrne moči.
Graf 3.3: Karakteristika navora v odvisnosti od hitrosti vrtenja [12]
Asinhronski generatorji so poceni, enostavne konstrukcije, robustni, enostavni za
priklop na omrežje in so porabniki jalove moči. To jalovo moč lahko deloma zagotovimo s
kondenzatorji. Vendar je le-te potrebno natančno določiti, da asinhronski generator ne
postane "samovzbuden" v primeru otočnega obratovanja, kar lahko povzroči velike
prenapetosti kot posledica resonance med kondenzatorji in navitji generatorja. Asinhronski
generatorji ponavadi rabijo dovolj močno omrežje s konstantno frekvenco, zagon pa se
lahko izvede kot zagon motorja (ni nujno, da rotor iz točke mirovanja premakne veter).
• dvojno napajani asinhronski generator:
Po dostopnih podatkih so v vetrnih turbinah (grajeni v Sloveniji) tovrstni generatorji
moči 850 kW. Princip dvojnega napajanja je prikazan na sliki 3.9. Statorsko navitje je na
omrežje priključeno neposredno, rotorsko navitje pa preko drsnih obročev na AC/AC
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 38
pretvornik, ki pretaka moč iz omrežja v rotor v podsinhronskem delovanju ter iz rotorja v
omrežje v nadsinhronskem delovanju.
Slika 3.9: Shema dvojno napajanega asinhronskega generatorja [12]
Tokovi navitja rotorja niso le posledica inducirane napetosti s strani statorskega navitja,
ampak so dodatno regulirani z AC/AC pretvornikom. Frekvenca rotorskega tokokroga je
enaka razliki med hitrostjo vrtenja rotorja in omrežno frekvenco. Dvojno napajani
asinhronski generatorji lahko proizvajajo napetost konstantne amplitude in frekvence tudi
ob spremenljivi hitrosti rotorja. Lahko proizvajajo in regulirajo jalovo moč. Torej, če
gledamo s stališča omrežja, so precej podobni sinhronskim generatorjem. Zagon in izklop
vetrne turbine se izvede z regulacijo rotorskega tokokroga. S pravilno regulacijo lahko
dosežemo delovanje generatorja tudi pri nesimetrični trifazni napetosti. Statorsko navitje se
lahko preklaplja tako, da je vezano v zvezdo ali trikot, kar povzroči zmanjšanje tokov pri
večjih obremenitvah. V primeru kratkega stika se vetrna turbina izklopi z namenom zaščite
AC/AC pretvornika (ne napajajo kratkega stika).
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 39
• sinhronski generator s pretvornikom:
Slika 3.10: Shema sinhronskega generatorja z AC/AC pretvornikom [12]
Ta tip vetrnih elektrarn (slika 3.10) omogoča največje območje spreminjanja hitrosti
vrtenja. Generatorji imajo lahko veliko število polov, kar omogoča direktno priključitev na
rotor vetrne turbine – brez vmesne prestave. Rotor je lahko električno vzbujen ali pa so
uporabljeni trajni magneti. V primeru električnega vzbujanja potrebujemo dodaten AC/AC
pretvornik za regulacijo moči. Celotna proizvedena moč se preteka preko AC/AC
pretvornika, zato je le-ta dimenzioniran za največjo moč vetrne turbine. Pretvornik lahko
regulira pretok jalove moči v omrežje. Ob kratkem stiku se izklopi, v določenih situacijah
pa lahko napaja kratek stik z nazivnim tokom. V tabeli 3.3 je navedena primerjava teh
tipov generatorjev.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 40
Tabela 3.3: Primerjava različnih tipov generatorjev [12]
Asinhronski generator
Asinhronski z
regulacijo
rotorske
upornosti
Dvojno
napajani
asinhronski
generator
Sinhronski
generator z
AC/AC
pretvornikom
Spremenljiva hitrost ne da (nekaj %) da da
Regulacija delovna moči ne da da da
Regulacija jalove moči ne ne da da
Kratkostična moč prispeva prispeva ne prispeva ne prispeva
Časovno območje regulacije 1 - 10 s 100 ms 1 ms 0.5 - 1 ms
Stand-by funkcija ne ne da da
Občutljivost na flickerje da ne ne ne
Rabi dodaten mehki zagon da da ne ne
Rotirajoča rezerva ne ne da da
Zahteva kompenzacijo jalove
moči da da ne ne
Investicija nižja nižja srednja višja
Vzdrževanje nižje nižje višje srednje
ZAVORNI SISTEM
Ob visokih hitrostih vetra se pojavljajo sile znatnih veličin (moč vetra je sorazmerna
tretji potenci hitrosti vetra). Zato v vsaki vetrni elektrarni obstajata najmanj dva
medsebojno neodvisna zavorna sistema in oba imata sposobnost zmanjšanja hitrosti
propelerja ali popolne zaustavitve. Zavorni sistem pride v uporabo predvsem pri močnih
vetrovih (potrebno zmanjšati obrate) ali pa med vzdrževalnimi deli (tedaj se zahteva
mirujoč sistem). Tudi izpad električnega omrežja ter s tem izguba nasprotujočega
delovnega momenta gredi lahko hitro privede do nevarnih hitrosti rotorja [1].
Pri regulaciji z uravnavanjem Cp (pitch control) - spreminjamo naklonski kot lopatic,
nam zasuk vpadnega kota vetra na 0 ° ali celo v negativno stran povzroči upočasnitev
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 41
propelerja. Kjer uporabljamo drugačno regulacijo, npr. stall control, nimamo možnosti
rotiranja lopatic rotorja, zato pa imajo navadno na koncu propelerskih lopatic vgrajene
zavorne lopute, ki se ob aktivaciji postavijo v položaj največjega zračnega upora.
Mehanske zavore uporabljamo za popolno zaustavitev rotorja, ki se ponavadi zaradi
manjših zavornih momentov nahajajo za menjalnikom, čeprav taka postavitev slednjega
močno obremenjuje. Pri projektiranju zavor je potrebno predvsem paziti, da kljub možni
okvari sistem ostane varen [1].
ČELJUSTNI SISTEM
Turbine imajo čeljustni sistem, ki jim omogoča obračanje propelerja proti vetru. Na
okrovu turbine se nahaja merilec hitrosti (anemometer) in smeri vetra. Te podatke nato
posreduje regulacijskemu sistemu, ta pa z motornim pogonom obrača čeljustni sistem tako,
da je smer vetra pravokotna na propelersko ploščino [1].
STOLP
Naloga stolpa je držanje vetrne turbine skupaj z generatorjem na neki višini. Zagotoviti
mora tudi dobro stabilnost in s tem nemoteno delovanje. Stolpi so lahko železni ali
betonski (dražji). 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 temeljih pojavi problem resonančnih frekvenc (se pojavijo ob določenih obratih
propelerja) [1].
DRUGI SESTAVNI DELI [4]
Anemometer: Anemometer je nameščen na ohišju generatorja in multiplikatorja in je
povezan računalnikom za nadzor turbine. Ko je hitrost vetra zadostna pošlje signal v
računalnik naj deaktivira zavore. Enako pošlje signal v računalnik naj zaustavi vrtenje
turbine, ko veter prekorači dovoljeno maksimalno hitrost. Vsebuje tudi merilec smeri vetra,
ki služi, da se turbina obrača proti vetru.
Lopatica: Večina turbin ima dve ali tri lopatice. Veter piha čez liste in to povzroči vrtenje.
Števec: Kontrolira moč in smer vetra.
Zobniško gonilo: Gonilo je vezni člen med zgornjo in spodnjo gredjo.
Gornja pogonska gred: Nosi generator.
Spodnja pogonska gred: Rotor poganja spodnjo gre z okoli 30 do 60 obratov na minuto.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 42
Aero ohišje: Rotor je pritrjen na aero ohišje, ki leži na vrhu stolpa. Ta varuje vse
komponente znotraj ohišja, katere so gonila, zgornja in spodnja gred, generator, števec ter
zavora.
Smernik vetra: Direktno komunicira z zagonskim gonilom, da se orientira, kako turbine
pripraviti na veter.
Motor krmila: Daje moč za zagon.
Slika 3.11: Zgradba vetrnice [4]
3.7 Obratovalne karakteristike
Močnostna krivulja vetrne turbine nam predstavlja odvisnost moči vetrne turbine od
hitrosti vetra. Krivulja je lahko določena na osnovi teoretičnih izračunov ali na podlagi
terenskih meritev. Pri slednjih se meritev izvaja v povprečnem vetru (10 minutni razmaki),
da se izognemo dinamičnim razlikam. Pri močnostni krivulji določene vetrne turbine so
pomembni naslednji parametri [1] :
• vklopna hitrost vetra (cut-in wind speed): hitrost vetra, pri kateri se propeler začne
vrteti,
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 43
• izklopna hitrost vetra (cut-out wind speed): hitrost vetra, pri kateri se vetrno turbino
ustavi zaradi prevelike hitrosti vetra,
• nazivna moč (rated power): je maksimalna oddajna moč vetrne turbine, ki je
oddana generatorju,
• nazivna hitrost vetra (rated wind speed): hitrost vetra, pri kateri se razvija nazivna
moč vetrne turbine.
Graf 3.4: Teoretična močnostna krivulja pri regulaciji z spreminjanjem kota lopatic
propelerja (pitch control) [1]
Graf 3.5: Močnostna krivulja pri regulaciji z pomočjo navora generatorja (stall control) [1]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 44
4 PREDLOG IZVEDBE
4.1 Izbira lokacije
Latkova vas (207m, 800 prebivalcev) je naselje v občini Prebold. V jedru je gručasto
naselje ob prehodu glavne ceste Ljubljana - Celje čez Savinjo. Sestavljajo jo zaselki
Gmajna, Gornja Gmajna, Groblja, Hrastje, Trapeče, Novine in Latkova vas, ki brez vidnih
meja prehajajo drug v drugega. Pod krajem izvira potoček Perišnica, ki je levi pritok
Bolske.
Lokacija vetrne elektrarne je izbrana pred mojo domačo hišo in je dobro dostopna.
Cestišče je dobro urejeno za dovoz in montažo vetrnice (Latkova vas leži blizu avtoceste,
kar zmanjša logistične težave prevoza).
Slika 4.1: Latkova vas [31]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 45
4.2 Izbira opreme
Izbral sem nizkovetrovno turbino AVENTA AV-7 (slika 4.2) [13].
Slika 4.2: Aventa AV-7 [13]
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:
Premer: 12,9 m
Površina rotorja: 129 m2
Moč na m2: 50 W/m2
Število lopatic: 3
Orientacija: horizontalna
Hitrost konic lopatic: 44 m/s
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 46
Stolp:
Višina: 18,0 m
Izvedba: cevna
Material: beton ali jeklo
Generator:
Izvedba: sinhronski generator s trajnimi magneti
Priklop na NN omrežje: preko pretvornika 3 x 400 V
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 sistem 1 : električni
Zavorni sistem 2 (zasilno ustavljanje): mehanski
Nadzor veličin: hitrost vrtenja, vibracije, temperatura generatorja, izhod generatorja,
temperatura v celici
Varnostna naprava (50-letni sunek): 42 m/s
Teža:
Celica brez rotorja: 700 kg
Rotor: 470 kg
Lopatice: 117 kg
Stolp: beton: 12.500 kg
jeklo: 2100 kg
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 47
Tabela 4.2: Letna proizvodnja električne energije za vetrnico AV-7 [13]
Letno proizvodnjo električne energije za vetrnico AV-7 (tabela 4.2) sem dobil na
njihovi spletni strani in nam pokaže, kakšno povprečno letno proizvodnjo električne
energije bi dobili pri različnih povprečnih hitrosti vetra. Iz nje je razvidno, da se pri
spremembi le za 2 m/s zelo spremeni povprečna letna proizvodnja električne energije.
Znana je tudi njena obratovalna karakteristika (graf 4.1). Iz njega je razvidno, da je
vključna hitrost vetra pri 2 m/s (za slovenske razmere zelo primerno) in da nazivno hitrost
vetra doseže pri 6,5 m/s. Izključna hitrost vetra je pri 14 m/s.
Graf 4.1: Obratovalna karakteristika vetrnice AV-7 [24]
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 48
4.3 Vključitev na omrežje
Vetrna elektrarna bo obratovala paralelno z NN distribucijskem omrežjem, kamor se bo
oddajala vsa energija razen tista, ki se bo porabila za lastno porabo.
Slika 4.3: Priključitev vetrne elektrarne na NN omrežje
Vetrna elektrarna ima generator moči 6,5 kW in bo priklopljena (preko AC/AC
pretvornika – generira izmenično izhodno napetost direktno iz izmenične vhodne napetosti,
ločilnega stikala in odklopnika) na javno 0,4 kV distribucijsko omrežje. Priklop bo v TP
Latkova vas, ki je od hiše oddaljen približno 150 m. Do njega bo vkopan kabel dimenzije
4x16 mm2 (zaradi razdalje 150 m ima ta kabel najboljšo termično obremenitev, je izoliran
in dobro mehansko zaščiten), na stebru vetrnice pa bosta nameščeni stikalna in merilna
omarica, v njej pa bo glavno stikalo in obračunsko mesto. Ločilno mesto za ročno ločitev
bo izvedeno na 0,4 kV napetostnem nivoju v novi NN priključno-merilni omarici
z ustreznim NN odklopnikom. Pravilno mora biti izvedena tudi ozemljitev objekta.
Slika 4.4: Shema priključitve MVE in pošiljanje električne energije neposredno v omrežje
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 49
5 IZRAČUN PROIZVODNJE
V programu RETScreen sem izračunal, kako bi se obnesla vetrne elektrarna v mojem
domačem okolju. Program RETScreen - Clean Energy Project Analysis Software se
uporablja za analizo proizvodnje energije iz obnovljivih virov. Program vključuje oceno
proizvodnje energije, varčevanje, stroške, zmanjšanje emisij, finančne sposobnosti ter
tveganje za različne vrste tehnologij. Izbral sem vetrnico AVENTA AV-7, ker ima
najboljšo karakteristiko za lokalni veter (dobra krivulja moči v odvisnosti od hitrosti vetra).
Torej izbral sem vetrnico, ki se v omrežje vključi že pri nizkih hitrosti vetra.
Da sem vseeno ugotovil, v katerem primeru bi se mi postavitev najbolj splačala, sem
naredil več primerov.
Slika 5.1: Začetna stran projekta
Za projekt sem izbral vetrno elektrarno v Spodnji Savinjski dolini. Denarna enota je
evro.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 50
Slika 5.2: Vnos podatkov za vetrnico
V mojem naselju je na višini 10 m hitrost vetra 2,9 m/s (podatek iz knjige Vetrovnost
v Sloveniji ter na bližnji vremenski postaji Griže). Eksponent porazdelitve je 0,25 (hiša se
nahaja med pokošenim travnikom in naselju). Povprečna temperatura je 9,3 °C ter
povrečen pritisk 96,1 kPa. Vetrnica AV-7 ima 6,5 kW moči in je visoka 18 m (na tej višini
je hitrost vetra 3,4 m/s). Premer rotorja je 13 m, njegova površina pa 129 m2. Vetrnica bo
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 51
imela čez leto komaj 18,8 % zmogljivost in bo proizvedla le 11 MWh. Odkupna cena za
elektriko to leto znaša 98,35 €.
Slika 5.3: Vnos začetnih, investicijskih ter letnih obratovalnih stroškov
Stroški vključno s prevozom, inštalacijo in celotno vetrnico znašajo 21.505 €. Nato je
treba še upoštevati remont na vsake 5 let, ki znašajo 500 €.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 52
Slika 5.4: Izpust škodljivih plinov
V Sloveniji znaša faktor zmanjševanja emisij 0,213 tCO2. Ker vetrnica proizvede 11
MWh, bomo tako zmanjšali za 2,3 tCO2 na leto.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 53
1. PRIMER:
Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in da vzamem 10-letni
kredit. Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih naj ne bi spreminjala in inflacija bi znašala
0,5 %.
Slika 5.5: Finančni parametri
Celotni stroški znašajo 21.505 €. Kredit znaša 6.452 € in njegova obresta mera je 6,5 %.
Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten
dohodek je le 1.019 €. Če gledamo letni prihranek pa je le-ta negativen in znaša -508 €. Za
diskontno stopnjo vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija priporoča kot okvirno merilo
uspešnosti za investicijske projekte.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 54
Graf 5.1: Grafični prikaz projekta
Rezultat:
V prvih 10-ih letih se ne spremeni veliko, saj odplačujemo kredit. Po tem obdobju
začne krivulja naraščati (dobiček), pri 26,2 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo
poslovati pozitivno. Vsakih 5 let je opazen upad dobička zaradi remonta, ki znaša 500 €.
Interna stopnja donosnosti (diskontna stopnja, pri kateri je neto sedanje vrednosti tokov
stroškov in prihodkov nič – 1 %) je manjša od diskontne stopnje (5 %), zato se ta primer ne
splača. Neto sedanje vrednosti je -7811 € (če je neto sedanje vrednosti pozitivno, se nam
projekt obrestuje).
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 55
2. PRIMER:
Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in da ne vzamem kredita.
Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih naj nebi spreminjala in inflacija bi bila 0,5 %.
Slika 5.6: Finančni parametri
Celotni stroški znašajo 21.505 €. Kredita ne vzamemo. Redni stroški vsakih 5 let
znašajo 500 €. Celoten dohodek je le 1.019 €. Če gledamo letni prihranek pa je le-ta
negativen in znaša -477 €. Za diskontno stopnjo vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija
priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za investicijske projekte.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 56
Graf 5.2: Grafični prikaz projekta
Rezultat:
Krivulja začne naraščati takoj, ker nismo vzeli kredita. Opazen je le upad zaradi
remonta vsakih 5 let. Pri 23,2 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo poslovati
pozitivno. Interna stopnja donosnosti (1,6 %) je manjša od diskontne stopnje (5 %), zato se
ta primer ne splača. Neto sedanje vrednosti je -7.333 €.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 57
3. PRIMER:
Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in vzamem 10-letni
kredit. Cena proizvedene električne energije se vsako leto poveča za 2 %. Predpostavljena
vrednost inflacije je 0,5 %.
Slika 5.7: Finančni parametri
Celotni stroški znašajo 21.505 €. Kredit znaša 6.452 € in njegova obresta mera je 6,5 %.
Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Cena proizvedene električne energije se vsako
leto poveča za 2 %. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten dohodek je le 1.019
€. Če gledamo letni prihranek pa je le-ta negativen in znaša -218 €. Za diskontno stopnjo
vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za
investicijske projekte.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 58
Graf 5.3: Grafični prikaz projekta
Rezultat:
V prvih 10-ih letih se ne spremeni veliko, saj odplačujemo kredit. Po tem obdobju
začne krivulja naraščati, pri 20,6 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo poslovati
pozitivno. Odplačamo prej kot v prvem primeru zaradi povečene cene odkupne električne
energije vsako leto za 2 %. Vsakih 5 let je opazen upad dobička zaradi remonta, ki znaša
500 €. Interna stopnja donosnosti (3,6 %) je manjša od diskontne stopnje (5 %), zato se ta
primer ne splača. Neto sedanje vrednosti je -3350 €.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 59
4. PRIMER:
Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in vzamem 10-letni
kredit. Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih ne spremeni, spremeni pa se inflacija na 3
%.
Slika 5.8: Finančni parametri
Celotni stroški znašajo 21.505 €. Kredit znaša 6.452 € in njegova obresta mera je 6,5 %.
Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten
dohodek je le 1.019 €. Inflacija se spremeni na 3 %. Če gledamo letni prihranek pa je le-ta
negativen in znaša -552 €. Za diskontno stopnjo vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija
priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za investicijske projekte.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 60
Graf 5.4: Grafični prikaz projekta
Rezultat:
V prvih 10-ih letih se ne spremeni veliko, saj odplačujemo kredit. Po tem obdobju
začne krivulja naraščati, pri 27,5 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo poslovati
pozitivno. Odplačamo pozneje kot v prvem primeru zaradi povečene inflacije na 3 %.
Vsakih 5 let je opazen upad dobička zaradi remonta, ki znaša 500 €. Interna stopnja
donosnosti (0,4 %) je manjša od diskontne stopnje (5 %), zato se ta primer ne splača. Neto
sedanje vrednosti je -8490 €.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 61
5. PRIMER:
Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in vzamem 10-letni
kredit. Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih ne spremeni, pravtako pa se ne spremeni
inflacija. Vzel sem, da se letni stroški iz 500 € zvišajo na 1000 € vsakih 5 let.
Slika 5.9: Finančni parametri
Celotni stroški znašajo 21.505 €. Kredit znaša 6.452 € in njegova obresta mera je 6,5 %.
Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 1000 €.
Celoten dohodek je le 1.019 €. Cena proizvedene električne energije in inflacija se ne
spremenita, spremenijo pa se letni stoški na 1000 €. Če gledamo letni prihranek je le-ta
negativen in znaša -605 €. Za diskontno stopnjo vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija
priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za investicijske projekte.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 62
Graf 5.5: Grafični prikaz projekta
Rezultat:
V prvih 10-ih letih se ne spremeni veliko, saj odplačujemo kredit, vendar je veliko bolj
upazen remont vsakih 5 let. Po 10-ih letih začne krivulja naraščati, pri 28,9 letih
odplačamo celo vetrnico in tedaj začnemo poslovati pozitivno. Vsakih 5 let je opazen upad
dobička zaradi remonta, ki znaša kar 1000 €. Interna stopnja donosnosti (0,0 %) je manjša
od diskontne stopnje (5 %), zato se ta primer ne splača. Neto sedanje vrednosti je -9305 €.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 63
6. PRIMER:
Naredil sem še primer, ki mi je pokazal, kdaj pa bi se mi postavitev vetrnice splačala.
Za primer sem vzel, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in vzamem 10-letni kredit.
Cena proizvedene električne energije se vsako leto poveča za 3,5 %. Predpostavljena
vrednost inflacije je 0,5 %.
Slika 5.10: Finančni parametri
Celotni stroški znašajo 21.505 €. Kredit znaša 6.452 € in njegova obresta mera je 6,5 %.
Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Cena proizvedene električne energije se vsako
leto poveča za 3,5 %. Redni stroški vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten dohodek je le 1.019
€. Če gledamo letni prihranek pa je pozitiven in znaša 76 €. Za diskontno stopnjo
vzamemo 5 %, saj jo evropska komisija priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za
investicijske projekte.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 64
Graf 5.6: Grafični prikaz projekta
Rezultat:
Tu se že v prvih 10-letih začne krivulja naraščati, čeprav še odplačujemo kredit. Po
10-ih letih začne še bolj strmo naraščati in pri 17,9 letih odplačamo celo vetrnico in tedaj
začnemo poslovati pozitivno. Odplačamo jo najprej, vendar zaradi povečane cene
proizvedene električne energije za 3,5 % ni realen primer. Vsakih 5 let je opazen upad
dobička zaradi remonta, ki znaša 500 €. Interna stopnja donosnosti (5,4 %) je večja od
diskontne stopnje (5 %), zato se ta primer splača. Neto sedanje vrednosti je 1173 €.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 65
Tabela 5.1: Primerjava primerov
Življenjska
doba Kredit
Sprememba
cene vetrne
energije
Sprememba
inflacije
Stroški
remonta
Vetnica
odplačana
Interna
stopnja
donosnosti
večja od
diskontne
stopnje
Neto
sedanje
vrednosti
Se
primer
splača
1.
PRIMER 30 let 10 let 0 % 0,5 % 500 € 26 let NE -7811 € NE
2.
PRIMER 30 let 0 let 0 % 0,5 % 500 € 16,3 let NE -882 € NE
3.
PRIMER 30 let 10 let 2 % 0,5 % 500 € 20,6 let NE -3350 € NE
4.
PRIMER 30 let 10 let 0 % 3 % 500 € 27,5 let NE -8490 € NE
5.
PRIMER 30 let 10 let 0 % 0,5 % 1000 € 28,9 let NE -9305 € NE
6.
PRIMER 30 let 10 let 3 % 0,5 % 500 € 17,9 let DA 1173 € DA*
Iz tabele 5.1 je razvidno, da se v nobenem primeru ne splača postaviti vetrne elektrarne
v Spodnji Savinjski dolini (*razen v zadnjem, ki pa je nerealen).
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 66
7. PRIMER:
Za zanimivost sem pogledal, če se mi bi postavitev splačala, če bi višino stolpa iz 18 m
podaljšal na 40 m. Hitrost vetra bi se mi tedaj povečala na 4,1 m/s (podatek dobim iz
programa ko povečam višino vetrnice). Vetrnica ima 30-letno življenjsko dobo in vzamem
10-letni kredit. Cena vetrne elektrike se v teh 30-ih letih ne spremeni, prav tako pa se ne
spremeni inflacija.
Slika 5.11: Finančni parametri
Ker nisem najdel podatka, koliko bi cenovno znašal 22-metrski podaljšek stebra, sem
pustil enake celotne stroške in tako ponovno znašajo 21.505 €. Kredit znaša 6.452 € in
njegova obresta mera je 6,5 %. Tako se 10 let odplačuje kredit po 897 €. Redni stroški
vsakih 5 let znašajo 500 €. Celoten dohodek je le 1.019 €. Če gledamo letni prihranek pa je
le ta negativen in znaša -51 €. Za diskontno stopnjo vzamemo 5 %, saj jo evropska
komisija priporoča kot okvirno merilo uspešnosti za investicijske projekte.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 67
Graf 5.7: Grafični prikaz projekta
Rezultat:
Zaradi povečane hitrosti vetra se že v prvih 10 letih pozna dobiček, vendar po
odplačanem kreditu krivulja še bolj strmno začne naraščati. Pri 17,3 letih odplačamo celo
vetrnico in tedaj začnemo poslovati pozitivno. Vsakih 5 let je opazen upad dobička zaradi
remonta, ki znaša 500 €. Interna stopnja donosnosti (4,6 %) je manjša od diskontne stopnje
(5 %), zato se ta primer ne splača (čeprav nisem upošteval dodatnih stroškov za 22 m visok
podalšek stebra). Neto sedanje vrednosti je -785 €.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 68
6 SKLEP
Moje diplomsko delo je razdeljeno na splošni del ter na del, kjer je predstavljen projekt
izgradnje male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini (Latkova vas). V splošnem delu
je predstavljena zgodovina vetrnih elektrarn, splošno o velikih in malih vetrnih elektrarnah
ter o modernih vetrnih elektrarnah na morju. Predstavljena je tudi njihova sestava in
kakšne tipe lahko uporabimo. V drugem delu pa je predstavljena sama zasnova ideje, kje bi
vetrica stala, katero vetrnico bi uporabili in kako bi jo priklučili na distribucijsko omrežje.
V programu RETScreen je nato izvedenih 7 primerov in njihova primerjava.
Program RETScreen mi je pokazal, da se postavitev vetrnice v šestih primerih nebi
splačala, saj je hitrost vetra premajhna. Edini primer, da bi se mi splačala pa je nemogoč,
saj bi se morala cena vetrne elektrike zelo spreminjati (3,5 % vsako leto). Spreminjal sem
različne parametre kot so kredit, cena odkupljene elektrike, sprememba inflacije in
spremembo letnih stroškov. Pri vseh primerih pa bi celo vetrnico odplačal šele proti koncu
življenjske dobe, razen pri 6. primeru, ki je realno nemogoč. Zgovoren podatek je ta, da bi
vetrnica na leto delovala le 1692 ur (70,5 dneva) in bi proizvedla le 11 MWh. Na to ima
velik vpliv tudi lokacija, saj je Spodnja Savinjska dolina znana po majhnih hitrosti vetra, ki
znašajo okoli 3 m/s na višini 10 m. Torej se ta izvedba projekta v mojem okolju v vseh
pogledih nebi splačala.
Vseeno mislim, da bi se v obnovljive vire v Sloveniji moralo vlagati več sredstev kot se.
Vendar pa se primer vetrne elektrarne pri nas ne splača, ker je malo takšnih področij, kjer
bi pihal veter z dovolj veliko povprečno hitrostjo vetra. Med dovolj vetrovne kraje ne
štejemo višja lezeča območja, saj bi zaradi prehladnih temperatur vetrnice nehale delovati.
Brez naravovarstevih problemov pa bi bile primerne lokacije Volovja reber, Nanos in
Banjščice. Nasploh pa gre tudi pri nas razvoj z obnovljivimi viri v pravo smer, saj se
čedalje več uporablja sončna in geotermalna energija, medtem ko je vodna energija tako ali
tako najbolj uporabljena.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 69
7 VIRI, LITERATURA
[1] J. Strmec, Vetrne elektrarne, Seminar pri projektu energetika, 2004.
[2] Wind turbine
http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine (julij, 2011).
[3] Wind power
http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power (julij, 2011).
[4] Energija vetra
http://ro.sio.si/projekti/energetika/8_razred/energija_vetra.htm.
[5] G. Keržar, Projekt izgradnje vetrne elektrarne, diplomsko delo, Maribor, 2008.
[6] Prva vetrna elektrarna na morju
http://24ur.com/novice/svet/nemcija-zagnala-prvo-vetrno-elektrarno-na-morju.html.
[7] Največja britanska elektrarna na morju
http://www.siol.net/gospodarstvo/2010/09/ob_britanski_obali_odprli_najvecjo
_vetrno_elektrarno_na_morju.aspx (junij, 2011).
[8] Vetrna elektrarna
http://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_elektrarna (junij, 2011).
[9] Vetrna turbina
http://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina (junij, 2011).
[10] M. Nardin, Veter-energija prihodnosti-vetrne turbine, 2004.
www.fiz.uni-lj.si/~zgonik/ModernaFizika/.../VETRNE%20TURBINE.doc
(junij, 2011).
[11] Vetrne turbine Slovenija
http://www.slog.net/vts/tipi_vetrnih_turbin.php (junij, 2011).
[12] S. Merše, Vključevanje vetrnih elektrarn v slovenski elektroenergetski sistem,
Ljubljana, 2004.
www.aure.gov.si/eknjiznica/Veter-koncno_porocilo_februar_2004.doc (junij, 2011).
[13] Aventa AV-7
http://www.aventa.ch/englische%20Homepage/eAV7/eAV-7.htm (junij, 2011).
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 70
[14] Vetrna turbina
http://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina (junij, 2011).
[15] R. Mihelič, Ni vse zlato, kar se sveti
http://www.volovjareber.si/gradivo/literatura/20081205_vetrne_elektrarne_rafael_mi
halic.pdf (junij, 2011).
[16] J. Tušek, Vetrne elektrarne v Sloveniji-da ali ne
http://lab.fs.uni-lj.si/ee/OVE/seminarji/VETRNICE.pdf (junij, 2011).
[17] Volovja reber
http://www.dnevnik.si/novice/kultura/273104 (junij, 2011).
[18] Alpha Ventus
http://www.alpha-ventus.de/ (junij, 2011).
[19] Horizontalna-vertikalna elektrarna
http://www.tiba.si/clanki/Vertikalna-vetrna-elektrarna-z-ucinkovitejsim-
generatorjem.html (junij, 2011).
[20] Savoniusov rotor
http://www.ivt.ntnu.no/offshore2/?page_id=394 (junij, 2011).
[21] Darrieusov rotor
http://www.ivt.ntnu.no/offshore2/?page_id=394 (junij, 2011).
[22] M. Novakovič, Konstrukcija vetrnica
http://lab.fs.uni-lj.si/ee/OVE/seminarji/seminar%20novakovic.htm (junij, 2011).
[23] Aerodinamični profil vetrnice
http://lab.fs.uni-lj.si/ee/diploma1/stran_54.htm (junij, 2011).
[24] AV-7
http://www.energia-eolica.it/av_7 (junij, 2011).
[25] Bergey
http://www.bergey.com/ (junij, 2011).
[26] T. Ackermann, Wind Power in Power System, John Wiley & Sons, 2005.
[27] J. Andrews, N. Jelley, Energy science, New York: Oxford University Press, 2007.
[28] J. Rakovec, M. Žagar, Vetrovnost v Sloveniji, Ljubljana: Založba ZRC, 2009.
[29] I. Graham, Energija vetra, Tehniška založba Slovenije, 2000.
[30] N. Rogelj, Vetrne turbine, 2009.
www.fmf.uni-lj.si/~stepisnik/sola/energvir/...09/Vetrne%20turbine.pdf (junij, 2011).
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 71
[31] Google maps
http://maps.google.si/maps?hl=sl&q=latkova%20vas&biw=1366&bih=664&ie=UTF
-8&sa=N&tab=il (junij, 2011).
[32] Mala vetrna elektrarna v Sloveniji
http://www.rtvslo.si/znanost-in-tehnologija/v-sloveniji-prvi-mali-vetrni-
elektrarni/94187 (november, 2008).
[33] R. Romih, Vetrna elektrarna, diplomsko delo, Celje, 2008.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 72
8 SEZNAM SLIK, TABEL IN GRAFOV
a) seznam slik:
Slika 2.1: Prva vetrna turbina
Slika 2.2: Predlog postavitve Volovja reber
Slika 2.3: Alpha Ventus
Slika 2.4: Predstavitev poteka hitrosti vetra v odvisnosti od višine
Slika 3.1: Turbine s horizontalno osjo
Slika 3.2: Turbine z vertikalno osjo
Slika 3.3: Navpično-vodoravna turbina
Slika 3.4: Savoniusov rotor
Slika 3.4: Darrieusov rotor
Slika 3.5: Počasi tekoče vetrnice
Slika 3.6: Hitro tekoče vetrnice
Slika 3.7: Prečni prerez tipične vetrne elektrarne
Slika 3.8: Zgradba kabine
Slika 3.9: Shema dvojno napajanega asinhronskega generatorja
Slika 3.10: Shema sinhronskega generatorja z AC/AC pretvornikom
Slika 3.11: Zgradba vetrnice
Slika 4.1: Latkova vas
Slika 4.2: Aventa AV-7
Slika 4.3: Priključitev vetrne elektrarne na NN omrežje
Slika 4.4: Shema priključitve MVE in pošiljanje električne energije neposredno v omrežje
Slika 5.1: Začetna stran projekta
Slika 5.2: Vnos podatkov za vetrnico
Slika 5.3: Vnos začetnih, investicijskih ter letnih obratovalnih stroškov
Slika 5.4: Izpust škodljivih plinov
Slika 5.5: Finančni parametri
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 73
Slika 5.6: Finančni parametri
Slika 5.7: Finančni parametri
Slika 5.8: Finančni parametri
Slika 5.9: Finančni parametri
Slika 5.10: Finančni parametri
Slika 5.11: Finančni parametri
b) seznam tabel:
Tabela 2.1: Države z vetrno energijo
Tabela 2.2: Države z največ proizvedene vetrne električne energije
Tabela 2.3: Tehnični podatki načrtovanih vetrnih elektrarn v Sloveniji
Tabela 3.1: Delitev vetrnih turbin
Tabela 3.2: Primerjava turbin
Tabela 3.3: Primerjava različnih tipov generatorjev
Tabela 4.2: Letna proizvodnja električne energije za vetrno AV-7
Tabela 5.1: Primerjava primerov
c) seznam grafov:
Graf 2.1: Zmogljivosti vetrnih elektrarn
Graf 2.2: Napoved zmogljivosti vetrnih elektrarn
Graf 2.3: Proizvodnja vetrnih elektrarn Danske v odvisnosti od vetra
Graf 2.4: Odvisnost koeficienta izkoristka v odvisnosti od hitrosti vetra
Graf 3.1: Koeficient moči v odvisnosti od razmerja hitrosti
Graf 3.2: Koeficienti moči v odvisnosti od razmerja hitrosti
Graf 3.3: Karakteristika navora v odvisnosti od hitrosti vrtenja
Graf 3.4: Teoretična močnostna krivulja pri regulaciji s spreminjanjem kota lopatic
propelerja (pitch control)
Graf 3.5: Močnostna krivulja pri regulaciji z pomočjo navora generatorja (stall control)
Graf 4.1: Obratovalna karakteristika vetrnice AV-7
Graf 5.1: Grafični prikaz projekta
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 74
Graf 5.2: Grafični prikaz projekta
Graf 5.3: Grafični prikaz projekta
Graf 5.4: Grafični prikaz projekta
Graf 5.5: Grafični prikaz projekta
Graf 5.6: Grafični prikaz projekta
Graf 5.7: Grafični prikaz projekta
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 75
Naslov študenta
Miha Zaveršnik
Latkova vas 30
3312 Prebold
tel.: 040/730-866
e-mail: [email protected]
Kratek življenjepis:
Sem Miha Zaveršnik, rojen 7.10.1989 v Celju. Osnovno šolo sem obiskoval v Preboldu,
srednjo šolo pa v Celju – Tehniška gimnazija Lava (strokovni predmet elektrotehnika). Po
uspešno opravljeni maturi sem se vpisal na Fakulteto za elektrotehniko, računalništvo in
informatiko (FERI), program elektrotehnika, smer močnostna elektrotehnika. Po treh
uspešnih letih študija zaključujem 1. bolonjsko stopnjo z diplomo Upravičenost postavitve
male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini.
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 76
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 77
Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne v Spodnji Savinjski dolini 78