Energija vjetra Energija vjetra Korištenje energije vjetra za proizvodnju el. energije Prof.dr.sc. Zdenko Šimić FER 2010. [email protected]
Energija vjetraEnergija vjetraKorištenje energije vjetra za proizvodnju el. energijeProf.dr.sc. Zdenko ŠimićFER [email protected]
SadržajSadržajSadržajSadržaj
• Uvod
• Snaga i energija vjetra
• Električna snaga vjetroagregata
P i d l kt ič ij j t l kt i• Proizvedena električna energija u vjetroelektrani
• Posebnosti proizvodnje električne energije u• Posebnosti proizvodnje električne energije u
vjetroelektrani
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 22
Uvod: Povijest korištenja energije vjetraUvod: Povijest korištenja energije vjetraPovijest korištenja energije vjetraPovijest korištenja energije vjetra• jedrenje u Egiptu - prije 4500 g.• pumpanje vode u Indiji i• pumpanje vode u Indiji i
mljevenje žitarica u Kini - prije 2400 g.
f• Perzija, Afganistan, Europa i drugi sve do industrijske revolucije za pumpanje vode i mljevenje žitarica
• krajem 19. st. prve el. VE u Danskoj i SADDanskoj i SAD
• 1941. u SAD vjetroelektrana za proizvodnju el. en. snage 1 25 MW1,25 MW
• 1980-te u SAD• zadnjih 15 godina u Europi i šire
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetraZdenko Šimić - Energija vjetra 3
• zadnjih 15 godina u Europi i šire
Mlin na vjetar –Afghanistan (900 god )Mlin na vjetar –Afghanistan (900 god )
Vjetrenjače –Europa (srednji vijek)
Vjetrenjače –Europa (srednji vijek)Afghanistan (900. god.)Afghanistan (900. god.) Europa (srednji vijek)Europa (srednji vijek)
Wi d ill k d C d C i t
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra
Windmills kod Campo de Criptana,La Mancha (Španjolska)
Prvi vjetroagregati - Europa i SAD (kraj 19. st.)Prvi vjetroagregati - Europa i SAD (kraj 19. st.) Novi početak –
California 1985Novi početak –
California 1985California 1985.California 1985.
Boone, NC 2 MW Mod-1
SAD -Charles
Bush 1890
Altamonte Pass 4000 x 40 kW
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra
Danska - La Cour’s testni vjetroagregat 1897
Danas – energija vjetra dio rješenjaDanas – energija vjetra dio rješenja
10 10 x x 2,3 MW Bonus2,3 MW Bonus (Siemens)(Siemens) VAVAvisina stupa 61 m, dubina vode 15 mvisina stupa 61 m, dubina vode 15 m
41x1 MW Mitsubishi MWT-1000A, 55 m stup,29.5 m lopatice, Combine Hills projekt u NE Oregon
Energijske tehnologijehttp://www.samsohavvind.dk/windfarm/
Stanje do 2009.Stanje do 2009.jj
GWEC izvještaj “Global Wind 2009” nahttp://www.gwec.net/index.php?id=167
Kumulativno instaliranoGodišnje instalirano
Energijske tehnologije2010. 7
Energija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetra• energija mase zraka je
k d đ j t ć ši 2
2vmEk
kinetička:– masu zraka određuje gustoća, površina
kroz koju struji, brzina i vrijeme: m=Avt
• snaga vjetra:
2
tvAEk
2
3
• snaga vjetra:– derivacija energije po vremenu, dE/dt:
• gustoća zraka:
2
2
3vAPvjetra
• gustoća zraka:– ovisi o temperaturi, tlaku i vlažnosti– za standardne uvjete na moru
1 225 k / 3 (101 3 kP i 15 °C)
2
=1,225 kg/m3 (101,3 kPa i 15 °C)– moguće je koristiti standardnu gustoću uz
korekciju faktorom odstupanja (prosjeka) stvarnog tlaka i temperature:
vA
d=vttlaka i temperature:
– unutar uobičajenih promjena temperature i tlaka gustoća varira do 10%
b i k
3,101pcH
TcT
1,288
Energijske tehnologijeEnergija vjetra 8
• brzina zraka:– raste s visinom i vrlo je promjenjiva
T
Teorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraIskorištena snaga ovisi o brzini kojom vjetar
dolazi (v) i brzini kojom odlazi (w):dolazi (v) i brzini kojom odlazi (w):– posebno odvajamo masu jer ovisi o prosjeku brzina:
– neka omjer brzina w/v bude x
v w
j
22
2)(
2wvwvAP
23 1
2)1(
2xxvAP
pcvAP
3
2
21)1( xxc
cp
12
xcp
– za x= w/v=1/3 , cp ima maksimalnu vrijednost cp.max :
16/27 59 3%cp.Betz=16/27=59,3%
- stvarni stupanj djelovanja je uvijek manji od maksimalnog
Energijske tehnologijeEnergija vjetra 9
x
j j g
Električna snaga vjetroagregataElektrična snaga vjetroagregataSnaga vjetra proporcionalna je :
gustoći zraka• gustoći zraka• trećoj potenciji brzine vjetra
D bi i j t d đ j b i j t i Dobivena snaga iz vjetra određena je brzinom vjetra i karakteristikom vjetroagregata: el snagael. snaga
1. startna brzina2. promjenjiva snaga i
3Pb p j j g
efikasnost3. nazivna snaga
(promjenjiva efikasnost)2Pa
b
(promjenjiva efikasnost)4. maksimalna brzina
1 4
Pa
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 1010
brzina vjetrava vb
Ovisnost snage VA o brzini vjetraOvisnost snage VA o brzini vjetrag jg j• Svaki VA ima
karakteristiku snage ukarakteristiku snage u ovisnosti o brzini vjetra
• Karakteristika snage ovisi• Karakteristika snage ovisi o tehničkoj izvedbi – pasivna samoregulacija (stall)– aktivna regulacija (pitch)
Energijske tehnologije11
Koeficijent c ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent c ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent cp ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent cp ovisi o izvedbi vjetroagregata
Moderni VA sa tri lopatice
Energijske tehnologije12λ – omjer vršne linearne brzine lopatica i brzine vjetra
Energija vjetra – brzinaEnergija vjetra brzina
Vjetar je masa zraka u pokretu:• uzrokuje ga razlika tlakova
(rezultat razlike temperatura)( e u tat a e te pe atu a)• posljedica Sunčeve energije (1 do 2 %)
č j tj j t ij Z lj i k fi ij tl• značajan utjecaj rotacije Zemlje i konfiguracije tla
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 1313
Varijabilnost brzine vjetra u prostoruVarijabilnost brzine vjetra u prostoruj j pj j p
meteorologija 100 k
Kratkotrajne varijacije brzine vjetra na dvije lokacije mogu biti korisne za
vrsta tlatopografija
~ 10 km
~ 100 kmsmanjivanje ukupne varijabilnosti proizvedene energije.Primjer za dvije lokacije udaljene 90 m:
prepreke<< 1 km
~ 1 km
a[m
/s]
brzi
na
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 14
vrijeme [s]
Varijabilnost brzina vjetra u vremenu: satno dnevno mjesečnoVarijabilnost brzina vjetra u vremenu: satno dnevno mjesečno
3
4
5 Jan
satno, dnevno, mjesečnosatno, dnevno, mjesečno
10
12
14
(m/s
)
Wind Speed
0 6 12 18 240
1
2
Prikaz stvarnih mjerenja u Dubrovniku:
10W ind S pe e d
1 2 3 4 5 6 70
2
4
6
8
Win
d Sp
eed
(j j
4
6
8
d Sp
eed
(m/s
)
January
Jan Feb Mar A pr May Jun Jul A ug Sep Oc t Nov Dec0
2
4
Win
Wind Speed m/s
18
24Wind Speed
8.4
9.8
11.2
12.6
14.0m/s
6
12
Hou
r of D
ay
2.8
4.2
5.6
7.0
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 15
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
Day of Year
0.0
1.4
Brzina vjetra prikazana statističkiBrzina vjetra prikazana statističkiBrzina vjetra prikazana statističkiBrzina vjetra prikazana statistički16
18Wind Speed PDF
kkk 1Weibull raspodjela
f(v) – funkcija gustoće vjerojatnosti pojavljivanja brzine v
10
12
14
uenc
y (%
)
kk
cv
cv
ckvf exp)(
1Weibull raspodjelac – faktor skale [m/s]k – faktor oblika
4
6
8
Freq
u
22
Rayleigh raspodjelaza k = 2 u Weibullovojfi – frekvencija brzine vi
0 2 4 6 8 10 12 140
2
Value (m/s)Wind speed data Best-f it Weibull (k=1.43, c=3.36 m/s)
1 4W in d S p e e d D u r a t io n C u r v e
2 exp2)(
cv
cvvf
1 0
1 2
)
Krivulja trajanja brzine vjetra
4
6
8
Valu
e (m
/s)
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 16
0 2 ,0 0 0 4 ,0 0 0 6 ,0 0 0 8 ,0 0 00
2
H o u r s E q u a le d o r E x c e e d e d
Brzina vjetra u ovisnosti o visiniBrzina vjetra u ovisnosti o visini
• Brzina se vjetrapovećava s visinompovećava s visinom– to ovisi o konfiguraciji
tla, temperaturi i tlaku– važno za procjenu
brzine na raznimbrzine na raznim visinama jer određuje snagu i naprezanje VA
• Jednostavan model Varijacija brzine vjetra [m/s] s visinom [m] ovisno o preko koeficijenta terena :– mirna voda i glatko i
j j j [ / ] [ ]dobu dana i godišnjem dobu (siječanj – crno i srpanj– crveno). (B. Sørensen: Renewable Energy).
4 4 / (16 k /h)g
tvrdo tlo: =0,10– visoka trava =0,15– šumovito =0,25
d l k
=0,4450
300
4,4 m/s (16 km/h)
4,4 m/s
Visina– grad s velikim zgradama =0,40
H
=0,28
=0,16
300
150
4,4 m/s
3,12,2
Visina
[m]
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 17
00 H
HvvH30
,,1,4
Srednje godišnje brzine vjetraSrednje godišnje brzine vjetra
• na 10 m visine
( )(1992-2001.)
• DHMZ
d 1 d >6 /• od 1 do >6 m/s
Zadatak:Kolika je brzine na 80 m visine za80 m visine za visoku travu na tlu i brzinu od 5 m/s?
15,0
80 10805
v
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 18
v80 = 6,8 m/s
Atlas vjetra i potencijal energijeAtlas vjetra i potencijal energijepotencijal energijepotencijal energije
Europa TWh/god.
kopno 500kopno 500
pučina 2000
potrošnja (1) 3000
Svijet TWh/god.
potencijal (2) 25000
t š j (1) 15000(1) Približno za 2003.
potrošnja (1) 15000 (2) Samo kopno.
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 19
Kako dobiti statistiku vjetra za lokaciju?Kako dobiti statistiku vjetra za lokaciju?
Problem: Rješenje:
podaci s ostalih l k ij
ostale lokacije ne odgovaraju
Problem: Rješenje:
koreliranje(tlo prepreke)
Korelacioni atlas vjetra
lokacija odgovaraju (tlo, prepreke) j
dva pristupa
k li j d i “Predviđanje lokalna mjerenja kratko vrijeme
(brzina, smjer i temperatura)
koreliranje s drugim lokacijama gdje je duže mjereno
Predviđanje koreliranjem
mjerenja”
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2020
p )mjerenja
Dostupnost dugoročnih podatakaDostupnost dugoročnih podataka
i l i t t j j b i j tgdje?
• nacionalni sustav meteo mjerenja brzine vjetra• posebne namjene (nautika, avijacija, poljoprivreda)• korištenje vjetra od ranih 80-ih
d ?• preciznost anemometara• pohrana i obrada podatakapouzdano?
reprezen
• pohrana i obrada podataka• konzistentnost i povijest lokacije
k t tlreprezen-tativno?
• prepreke, vrsta tla• primjena korekcija
korisno? • format podataka: samo godišnji prosjeci ili duge vremenske serije• dugotrajno mjerenje
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2121
• dugotrajno mjerenje
Procjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visine
Irska: na 50 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50, 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50, 75 i 100 m; 75x150 km
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 22
15
20
25
30
d Sp
eed
(m/s
)
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
5
10Win
d
Power Curve
1,000
1,500
2,000
Pow
er (k
W)
Power Curve
1 500
0 5 10 15 20 250
500P
Wind Speed (m/s)
500
1,000
1,500
Pow
er (k
W)
16 Scaled data PDFJan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
0
50 Vestas V82 Power Output PDF
4
8
12
Freq
uenc
y (%
)
20
30
40
eque
ncy
(%)
Energijske tehnologije0 5 10 15 20 25 30 35
0
4F
Value (m/s)Wind speed data Best-f it Weibull (k=1.42, c=7.63 m/s)
0 500 1,000 1,500 2,0000
10
Fre
Value (kW)
Procjena proizvodnje ukupne godišnje električne energijeProcjena proizvodnje ukupne godišnje električne energijeelektrične energijeelektrične energijeWgod. – procijenjena godišnja proizvodnja el. en.
T 365 24 8760 h dfPTWmv
)()(Tgod. = 365·24 = 8760 h
r – raspoloživost (0,9 ili više)
vp vm – početna i maksimalna brzina vjetra
dvvfvPrTWpv
godgod )()(..
vp, vm početna i maksimalna brzina vjetra
P(v) – snaga VA pri brzini v
f(v) – funkcija gustoće vjerojatnosti pojavljivanja brzine v m
p
v
vgod dvvfvPrW )()(8760.
Za utjecaj tlaka i temperature treba uključiti
korekciju cH i cT.mv
Za diskretnu raspodjelu frekvencije brzine
vjetra kroz godinu:
m
pi
v
vviigod fPrW 8760.
fi – frekvencija brzine vi
ti – trajanje brzine vi
m
pi
v
vviigod tPrW .
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra
- broj diskretnih koraka određuje preciznost
24
pi
Procjena proizvodnje ukupne godišnje električne energije - primjerProcjena proizvodnje ukupne godišnje električne energije - primjerelektrične energije primjerelektrične energije primjer
W = W3-11 + W11-25 = t3-11·P3-11 + t11-25·P11-25 = 5954·0,543 + 2355·1,500 = 6766 [MWh]
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 25
Varijacija proizvodnje vjetroelektranaVarijacija proizvodnje vjetroelektranaSatne dnevne sezonske i godišnje varijacije brzine vjetra
80
90
100
Satne, dnevne, sezonske i godišnje varijacije brzine vjetra
80
90
Dnevne varijacije veće blizu obale i tijekom ljeta.
40
50
60
70
atna
sna
ga V
E(M
W)
40
50
60
70
80
naga
VE
(M
W)
0
10
20
30
1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721
Sa
0
10
20
30
40
Dne
vna
sn
LB
1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721
Sat (Listopad 2000)
90
100
)
LB
1 8 15 22 29
Dan (Listopad 2000)
50
60
70
80
o m
jese
cim
a (M
W)
Prosjek
Maksimum
10
20
30
40
Snag
a VE
po
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 26(www.windpower.org) LB
0
10
Utjecaj vjetroelektrane na EE sustavUtjecaj vjetroelektrane na EE sustav
ž dij l jiti velika varijabilnost
može se dijelom smanjiti npr. uključivanjem VE na širokom
d čjvarijabilnost području
mala predvidljivost
korištenje poboljšanih metoda predviđanja vjetra (vremena)
korištenje modernih VE s kontrolom upravljivost
jnagiba lopatica i varijabilnom brzinom
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2727
Zadatak 4. Proizvedena el. energija iz vjetraZadatak 4. Proizvedena el. energija iz vjetraProizvedena el. energija iz vjetraProizvedena el. energija iz vjetraOdrediti proizvedenu el. energiju VA
prema podatcima:prema podatcima:početna brzina vjetra vp = 4 m/s;
nazivna brzina vjetra vn = 10 m/s;
k d b i j 25 /maks. radna brzina vj. vmax = 25 m/s;
trajanje vjetra između vp i vn tp-n= 3000 h;
trajanje vjetra između vn i vmax tn= 1500 h;
Rješenje:W = Wp-n + Wn
(P t +P t )prosječna snaga do nazivne Pp-n = 0,4 MW;
nazivna snaga Pn = 1 MW;
raspoloživost r = 90%
= r(Pp-ntp-n +Pntn)
= 0,9(0,43000+11500)= 0,9(1200+1500) raspoloživost r 90%
W
( )= 0,92700= 2430 [MWh]
Za vježbu:Odrediti faktor opterećenja VA.Rj : 28 %
mv
tPrW
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2828
Rj.: 28 %
pi vv
iigod tPrW .
Tehnologija: veličineTehnologija: veličinemale
1 ~ 100 kWsrednje i velike
100 ~ 1500 kW(pučina )
> 1500 kW1 100 kW 100 1500 kW > 1500 kW
Daleka izolirana mjestaRaznolikost rješenja
Na mrežiSamostalne i u grupi1000 kW posve
Na pučini (stotine MW)Razvija se
pkomercijalne (velike serije)
Mikro Vrlo male Male Srednje Velike
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2929
Mikro Vrlo male Male Srednje Velike1 10 100 750 [kW]1 10 100 750 [kW]
Tehnologija: osnovne komponenteTehnologija: osnovne komponente
Lopatice rotoraLopatice rotora
pozicioniranje(prijenos)generatorkontrolakućište
t jtoranj
temeljiHAWTHAWT temelji
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 30Energija vjetra 30
Lopatice, prijenos, generator i kontrolagenerator i kontrola
IndireIndirekkttnini pogon: pogon: asinkroni asinkroni ggeneratorenerator
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 31Energija vjetra 31DireDirekkttnini pogon:pogon:
sisinnkkronronii ggeneratorenerator
Vjetroelektrana(VE)
Vjetroelektrana(VE)(VE)(VE)
Energijske tehnologije
TrendoviTrendovi
• Jedinice od 2 MW i više sve važnije od 2002.Poboljšana efikasnost• Poboljšana efikasnost– Odabir lokacije– Bolja oprema
Airbus A380 ima raspon krila 80 m
j p– Porast efikasnosti
2-3% godišnje
• Stalni pad• Stalni pad cijene proizvedeneproizvedene energije– Cijena inst.
isnage varira:1100-1700 $/kW
Energijske tehnologije
Lokacije VE: efekt više VA u bliziniLokacije VE: efekt više VA u blizini
reduciranje brzine
Slabljenje vjetra turbine niz vjetar:• manje brzine: manje snage• veće turbulencije: više opterećenja
pov turbulencije
p j• veći broj VA u VE povećava gubitke
pov. turbulencije
• optimiranje pozicioniranja za snagu i trošenje (računalni programi za simulacije i mjerenje)k d i t j d 4 d 9 j
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 3434
• razmak u dominantnom smjeru od 4 do 9 promjera - gubitci od 5 do > 60%, za manji (2x2) ili veći (10x10) broj VA u VE
Priključak na mrežu i višak vjetraPriključak na mrežu i višak vjetraPriključak na mrežu i višak vjetraPriključak na mrežu i višak vjetra
• Odbacivanje energije iz vjetroelektrana za snagu koja prelazi j g j j g j popterećenje minus bazna proizvodnja
• Provodi se na nivou regionalne interkonekcije• Promjenjivo za sve periode
3000K i lj t j j t ć j
1000 MW nazivni kapacitet vjetra36% faktor opterećenja
• Promjenjivo za sve periode
2000
2500 Krivulja trajanja opterećenja
VišakI k i ti ij j t
36% faktor opterećenja
1000
1500MW
Višakvjetra
Iskoristiva energija vjetra
0
500 Elektrane koje moraju raditi cijelo
Konstantno opterećenje
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 35Energija vjetra 35
0 2000 4000 6000 8000 10000
sati
UkratkoUkratkoUkratkoUkratko
I k i ti iI k i ti i P d iđ j b iP d iđ j b i•• Iskoristiva snaga i Iskoristiva snaga i energija vjetra energija vjetra ograničena je teorijskiograničena je teorijski
•• Predviđanje brzine Predviđanje brzine vjetra važno za vjetra važno za planiranjeplaniranjeograničena je teorijski ograničena je teorijski
i praktičnoi praktično•• Pokraj velike brzinePokraj velike brzine
planiranje planiranje •• Vjetar isplativ na Vjetar isplativ na
najboljim lokacijamanajboljim lokacijamaPokraj velike brzine Pokraj velike brzine važna stalnost i pristup važna stalnost i pristup el. en. mrežiel. en. mreži
najboljim lokacijamanajboljim lokacijama•• Za korištenje važna Za korištenje važna
politika, planiranje i politika, planiranje i p , p jp , p jffinanciinanciranjeranje
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 3636
Koliko je vjetroagregat visok?Koliko je vjetroagregat visok?j j g gj j g g
33 m
Energijske tehnologije
Empire Eiffel 1.5 MW 250 kW 100 kWState Tower FER VA VA VA 381 m 301 m C zgrada 109 m 65 m 43 m
Eksperimentalni mali vjetroagregat na FER-uEksperimentalni mali vjetroagregat na FER-u
đ
vjetroagregat na FER-uvjetroagregat na FER-u
• Mjerni uređaji:– Mali vjetroagregat (50 W)– Smjer vjetra– Horizontalna i vertikalna
brzina vjetrabrzina vjetra– Temperatura i vlažnost
• NamjenaNamjena– Karakteriziranje
• Energije vjetra u g j jurbanim uvjetima
• Malih vjetroagregata
Energijske tehnologije38
Zdenko Šimić - Energija vjetra