Energija vjetra.docx

1. UVOD

U posljednje vrijeme sve smo svjesniji činjenice da svojim načinom života izazivamo velike promjene Zemljinog eko sistema. Te iste promjene, s obzirom da smo dio tog sistema, utječu izravno na nas. Iz tog razloga sve se više budi svijest ljudi o potrebi za velikim promjenama vezanim uz način dobivanja energije.

Jedan od oblika energije koji svakodnevno koristimo jest električna energija. Glavna prednost električne energije jest mogućnost njenog lakog transporta do krajnjeg korisnika. Problem koji se javlja jest proizvodnja, naime najveći udio u svjetskoj proizvodnji električne energije imaju termoelektrane koje koriste fosilna goriva. Osim što su ograničen resurs, fosilna goriva značajno zagađuju Zemljinu atmosferu.

Iz navedenih razloga javlja se potreba za novim, alternativnim izvorima energije. Usvojoj okolini primjećujemo velike potencijale prirodnih izvora energije kao što su sunčeva energija, energija vjetra, energija okeana, geotermalna energija, biogoriva i sl. Da bi se ti izvori iskoristili, potrebni su uređaji koji vrše pretvaranje energije. Uobičajeno je da se takvi uređaji grupiraju te na taj način čine elektrane koje proizvode električnu energiju za široku potrošnju. Zbog raznih faktora kao što su razvoj tehnologije, svijest o ekologiji i potreba za jeftinijom energijom, svjedoci smo sve većeg porasta broja objekata koji imaju instaliran neki od sistema za iskorištavanje alternativnih izvora energije tzv. samoodrživi objekti. Da bi se netko odlučio za kupnju ovakvog uređaja, karakteristike proizvoda moraju zadovoljiti osnovne uslove kao što su: zadovoljavajuća iskoristivost, prihvatljiva cijena, lako održavanje i sl. Izrada ovakvog uređaja zahtjeva razumijevanje nekih osnovnih pojmova te je neophodno opisati energent koji će se koristiti, analizirati uređaj za pretvorbu mehaničke energije u električnu te proučiti već postojeće konstrukcije takvih uređaja na tržištu. Time se pokušavaju umanjiti nedostatci postojećih proizvoda te se razmatraju mogućnosti za povećanje ukupnog učinka. Bitno je naglasiti da je niska cijena jedan od glavnih faktora koji se mora zadovoljiti, a budući da konstrukcija nije predviđena za masovnu proizvodnju bitno je da proizvodnja po komadu bude u startu jeftina stoga materijali moraju biti lako dostupni, a tehnološki postupci jednostavni.

Kao što je već navedeno jedan od alternativnih izvora energije jest vjetar. Po svojoj prirodi vjetar je oblik sunčeve energije i kao takav ubraja se u obnovljive izvore. Uređaji koji se koriste za pretvaranje energije vjetra u mehaničku energiju nazivaju se vjetroturbine. Kroz povijest vjetroturbine su se koristile za izravan pogon radnih strojeva, ali u današnje vrijeme dobivena mehanička energija pretvara se u električnu. Za takvu pretvorbu u najvećem se broju slučajeva koriste vjetroturbine horizontalnog tipa, ali zbog nekih nedostataka horizontalne vjetroturbine su zamjenjene vertikalnim vjetroturbinama. Odgovore na pitanje koliko je ovaj sistem koristan, isplativ i siguran te da li je uopće potreban, pokušati će se dati u ovom radu.

2. ENERGIJA I SNAGA VJETRA

2.1. Maksimalna teorijska energija vjetra

Energija vjetra je kinetička energija koja zavisi od kvadrata brzine vjetra:

W=12mv2

Maksimalna teorijska energija vjetra računa se nadalje kao:

W=12mv2=1

2ρV v2=1

2ρA v3=0,625 A v3

Gdje je:

ƍ- gustoća zraka (približno 1,25 kg/m3) A – površina rotora vjetroelektrane (zapremina V=A×v) v – brzina vjetra

Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra zavisi o brzini vjetra na treću potenciju. Ukupna kinetička energija zraka ne može se sva iskoristiti, jer zrak mora dalje strujati da bi načinio mjesta onome koji dolazi, pa je moguće iskoristiti samo energiju koja je proporcionalna razlici brzina na treću:

W=0,625 ∙ A ∙ (v1−v2 )3

Maksimalna snaga koja se može dobiti pogonom pomoću vjetroturbine iz konstrukcijskih razloga iznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalne moguće snage vjetra. Uzmemo li u obzir i maksimalni stepen djelovanja zračne turbine koji iznosi 0,65, te stepen djelovanja generatora 0,8, za maksimalnu energiju vjetroelektrane vrijedi:

W=1627

0,65 ∙0,8∙0,625 ∙ A ∙ v3

W=0,193 ∙ A ∙ v3

Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kinetičke energije vjetra za proizvodnju električne energije u vjetroelektranama. Često se za proračun energije umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine:

W=0,152 ∙ D2 ∙ v3 ∙10−3

S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost za ocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra je jako promjenjljiva, pa je stoga potrebno mjeriti brzinu vjetra kako bi se mogle odrediti krivulje frekvencija (statistika vjetra). Brzina vjetra se povećava sa visinom iznad tla. Može se računati da je omjer brzina razmjeran petom korijenu iz omjera visina nad zemljom. Na sljedećoj slici (slici 2.1.) prikazana je zavisnost maksimalne i teorijski iskoristive snage vjetra, kao i one na osovini vjetroturbine i priključcima generatora u zavisnosti od brzine vjetra.

Slika 2.1: Zavisnost snage vjetra od brzine vjetra

Sa porastom visine raste i brzina vjetra, zbog toga se vjetroturbine postavljaju na visoke stupove. Izraz koji se često koristi za opisivanje promjene brzine vjetra s promjenom visine je:

v=v0 ∙( HH0 )α

Gdje je:

v- brzina vjetra (m/s) na visini H (m) v0- referentna brzina vjetra (m/s) na visini H 0 (najčešće je to visina od 10 m) α- koeficijent trenja koji zavisi od površine terena na kojoj se mjeri brzina vjetra

Osim izraza koji se često koristi u SAD-u, postoji i izraz koji se češće koristi u Europi:

v=v0 ∙ln( Hz )ln(H 0

z )gdje je z- duljina hrapavosti (m).

U tabeli 1 su prikazane vrijednosti koeficijenta trenja za pojedine vrste terena:

Karakteristika terena Koeficijent trenja αGlatki ravni teren, mirna voda 0,10Tereni sa visokom travom na ravnoj površini 0,15Tereni sa visokim usjevima, živicama i grmljem 0,20Pošumljeni krajolici sa gustim drvećem 0,25Mali gradovi sa drvećem i grmljem 0,30Veliki gradovi sa visokim zgradama 0,40Tabela 1: Vrijednosti koeficijenta trenja za pojedine vrste terena

U tabeli 2 su prikazane vrijednosti duljine hrapavosti za pojedine vrste terena:

Razred hrapavosti

Opis terena Duljina z (m)

0 Vodene površine 0,0002 1 Otvorene površine sa samo nekoliko manjih prepreka 0,03 2 Poljoprivredna zemljišta s preprekama min. udaljenim 1km 0,1 3 Urbana područja i poljoprivredna zemljišta sa puno prepreka 0,4 4 Gusta urbana ili šumovita područja 0,6Tabela 2: Vrijednosti duljine hrapavosti za pojedine vrste terena

2.2. Krivulja snage i zavisnost od brzine vjetra

Grafikon koji nam pokazuje koliko će turbina proizvesti električne energije na različitim brzinama vjetra je krivulja snage. Vjetroturbine su dizajnirane tako da počnu raditi pri brzini vjetra između 3 do 5 metara po sekundi. Tu pojavu nazivamo brzina uključenja vjetra. Turbina se programira tako da prestane raditi pri velikoj brzini vjetra, pri otprilike 25m/s, da se turbina ili okolina turbine ne bi oštetila. Prestanak brzine vjetra nazivamo brzinom isključenja vjetra.

Problem krivulje snage je u tome što nam govori koliko snage će proizvesti vjetroturbina pri prosjčenoj brzini vjetra. Obujam energije vjetra se mjenja sa brzinom vjetra. Koeficijent snage

govori koliko se energije vjetra pretvori u električnu energiju. Efikasnost turbina je malo veća od 20%, ipak ona se mjenja sa brzinom vjetra.

Slika 2.2.: Zavisnost snage vjetrogeneratora od brzine vjetra

Za ukupnu količinu energije koju zračna turbina pretvara u električnu energiju brzina vjetra je vrlo bitna. Energija vjetra odgovara prosječnoj brzini vjetra na treću potenciju, što znači da ako je brzina vjetra dvostruko veća, dobiva se 8 puta više energije. Tabela 3 prikazuje iznose snaga po kvadratnom metru za različite brzine vjetra.

v (m/s) P (W/m2) v (m/s) P (W/m2) v (m/s) P (W/m2) 0 0 8 313,6 16 2508,8 1 0,6 9 446,5 17 3009,2 2 4,9 10 612,5 18 3572,1 3 16,5 11 815,2 19 4201,1 4 39,2 12 1058,4 20 4900,0 5 76,2 13 1345,7 21 5672,4 6 132,3 14 1680,7 22 6521,9 7 210,1 15 2067,2 23 7452,3Tabela 3: Zavisnost snage po jediničnoj površini vjetroagregata od brzine vjetra

2.3. Gustina vazduha

Gustina snage vjetra (WPD- wind power density) je direktno srazmjerna gustini vazduha:

Ww

A=WPD=1

2ρ v0

3[Wm2 ]

gdje je ƍ- gustina vazduha definisana kao ρ=mV .

Kinetička energija pokretnih tijela srazmjerna je njihovoj masi. Kinetička energija vjetra zavisi od gustine vazduha, tj. što je vazduh teži turbina dobiva više energije.

Možemo također reći da gustina opada porastom vlažnosti, kao i to da je vazduh gušći što je temperatura niža. Na većim visinama vazdušni pritisak je manji pa samim time je i gustina vazduha manja.

Metode za aproksimacije gustine vazduha

Metoda 1

Ako je lokacija istraživanja bliska nivou mora i u regionu umjerene klime koristeći vrijednost 1,225 kg/m3 ne pravi se velika greška u procjeni gustine snage vjetra. Ovo je posebno bitno ako posmatramo srednje godišnje vrijednosti, tako da su promjene gustine vazduha uslijed promjene temperature tokom godišnjih doba prosječna u vremenu.

Metoda 2

Ako je lokacija znatno iznad nivoa mora, ili ako samo želimo biti precizniji možemo iskoristiti sljedeću aproksimaciju za preračunavanje zbog visinske razlike:

ρ=1,225−(1,194 ∙10−4)∙ z

gdje je z- visina u odnosu na nivo mora (m)

Metoda 3

Ako je lokacija istraživanja u oblasti ekstremnih temperatura (visoke ili niske) ili ako posmatramo sezonske promjene gustine snage vjetra, izraz koji daje tačnu vrijednost za gustinu vazduha je:

ρ= pRT [ kgm3 ]

p- vazdušni pritisak (Pa)

R-univerzalna gasna konstanta (287 J/kgK)

T -temperatura vazduha (K)

Metoda 4

Podatke o temperaturi vazduha nije teško prikupiti, lahko se mjere ako već nisu dati, dok podatke o vazdušnom pritisku nije lahko dobiti. Ako je podatak o vazdušnom pritisku lokacije nedostupan, možemo procjeniti gustinu samo kao funkciju visinske razlike i temperature prema sljedećoj jednačini:

ρ=( p0

RT )exp(−gzRT )

gdje su:

p0-atmosferski pritisak u nivou mora (101325 Pa)

g-ubrzanje zemljine teže g=9,81 m/s2

z-visina u odnosu na nivo mora

Temperatura oC Gustina suhog vazduha kg/m3 Max. sadržaj vlage kg/m3

-25 1,423 -20 1,395 -15 1,368 -10 1,342 -5 1,317 0 1,292 0,005 5 1,269 0,007 10 1,247 0,009 15 1,225* 0,013 20 1,204 0,017 25 1,184 0,023 30 1,165 0,030 35 1,146 0,039 40 1,127 0,051Tabela 4: Vrijednosti gustine suhog vazduha i maksimalan sadržaj vlage za različite temp.

*-gustina suhog vazduha na normalnom atmosferskom pritisku i nultoj nadmorskoj visini, kao i temp. 15oC se koristi kao standardna u vjetroindustriji.

2.4. Gustina snage vjetra (WPD)

Krećemo od izraza za gustinu snage vjetra:

WPD=12ρv0

3

Moramo primjetiti da u gornjem izrazu vjetar puše stalnom brzinom v0. U stvarnosti varijacije brzine vjetra zahtjevaju teže izračunavanje prave vrijednosti. Da bismo dobili najprecizniju procjenu gustine snage vjetra moramo izvršiti sumiranje koristeći podatke uzete u vremenu:

WPD=0,5∙ 1n∑j−1

n

( ρ j ∙ v j3 )

gdje je n- broj očitavanja brzine vjetra a ƍj i vj su j-ta očitavanja gustine vazduha i brzine vjetra.

Kako se gustina vazduha ƍ i brzina vjetra v mjenjaju pri svakom očitavanju, najprecizniji rezultat bi zahtjevao računanje pri svakom očitavanju.

Npr., da bi izračunali najtačniju vrijednost za WPD na datoj lokaciji za cijelu godinu, potrebno je izvršiti izračunavanje za ƍ i v 105120 puta ( što odgovara očitavanju na 5 min).

Postoje dva načina za izračunavanje gustine snage vjetra bez gore pomenutih proračuna a to su:

Metoda 1

Najbolji način za izračunavanje WPD je koristeći rezultate iz raspodjele vjerovatnoće brzine vjetra (to je histogram- jednostavna tabela smjera vjetra uzeta iz meteoroloških stanica). Koristeći takvu raspodjelu možemo uraditi sljedeće:

WPD=0,5∙∑j=1

n

[ ρ∙ ( prosječnav3 iz klase j ) ∙ (smjer uklasi j ) ]

Metoda 2

Sada imamo prostiju metodu kojom možemo izračunati WPD na lokaciji koja nas interesuje.

Ako pretpostavimo kakva je raspodjela brzine vjetra u dijagramu frekvencije pojavljivanja vjetra, možemo izraziti WPD na sljedeći način:

WPD=0,5∙ K ∙ ρ∙ v sr3

gdje je K- vrijednost određena oblikom krive raspodjele za datu brzinu vjetra.

2.5. Razdiobe brzine vjetra

Za opisivanje brzine vjetra isprobane su brojne razdiobe, no samo su dvije u upotrebi za opis brzine vjetra. To su Weibullova i Rayleighova razdioba. Ove razdiobe daju slabiju procjenu na snage za manje srednje brzine vjetra. Pri većim brzinama vjetra ove dvije razdiobe daju zadovoljavajuću procjenu brzine vjetra.Rayleighova razdioba je jednostavnija jer zavisi samo od jednog parametra tj. od srednje brzine.

Rayleighova razdioba je predstavljena izrazom:

F ( v )=∆ c π2vva

exp [−π4 ( vva )2]

Gdje je:

F (v )– učestalost pojave povezane sa svakom brzinom vjetra

v – srednja brzina razreda ∆ c ∆ c – širina razreda ili bin-a va– prosječna (srednja) brzina vjetra

Weibullovom funkcijom najbolje se aproksimiraju prikupljeni podaci. Funkcija daje vjerovatnost pojave pojedinih brzina vjetra tokom nekog perioda. Weibullova razdioba je opisana s dva parametra, parametrom oblika k i parametrom mjere c. Parametar k je bezdimenzionalna veličina dok parametar mjere c ima jedinicu [m/s].

Weibullova razdioba je predstavljena izrazom:

F ( v )=∆ v kc ( vc )

k−1

exp [−( vc )k ]

Slika 2.3.: Weibullova i Rayleighova razdioba

2.6. Pozicioniranje turbine

Efekt tunela

Prostori između dvije zgrade ili između planinskih prolaza predstavljaju suženi prostor kroz koji vjetar protiče brže. To se događa zbog toga što se zrak stlači i na taj način protiče brže kroz uži prolaz. Princip je isti kao kod strujanja fluida kroz uži presjek cijevi. Tako npr. brzina vjetra okoline može biti 6 m/s a u prostoru između planina ili zgrada dostizati i do 9 m/s. Da bi se dobro iskoristio efekt tunela, tunel bi trebao biti “mekano“ smješten u prostoru jer ukoliko su to oštri rubovi može se javiti mnogo turbulencija.

Efekt ubrzanja ili efekt brda

Uobičajeni način postavljanja vjetroturbina je postavljanje na vrh brda ili na uzvisine koje se izdižu. Prednost je što je moguće širi slobodan prostor u smjeru prevladavajućeg smjera vjetra u tom prostoru. Također, na uzvisinama su brzine vjetra veće nego u okolnom prostoru. To je

zbog toga što vjetar biva stlačen s vjetrovite strane brda i u trenutku kada dođe do vrha može se ponovo širiti te se spušta dolje u područje niskog pritiska u zavjetrinu iza brda.

Kada vjetar prođe kroz turbinu postaje turbulentan i ukoliko okolno područje nije jednoliko može doći do značajne količine turbulencije koja može negativno uticati na iskorištavanje pogodnog položaja na uzvisini.

Vjetar na moru

Kako je površina vode vrlo glatka (nije hrapava pa je trenje vrlo malo). S povećanjem brzine vjetra dio energije otpada na stvaranje valova pa se hrapavost povećava i tako uz nastanak novih valova dolazi do neravnomjerne hrapavosti kao u slučaju površine prekrivene s više ili manje snijega. Također se u proračun moraju uvrstiti otoci, svjetionici koji stvaraju otpor. Na otvorenom moru manja je turbulencija jer su razlike u temperaturama na otvorenom moru manje.

Prepreke

Prepreke na koje vjetar nastrujava na putu do vjetroturbine ometaju strujanje i time umanjuju vjetropotencijal. To su najčešće kuće, drveće i formacije stijena. Prepreke uzrokuju turbulenciju u blizini vjetroturbina.

Slika 2.4.: Postavljanje vjetroturbina s obzirom na tok vjetra

2.7. Mjerenje brzine vjetra i ruža vjetrova

Brzina vjetra se obično mjeri sa anemometrom sa poluloptastim čašicama. Takav tip anemometra sastoji se od vertikalne osovine na kojoj se na vrhu nalaze tri poluloptaste čašice koje se okreću u smjeru vjetra. Broj okretaja u minuti registrira se elektroničkim putem. Uz anemometar se obično postavlja vjetrulja, odnosno mehanizam za utvrđivanje smjera vjetra.

Drugi tipovi, uključujući ultrazvučni ili laserski anemometar, utvrđuju fazni pomak zvuka ili koherentnu svjetlost reflektiranu molekulama zraka, čime precizno određuju brzinu vjetra na raznim visinama.

Na osnovi prikupljenih podataka o brzinama i pravcima vjetrova, mogu se izraditi dijagrami ruža vjetrova za nekakvu lokaciju. Dijagram ruža vjetrova prikazuje se u obliku kruga koji je, kao kompas, podijeljen na 12 jednakih dijelova, svaki od 30 stupnjeva horizonta, što se uzima kao standard za europski atlas vjetrova (slika 2.5.)

Slika 2.5.: Ruža vjetrova

Detaljan prikaz vjetropotencijala za nekakvu lokaciju, ili šire, daje atlas ili karta vjetrova. Izrada atlasa vjetrova skup je i kompliciran postupak koji obuhvaća unos svih mogućih komponenti koje utječu na ponašanje vjetra. Topografija terena se ucrtava pomoću satelita i računalnih programa. Detaljan atlas vjetrova prikazan slikom 2.6., izrađen je za područje Zapadne Europe, gdje postoji višegodišnja tradicija mjerenja brzina vjetrova, smjera i slično.

Podaci o vjetru na 50m iznad zemlje:

Slika 2.6.: Europska karta vjetrova

3. PODJELA I DJELOVI VJETROTURBINA

3.1. Podjela vjetroturbina

Vjetroturbine možemo podijeliti prema položaju osi vrtnje. Uobičajene vjetroturbine imaju horizontalno postavljenu os vrtnje i zbog toga se nazivaju Vjetroturbine s horizontalnom osi vrtnje ili VSHO. Manje poznate vjetroturbine imaju vertikalnu os vrtnje i nazivaju se Vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje ili VSVO. Na slici 3.1. prikazani su vjetroagregati s vertikalnom i s horizontalnom osi vrtnje.

Slika 3.1.: Vjetroagregati sa vertikalnim i horizontalnim osovinama

Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rjeđe koriste. Većina vjetroturbina sa vodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomoću elektromotora i prijenosa drži turbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine mogu biti okrugli, čelični, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za male zračne turbine. Velike zračne turbine se izvode sa okruglim čeličnim tornjevima, koji se proizvode u dijelovima od 20 – 30 metara koji se spajaju na mjestu postavljanja turbine. Promjer tornja se povećava prema temelju, da bi povećali čvrstoću i uštedili na materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem čeličnih profila. Osnovna prednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola manje materijala a postiže se ista čvrstoća.

S obzirom na mjesto postavljanja vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljaju na kopnu i one na morskoj pučini. S obzirom na snagu uobičajena je podjela na male (1 do 30 kW), srednje i velike (30 do 1500 kW), te one ne pučini (>1500 kW).

Male se koriste obično na dalekim izoliranim mjestima, pri čemu postoji velika raznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obično rade na mreži,kao samostalne ili u grupi (vjetroparkovi). One instalirane snage veće od 650 kW danas su su komercijalne i proizvode se u velikim serijama. Vjetroelektrane na pučini mogu imati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u razvoju, a glavna zapreka je velika cijena postolja.

Slika 3.2.: Vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje

Slika 3.3.: Vjetroturbine s horizontalnom osi vrtnje

3.2. Osnovni dijelovi vjetroturbine

Glavni dijelovi vjetroagregata su: rotor ili vjetroturbina (sastoji se od glavčine, vratila i lopatica – obično 3 lopatice), kočioni sistem, elementi za uležištenje sporohodnog vratila, upravljački i nadzorni sistem, električni generator, zakretnik ili oprema za zakretanje, kućište stroja ili gondola, stup, prijenosnik snage (obično multiplikator), temelj, transformator, spoj na elektroenergetski sistem i posebna oprema, što ćemo prikazati na sljedećoj slici.

Slika 3.4.: Osnovni dijelovi vjetroturbine

4. PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE

4.1. Opća šema djelovanja vjetroturbine

Pojam vjetroelektrana podrazumijeva sistem za transformaciju energije gibajuće zračne mase odnosno vjetra u elektrčinu energiju posredstvom vjetroturbine i električnog generatora. Na slici 4.1. prikazan je osnovni princip rada vjetroturbine.

Slika 4.1.: Osnovni princip rada vjetroturbine

Budući da vjetar predstavlja izrazito promjenjivi energetski resurs koji se ne može uskladištiti, potrebno je utvrditi uvjete pogona sistema za pretvaranje energije vjetra u električnu energiju. Općenita šema djelovanja vjetroelektrane prikazana na slici 4.2. obuhvata elemente koji se projektuju obzirom na tri oblika energije: energiju vjetra, mehaničku energiju te električnu energiju.

Vjetroturbina koja može imati jednu ili više elisa, služi za transformaciju energije vjetra u mehaničku energiju. Ako se u obzir uzmu razina buke i vizuelni efekt, izvedba s tri elise predstavlja naječšće rješenje. Pored toga, dinamikom rotora s tri kraka je najlakše upravljati. Inercijski moment trokrakog rotora prema tornju ne mijenja se tokom okretanja. To rezultira manjim problemima uslijed oscilacija nego kod jednokrakih i dvokrakih rotora. Uz to je i optički mirniji zbog okretanja na manjoj brzini. Oko 90% vjetroturbina koje se trenutno koriste u svijetu imaju trokraki rotor.

Spoj između vjetroturbine i električnog generatora ostvaren je pomoću mehaničke spojke koja uobičajeno u sebi uključuje mjenjačku kutiju s prenosnikom pomoću kojeg se niža brzina vrtnje rotora vjetroturbine prilagođava višoj brzini vrtnje rotora generatora.

Da bi se kinetička energija rotora uz pomoć generatora pretvorila u električnu, bila bi potrebna brzina rotora od 1500 okretaja u min. (rpm). Budući da se rotor okreće brzinom od 30-50 rpm, potrebna je upotreba prenosnika.

S prenosnikom se pretvara spora rotirajuća sila (visokog okretnog momenta) u brzu rotaciju (niskog okretnog momenta) koja je potrebna za rad generatora. Postotak iskoristivosti energije je 98%, a gubitak energije koji nastaje uslijed trenja zupčanika prenosnika manifestira se u obliku topline i buke.

Slika 4.2.: Opća šema djelovanja vjetroturbine

Neke vjetroturbine u svojoj opremi sadrže i sistem za upravljanje uglom zakretanja elisa pomoću kojeg se može vršiti regulacija izlazne snage. Vjetroelektrana u izvedbi s promjenjivom brzinom vrtnje priključuje se na mrežu pomoću sučelja zasnovanog na energetskoj elektronici. Jedinica za kompenzaciju jalove snage može u sebi uključivati uređaj za korekciju faktora snage te filtere za više harmoničke članove. Rasklopna oprema treba biti projektovana na način koji omogućava glatko priključenje na mrežu. Konačno, upravljački sistem vjetroelektrane može biti izveden s različitim stepenima složenosti.

4.2. Izbor generatora u vjetroturbinama

Proizvodne jedinice u vjetroelektranama su uobičajeno sinhroni ili asinhroni generatori. Obzirom na vrstu priključenja na mrežu česta je podjela vjetroelektrana prema slijedećim osobinama agregata:

a) Vjetroelektrana u izvedbi sa stalnom brzinom brzinom vrtnje koja se izravno priključuje na mrežu:

Asinhroni generator

Asinhroni generatori se najčešće koriste kada je vjetroelektrana priključena na krutu mrežu. Krutu mrežu karakteriše velika naponska i frekvencijska krutost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i prikljuni uređaj kako bi se omogućila početna sinhronizacija s mrežom.

s=ns−nns

n=ns (1−s )= fp(1−s)

Gdje je:

n- brzina vrtnje rotora ns- sinhrona brzina rotora s- klizanje f - frekvencija p- broj pari

Sinhroni generator

Sinhroni generatori se najčešće primjenjuju za pretpostavljene uvjete otočnog pogona. Ovdje su potrebni uzbudni sistem i regulator brzine koji će održavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu.

Kod vjetroturbina nazivnih snaga većih od 500 kW naročito je izražena potreba za uključivanjem sistema za regulaciju ugla zakretanja elise propelera, što inače nije slučaj, pa tako da se spomenuti sistem ne izvodi u svim jedinicama.

ωs=2πfp ili ns=

fp

Rotori s konstantnom brzinom vrtnje vrlo su prikladni za primjenu u vjetroelektranama za potrebe elektroenergetskog sistema (mreže) jer se time omogućava primjena jednostavnih generatora čija je brzina vrtnje polova određena frekvencijom mreže.

b) Vjetroelektrana u izvedbi s promjenjljivom brzinom vrtnje

Sinhroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu Asinhroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu Asinhroni generator s upravljivim promjenjivim klizanjem Asinhroni generator s nadsinhronom ili podsinhronom pretvaračkom kaskadom

Rotori s promjenjljivom brzinom vrtnje naječšće se koriste za pogon pumpi za vodu i vjetroelektrana za potrebe punjenja baterija, dok se za primjenu u vjetroelektranama koje se spajaju na električnu mrežu zahtijevaju pretvornici frekvencije.

Vjetroelektrane sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom koriste mehančikohidraulički sistem regulacije brzine vrtnje pomoću kojeg upravljaju elisama turbine. U njima generator može biti sinhroni ili asinhroni. Asinhroni generator je dodatno opremljen lokalnim izvorom jalove snage u svrhu podržavanja samouzbude i održavanja napona na priključnicama. U izvedbi vjetroelektrane sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom, sinhroni generator ima veći faktor efikasnosti i pouzdanosti, ali teže zadržava sinhronizam u uvjetima poremećaja brzine vrtnje nastalih zbog brzih poremećaja vjetra i/ili poremećaja u mreži poput kratkog spoja.

U slučaju priključenja na već izgrađenu mrežu dobre infrastrukture, asinhroni generator je u prednosti jer je znatno jeftiniji i robusniji, a ima i jednostavniji sistem upravljanja. Osim toga, uvjeti održivosti sinhronizma znatno su fleksibilniji u usporedbi sa sinhronim generatorom.

Čest slučaj je izvedba vjetroelektrane s promjenjljivom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom. Takve vjetroelektrane imaju generator s promjenjljivom brzinom vrtnje i vjetroturbinu koja rotira različitim brzinama vrtnje ovisno o promjenjivosti brzine vjetra. Ostvariv je optimalan pogon za svaki omjer između brzine vrha elise i brzine vjetra, odnosno za svaku brzinu vjetra. Međutim, tada su na električnoj strani vjetroelektrane povećani početni investicijski troškovi zbog složenije izvedbe priključenja na mrežu. U slučaju primjene sinhronog generatora izvedba uključuje statički pretvarač frekvencije zasnovan na energetskoj elektronici.

Slika 4.3.: Načini priključenja vjetroturbine na mrežu

U slučaju primjene asinhronog generatora izvedba uključuje diodni ispravljač u mosnom spoju za regulaciju djelatnog otpora rotora i promjenu brzina/moment karakteristike asinhronog stroja. Istodobno se na mehaničko-hidrauličkoj strani troškovi smanjuju jer se regulacije brzine vrtnje agregata više ne izvodi na turbini čime ona postaje jeftinija. Osim cijene generatora povećava se i bojazan od pojave povećanja ukupne harmoničke distorzije zbog primjene statičkih pretvarača.

Iako je najskuplji dio vjetroelektrane njezina turbina, veličina i cijena generatora uz uključenu efikasnost i učinkovitost regulacijskog sistema nesporno čine značajan investicijski trošak. Neophodna je pažljiva finansijska analiza kojom bi se odredila opravdanost uvođenja pogona s promjenjljivom brzinom vrtnje.

Prema nekim statistikama pogon s promjenjljivom brzinom vrtnje na godinu postiže i do preko 1/3 veći iznos predane električne energije od pogona sa stalnom brzinom vrtnje.

Ako je cijena isporučene energije dovoljno visokog iznosa, moguće je postići ekonomsku isplativost i uz veće početne investicijske troškove pogona s promjenjivom brzinom vrtnje.

Kombinirana primjena generatora s promjenjljivom brzinom vrtnje i statičkog pretvarača frekvencije pomaže u izbjegavanju problema vezanih uz stabilnost ugla i regulaciju frekvencije, odnosno elektromehanička njihanja općenito. Iznenadne promjene brzine vjetra više ne uzrokuju promjene injektirane snage vjetroelektrane. Razlika snage na rotirajućoj osovini pohranjuje se unutar kombinirane inercije agregata u obliku kinetičke energije. Drugim riječima, agregat se ubrzava/usporava kako vjetar ubrzava/usporava. Međutim, u slučaju priključenja vjetroelektrane kao izvora konstantne djelatne snage na naponski slabu mrežu, mogući su problemi stabilnosti napona.

Prema dostupnim informacijama, investitori se uglavnom odlučuju za inicijalno jeftiniju varijantu, dakle za vjetroelektrane u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom uz korištenje asinhronog generatora u pogonu na krutu mrežu.

4.3. Spajanje vjetroelektrane u elektroenergetski sistem

Da bi se vjetroelektrana spojila na mrežu moraju se zadovoljiti osnovni tehnički kriteriji pa je tako potrebno:

Poznavati najveću dozvoljenu snagu koju vjetroelektrana smije injektirati u mrežu Odrediti raspon frekvencije sistem Osigurati regulaciju napona Zadržati stabilnost u stanju kvara, stabilnost ugla i napona Osigurati kvalitetu isporučene električne energije

o Emisija flikera (padovi napona koji uzrokuju treptaj na sijalicama)o Fluktuacije naponao Omjer radne i jalove snageo Kratki spoj

Testiranje:

Pokretanje Zaustavljanje u uvjetima velike brzine vjetra Vladanje u uvjetima promjene frekvencije sistema Vladanje u uvjetima promjene napona sistema Vladanje u uvjetima njihanja u sistemu Provjera kvalitete

Slika 4.4.: Spajanje vjetroelektrana na elektroenergetske sisteme

5. ZNAČAJ KE RADA VJETROTURBINA

5.1. Stepen učinkovitosti vjetroturbine

Teoretski stepen učinkovitosti pretvaranja energije vjetra pokazuje kolika je maksimalna energija koju možemo dobiti pomoću vjetroturbine od vjetra u slobodnoj struji. Teorija koja definira maksimalni stepen učinkovitosti vjetroturbine naziva se Betzov zakon prema Njemačkom fizičaru Albertu Betzu (1885.-1968.) pioniru u istraživanju tehnike vjetroturbina. Betzov zakon pokazuje maksimalnu energiju koja se može dobiti od fluida koji struji određenom brzinom kroz infinitezimalno tanki rotor.

Da bi se izračunao maksimalni teoretski stepen djelovanja tog rotora on se predstavlja kao disk kroz koji prolazi fluid i predaje mu svoju energiju. Prolaskom kroz disk vjetar gubi na brzini. Može se postaviti jednačina:

vsr=12 (v1+v2 )

Gdje je:

vsr- srednja brzina v1- brzina vjetra ispred rotora v2- brzina usporenog vjetra iza rotora

Slika 5.1.: Šematski prikaz strujanja fluida kroz disk rotora

Maseni protok je:

m=ρA vsr=ρA (v1+v2 )

2

m- protok mase u vremenu

A- površina diska

ρ- gustina fluida

Razlikom kinetičke energije prije ulaska fluida u rotor i nakon njegovog izlaska dobiva se snaga vjetroturbine:

E=12m (v1

2−v22)

E-snaga

Ako uvrstimo maseni protok:

E=14ρA (v1+v2 ) (v1

2−v22)=1

4ρA v1

3[1−( v2

v1 )2

+( v2

v1 )−( v2

v1 )3]

Maksimum ove funkcije dobiva se za v2

v1=1

3 za datu brzinu vjetra v1 i povšinu A. Kada se

vrijednost uvrsti u predhodnu jednačinu dobiva se:

Pmax=1627∙ 12ρA v1

3

Dobijemo da je koeficijent korisnosti:

C p ,max=1627

=0,593=59,3%

C p=PPmax

Slika 5.2.: Koeficijent C p s obzirom na v2

v1

Stvarni stepen korisnosti uveliko zavisi od konstrukcije vjetroturbina te aerodinamičnih značajki njihovih lopatica. Vjetroturbine u današnje vrijeme mogu postići Cp od 0,4 do 0,5 što je 70 do 80% od teoretske granice. Gubici nastaju u ležajevima, prenosniku, generatoru itd. Horizontalne vjetroturbine imaju veći stepen iskoristivosti od vertikalnih vjetroturbina, ali moramo uzeti u obzir činjenicu da vertikalna vjetroturbina nema potrebu zakretati se da bi se usmjerila u vjetar pa tako pri vrlo turbulentnim strujama daje više energije.

5.2. Koeficijent brzohodnosti

Koeficijent brzohodnosti λ je omjer brzine vrtnje vrha lopatice i brzine vjetra. Pa je tako:

λ= rωv

Gdje je:

r- poluprečnik kružnice koju čini vrh lopatice pri rotaciji ω- brzina vrtnje vrha lopatice

Slika 5.3.: Promjena koeficijenta korisnosti s promjenom koeficijenta brzohodnosti

Unatoč konstrukcijama koje se sve više približavaju gornjoj granici iskoristivosti, horizontalne vjetroturbine se suočavaju s vrtlozima koji nastaju na vrhovima i na čeonoj strani lopatica pa je time dobivena energija umanjena, između ostalog, i za te gubitke. Kod vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje nema pojave vrtloga na vrhovima lopatica.

6. POTREBE ZA EL. ENERGIJOM U KUĆANSTVU

Analiza potrebe za električnom energijom napravljena je za kućanstvo koje ima dva člana. Električni uređaji koji se koriste u kućanstvu pobrojani su u tablici zajedno s njihovom maksimalnom potrošnjom u vatima.

Uređaji Max W

Sati sedmično

Procenat

Rasvjeta 600 42 25Televizor 80 84 50Frižider 120 168 100Računar 500 84 50El. šporet 2000 10,5 6Mašina za veš 2200 6 4Usisivač 1800 0,5 0,3Pegla 2000 1 0,6Ukupno 9300

Tabela 4: Elektični uređaji u kućanstvu

S obzirom da se neki uređaju konstantno priključeni na izvor električne energije a neki samo povremeno tablično je prikazano koliko sati sedmično se koristi određeni električni uređaj. Tako se može vidjeti da je frižider priključen na električnu mrežu 24 sata dnevno dok se pegla koristi svega jedan sat u sedmici. Naravno mora se uzeti u obzir i činjenica da se kompresor frižidera uključuje samo kada se temperatura podigne iznad one koja je određena regulatorom. Isti princip rada imaju pegla i elektični šporet, ali kod njih se grijači pale kada se temperatura spusti. Mašina za veš električnu energiju koristi za zagrijavanje vode i za pokretanje motora koji okreće bubanj pa se može zaključiti da se nakon što je voda zagrijana počinje trošiti manje el. energije jer se ona troši samo za vrtnju motora.

Prikupljanjem podataka kroz 30 dana dobiveni su slijedeći podaci:

Ukupno je potrošeno je 162 kWh uz upotrebu uređaja u vremenskom razdoblju kako je prikazano u tabeli. Od toga je 123 kWh potrošeno u višoj tarifi u vremenu od 07-21 sati a 39 kWh u nižoj tarifi od 21-07 sati.

Vrijeme potrošnje Viša tarifa prosječno kWh Niža tarifa prosječno kWhPreko sedmice 4 1,5Vikend 5,8 1Tabela 5: Dnevna potrošnja elektične energije u kilovat satima

Vrijednosti koje su dobivene dijeljenjem potrošene energije s vremenom u kojem su uređaji korišteni daju samo prosječni prikaz dnevne potrošnje. Potrošnja više tarife dijeli se na 13 sati (okvirno vrijeme od trenutka paljenja prvog električnog uređaja do početka brojenja druge tarife u 21 sati), dok se potrošnja niže tarife dijeli na 2 sata i dvadeset minuta (vrijeme od početka brojenja niže tarife do trenutka gašenja zadnjeg električnog uređaja).

Vrijeme potrošnje Viša tarifa prosječno W Niža tarifa prosječno WPreko sedmice 307 644Vikend 446 429Tabela 6: Dnevna potrošnja u vatima

S obzirom da je izračunata vrijednost potrošnje raspoređena jednoliko na svaki sat ne može se sa sigurnošću reći kolika je maksimalna dnevna potrošnja jer se može dogoditi da se potrošnja naglo poveća uključivanjem nekoliko trošila velike potrošnje npr. istovremeni rad mašine za veš, el. šoreta i pegle. Maksimalna potrošnja događa se istovremenim uključivanjem svih uređaja i radu na nazivnoj snazi. Ta vrijednost iznosi 9,3 kW. Za vrijeme ove analize niti jednom se nije dogodilo da su sva četiri velika potrošača (mašina za veš, pegla, el. šporet, usisavač) uključena u isto vrijeme, a niti cjelokupna rasvjeta, što ukazuje na to da se maksimalna potreba od 9,3 kW ne pojavljuje često.

Ako se analizira dnevna potrošnja s obzirom na navike ukućana može se doći do realnih podataka maksimalne potrošnje. Glavnina uređaja koji se koriste istovremeno tokom dana su:

frižider televizor računar rasvjeta (tri sijalice ukupno 175 W)

što daje ukupnu vrijednost od 875 W.

Ako se tome dodaju još dva veća potrošača npr. mašina za veš i el. šporet dobivamo vrijednost od 5075 W. Vrijednost maksimalne potrošnje uglavnom neće mnogo odstupati od ove vrijednosti pa se tako za maksimalnu dnevnu potrošnju može uzeti vrijednost od 5,5 kW.

7. RAZVOJ PROIZVODA- vertikalna vjetroturbina

Da bi pristupili razvoju konkretnog proizvoda potrebno je razmotriti što se zapravo traži od samog razvoja. Odgovor na ovo pitanje daju tehnički upitnik i definicija cilja. Tehničkim upitnikom stvaraju se granice kojima se usmjerava razvoj te se na taj način sprječava mogućnost prevelikog broja mogućih rješenja problema koja nisu korisna. Definicija cilja s druge strane govori da li je takav proizvod zaista potreban tj. da li postoje korisnici koji će ga koristiti.

Za vertikalnu vjetroelektranu koja je pogodna za kućnu upotrebu tehnički upitnik daje jasan cilj razvoja:

TEHNIČKI UPITNIK - za definiranje cilja razvoja proizvoda

1. Što je stvarni problem koji treba riješiti?

Smanjiti cijenu energenta.

2. Koja implicitna očekivanja i želje je potrebno uključiti u razvoj?

Korištenje obnovljivog izvora energije, vjetra. Postići što veću korisnost.

3. Da li su pretpostavljene potrebe korisnika, funkcionalni zahtjevi i ograničenja zaista realni?

Cijena energenata raste, a istovremeno i briga za očuvanje okoliša. Pretraživanjem internetskih stranica i anketiranjem može se vidjeti da interes ljudi za ovakvim oblikom proizvodnje el. energije raste.

4. U kojim smjerovima postoje mogućnosti za kreativni razvoj i inventivno rješavanje problema?

Približavanje teoretskoj granici iskoristivosti VSVO njenim oblikom i smanjenje cijene.

5. Ima li limita na kreativnost u razvoju?

Energija se mora pretvoriti u električnu.

6. Koje karakteristike/svojstva proizvod nužno mora imati?

Sigurnost, pouzdanost, što veću iskoristivost u odnosu na dimenzije rotora i cijenu. Jednostavnost primjene, instalacije i implementacije u el. energetski sistem.

7. Koje karakteristike/svojstva proizvod sigurno ne smije imati?

Ne smije biti prevelik, pretežak i opasan.

8. Koji se aspekti razvoja mogu i trebaju kvantificirati u ovom trenutku?

Masa koju može podnijeti krov ili zid prosječnog objekta. Snaga, profit, analiza tržišta i potrebe kupaca. Geometrijske karakteristike.

9. Da li su razvojni zadaci postavljeni na prikladnoj razini apstrakcije?

Cijena energenta smanjuje se i ukoliko je samo dio el. energije dobiven od vjetroelektrane, nije nužno u potpunosti prekinuti potrošnju el. energije mreže.

10. Koja su tehnička i tehnološka ograničenja naslijeđena iz prethodnog iskustva sa sličnim proizvodom?

Relativno mala snaga s obzirom na veličinu konstrukcije.

Definicija cilja za razvoj proizvoda

Naziv projekta:Vertikalna vjetroelektrana

Opis proizvoda:Vertikalna vjetroelektrana za upotrebu na stambenim i poslovnim objektima.Primarno tržište:Seoska gospodarstva. Poslovne hale izvan grada. Stambeni i poslovni objekti u selima i manjim gradovima. Visoki gradski objekti (rasvjetni stupovi). Dalekovodi (ukoliko je moguće pričvršćenje).Sekundarno tržište:Vlasnici nekretnina koji ne spadaju u gornju skupinu a imaju objekt kojise nalazi na povoljnoj poziciji s obzirom na brzinu vjetra.Koje karakteristike se podrazumijevaju:Proizvodnja el. Energije zadovoljavajuće kvalitete. Životni vijek od 10 –15 godina. Proizvod mora biti siguran za upotrebu.Ciljane grupe korisnika:Fizičke i pravne osobe koje su vlasnici nekretnina ili su ovlašteni za odluke o postavljanju ovakvog uređaja na objekt.Pravci kreativnog razvoja:Oblik rotora, položaj i odnosi između dijelova na uređaju, odabir vrste generatora te odabir materijala. Kompaktna izvedba uređaja. Estetski bitne karakteristike.Limiti projekta:Izvedba vjetroturbine mora biti vertikalna.

Vodeći računa o navedenim ciljevima i pravcima razvoja izrađuje se morfološka matrica koja daje pregled mogućih tehničkih rješenja tržene konstrukcije. Izradom morfološke matrice na temelju obavljenog istraživanja postojećih konstrukcija vertikalnih vjetroturbina generirati će se tri koncepta koji će se ocijeniti prema glavnim potrebama korisnika. Glavne potrebe korisnika dobivene su anketiranjem 70 osoba različitih dobnih skupina.

Ocjena važnosti Glavne potrebe korisnika 8 Količina proizvedene el. energije 7 Cijena nabave takvog uređaja 6 Sigurnost 5 Cijena održavanja 4 Buka ne smije biti visoka 3 Mogućnost dobijanja naknade od elektroprivrede 2 Mora biti sigurna za ptice 1 Estetika

Tabela 7: Glavne potrebe korisnika

Iz tabele se može zaključiti kako je učinkovitost vjetroturbine najvažniji faktor, nadalje vrlo je važna cijena nabave takvog uređaja dok je treća najbitnija stvar sigurnost. Ovakvi rezultati ankete su vrlo logični s obzirom da je svrha uređaja proizvodnja električne energije, tj. to je osnovna funkcija proizvoda. Cijena je danas neupitan faktor pa tako uvijek ima mjesto na vrhu ljestvice zahtjeva. Potreba za sigurnošću se podrazumijeva i vezana je uz svaki proizvod koji se plasira na tržište.

Ne tako mali uticaj na to koji će proizvod netko odabrati a drugi neće jest cijena održavanja,naime inicijalni izdatci su samo početak ulaganja, dok se održavanje može pokazati vrlo nezahvalnim ukoliko proizvod nema lako izmjenjive, dostupne i cijenom prihvatljive rezervne dijelove. Buka je nešto što se izravno povezuje s ovakvim uređajima te se uglavnom javlja osjećaj nelagode na pomisao da će ovakav uređaj biti postavljen na stambeni objekt, zbog toga je buka faktor na koji se mora obratiti pažnja. Ostale potrebe navode se kao poželjne, a to su mogućnost dobivanja naknade za električnu energiju predanu mreži što je zapravo omogućeno jer elektroprivreda ugrađuje brojilo između uređaja i mreže pa se tako vrši umanjenje računa za struju. Sigurnost za ptice očituje se u obliku lopatica vjetroturbine i brzini vrtnje (što je brzina manja vjetroturbina je bezopasnija). Estetika je faktor koji je uvijek poželjan ali uglavnom nije presudan za odabir.

Da bi se izradila morfološka matrica potrebno je znati sve funkcije proizvoda. Funkcije proizvoda određuju se pomoću funkcijske dekompozicije. Osnovne funkcije proizvoda su:

Prihvatiti energiju vjetra Pretvoriti energiju vjetra u mehaničku energiju (rotaciju) Dovesti struju u mrežu

Pomoću osnovnih funkcija potrebno je definirati među funkcije koje ih povezuju. Time se dobiva jasan tok energije, (materijala).

Morfološka matrica

Slika 7.1.: Morfološka matrica

Koncept 1

Vrsta lopatica za prihvaćanje vjetra:

lopatice zavarene na vratilo vertikalan položaj vratila kruti spoj motora i turbine uležištenje samo s donje strane

Sigurnosni sistem:

digitalni mjerač brzine kočnica

Pretvaranje energije vjetra u mehaničku energiju:

Lopatice vezane za vratilo zavarom uz dodatne dijelove

Prednosti:

Mali broj dijelova Jednostavna izvedba Mala masa Učinkovitost neovisna o smjeru puhanja vjetra Napadni kut na jednu lopaticu s obje strane vjetroturbine Ujednačen moment tijekom cijelog okreta, nema pulsacija Manje opterećenje na ležajeve zbog poništavanja aksijalnih sila Ovakav oblik lopatice smanjuje otpor rotaciji Hvatanje turbulentnih struja iznad krovova Samopokretanje

Nedostatci:

Lopatice moraju imati aerodinamični profil i trodimenzionalno su zakrivljene Velike brzine vrtnje

Slika 7.2.: Koncept 1- lopatice

Koncept 2

Vrsta lopatica za prihvaćanje vjetra:

lopatice zavarene na vratilo vertikalan položaj vratila kruti spoj motora i turbine uležištenje samo s donje strane

Sigurnosni sistem:

digitalni mjerač brzine kočnica

Pretvaranje energije vjetra u meh. energiju:

Lopatice vezane za vratilo zavarom uz dodatne dijelove

Prednosti:

Savijene lopatice mogu biti izrađene od lakog materijala jer su učvršćene na dva mjesta

Učinkovitost neovisna o smjeru puhanja vjetra Hvatanje turbulentnih struja iznad krovova Kombinacija H-izvedbe i osnovne Darrieus-ove izvedbe povećava učinkovitost ove

izvedbe Samopokretanje

Nedostatci:

Lopatice moraju imati aerodinamični profil Veliki broj dijelova Napadni ugao na lopaticu samo kada je ona u povoljnom položaju u odnosu na vjetar

(nemiran rad zbog ravnih lopatica) Komplicirana izvedba mehanizma za samopokretanje (zakretanje stražnjeg dijela

lopatica) Zbog velikog broja lopatica jedna lopatica može stvarati zavjetrinu onoj iza sebe

Slika 7.3.: Koncept 2- lopatice

Koncept 3

Vrsta lopatica za prihvaćanje vjetra:

lopatice zavarene na vratilo vertikalan položaj vratila kruti spoj motora i turbine uležištenje samo s donje strane

Sigurnosni sistem:

digitalni mjerač brzine kočnica

Pretvaranje energije vjetra u meh. energiju:

Lopatice vezane za vratilo zavarom uz dodatne dijelove

Prednosti:

Učinkovitost neovisna o smjeru puhanja vjetra Napadni ugao na jednu lopaticu s obje strane vjetroturbine Ujednačen moment tokom cijelog okreta, nema pulsacija Manje opterećenje na ležajeve zbog poništavanja radijalnih sila Ovakav oblik lopatice smanjuje otpor rotaciji Hvatanje turbulentnih struja iznad krovova Samopokretanje pri vrlo malim brzinama vjetra pa je učinkovitost veća na području

manjih vjetropotencijala Brzina vrtnje nije jako velika

Nedostatci:

Nešto manja snaga

Slika 7.4. Koncept 3- lopatice

Odabir najboljeg koncepta

Potrebe korisnika Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3Korisnost 9 9 9Cijena 3 3 10Sigurnost 6 4 8Održavanje 3 2 9Buka 8 6 9Sigurna za ptice 8 5 10Estetika 3 1 3Tabela 8: Ocjenjivanje koncepata

Umnožak ocjena važnosti s ocjenom koncepta svake potrebe daje vrijednost prema kojoj se odabire koncept:

Koncept 1 – 195 Koncept 2 – 162 Koncept 3 – 294

Odabire se koncept 3 kao najbolji s obzirom na potrebe korisnika. Ovaj koncept najviše konkurira ostalima kada se u pitanje dovede cijena. Naime cijena ovog uređaja znatno pada kada se usporede lopatice sva tri koncepta. Lopatice nisu aerodinamičnog oblika i kao takve vrlo su jednostavne za izradu. Tu je također važan i broj dijelova koji je kod koncepta 3 relativno velik jer se lopatice modularno slažu jedna na drugu, no s obzirom da je oblik svih lopatica i njihovih dijelova identičan te su svi dijelovi izuzetno jednostavni za izradu, to ne povećava troškove. Održavanje je zbog modularnosti jednostavno jer su dijelovi lako izmjenjivi a zbog jednostavnosti su lako dostupni jer ne zahtijevaju kompliciranu izradu. Zbog nešto manje brzine vrtnje ovaj koncept je općenito sigurniji, a i buka je manja.

8. DETALJNA RAZRADA ODABRANOG KONCEPTA

Nakon obrazloženog odabira koncepta daljnjom razradom osmisliti će se konstrukcija koja će zadovoljiti sve navedene funkcionalne zahtjeve. Dodatni zahtjev koji se indirektno postavlja budući da konstrukcija mora biti lako dostupna jest jednostavnost pričvršćivanja na objekt. Sa svim zahtjevima u vidu počinje se od detaljiranja lopatica turbine te dodatnih dijelova s kojima su direktno povezane.

Slika 8.1.: Razrada lopatica sa dodatni djelovima

Lopatice se nalaze na vratilu kako je prikazano na slici 8.1. Vjetar preko lopatica opterećuje vratilo te je potrebno izvršiti dimenzioniranje vratila prema opterećenju koje će se pojaviti u eksploataciji. Za proračun se uzima referentna brzina vjetra od 16 m/s. Prema Beaufortov-oj ljestvici jačine vjetra ova brzina karakterizira žestok vjetar te je za potrebe ovog proračuna zadovoljavajuća.

9. PRORAČUN

Dimenzije turbine:

H=2m -visina

R=1m -promjer kola

L=2,2m -dužina vratila

vvj=16m/s -brzina vjetra

Opterećenje na vratilu:

F=∆ p∙ A

∆ p=c p ∙12∙ ρ∙ v sr

2

c p+¿=1,42c p

−¿=0,38 ρ=1,2 kgm3 vsr=16 m

sA+¿−¿=0,5m 2¿¿

¿

∆ p+¿=1,42∙ 1

2 ∙ 1,2 ∙162¿

∆ p+¿=218Pa¿

∆ p−¿=0,38 ∙ 12 ∙1,2 ∙ 162¿

∆ p−¿=58Pa ¿

Sile na turbinu:

F+¿=∆ p+¿∙ A+ ¿−¿=218 ∙0,5 =109 N ¿¿ ¿

F−¿=∆ p−¿ ∙ A+ ¿−¿=58 ∙0,5 =29N ¿¿¿

Sila na vratilo uzima se kao kontinuirana u horizontalnoj ravni:

L= 2,2m

a= 0,17m

b= 2m

q+¿= F+¿

b=109

2=54,5 N

m¿¿

q−¿=F−¿

b=29

2=14,5 N

m¿ ¿

qukupno=q+¿+q

−¿=69 Nm

¿¿

qkorisno=q+¿−q

−¿=40 Nm

¿¿

Moment vrtnje:

λ= r ∙ωvvj

λ=0,8 - koeficijent brzohodnosti

vvj=16m/s -za proračun se uzima 16 m/s

ω=λ ∙ vvjr

=0,8 ∙160,5

=25,6 rads

n=ω∙30π

=25,6 ∙30π

=244 omin

T=F ∙ r

r- krak sile na lopaticu

T=qkorisno ∙ b ∙ r=40 ∙2 ∙0,28=22,4Nm

Snaga na turbini:

P=T ∙ω=22,4 ∙25,6=573W=0,5kW

Materijal vratila i potrebna sigurnost:

St 52-3 (Č.0561)

Spotrebno=1,4

Masa sklopa lopatica:

m=127 kg

G=mg=127 ∙9,81=1245 N=1,24 kN

Torzijsko opterećenje: ISTOSMJERNO

Proračun horizontalnih sila:

L=2,2m

a=0,17m

b=2m

∑MB=0

(−F A ∙ a )+q ∙b ∙(L−a−b2 )=0

F A=69 ∙2 ∙1,03

0,17=836N

∑FH=0

−F A+FB−q ∙b=0

FB=F A+q ∙b=836+69∙2=974 N

Proračun idealnog oblika vratila:

Za Č.05461 =>

σ fDN=240 Nmm2

τ tDI=190 Nmm2

σ fDNdop=50 Nmm2

α 0=σ fDN

1,73 ∙ τ tDI= 240

1,73 ∙190=0,73

Presjeci 1 i 2 su napregnuti samo fleksijski:

x1=170mm

d x1=3√ 10 ∙ F A

σ fDNdop∙ x1=¿ 3√ 10 ∙836 ∙170

50=30mm ¿

x2= 200mm

M 2=F A ∙200−FB ∙30=836 ∙200−974 ∙30=166256Nmm

d x2=3√ 10 ∙M 2

σ fDNdop=3√ 10 ∙166256

50=32mm

Presjek 3 napregnut je istovremeno fleksijski i torzijski:

x3=1200mm

d x3=3√ 10 ∙M red 3

σ fDNdop=3√ 10 ∙48210

50=21mm

M red 3=√M 32+0,75 (α 0∙ T )2=√ (46,16 )2+0,75 (0,73 ∙22 )2=48,2Nm=48210Nmm

M 3=F A ∙1,2−F B ∙1,03+q ∙1∙0,5=836 ∙1,2−974 ∙1,03=46,16Nm=46160Nmm

T=22Nm

Dimenzije vratila:

Ležaj oslonca A:

FA=0,84N=Fr=P

d1=40mm

n=224 o/min

Sigurnost nošenja:

CP

=4,5

C1=P∙(CP )=0,84 ∙4,5=3,8kN

Kuglični ležaj, katalog SKF:61908

d=40mm

D=62mm

b=12mm

C=13,8kN

L10=4430 mil.okr.

C=13,8 kN > C1=3,8kN

Zadovoljava

Ležaj oslonca B:

FBH=0,97kN

FBV=1,25kN –težina sklopa turbine

d2=45mm

Sigurnost nošenja:CP

=5,32

Kuglični ležaj, katalog SKF: 6009-2RS1*

P=X ∙ F r+Y ∙Fa=2,39 kN

X=0,56

Y=1.17

P0=1,21kN

L10=790 mil.okr.

C1=P(CP )=2,39 ∙5,32=12,7 kN

C=22,1kN > C1=12,7kN

C0=14,6kN > P0=1,21kN

Zadovoljava

Kontrolni proračun dinamičke sigurnosti:

Opterećenje vratila u pojedinim presjecima:

M 1=F A ∙l1=836 ∙160=133760Nmm≅ 133,8Nm

M 2=F A ∙l2−FB ∙8=836 ∙190−974 ∙8=151048Nmm≅ 151Nm

M 3=F A ∙l3−FB ∙18=836 ∙200−974 ∙18=149669 Nmm≅ 150Nm

M red=√M 42+0,75 (α0 ∙T )2

M 4=F A ∙ l4−FB ∙1,018+q ∙1∙0,5=836 ∙1,2−974 ∙1,018+69∙1 ∙0,5=46,168Nm

T=22Nm

M red=√ (46,168 )2+0,75 (0,73 ∙22 )2=48,2Nm

Kontrola postojeće sigurnosti u pojedinim presjecima:

Spotrebno= f ( TP%, hbmax%) TP=100% Spotr.=1,4

Faktor udara: ƍ=1

Presjek 1:

S1=b1 ∙ b2∙ σ fDNρ ∙βkf ∙ σ f 1

≥S potr .

σ f 1=M 1

W 1=133760

3059=43,73 N

mm2

W 1=π ∙d1

3

32( 1−k 4 )=0,1∙403 ∙ ( 1−0,854 )=3059mm3

k=d2

d1=34

40=0,85

σ fDN=240 Nmm2

b1= f(d)= 0,85 b2=0,825- za stepen površinske hrapavosti N9

Rmax=6,3µm

βkf=1+c1 (βkf 2−1 )=1+0,55 (1,75−1 )=1,4125

Rm=500 Nmm2 βkf 2=1,75 c1=0,55

S1=0,85 ∙0,825∙2401 ∙1,4125 ∙43,73

=2,72>Spotr .=1,4

Presjek 2:

S2=b1 ∙ b2 ∙ σ fDNρ ∙βkf ∙ σ f 2

≥S potr .

σ f 2=M 2

W 2=151048

2151=70 N

mm2

W 2=π ∙d3

32( 1−k 4 )=0,1∙453 ∙ (1−0,764 )=2151mm3

k=d2

d1=34

45=0,76

σ fDN=240 Nmm2

b1=0,83 b2=0,99- za stepen površinske hrapavosti N5 Rmax=2.5µm

βkf=1+c1 (βkf 2−1 )=1+0,35 (2,3−1 )=1,455

Rm=500 Nmm2 βkf 2=2,3c1=0,35

S2=0,83 ∙0,99∙240

1 ∙1,445 ∙70=1,9>Spotr .=1,4

Presjek 3:

S3=b1∙ b2 ∙ σ fDNρ ∙βkf ∙ σ f 3

≥S potr .

σ f 3=M 3

W 3=149669

10592=14 N

mm2

W 3=π ∙d3

3

32(1−k 4 )=0,1∙513 (1−0,674 )=10592mm3

k=d2

d1=34

51=0,67

σ fDN=240 Nmm2

b1=0,82 b2=0,825- za stepen površinske hrapavosti N9

βkf=1+c1 (βkf 2−1 )=1+0,58 (2,25−1 )=1,725

Rm=500 Nmm2 βkf 2=2,25 c1=0,58

S3=0,82 ∙0,825 ∙240

1 ∙1,725 ∙14=6,7>S potr .=1,4

Presjek 4:

S4=b1 ∙ b2 ∙ σ fDNρ ∙σ red 4

≥Spotr .

σ red 4=M red 4

W 4= 48200

3059=15,76 N

mm2W 4=W 1

σ fDN=240 Nmm2

b1=0,85 b2=0,825- za stepen površinske hrapavosti N9

S4=0,82∙0,825 ∙240

1 ∙15,76=10,68>S potr .=1,4

Elastične karakteristike vratila

Savojne elastične deformacije vratila izračunate su pomoću programa Beam calculator:

Moment tromosti za šuplji presjek:

J1=π

64(D4−d4 )= π

64( 404−344 )=60066mm4

D=40mm

d=34mm

Za čelik: E=200000 N/mm2

Zakret elastične linije:

U osloncu A β = 0,00039 rad

U osloncu B β = −0,00093 rad

Slobodni kraj β = −0.012

Progib slobodnog kraja:

f = −18.9mm

10. PRIKAZ 3D MODELA

Slika 10.1.: Generator Slika 10.2.: 3D model modula lopatica

Slika 10.3.: 3D model sklopa vjetroelektrane

11. TRŽIŠTE ENERGIJE VJETRA I STANJE U BiH

11.1. Tržište energije vjetra

Razvoj vjetroelektrana počeo je u SAD-u osamdesetih godina prošlog stoljeća, a samo nekoliko godina kasnije uslijedio je nagli porast tržišta u Europi. Ulaganje u istraživanje i razvoj doprinijelo je smanjenju njihovih troškova. Najveća prepreka daljnjem razvoju vjetroelektrana jest negativan stav javnosti zbog vizualnog dojma i buke koju stvaraju, premda je s uvođenjem novih tehnologija buka sve manja.

Zadnjih tridesetak godina instalirana snaga vjetroelektrana povećala se nekoliko puta – vjetroelektrane su 1982. godine građene s instaliranom snagom od 50 kW, dok danas njihova prosječna snaga iznosi 2 MW. U međuvremenu se razvijaju projekti vjetroelektrana od 5 MW i promjera rotora od čak 120 m. Brzina vjetra pri kojoj su vjetroelektrane u pogonu u rasponu je od 3 do 25 m/s. Pri većim brzinama vjetra upravljački mehanizam zaustavlja rad postrojenja kako bi se zaštitilo od mogućeg oštećenja. Nedostatak korištenja ovih tehnologija je zavisnost o stohastičkoj naravi vjetra.

Slika 11.1.: Instalirana snaga vjetroelektrana u EU do 2008. god.

Slika 11.2.: Trend rasta proizvodnje energije iz vjetra i usporedba s ciljem EU do 2010. god.

Instalisana snaga vjetroelektrana u EU

2497 3476 4753 64539678

1288717315

23098

28491

34372

40500

48031

56517

64935

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Godina

Snag

a [M

W]

11.2. Stanje u Bosni i Hercegovini

Prema nekim procjenama u Bosni i Hercegovini se do 2010. Godine može instalirati oko 650 MW ekonomski isplativih vjetropotencijala. Kada se govori o iskorištavanju energije vjetra misli se na dobijanje električne energije iz energije vjetra pomoću vjetroelektrana koje će raditi u elektronaponskom sistemu elektroprivreda. Da bi se odredio vjetropotencijal određenog područja potrebno je izvršiti određena mjerenja, prema propisima u definiranom vremenskom intervalu.

Slika 11.3. Mapa mogućih lokacija vjetroelektrana

Na slici 11.3. su prikazane moguće lokacije vjetroelektrana na području Bosne i Hercegovine. Mjerenja se odnose za visinu mjerenja od 10 metara iznad tla i period mjerenja od 1 godine kao i one lokacije koje će biti tretirane. Za područje Podveležja mjerenja su počela još 2002. godine i ona su vršena na višim visinama od 40 metara i vršena su na mikrolokacijama. Za sada su to najbolje lokacije u BiH. Prema istraživanjima naših stručnjaka u BiH bi se moglo instalirati preko 1000 MW ekonomski isplativih vjetroenergetskih potencijala.

12. ZAKLJUČAK