Obnovljivi izvori energije 12/8/2019 SKIS - 2018/19 1 ENERGIJA VETRA ENERGIJA VODE GEOTERMALNA ENERGIJA BIO ENERGIJA ENERGIJA SUNCA
Obnovljivi izvori energije12/8/2019 SKIS - 2018/19 1
ENERGIJA VETRA
ENERGIJA VODE
GEOTERMALNAENERGIJA
BIOENERGIJA
ENERGIJASUNCA
12/8/2019 SKIS - 2018/19 2
Obnovljiviizvori
energije
Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEU5C03)
Modul US - 2019/20.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEE5A05)
Modul E - 2019/20.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEM5A04)
Modul EKM - 2019/20.
Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337, [email protected]. dr Sanja Aleksić, kabinet 347, [email protected]
Prof. dr Dragan Mančić, M2-4, [email protected]
Solarna fotonaponska energija12/8/2019 SKIS - 2018/19. 4
2019/20.
Energija vetra12/8/2019 OIE - 2018/19 5
Energija vetra
PREDNOSTI◦ Vetroturbine su pogodne za dobijanje električne energije u ruralnim, izolovanim područjima.
◦ Cena dobijene električne energije je uporediva sa cenom električne energije koja se dobija konvencionalnim metodama gde se za dobijanje energije uglavnom koriste fosilna goriva (ugalj, nafta, gas).
◦ Visoka pouzdanost rada postrojenja.◦ Nema troškova za gorivo.◦ Nema zagađenja okoline.
12/8/2019 OIE - 2018/19 6
Energija vetra
NEDOSTACI - MANE
◦Buka
◦Problem malih i velikih brzina vetra
◦Ometanje radio i TV signala
◦Vizuelni efekti
◦Cena
12/8/2019 OIE - 2018/19 7
Energija vetraIstorijski pregled korišćenja energije vetra
12/8/2019 OIE - 2018/19 8
Rani sistemiKorišćenje energije vetra nije nova ideja – brodovi, mlinovi, pumpe, ...
Prvi energetki sistemi na vetar◦ Drevna civilizacija na Bliskom
istoku/Persija
◦ Vertical-Axis mlin
Vetar u Srednjem veku◦ Mlinovi u Severnoj Evropi
◦ Horizontal-Axis mlin
XIX vek USA◦ Pumpe i mlinovi
12/8/2019 OIE - 2018/19 9
Porast korišćenja energije vetra
1888: Charles Brush je izgradio prvu veću vetroturbinu (prečnik 17m, snaga 12kW)
1890s: Lewis Electric Company NY, prodaje generatore koji se mogu ugrađivati u postojeće mlinove koji koriste energiju vetra.
1920-1950s: sistemi sa propelerima (2 ili 3) za konverziju vetra u elektricitet (WECS)
1940-1960s: elektrifikacija ruralnih krajeva u Evropi i USA
12/8/2019 OIE - 2018/19 10
Savremeno doba
Osnovna obeležja◦ Veći kapacitet
◦ Komercijalizacija
◦ Konkurentnost
◦ Povezivanje u mrežu
Razlozi progresa ◦ OPEC kriza 1970s
◦ Ekonomski
◦ Energetska nezavisnost
◦ Očuvanje sredine
Standardizacija turbina◦ Tri propelera
◦ Horizontal-Axis
12/8/2019 OIE - 2018/19 11
Analiza tražišta
12/8/2019 OIE - 2018/19 12
Proizvodnja električne energije iz vetra.
Prema podacima Svetske asocijacije energije vetra (World Wind Energy Association – WWEA) kapacitet proizvodnje je do sredine 2014. godine dostigao 336.327MW, pri čemu je u prvoj polovini 2014. godine instalirano 17.613MW što je rast veći nego u prethodnih nekoliko godina.
12/8/2019 OIE - 2018/19 13
Vetroturbine
Moderne vetroturbine koje se koriste u proseku imaju snagu od 1.6MW.
Imaju horizontalni rotor, tri lopatice, menjač, ...
Koriste se kada je brzina vetra u opsegu od 15km/h (4m/s, što je vetar snage 3 na Beaufort skali) do 90km/h (25m/s, 9).
12/8/2019 OIE - 2018/19 14
12/8/2019 OIE - 2018/19 15
12/8/2019 OIE - 2018/19 16
Šta utiče na porast korišćenja energije vetra?
Zahtevi za čistom energijom
Smanjenje cene električne energije koja se dobija iz energije vetra.
12/8/2019 OIE - 2018/19 17
12/8/2019 OIE - 2018/19 18
12/8/2019 OIE - 2018/19 19
12/8/2019 OIE - 2018/19 20
12/8/2019 OIE - 2018/19 21
12/8/2019 OIE - 2018/19 22
12/8/2019 OIE - 2018/19 23
Energija vetra - SRBIJA
Postoji tehnički iskoristiv potencijal između 8 i 15GW, što je više nego što iznosi trenutni deficit u električnoj energiji.
Najveća potrošnja električne energije je u zimskom periodu, a to je upravo vreme kada ovde duvaju vetrovi većim intenzitetom i kada se ostvaruje najveća proizvodnja električne energije pomoću vetroelektrana.
12/8/2019 OIE - 2018/19 24
Ulaganja u zelenu energiju
Srbija je do sada ulagala jedino u hidroelektrane.
U poslednje vreme su u najavi mnogi projekti u vezi solarnih i vetroelektrana,
Najperspektivnije lokacije:◦ Midžor na Staroj planini (prosečna brzina vetra
7.66m/s)
◦ Suva planina (6.46m/s)
◦ Vršački Breg (6.27m/s)
◦ Tupižnica (6.25m/s)
◦ Deli Jovan (6.13m/s)
◦ Doline Dunava, Save i Morave
12/8/2019 OIE - 2018/19 25
Prosečna snaga vetra12/8/2019 OIE - 2018/19 26
Energija vetraFizičke osnove vetra
12/8/2019 OIE - 2018/19 27
12/8/2019 OIE - 2018/19 28
Poreklo vetra12/8/2019 OIE - 2018/19 29
Kako dolazi do pojave vetra?12/8/2019 OIE - 2018/19 30
Kako dolazi do pojave vetra?12/8/2019 OIE - 2018/19 31
Poreklo vetra
Vetar je pojava koja nastaje kao posledica veoma kompleksnih mehanizama koji uključuju:
rotaciju Zemlje oko Sunca,
toplotnu energiju od Sunca,
efekat hlađenja izazvan velikim vodenim površinama i polarnim ledenim kapama,
temperaturnim gradijentima koji se formiraju između kopna i vode, itd.
12/8/2019 OIE - 2018/19 32
Poreklo vetra
Vetar je posledica zračenja Sunca.
Energija vetra u stvari predstavlja transformisani oblik sunčeve energije.
Sva obnovljiva energija potiče od Sunca koje prema Zemlji zrači oko 1015 kWh po jednom kvadratnom metru.
1-2% od ove enegrije se pretvara u energiju vetra
12/8/2019 OIE - 2018/19 33
Vrste vetrova
Planetarna cirkulacija◦ Jet stream
◦ Trade winds
◦ Polar jets
Geostrophic winds
Thermal winds
Gradient winds
12/8/2019 OIE - 2018/19 34
Vrste vetrova12/8/2019 OIE - 2018/19 35
Uticaj topografije na cirkulaciju
12/8/2019 OIE - 2018/19 36
Karakteristike vetra12/8/2019 OIE - 2018/19 37
Dostupni resursi12/8/2019 OIE - 2018/19 38
Energija vetraSnaga vetra
12/8/2019 OIE - 2018/19 39
Snaga vetra
Snaga vetra zavisi od:
Količine vazduha (zapremina)
Brzine vazduha (brzina)
Mase vazduha (gustina)
12/8/2019 OIE - 2018/19 40
Energija vetra
Energija vetra je bazirana na kretanju vazduha, tj. kinetičkoj energiji vazdušne mase koja se kreće na visini do 150m od površine tla, što predstavlja trenutno najveću visinu vetrenjača.
Energija koja se pri tome dobija zavisi od:◦ Brzine vetra◦ Mase vazduha (preciznije od gustine vazdušnog fluida)
◦ Na gustinu utiču temperatura i pritisak vazduha, kao i visina.
12/8/2019 OIE - 2018/19 41
Određivanje snage vetroturbineMatematički model
Kinetička energija objekta mase 𝑚 koja se kreće brzinom 𝑣 je jednaka radu 𝑊 koji se uloži da se objekat iz mirovanja prebaci za rastojanje 𝑠 pod dejstvom sile 𝐹:
𝐸𝑘 = 𝑊 = 𝐹 ∙ 𝑠 Prema drugom Newton-ovom zakonu:
𝐹 = 𝑚 ∙ 𝑎 Prema tome:
𝑬𝒌 = 𝑾 = 𝒎 ∙ 𝒂 ∙ 𝒔 Koristimo treću jednačinu kretanja:
𝑣2 = 𝑢2 + 2𝑎 ∙ 𝑠
12/8/2019 OIE - 2018/19 42
Određivanje snage vetroturbineMatematički model
Kako je 𝑢 = 0 dobijamo da je:
𝑎 =𝑣2
2𝑠 Zamenjujući dobijamo:
𝐸𝑘 =1
2𝑚𝑣2
Snagu vetra definiše brzina promene energije:
𝑃 =𝑑𝐸𝑘𝑑𝑡
=1
2𝑣2
𝑑𝑚
𝑑𝑡
12/8/2019 OIE - 2018/19 43
Određivanje snage vetroturbineMatematički model
Nemački fizičar Albert Betz još 1919. godine zaključuje da vetroturbina ne može da konvertuje više od 16/27 (59.3%) kinetičke energije vetra u mehaničku energiju obrtanja rotora.
Ovo je poznato kao Betz-ovo ograničenje ili Betz-ov zakon prema kome se uvodi tzv. koeficijent snage:
𝐶𝑃𝑚𝑎𝑥= 0.59
Naravno, vetroturbina ne može raditi na ovom maksimumu već je koeficijent snage karakteristika svake vetroturbine i definiše se u njenim tehničkim specifikacijama. Prema tome, snaga vetroturbine se može odrediti kao:
𝑃 =1
2𝜌𝐴𝑣3 ∙ 𝐶𝑃
12/8/2019 OIE - 2018/19 44
Određivanje snage vetroturbineKonkretan slučaj
Brzina vetra:
𝑣 = 12m/s
Gustina vazduha:
𝜌 = 1.23kg/m3
Dužina elise:
𝑙 = 52m
Koeficijent snage:
𝐶𝑃 = 0.4
12/8/2019 OIE - 2018/19 45
Određivanje snage vetroturbineKonkretan slučaj
𝑙 = 𝑟 = 52m/s
𝐴 = 𝜋 ∙ 𝑟2 = 8495m2
𝜌 = 1.23kg/m3
𝑣 = 12m/s
𝐶𝑃 = 0.4
𝑃 =1
2𝜌𝐴𝑣3 ∙ 𝐶𝑃
𝑃 = 3.6MW
12/8/2019 OIE - 2018/19 46
Vežba 1.
Ponoviti prethodne proračune za različite brzine vetra.
Pretpostaviti da se brzina vetra menja u opsegu od 5m/s do 25m/s.
Nacrtati zavisnost snage u funkciji brzine vetra.
Pretpostaviti da je koeficijent snage konstantan i da iznosi 0.4.
12/8/2019 OIE - 2018/19 47
Vežba 2.
Koeficijent snage, naravno, nije konstantan kao što smo to do sada pretpostavljali. On zavisi od odnosa brzine koji se definiše kao:
𝜆 =𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑
𝑤𝑖𝑛𝑑 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 Blade tip speed se određuje na osnovu rotacione
brzine turbine i dužine elisa prema sledećem izrazu:
𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 =𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 (𝑟𝑝𝑚) ∙ 𝜋 ∙ 𝐷
60gde je D prečnik turbine. Ako je dato da je rotational speed = 15𝑟𝑝𝑚 odrediti 𝜆
koristeći date izraze i popuniti datu tabelu. Zatim odrediti odgovarajuću vrednost 𝐶𝑃 iz priloženog grafika i kompletirati tabelu (odrediti snagu i energiju)
12/8/2019 OIE - 2018/19 48
Vežba 2.12/8/2019 OIE - 2018/19 49
12/8/2019 OIE - 2018/19 50
Kriva snage vetroturbineCapacity Factor (CF)
12/8/2019 OIE - 2018/19 51
CF zavisi kako od karakteristika turbine, tako i od karakteristika lokacije gde je ona postavljena
Vetroturbine – skoro celokupna električna energija se dobija korišćenjem turbina koje su u osnovi slične.
12/8/2019 OIE - 2018/19 52
Aerodinamika
12/8/2019 OIE - 2018/19 53
Potisna (lift) i vučna (drag) sila
12/8/2019 OIE - 2018/19 54
Rotor – model disk: nema uticaja na strujanje vazduha
12/8/2019 OIE - 2018/19 55
Rotor – model disk: strujanje vazduha je potpuno zaustavljeno
12/8/2019 OIE - 2018/19 56
Rotor – model disk: poredjenje12/8/2019 OIE - 2018/19 57
Rotor – model disk: polupropustljivo
12/8/2019 OIE - 2018/19 58
Komponente vetroturbine
LopaticeRotor-centar
KulaOsnova
12/8/2019 OIE - 2018/19 59
Zašto 2-3 lopatice?12/8/2019 OIE - 2018/19 60
Efekat brzine rotacije12/8/2019 OIE - 2018/19 61
Rotaciona brzina W vs. poluprečnik rotora r
12/8/2019 OIE - 2018/19 62
Kriva snage
12/8/2019 OIE - 2018/19 63
Snaga dobijena iz vetroturbine12/8/2019 OIE - 2018/19 64
Snaga dobijena iz vetroturbine12/8/2019 OIE - 2018/19 65
Kontrola vetroturbine
Kontrola ima dve osnovne svrhe:
◦U normalnim uslovima se mora voditi računa da snaga nikada ne predje nominalnu snagu, i
◦U off-desig uslovima bi trebalo da obezbedi dovodjenje sistema u sigurno stanje.
12/8/2019 OIE - 2018/19 66
Kontrola obrtnog momenta12/8/2019 OIE - 2018/19 67
Kontrola nagiba lopatica12/8/2019 OIE - 2018/19 68
Faktor kapaciteta - Cf
12/8/2019 OIE - 2018/19 69
Faktor kapaciteta - Cf
12/8/2019 OIE - 2018/19 70
Faktor kapaciteta - Cf
12/8/2019 OIE - 2018/19 71
Faktor kapaciteta - Cf
12/8/2019 OIE - 2018/19 72
Odredjivanje dobijene energije
12/8/2019 OIE - 2018/19 73
Šta nam je potrebno da izračunamo energiju?
Karakteristike vetra –funkcija gusine verovatnoće
Kriva snage
Faktor kapaciteta
12/8/2019 OIE - 2018/19 74
Šta nam je potrebno da izračunamo energiju?
12/8/2019 OIE - 2018/19 75
Odredjivanje proizvedene energije ako su nam poznate kriva snage vetroturbine i karakteristike vetra na lokaciji gde se instalira
12/8/2019 OIE - 2018/19 76
Odredjivanje proizvedene energije ako su nam nisu poznate karakteristike vetra
12/8/2019 OIE - 2018/19 77
Kako odrediti energiju koju proizvede farma vetroturbina?
12/8/2019 OIE - 2018/19 78
Wake efekat12/8/2019 OIE - 2018/19 79
Wake efekat12/8/2019 OIE - 2018/19 80
Wake efekat12/8/2019 OIE - 2018/19 81
Vrste vetroturbina
12/8/2019 OIE - 2018/19 82
Vrste vetroturbina
Horizontalna osa – HAWT◦ 1, 2, 3 lopatice: veća efikasnost◦ Dobar odnos brzine i obrtnog
momenta
Vertikalna osa – VAWT◦ Darrieus – lift force◦ Savonius – drag force
12/8/2019 OIE - 2018/19 83
Vrste vetrourbina12/8/2019 OIE - 2018/19 84
12/8/2019 OIE - 2018/19 85
12/8/2019 OIE - 2018/19 86
Podsistemi vetroturbina12/8/2019 OIE - 2018/19 87
12/8/2019 OIE - 2018/19 88
12/8/2019 OIE - 2018/19 89
12/8/2019 OIE - 2018/19 90
Temelj (osnova) i kulaEvolucija od nosača
12/8/2019 OIE - 2018/19 91
Temelj (osnova) i kulado monopolnih kula
12/8/2019 OIE - 2018/19 92
Temelj (osnova) i kulaRazličite realizacije offshore sistema
12/8/2019 OIE - 2018/19 93
Temelj (osnova) i kulaRazličite realizacije offshore sistema
12/8/2019 OIE - 2018/19 94
12/8/2019 OIE - 2018/19 95
12/8/2019 OIE - 2018/19 96
12/8/2019 OIE - 2018/19 97
12/8/2019 OIE - 2018/19 98
12/8/2019 OIE - 2018/19 99