-
VETRNA ELEKTRARNA ZA NAPAJANJE STANOVANJSKE
HIŠE
Diplomsko delo
Študent: Edin Kuhinja
Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje
Energetika
Mentor: izr. prof. dr. Peter Virtič
Somentor: red. prof. dr. Andrej Predin
Lektorica: Jerneja Verboten, prof.
Krško, november 2016
-
II
-
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Petru Virtiču, in
somentorju, prof. dr. Andreju Predinu,
za vodenje in pomoč pri izdelavi diplomske naloge. Diplomsko
delo je posvečeno mojim
staršem.
-
IV
VETRNA ELEKTRARNA ZA NAPAJANJE STANOVANJSKE HIŠE
Ključne besede: energija vetra, vetrna elektrarna, okolje,
direktni pogon, RETScreen
UDK: 621.311.245(497)(043.2)
Povzetek
V diplomskem delu je predstavljena upravičenost gradnje male
vetrne elektrarne v vasi Katun
- Odžak v občini Pljevlja ter priklop na elektroenergetsko
omrežje.
V začetnih poglavjih so predstavljeni zgodovina in splošni
podatki o vetrnih elektrarnah,
malih vetrnih elektrarnah, vetrnih elektrarnah z direktnim
pogonom ter o energiji vetra. Nato
so opisani glavni elementi vetrnice, karakteristike vetrne
elektrarne in njeno delovanje. V
zadnjem delu je predstavljen program RETScreen, s pomočjo
katerega je izdelana analiza za
gradnjo male vetrne elektrarne v zgoraj omenjeni vasi. Opisano
je območje postavitve,
izbrana vetrna elektrarna in njena priključitev na
nizkonapetostno omrežje. Izdelanih je več
primerov postavitve elektrarne, ki prikazujejo, pod kakšnimi
pogoji je smiselno postaviti
vetrnico na tem območju.
-
V
WIND POWER PLANT FOR RESIDENTIAL HOUSE POWER SUPPLY
Key words: wind energy, wind power plant, environment, direct
drive, RETScreen
UDK: 621.311.245(497)(043.2)
Abstract
In this diploma thesis the construction of small wind power
plant in the village Katun - Odžak
in the municipality Pljevlja and connection the the electricity
grid are presented.
In the first section the history and general information of wind
power plants, small wind
power plants, wind power plants with ''direct drive'' generator
and wind energy are described.
Then the main elements of the wind power plant, characteristics
and operation are shown. The
last section presents RETScreen program and the analysis of the
construction of the small
wind generating plant in the above mentioned village. The thesis
describes the area of
installation, chosen wind power plant and its connection to the
low voltage network. Several
examples are created showing whether the installation of wind
power plant is meaningful in
suggested area.
-
VI
KAZALO
1 UVOD
...................................................................................................................................................
1
2 ZGODOVINA VETRNIH ELEKTRARN
............................................................................................
3
3 ENERGIJA VETRA
.............................................................................................................................
5
3.1 PRIRAST HITROSTI VETRA Z VIŠINO
..............................................................................
8
3.2 HRAPAVOST OKOLJA
.........................................................................................................
9
4 TEORIJA VETRNIH ELEKTRARN
.................................................................................................
13
4.1 IZVEDBE VETRNIH ELEKTRARN
....................................................................................
14
4.2 ZGRADBA VETRNE ELEKTRARNE
.................................................................................
16
4.2.1 Rotor
...............................................................................................................................
17
4.2.2 Mehanski prenos
............................................................................................................
18
4.2.3 Generator
........................................................................................................................
18
4.2.4 Zavorni sistem
................................................................................................................
19
4.2.5 Čeljustni sistem
..............................................................................................................
19
4.2.6 Stolp
...............................................................................................................................
20
4.2.7 Anemometer
...................................................................................................................
20
4.3 EKONOMIČNOST VETRNIC
..............................................................................................
20
5 VETRNICE BREZ MENJALNIKA
...................................................................................................
22
5.1 DIREKTNI PRENOSNI MEHANIZEM
...............................................................................
23
6 PREDSTAVITEV MALIH VETRNIH ELEKTRARN
......................................................................
25
6.1 SAMOOSKRBA IN PRODAJA
............................................................................................
26
7 PREDLOG IZVEDBE
........................................................................................................................
28
7.1 LOKACIJA POSTAVITVE
...................................................................................................
28
7.2 IZBIRA USTREZNE OPREME
............................................................................................
29
8 EKONOMSKA UPRAVIČENOST IN IZRAČUN PROIZVODNJE
................................................ 33
9 PRIKLJUČITEV NA OMREŽJE
.......................................................................................................
52
10 SKLEP
.................................................................................................................................................
54
VIRI IN LITERATURA
.............................................................................................................................
56
PRILOGE
....................................................................................................................................................
58
PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE
VERZIJE
ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV
........................ 58
-
VII
PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA
................................................ 59
-
VIII
KAZALO SLIK
Slika 2.1 Kmečki mlin na veter v Nemčiji [9]
.........................................................................................
3
Slika 3.1: Nastanek vetra [7]
....................................................................................................................
5
Slika 3.2: Odvisnost koeficienta moči od hitrosti vetra [10]
....................................................................
8
Slika 3.3: Različni višinski Hellmannovi koeficienti s
statističnimi višinskimi gradienti hitrosti vetra
[3]
.............................................................................................................................................................
9
Slika 3.4: Višinski koeficienti v odvisnosti od različnih dolžin
hrapavosti terena [3] ........................... 10
Slika 4.1: Konfiguracija vetrne turbine
..................................................................................................
14
Slika 6.1: Sestavni deli male vetrnice [17]
.............................................................................................
25
Slika 1.2: Samooskrba hiše z vetrno energijo [8] 26
Slika 1.3: Samooskrba in prodaja vetrne energije [8] 27
Slika 7.1: Vas Katun [12]
.......................................................................................................................
28
Slika 1.2: Vetrnica Aventa AV-47
[14]......................................................................................
.............................29
Slika 1.3: Obratovalna karakteristika vetrnice AV-47 [1] 32
Slika 8.1: Začetna stran projekta
............................................................................................................
34
Slika 8.2: Vnos začetnih podatkov
.........................................................................................................
36
Slika 8.3: Vnos začetnih, investicijskih ter obratovalnih
stroškov .........................................................
37
Slika 8.4: Analiza škodljivih plinov
.......................................................................................................
38
Slika 8.5: Finančni parametri
.................................................................................................................
39
Slika 8.6: Grafični prikaz finančnih izračunov
......................................................................................
40
Slika 8.7: Finančni parametri
.................................................................................................................
41
Slika 8.8: Grafični prikaz finančnih izračunov
......................................................................................
42
Slika 8.9: Finančni parametri
.................................................................................................................
43
Slika 8.10: Prikaz finančnih izračunov
...................................................................................................
44
Slika 8.11: Finančni parametri
...............................................................................................................
45
Slika 8.12: Grafični prikaz finančnih izračunov
....................................................................................
46
Slika 8.13: Finančni parametri
...............................................................................................................
47
Slika 8.14: Grafični prikaz finančnih parametrov
..................................................................................
48
Slika 8.15: Finančni parametri
...............................................................................................................
49
-
IX
Slika 8.16: Grafični prikaz finančnih parametrov
..................................................................................
50
Slika 9.1: Priključitev na NN
omrežje....................................................................................................
52
Slika 9.2: Prikaz priključitve MVE neposredno na omrežje
..................................................................
53
-
X
KAZALO TABEL
Tabela 7.1: Prikaz proizvodnje električne energije za vetrno
turbino AV-47 [14] ................................ 31
Tabela 8.1: Meteorološki podatki za izbrano lokacijo iz programa
RETScreen .................................... 35
Tabela 8.2: Primerjava primerov
............................................................................................................
51
-
XI
UPORABLJENE KRATICE
AC - izmenična napetost
DC - enosmerni tok
HAWT - vodoravna turbina
MVE - mala vetrna elektrarna
MW - megavati
MWh - megavatna ura
NASA - Nacionalna zrakoplovna in vesoljska uprava
NN - nizka napetost
NSV - neto sedanja vrednost
OVE - obnovljivi viri energije
tCO2 - tona ogljikovega dioksida
TP - transformatorska postaja
UNESCO - Organizacija Združenih narodov za izobraževanje,
znanost in kulturo
VAWT - vetrikalna turbina
VE - vetrna elektrarna
ZDA - Združene države Amerike
-
XII
UPORABLJENI SIMBOLI
A - površina
Cp - koeficient moči
CO2 - ogljikov dioksid
Dn - bodoči donos
i - diskontna stopnja
I0 - začetna investicija
m - masa
Nd - neodim
P - električna moč
Rχ - razred hrapavosti
v* - hitrost vetra na referenčni višini
vz - srednja hitrost vetra na višini z
W - kinetična energija
z* - referenčna višina
ς - višinski Hellmannov eksponent vetra
χ0 - dolžina hrapavosti v trenutni smeri vetra
𝜌 - gostota
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
Naš planet se sooča s hitro rastjo prebivalstva, z njo pa se
povečuje tudi potreba po električni
energiji. Planet se zaradi prekomernega izkoriščanja
neobnovljivih virov energije (nafta,
premog, plin ...) sooča z velikim energetskim problemom, saj se
zaloge neobnovljivih virov
drastično zmanjšujejo. Mnogi se sprašujejo, kako nadomestiti
neobnovljive vire energije in s
tem zmanjšati emisije toplogrednih plinov, ki zaradi globalnega
segrevanja uničujejo naš
planet. Čeprav se človeštvo usmerja v obnovljive vire energije
(sonce, veter, voda ...), je treba
vedeti, da energija iz obnovljivih virov prav tako ni
100-odstotno čista, saj jo dobimo s
pomočjo energije, ki je pridobljena iz neobnovljivih virov.
Pomembna strateška zaloga energije so obnovljivi viri energije
(v nadaljevanju OVE). OVE
zmanjšujejo odvisnost od uvoza fosilnih goriv, s tem pa
zmanjšujejo tudi emisije CO2. Velik
del električne energije v Črni Gori je uvožen. Črna Gora je
majhna država in glede na svoje
geografske značilnosti nima veliko lokacij za izgradnjo večjega
števila vetrnih elektrarn. Tiste
lokacije, ki bi bile primerne, pa so pod zaščito UNESCA, saj se
na njih nahajajo pomembne
kulturne znamenitosti, redke oz. skoraj izumrle živali ipd.
V prvem delu diplomske naloge je predstavljena zgodovina in
razvoj vetrnih elektrarn,
energija vetra, gradnja vetrnih turbin ter vetrne turbine brez
menjalnika. V raziskovalnem delu
pa so narejeni izračuni za morebitno postavitev vetrne
elektrarne (v nadaljevanju VE) v
črnogorski vasi Katun - Odžak, ki spada v občino Pljevlja, in
sicer na podlagi povprečne
hitrosti vetra za to lokacijo.
Izveden je tudi izračun ekonomske upravičenosti izgradnje
elektrarne glede na opremo in
različne pogoje ter možno vključitev v nizkonapetostno (v
nadaljevanju NN)
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
elektroenergetsko omrežje. Ekonomska upravičenost namestitve
male vetrne elektrarne na
izbrani lokaciji je opisana v sklepu.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
2 ZGODOVINA VETRNIH ELEKTRARN
Ljudje že veliko let izkoriščajo vetrno energijo. Mehanske
naprave, ki so prve izkoriščale
vetrno energijo, so bile verjetno jadrnice in mlini na veter
(prve naprave na trdnih tleh). Prve
mline na veter so začeli gradili že v 7. stoletju na območju
današnjega Afganistana in Irana.
Gradnja vetrnih mlinov se je od tod razširila na Bližnji vzhod,
Kitajsko in v Indijo. Prve mline
(Slika 2.1) so uporabljali najprej za mletje žita, pozneje za
gnanje žag, črpanje vode itd. [13].
Slika 2.1 Kmečki mlin na veter v Nemčiji [9]
Anglež Smeanton je v 18. stoletju na podlagi meritev prišel do
treh pomembnih odkritij, ki so
temelj današnjih teorij vetrnih elektrarn. Ta so:
- Obodna hitrost lopatic turbin je v idealnem primeru sorazmerna
hitrosti vetra.
- Največji vrtilni moment je sorazmeren kvadratu hitrosti
vetra.
- Največja moč turbine je sorazmerna kubu hitrosti vetra.
https://sl.wikipedia.org/wiki/Ljudjehttps://sl.wikipedia.org/wiki/Jadrnicahttps://sl.wikipedia.org/wiki/Mlinhttps://sl.wikipedia.org/wiki/Afganistanhttps://sl.wikipedia.org/wiki/Iranhttps://sl.wikipedia.org/wiki/Indijahttps://sl.wikipedia.org/wiki/%C5%BDitohttps://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=John_Smeanton&action=edit&redlink=1
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
Škotski akademik James Blyth je leta 1887 izvajal poizkuse z
močjo vetra. Charles F. Brush je
v ZDA proizvajal električno energijo s pomočjo močnega vetrnega
stroja, ki ga je pognal
pozimi 1887–1888 za napajanje svojega doma in laboratorija do
leta 1900. Danski znanstvenik
Paul la Couur je leta 1890 izdelal vetrno turbino za električno
energijo, ki je bila namenjena
proizvodnji vodika. To so bili začetki sodobnih vetrnih
elektrarn.
Majhne vetrne turbine, ki se uporabljajo za razsvetljavo
podeželskih stavb, so se razširile v
prvi polovici 20. stoletja. Priključitev več enot na
distribucijsko omrežje so preizkusili na več
lokacijah, vključno s Sovjetsko zvezo (Balaklava) leta 1931 in
eksperimentalnimi enotami
(1,25 MW) v Vermontu leta 1941.
Podjetja Kuriant, Nordtank in Bonus so leta 1979 začela serijsko
proizvajati sodobne vetrne
turbine. Začetne turbine so bile majhne z močjo po 20–30 kW,
danes pa poznamo mnogo
večje [13].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
3 ENERGIJA VETRA
Energija vetra je tako kot vodna energija posledica obsevanja
Zemljinega površja s sončnimi
žarki. Sonce segreva različne dele kopnega, morja in ozračja z
različno jakostjo. Ko se toplejši
ali bolj vlažen zrak dviguje, podenj priteka hladnejši oz. bolj
suh zrak. Tako nastajajo zračni
tokovi oz. veter kot vidimo na sliki 3.1 [7].
Slika 3.1: Nastanek vetra [7]
Vetrna energija je obnovljiva in čista, ne onesnažuje zraka, ne
oddaja CO2 in ne povzroča
kislega dežja in ne uničuje ozonskega plašča. Z uporabo vetrne
energije ni neželenih
odpadkov, uporablja pa se za proizvodnjo električne energije –
kinetična energija vetra se
pretvori v mehansko energijo in v naslednjem koraku se mehanska
energija pretvori v
električno energijo. Za zdaj se je vetrna energija izkazala kot
resen obnovljiv vir energije.
Glavni razlogi za to so:
- ogromna količina energije,
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
- zmanjšanje cen vetrnih turbin in z njimi povezane opreme,
- ekološko čist način za pretvorbo energije in
- majhna zasedenost zemljišč.
Sodobne vetrne turbine začnejo proizvajati električno energijo
pri hitrosti vetra 2,5 m/s in se
zaradi varnostnih razlogov ustavijo pri hitrosti 25 m/s.
Ekonomska upravičenost gradnje
vetrnih elektrarn je pri najmanjši letni hitrosti vetra od 4,9
do 5,8 m/s. Zaradi trenja med
zrakom in zemljo ter tudi notranjega viskoznega trenja hitrost
vetra narašča z večanjem višine
nad tlemi. Jasno je, da na hitrost vetra vplivajo hrapavost
terena, prisotnost naravnih in
umetnih ovir ter drugi topografski elementi. Najpogosteje se
uporabljajo sodobne vetrne
turbine, ki imajo kapaciteto od 500 kW do 3 MW, čeprav se
gradijo tudi močnejši generatorji
[16].
Energija vetra se izračuna po naslednji enačbi [9]:
𝑊 =𝑚∙𝑣2
2 (3.1)
kjer je:
W – energija vetra,
m – masa zraka (kg),
v – hitrost vetra (m/s).
Enačba za izračun moči vetra:
𝑃 = (𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣)𝑣2
2 (3.2)
saj je pretok skozi površino A v [kg/s] enak 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣,
kjer je:
P – moč vetra (W),
A – površinski presek, skozi katerega poteka zračni tok
(m2),
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
𝜌 – gostota (kg/m3),
v – hitrost vetra (m/s).
Moč vetrne turbine je enaka razliki vetrne kinetične energije
pred in za vetrnico. Cp je
koeficient vetrnega izkoristka, pri čemer je njegova maksimalna
vrednost 59 %. Definiran je
kot delež vetrne energije, ki ga lahko turbina prejme iz vetra.
Najsodobnejše turbine imajo
koeficient vetra približno 0,42, kar pomeni, da je izkoristek
vetra 42 %.
Moč vetrne turbine se tako izračuna po enačbi:
𝑃 = 𝐶𝑝 ∙𝜌∙𝐴∙𝑣2
2 (3.3)
kjer je :
Cp – koeficient vetrnega izkoristka,
A – površinski presek, skozi katerega teče zračni tok (m2),
ρ – gostota (kg/m3).
Koeficient vetrnega izkoristka Cp ni konstanten, ampak je v
splošnem funkcija hitrosti vetra
(Slika 3.2), zato moč turbine ni popolnoma sorazmerna s kubom
hitrosti vetra [9].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
Slika 3.2: Odvisnost koeficienta moči od hitrosti vetra [10]
3.1 PRIRAST HITROSTI VETRA Z VIŠINO
Hitrost vetra se zmanjšuje s trenjem zračnih mas ob zemeljski
površini. Prirast hitrosti vetra z
višino je odvisen od vrste meteoroloških faktorjev. Med drugim
nanj vplivajo tudi vlažnost
zraka in temperaturne plasti. Dolgoročno je pričakovana
statistična srednja vrednost na nekem
področju odvisna od hrapavosti površine. Srednja hitrost vetra
na višini z je podana po
Hellmanonovem zakonu z enačbo (3.1.1).
𝑣𝑧 = 𝑣∗ ∙ (
𝑧
𝑧∗)
𝜍
(3.1.1)
kjer je:
vz – srednja vetrna hitrost na višini z (m/s),
v* – vetrna hitrost na referenčni višini (m/s),
z*
– referenčna višina (ponavadi 10 m) (m),
ς – višinski vetrni eksponent (Hellmannov eksponent).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
Slika 3.3: Različni višinski Hellmannovi koeficienti s
statističnimi višinskimi gradienti hitrosti vetra [3]
V naravnih okoljih je območje geostrofskega vetra nad 400 metri
nadmorske višine malo nad
20 m/s, kar prikazuje slika 3.3. S približevanjem tlom hitrost
vetra najmanj upada nad odprtim
morjem, najhitreje pa upada nad gozdnimi področji [3].
3.2 HRAPAVOST OKOLJA
Ovire na terenu, visoke zgradbe in gosta poraščenost lahko
pomembno zmanjšajo površinsko
hitrost vetra. Na drugi strani pa letališča, avtoceste ali
razsežne ravnine z nizko hrapavostjo
mnogo manj vplivajo na površinsko hitrost vetra.
Pri oceni vetrnih razmer, ki opisujejo stanje na terenu, se
uporabljajo dolžine hrapavosti oz.
razmere hrapavosti običajno na podlagi Evropskega atlasa vetrov.
Višina nad tlemi je
definirana kot dolžina hrapavosti, kjer bi morala teoretično
biti hitrosti vetra enaka 0. Na Sliki
3.4 vidimo različne dolžine hrapavosti terena z višinskimi
koeficienti [3].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
Slika 3.4: Višinski koeficienti v odvisnosti od različnih dolžin
hrapavosti terena [3]
Višinski koeficienti, podani za različne dolžine hrapavosti
terena, so podani v Tabeli 3.1.
Tabela 3.1: Višinski koeficienti, podani za različne dolžine
hrapavosti terena [3]
Razredi
hrapavosti
Dolžine
hrapavosti
Energijski
indeksi
Vrsta okolja
(m) (%)
0 0,0002 100 Vodne površine
0,5 0,024 73 Prostor, popolnoma odprt, z gladko površino,
kot na primer letališča, pokošena trava,
betonske avtoceste …
1 0,030 52 Kmetijsko odprto območje brez ograj in živih
mej in z razširjenimi zgradbami.
''se nadaljuje''
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
''nadaljevanje''
1,5 0,055 45 Kmetijska območja s posameznimi hišami in z
8 m visokimi zaščitnimi živimi mejami s
približno 1.250 m vmesnih razdalj.
2 0,10 39 Kmetijska območja s posameznimi hišami in z
8 m visokimi zaščitnimi živimi mejami s
približno 500 m vmesnih razdalj.
2,5 0,20 31 Kmetijska območja z več hišami, grmičevjem
in rastlinami ali pa z 8 m visokimi zaščitnimi
živimi mejami s približno 250 m vmesnih
razdalj.
3 0,40 24 Majhna mesta, vasi, kmetijska območja z
velikimi ali visokimi zaščitnimi živimi mejami.
3,5 0,80 18 Velika mesta z visokimi stavbami.
4 1,60 13 Zelo velika mesta z visokimi stavbami in
nebotičniki.
Za dolžine hrapavosti, ki so enake ali manjše od 0,03 m, je
odvisnost med dolžino hrapavosti
in razredom hrapavosti definirana z enačbo:
𝑅𝜒 = 1,699823015 +𝑙𝑛 (𝜒0)
𝑙𝑛 (150) (3.1.1.1)
kjer je:
𝑅𝜒 – razred hrapavosti,
𝜒0 – dolžina hrapavosti (m).
Za dolžine hrapavosti nad 0,03 m je odvisnost med dolžino
hrapavosti in razredom hrapavosti
definirana z enačbo:
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
𝑅𝜒 = 3,912489289 +𝑙𝑛 (𝜒0)
𝑙𝑛 (3,333333) (3.1.1.2)
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
4 TEORIJA VETRNIH ELEKTRARN
Vetrne elektrarne se lahko postavijo v kateri koli dovolj velik
in odprt prostor. Vetrni parki so
komercialne naprave, za katere je potrebna optimizacija njihove
stroškovne učinkovitosti. To
je pomembno ne samo iz razloga, da se stroški investicije
pokrijejo, ampak da se ustvari tudi
dobiček. Za načrtovanje ekonomsko privlačnega projekta vetrne
energije je nujno, da imamo
zanesljivo znanje o značilnostih vetra, ki prevladuje v območju
postavitve vetrnih elektrarn. Iz
časovnih in finančnih razlogov so dolgoročna merilna obdobja
pogosto brez pomena. Kot
nadomestek se lahko uporabljajo matematične metode za
napovedovanje hitrosti vetra na
različnih lokacijah. Izračunane značilnosti vetra in podatki, ki
so povezani s proizvodnjo
energije, lahko služijo kot osnova za ekonomske izračune. Poleg
tega se lahko lastnosti
simulacije vetra uporabljajo za vzpostavitev korelacije med
merjenimi parametri vetra na
določeni točki in meritvami na bližnjih lokacijah z namenom
prepoznave režima vetra za
celotno območje.
Vetrna turbina je izraz, ki se pogosto uporablja za naprave z
vrtenjem kril, ki pretvarjajo
kinetično energijo vetra v uporabno obliko energije. Obstajata
dve osnovni vrsti vetrnih turbin
(Slika 4.1) glede na usmerjenost osi rotorja, in sicer turbine s
horizontalno (HAWT) in turbine
z vertikalno osjo (VAWT).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
Slika 4.1: Konfiguracija vetrne turbine
4.1 IZVEDBE VETRNIH ELEKTRARN
Glede na izvedbo delimo vetrne elektrarne v dve skupini:
Vetrne elektrarne z vertikalno osjo (Slika 4.2):
- Savonius,
- večelisna Savonius,
- skodelična,
- F-Darrieus,
- Δ-Darrieus,
- Giromil,
- Savonius F-Darrieus,
- Split Savonius,
- Magnus,
- Airfoil.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
Slika 4.2: Vetrne elektrarne z vertikalno osjo
Vetrne elektrarne s horizontalno osjo (Slika 4.3):
- enoelisna,
- dvoelisna,
- troelisna,
- ameriške večelisne,
- večelisne v obliki kolesa,
- Down-wind,
- Up-wind,
- Enfield-Andeau,
- multirotor,
- turbina na jadra,
- nasprotirotirajoča.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
Slika 4.3: Vetrne elektrarne s horizontalno osjo
4.2 ZGRADBA VETRNE ELEKTRARNE
Glavni elementi, ki tvorijo vetrno turbino, so: rotor,
menjalnik, generator, regulacijski sistem
ter gibljiva čeljust. Zgradba tipične vetrne turbine je podana
na Sliki 4.4 [9].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
Slika 4.4: Zgradba tipične vetrne turbine [10]
4.2.1 Rotor
Navadne vetrne turbine (dvo- ali trikrake vetrne turbine)
normalno obratujejo pri obodni
hitrosti od 50 do 70 m/s. Trikrake turbine pri teh vrednostih
dajejo najboljše izkoristke,
dvokrake turbine pa imajo 2–3 % slabši izkoristek. Zato raje
uporabljamo trikrake, saj so sile,
ki delujejo na rotor, bolj enakomerno razporejene in tudi
estetsko najbolje izgledajo. Lopatice
turbine so narejene največkrat iz poliestra in steklenih vlaken,
lesnega laminata ali lesa,
aluminija ali pa iz ogljikovih vlaken. Cena, modul elastičnosti,
teža in druge karakteristike so
predvsem odvisne od izbire materialov [9].
Pri izdelavi bolj kakovostnih lopatic se upošteva:
- visoko razmerje aerodinamičnih sil/upora za čim večji
izkoristek v celotnem območju
delovanja,
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
- čim boljša žilavost in mehanska vzdržljivost,
- majhna teža,
- nizka proizvodnja zvoka.
Turbine lahko montiramo proti vetru, lahko pa tudi obratno,
položaj turbine se praviloma sam
prilagaja smeri vetra. Graf (Slika 3.2) kaže, da moč vetrne
turbine raste s kubom hitrosti vetra
do neke vrednosti, za katero je bila zgrajena vetrna turbina
(obratovalna oz. nazivna moč) [9].
4.2.2 Mehanski prenos
Mehanska moč, ki jo turbina generira, se prenese na gred
generatorja s pomočjo mehanskega
prenosa. Deli mehanskega prenosa so: sklopka, menjalnik in
zavora. Za zvišanja vrtljajev
gredi rotorja je namenjen menjalnik, ki je dimenzioniran tako,
da lahko vzdrži visoke
dinamične sile, ki nastopajo, ko naprava deluje. Nekateri
konstrukterji zato poleg menjalnika
vključijo še dodatno vztrajnik, ki na te sile deluje kot dušilec
[9].
4.2.3 Generator
Pretvarjanje mehanske energije v električno se opravi s pomočjo
generatorja. Pri vetrnih
elektrarnah se skoraj izključno uporablja asinhronski generator.
Razlog za izbiro
asinhronskega generatorja je njegovo obratovanje z omrežjem. Pri
hitrosti vrtenja rotorja, ki je
večja od sinhronske, frekvenca toka ni nikoli višja od frekvence
v omrežju [9].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
4.2.4 Zavorni sistem
Ob visokih hitrostih vetra se pojavljajo sile znatnih veličin
(vetrna moč je sorazmerna tretji
potenci vetra). Zaradi tega v vsaki vetrni elektrarni obstajata
najmanj dva medsebojno
neodvisna zavorna sistema in oba imata sposobnost zmanjšanja
hitrosti turbine ali popolne
zaustavitve. Predvsem pri močnih vetrovih pride v uporabo
zavorni sistem (zmanjšanje
vrtljajev) ali pa med vzdrževalnimi deli (mirujoč sistem). Tudi
izpad električnega omrežja ter
izguba nasprotujočega vrtilnega momenta gredi lahko privede do
nevarnih hitrosti rotorja [9].
Pri regulaciji Cp (pitch control) spreminjamo na lopaticah
naklonski kot, pri čemer nam zasuk
vpadnega kota vetra na 0° ali celo v negativno stran povzroči
upočasnitev turbine. Kjer
uporabljamo drugačno regulacijo, npr. ''stall control'',
rotiranje lopatic rotorja ni možno, zato
pa so na koncu turbinskih lopatic navadno vgrajene zavorne
lopute, ki se ob aktivaciji
postavijo v položaj največjega zračnega upora. Mehanske zavore,
ki se ponavadi zaradi
manjših zavornih momentov nahajajo za menjalnikom, uporabljamo
za popolno zaustavitev
rotorja. Pri projektiranju zavor je predvsem treba paziti, da
kljub možni okvari sistem ostane
varen [9].
4.2.5 Čeljustni sistem
Horizontalno-osne turbine se lahko obračajo proti vetru, kar jim
omogoča čeljustni sistem.
Merilec vetrne hitrosti se nahaja na okrovu turbine
(anemometer). Te podatke nato pošlje
regulacijskemu sistemu, ta pa z motornim pogonom obrača
čeljustni sistem tako, da je smer
vetra pravokotna na površino turbine [9].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
4.2.6 Stolp
Naloga stolpa je držanje generatorja skupaj z vetrno turbino
(HWAT) na neki višini.
Zagotoviti mora tudi nemoteno delovanje in dobro stabilnost.
Stolpi so izdelani iz železa ali
betona. Večji betonski stolpi so navadno votli, v njih pa se
lahko povzpnemo do turbine oz.
generatorja. Stolpi morajo biti postavljeni na masivne temelje,
saj se pri prelahkih pojavi
problem resonančnih frekvenc, ki se pojavijo ob določenih
vrtljajih turbine [9].
4.2.7 Anemometer
Anemometer je naprava, ki nenehno daje informacije o smeri ter
hitrosti vetra. S hitrostjo
vetra sta pogojena vklop in izklop vetrne turbine. Zaradi vetra
se vrtijo skodelice vetromera.
Hitreje ko se vrtijo, več električne energije proizvaja majhen
generator in višja je vrednost, ki
jo lahko odčitamo na merilniku [9].
4.3 EKONOMIČNOST VETRNIC
Ekonomičnost vetrne elektrarne je odvisna od celotnih stroškov,
ki jih imamo z izgradnjo
vetrne elektrarne, stroškov obratovanja, vzdrževanja ter
dohodkov, ki jih imamo od prodaje
električne energije, proizvedene v življenjskem ciklu vetrne
turbine. Ocenjeni stroški
vzdrževanja in obratovanja so do ~2 % stroškov postavitve vetrne
elektrarne. Projektirana
življenjska doba vetrnih elektrarn je ~30 let. Ekonomski
izračuni se morajo tako vezati na
življenjsko dobo vetrnic, možnost odstopanja zaradi težkih
razmer in podobno [7].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
Če je investicija smotrna ali ne, lahko izračunamo s pomočjo
enačbe neto sedanje vrednosti
(NSV):
𝑁𝑆𝑉 =𝐷1
(1+𝑖)+
𝐷2
(1+𝑖)2+∙∙∙ +
𝐷𝑛
(1+𝑖)𝑛− 𝐼0 = (∑
𝐷𝑘
(1+𝑘)𝑘𝑛𝑘+1 ) − 𝐼0 (4.3.1)
kjer je:
𝐷𝑛 – bodoči donos (predviden prihodek od obratovanja vetrne
elektrarne),
𝑖 – diskontna stopnja (stopnja, s katero izračunamo sedanjo
vrednost prihodnjih
denarnih tokov),
𝐼0 – začetna investicija (ves predviden vložek v izgradnjo
vetrne elektrarne) [3].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
5 VETRNICE BREZ MENJALNIKA
Vetrnice ''direct drive'' so brez menjalnika. Namesto z
menjalnikom je rotor direktno povezan
z generatorjem, ki se vrti z enako hitrostjo kot lopatice.
Enercon in EWT (prej znan kot
Lergerway) sta proizvajala vetrne turbine brez menjalnika s
posebno vzbujenim električnim
generatorjem. Siemens proizvaja ''reverse generator'' 3 MW brez
menjalnika, medtem ko je še
vedno v razvoju generator moči 6 MW. Z namenom, da ima direktni
pogon generatorja manjše
število vrtljajev, se premer rotorja generatorja povečuje in
zato vsebuje več trajnih magnetov,
ki omogočajo, da se ustvari več energije pri nizkih navorih.
Turbine brez menjalnika so ponavadi težje kot navadne turbine z
menjalnikom. Raziskave EU,
imenovane ''Reliawind'', ki temeljijo na vzorcu večjega števila
turbin, so pokazale, da
zanesljivost prenosa ni glavni problem vetrnih turbin.
Zanesljivost vetrnih turbin z direktnim
pogonom je še vedno neznana, saj obstaja zelo malo primerov
takšnih turbin.
Strokovnjaki iz Tehniške univerze na Danskem (Technical
University of Denmark) ocenjujejo,
da lahko generator z menjalnikom in trajnimi magneti uporabi 25
kg/MW elementov redkih
zemeljskih elementov, kot je neodim (Nd), medtem ko generator
brez menjalnika uporabi 250
kg/MW.
V decembru 2011 je ameriško ministrstvo za energijo objavilo
poročilo, v katerem so
izpostavili resno pomanjkanje elementov redkih zemelj, kot je
neodim (neodim je lantanoid;
ime izvira iz grške besede neon in didymos, ki združena pomenita
'' novi dvojčki'' [6]).
Uporablja se v velikih količinah za trajne magnete v vetrnih
turbinah brez menjalnikov.
Kitajska proizvede več kot 95 % elementov redkih zemelj, medtem
ko podjetje Hitachi
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
razpolaga z več kot 600 patenti z neodimovimi magneti. Turbine z
direktnim pogonom
uporabljajo 600 kg trajnih magnetov na MW materiala, kar pomeni,
da se uporablja nekaj 100
kg trajnih magnetov iz redkih zemeljskih elementov na MW.
Vsebnost neodima je ocenjena na
31 % teže trajnih magnetov. Hibridni pogoni (pogoni med
direktnim in tradicionalnim)
uporabljajo precej manj redkih zemeljskih elementov. Medtem ko
trajni magneti vetrnih turbin
predstavljajo le okoli 5 % trga zunaj Kitajske, se njihov tržni
delež na Kitajskem ocenjuje na
25 % ali več [15].
5.1 DIREKTNI PRENOSNI MEHANIZEM
Direktni prenosni mehanizem je namenjen prenosu moči neposredno
iz motorja brez
predhodnih izgub (v menjalniku).
Prednosti:
- Večja učinkovitost: ni izgub moči pri trenju (jermena, verige,
posebej menjalnika itd.);
- Znižanje hrupa: enostavnost naprave – mehanizem z direktnim
pogonom ima manj
delov, ki vibrirajo in celotni sistem emisije hrupa je običajno
nižji;
- Daljša življenjska doba: manj gibljivih delov je vzrok za manj
okvar. Okvare v
sistemih najpogosteje povzročajo staranje komponent sistema ali
obremenitev;
- Visok vrtilni moment pri nizkem številu vrtljajev;
- Hitro in natančno določanje položaja: visok vrtilni moment in
nizka vztrajnost
omogočata hitrejše določanje položaja na sinhronskem
servopogonu. Povratne
informacije iz senzorja, neposredno na vrteči del, omogočajo
precizno kotno
pozicioniranje.
Slabosti:
- Največja pomanjkljivost tega sistema je, da potrebuje poseben
motor. Mehanizmi bi
morali imeti razmeroma velik vrtilni moment pri nizkih
hitrostih;
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
- Počasni motor mora biti fizično večji kot hitrejši
motorji;
- Mehanizmi z direktnim pogonom potrebujejo natančen mehanizem
nadzora. Motorji
visokih hitrosti imajo relativno visoko vztrajnost, ki sicer
pomaga h konstantnemu
vrtenju [4].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
6 PREDSTAVITEV MALIH VETRNIH ELEKTRARN
Vetrne elektrarne delimo glede na moč na:
- majhne (električna moč do 50 kW),
- srednje (od 50 kW do 500 kW) in
- velike (od 500 kW do 5 MW).
V komercialnih sistemih za pridobivanje električne energije se
uporabljajo predvsem velike
vetrne elektrarne, srednje pa v manjši meri. Majhne vetrne
elektrarne se uporabljajo za
pokrivanje individualnih potreb ali pa na lokacijah, kjer
električna energija ni dostopna zaradi
oddaljenosti od omrežja [1].
Slika 6.1: Sestavni deli male vetrnice [17]
Slika 6.1 prikazuje sestavne dele majhne vetrne elektrarne.
Sestavni deli so:
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
- generator z direktnim prenosom moči,
- doživljenjska doba ležajev ter
- rep za obračanje v smeri vetra.
6.1 SAMOOSKRBA IN PRODAJA
Za počitniške hiše je samooskrba primerna takrat, ko te niso
povezane na javno električno
omrežje (Slika 6.2). Električna energija, ki jo proizvaja vetrna
elektrarna, se shranjuje preko
regulatorja napajanja v akumulatorju. Nazivna napetost vetrnice
in akumulatorja mora biti
enaka (ponavadi 12 V ali 24 V). Inverter oz. vmesnik pretvarja
električno napetost na omrežno
napetost (220 V). Ko se baterije napolnijo, regulator napajanja
preusmeri električni tok na npr.
gretje sanitarne vode s pomočjo električnega grelca. Vso zeleno
energijo, pridobljeno na tak
način, tako izkoristimo [8].
Slika 6.2: Samooskrba hiše z vetrno energijo [8]
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
Sistem prodaje in samooskrbe pride v poštev samo na zelo
vetrovnih območjih. Z namestitvijo
večje vetrne turbine lahko proizvajamo več električne energije
kot jo sami porabimo. Presežek
električne energije odvajamo v električno omrežje (Slika 6.3).
Za namestitev omenjenega
sistema moramo pridobiti soglasje za priključitev na električno
omrežje, ki ga izda
distribucijsko podjetje. Za postavitev je potrebno gradbeno
dovoljenje [8].
Slika 6.3: Samooskrba in prodaja vetrne energije [8]
Turbine manjših velikosti, ki so primerne za široko potrošnjo,
so premera od 2,1 do 7,6 m in
lahko proizvedejo od 400 do 50.000 W električne energije.
Nekatere enote so zgrajene iz zelo
lahkih materialov in tehtajo okrog 16 kg. Te turbine so zelo
občutljive na majhne sunke vetra
[11].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
7 PREDLOG IZVEDBE
7.1 LOKACIJA POSTAVITVE
Zaselek Katun (789 m, 250 prebivalcev) je naselje v občini
Pljevlja v Črni Gori. Katun se
nahaja na vzhodni strani vasi Odžak, pri čemer obe naselji
pripadata občini Pljevlja. Zaselek je
oddaljen od glavne ceste Pljevlja–most Đurđevića Tara–Podgorica
zgolj 1,7 km. Lokacija
postavitve vetrne elektrarne bi bila pred mojo hišo, ki je dobro
dostopna in primerna za
namestitev elektrarne. Hiša stoji med travniki in naselji. Na
Sliki 7.1 vidimo posnetek vasi.
Slika 7.1: Vas Katun [12]
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
7.2 IZBIRA USTREZNE OPREME
Zaradi primernih lastnosti lokalnega vetra smo izbrali
nizkovetrno turbino AVENTA AV-47
(Slika 7.2) [1].
Slika 7.2: Vetrnica Aventa AV-47 [14]
Osnovni podatki:
Višina stolpa: 18,0 (m)
Premer rotorja: 12,9 (m)
AC nazivna moč: 6,5 (kW)
Vklopna hitrost vetra: 2,0 (m/s)
Nazivna hitrost vetra: 6,0 (m/s)
Izklopna hitrost vetra: 14,0 (m/s)
Emisija hrupa (na razdalji 50 m): < 30 dB
Rotor:
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
Premer: 12,9 (m)
Površina rotorja: 129 (m2)
Moč na m2: 50 (W/m
2)
Število lopatic: 3
Orientacija: horizontalna
Hitrost konic lopatic: 44 (m/s)
Stolp:
Višina: 18,0 (m)
Izvedba: cevna
Material: jeklo ali beton
Generator:
Izvedba: sinhronski generator s trajnimi magneti
Priklop na NN omrežje preko AC/DC pretvornika
Prenos moči:
Izvedba: prenos preko jermenov
Prestavno razmerje: 1:12
Nadzor in varnostni sistemi:
Nadzor hitrosti vrtenja: zasuk lopatic
Omejitev moči: zasuk lopatic
Mehanizem čeljusti: azimut kot
Zavorni sitem 1: električni
Zavorni sistem 2 (zasilno zaustavljanje): mehanski
Nadzor veličin: hitrost vrtenja, vibracije, temperatura
generatorja, izhod generatorja,
temperatura v celici
Varnostna naprava (50-letni sunek): 42 (m/s)
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
Teža:
Celica brez rotorja: 700 (kg)
Rotor: 470 (kg)
Lopatice: 117 (kg)
Stolp: beton: 12.500 (kg)
jeklo: 2.100 (kg)
Tabela 7.1: Prikaz proizvodnje električne energije za vetrno
turbino AV- 47 [14]
Letna povprečna hitrost vetra (m/s) Letna proizvodnja električne
energije (kWh)
2,5 8.000
3 12.000
3,5 16.000
4,0 20.000
4,5 24.000
Iz Tabele 7.1 je razvidno, da se pri spremembi zgolj za 2 m/s
zelo spremeni povprečna letna
proizvodnja električne energije. Znana je tudi obratovalna
karakteristika vetrne elektrarne, kar
je razvidno s Slike 7.3, ki nam pove, da je vključna hitrost
vetra pri 2 m/s (za črnogorske
razmere zelo primerno) in da nazivno hitrost vetra vetrnica
doseže pri 6,5 m/s. Izključna
hitrost vetra je pri 14 m/s.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
Slika 7.3: Obratovalna karakteristika vetrnice AV-47 [1]
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
33
8 EKONOMSKA UPRAVIČENOST IN IZRAČUN PROIZVODNJE
S programom RETScreen bomo izračunali, ali je smotrno graditi VE
v zgoraj omenjenemu
zaselku. Program RETScreen (Clean Energy Project Analysis
Software) je dostopen na uradni
spletni strani
(http://www.nrcan.gc.ca/energy/software-tools/7465). Program na
osnovi
značilnosti vetra in generirane vetrne energije podaja oceno
proizvodnje energije, stroškov,
prihrankov ter finančne sposobnosti in tveganja za različne
vrste tehnologij. Za izračune smo
uporabili turbino AVENTA AV-47, saj so njene lastnosti primerne
za lokalni veter. S
spreminjanjem različnih parametrov smo izvedli več primerov.
Slika 8.1 prikazuje začetno
stran projekta, kjer je bilo treba izpolniti podatke o projektu.
Pri vrsti projekta, ki jo zahteva
program, smo izbrali moč. Nato smo izbrali delovno tehnologijo
in označili vetrno turbino. V
nadaljevanju smo izmed dveh razpoložljivih metod izbrali drugo
metodo, saj nam ta omogoča
izračun proizvedene energije, finančne zmogljivosti, zmanjšanja
emisij in tveganja za različne
vrste tehnologij. Izbrana valuta je evro (€) in enota za dolžino
meter. Pri zadnji kategoriji smo
za naše primere izbrali lokacijo Titograd/Golubovci, ker je ta
najbližja lokaciji postavitve
vetrne turbine.
Program RETScreen je priporočen s strani podjetij, ki se
ukvarjajo z vetrno energijo, in ima
visoko oceno zaupanja. Da se popolnoma prepričamo, ali je
postavitev vetrne turbine smotrna
ali pa ne, je najbolje, če sami izvedemo meritve ali pa plačamo
nekoga, da jih izvede.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
34
Slika 8.1: Začetna stran projekta
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
35
Tabela 8.1: Meteorološki podatki za izbrano lokacijo iz programa
RETScreen
Iz Tabele 8.1 so razvidni meteorološki podatki za
Titograd/Golubovci na višini 10 m, ki jih
program vključi samodejno preko spletne povezave z bazo
meteoroloških podatkov. V vasi
Katun je povprečna hitrost vetra 2,6 m/s (to informacijo smo
pridobili iz knjige "Život na
selima oko Pljevalja", avtorja Vojina Čabarkape [19]).
Tabela prikazuje naslednje podatke: temperaturo zraka, vlažnost,
zračni tlak, hitrost vetra,
temperaturo tal ter podatek o najbolj vročem ter najhladnejšem
dnevu vsakega meseca v letu.
Nato izračunamo še povprečne vrednosti posameznih parametrov.
Tako je povprečna
temperatura 15,2 °C, povprečna vlaga 65,9 %, povprečna hitrost
vetra 2,6 m/s, povprečen
zračni tlak 94,0 kPa in povprečna temperatura tal 12,0 °C.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
36
Slika 8.2: Vnos začetnih podatkov
Podatki s Slike 8.2, dobljeni s pomočjo programa RETScreen, nam
pokažejo, da znaša hitrost
vetra v obravnavanem zaselku na višini 10 m 2,6 m/s.
Porazdelitveni eksponent je 0,25,
povprečna temperatura 15,2 °C in povprečni tlak 94,0 kPa. Višina
vetrne elektrarne je 18 m,
njena moč pa znaša 6,5 kW. Na višini 18 m je povprečna hitrost
vetra 3 m/s. Površina rotorja
je 129 m2, njegov premer pa 13 m. Vetrna elektrarna bo delovala
skozi leto 18,2 % in bo
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
37
proizvedla 10 MWh električne energije. Nakupna cena električne
energije v Črni Gori znaša
81,30 €/MWh (ta podatek smo dobili na spletni strani
Elektroprivreda Crne Gore [18]).
Slika 8.3: Vnos začetnih, investicijskih ter obratovalnih
stroškov
Slika 8.3 prikazuje ceno namestitve celotne vetrne turbine z
vključenim stroškom prevoza, kar
znese skupaj 16.634,00 €. Ne smemo pozabiti, da je vsakih 5 let
potrebna prenova in da ti
stroški znašajo okoli 400,00 €.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
38
Slika 8.4: Analiza škodljivih plinov
V Črni Gori znaša faktor zmanjševanja emisij 0,405 tCO2. Ker
vetrnica proizvede 10 MWh,
bomo tako emisije zmanjšali za 4,2 tCO2 na leto, kar je razvidno
s Slike 8.4.
Primer 1:
V prvem primeru (Slika 8.5) smo predvidevali, da ima vetrna
elektrarna 30-letno življenjsko
dobo. Vetrno elektrarno smo zgradili brez kredita. Predvidevali
smo, da se cene električne
energije naslednjih 30 let ne bodo spreminjale in da je stopnja
inflacije 0,5 %.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
39
Slika 8.5: Finančni parametri
Skupni stroški namestitve elektrarne znašajo 16.634,00 €.
Stroški prenove na vsakih 5 let
znašajo 400,00 €. Celotni dohodek je 841,00 €. Letni prihranek
je -343,00 €. Za diskontno
stopnjo smo vzeli 5,2 % (tolikšna je diskontna stopnja v Črni
Gori).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
40
Slika 8.6: Grafični prikaz finančnih izračunov
S Slike 8.6 je razvidno, da krivulja začne naraščati, prav tako
lahko vidimo padec krivulje
vsakih 5 let, in sicer zaradi remonta, ki znaša 400,00 €. Vidimo
tudi, da po 21,8 letih
odplačamo celotno vetrnico in začnemo poslovati pozitivno.
Interna stopnja donosnosti je 2 %
in je manjša od diskontne stopnje, ki znaša 5,2 %, zato v
obravnavanem primeru gradnja
vetrne elektrarne ni smotrna. Neto sedanja vrednost je -5.159,00
€ (če bi bila neto sedanja
vrednost pozitivna, bi bila gradnja objekta smotrna).
Primer 2:
V drugem primeru (Slika 8.7) smo predvidevali, da ima vetrnica
30-letno življenjsko dobo in
da vzamemo 10-letni kredit. Cena vetrne električne energije se v
teh letih naj ne bi spreminjala
in inflacija bi znašala 0,5 %.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
41
Slika 8.7: Finančni parametri
Skupni stroški znašajo 16.634,00 €. Redni stroški prenove so
400,00 € na vsakih 5 let. Celotni
dohodek je 841,00 €. Kredit znaša 4.990,00 €, obrestna mera pa
6,5 %. Tako bomo 10 let
odplačevali kredit po 694,00 €. Letni prihranek je negativen in
znaša -364,00 €. Za diskontno
stopnjo vzamemo 5,2 %.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
42
Slika 8.8: Grafični prikaz finančnih izračunov
S Slike 8.8 je razvidno, da se v prvih 10. letih krivulja ne
spremeni veliko, saj odplačujemo
kredit. Po tem obdobju začne krivulja naraščati, po 24,3. letih
začnemo poslovati pozitivno.
Vsakih 5 let opazimo upad zaradi prenove, ki znaša 400,00 €.
Interna stopnja je 1,6 % in je
manjša od diskontne, ki znaša 5,2 %, zaradi tega pa ne moremo
potrditi ekonomične
upravičenosti gradnje elektrarne. Neto sedanja vrednost je
-5.477,00 €.
Primer 3:
V tretjem primeru (Slika 8.9) smo predvidevali, da ima vetrnica
30-letno življenjsko dobo in
da vzamemo 10-letni kredit. Nakupna cena električne energije se
vsako leto povečuje za 2,5
%, inflacija pa ostaja enaka (0,5 %).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
43
Slika 8.9: Finančni parametri
Skupni stroški namestitve elektrarne znašajo 16.634,00 €. Redni
stroški prenove na vsakih 5
let so 400,00 €. Celotni dohodek je 841,00 €. Kredit znaša
4.990,00 €, obrestna mera je 6,5 %.
To pomeni, da bomo 10 let odplačevali kredit po 694,00 €. Cena
električne energije se vsako
leto povečuje za 2,5 %. Letni prihranek je negativen in znaša
-55,00 €. Diskontna stopnja
ostaja enaka 5,2 %.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
44
Slika 8.10: Prikaz finančnih izračunov
S Slike 8.10 je razvidno, da se prvih 10 let krivulja ne
spremeni veliko, saj odplačujemo
kredit. Po tem začne naraščati in po 18,4. letih odplačamo
celotno vetrno elektrarno in
začnemo poslovati pozitivno. Elektrarno odplačamo prej kot v
drugem primeru, zaradi
povečane cene odkupne električne energije 2,5 % vsako leto.
Vsakih 5 let opazujemo upad
dobička zaradi prenove, ki znaša 400,00 €. Interna stopnja je
4,8 % in je manjša od diskontne,
ki znaša 5,2 %. V tem primeru gradnja elektrarne prav tako ne bi
bila upravičena. Neto sedanja
vrednost je -825,00 €.
Primer 4:
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
45
Za ta primer (Slika 8.11) smo predvideli 30-letno življenjsko
dobo vetrne elektrarne, za njeno
izgradnjo bi vzeli 10-letni kredit. Cena električne energije se
30 let ne bi spreminjala,
spreminjala pa bi se stopnja inflacije, ki bi znašala 0,35
%.
Slika 8.11: Finančni parametri
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
46
Skupni stroški elektrarne znašajo 16.634,00 €. Redni stroški
prenove so 400,00 € na vsakih 5
let. Celotni dohodek je 841,00 €. Kredit znaša 4.990,00 €,
obrestna mera je 6,5 %. Tako bi 10
let odplačevali kredit po 694,00 €. Letni prihranek je negativen
in znaša -362,00 €. Spremenila
se je stopnja inflacije, ta znaša 0,35 %. Diskontna stopnja je
ostala enaka, in sicer 5,2 %.
Slika 8.12: Grafični prikaz finančnih izračunov
S Slike 8.12 je razvidno, da se krivulja v prvih 10. letih ne
spremeni veliko, saj še vedno
odplačujemo kredit. Šele nato začne naraščati in po 24,2. letih
odplačamo vetrno elektrarno ter
začnemo poslovati pozitivno. Elektrarno odplačamo prej kot v
drugem primeru, in sicer zaradi
upada stopnje inflacije na 0,35 %. Vsakih 5 let opažamo tudi
upad dobička zaradi prenove, ki
znaša 400,00 €. Interna stopnja je 1,6 % in je manjša od
diskontne (5,2 %). Tudi v tem primeru
gradnja elektrarne ne bi bila smotrna. Neto sedanja vrednost je
-5.445,00 €.
Primer 5:
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
47
Ta primer (Slika 8.13) pokaže, v kakšnih pogojih bi bila
postavitev vetrnice vendarle smotrna.
Predvidevali smo, da ima vetrnica 30-letno življenjsko dobo in
da smo vzeli 10-letni bančni
kredit. Cena električne energije pa naj bi se vsako leto
povečala za 3,5 %. Stopnja inflacije
ostaja enaka, in sicer 0,5 %.
Slika 8.13: Finančni parametri
Skupni stroški znašajo 16.634,00 €. Kredit znaša 4.990,00 €,
obrestna mera pa je 6,5 %. Iz
česar sledi, da bomo 10 let odplačevali kredit po 694,00 €.
Redni stroški bodo vsakih 5 let
znašali 400,00 €. Celotni dohodek bo 841,00 €. Cena električne
energije se bo vsako leto
povečala za 3,5 %. Letni prihranek bo znašal 112,00 €. Diskontna
stopnja pa ostaja enaka, in
sicer 5,2 %.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
48
Slika 8.14: Grafični prikaz finančnih parametrov
S Slike 8.14 je razvidno, da v prvih 10. letih krivulja narašča,
čeprav še odplačujemo kredit.
Po teh letih krivulja začne bolj strmo naraščati in po 17,1.
letu smo gradnjo elektrarne
odplačali, kar pomeni, da začnemo poslovati pozitivno. Vsakih 5
let opazimo upad zaradi
prenove, ki znaša 400,00 €. Interna stopnja je 6 % in je večja
od diskontne, ki je 5,2 %, kar
pomeni, da je projekt v tem primeru smotrn. Neto sedanja
vrednost znaša 1.678,00 €. Treba je
izpostaviti, da zgornji primer ni realen, z njim smo želeli
zgolj pokazati in dokazati, kdaj bi
bila gradnja smotrna oz. ekonomična.
Primer 6:
V tem primeru (Slika 8.15) smo spremenili višino stolpa vetrnice
z 18 na 50 m. S porastom
višine se povečuje hitrost vetra, in sicer znaša 3 m/s. Vetrna
elektrarna ima 30-letno
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
49
življenjsko dobo in za njeno gradnjo najamemo 10-letni kredit.
Cena vetrne energije se v teh
30. letih ne spreminja, inflacija pa prav tako ostaja enaka, in
sicer 0,5 %.
Slika 8.15: Finančni parametri
Ker nismo našli podatkov o tem, kolikšni bi bili stroški
podaljška, dolgega 32 m, smo
predvidevali enake stroške gradnje kot v prejšnjih primerih
(16.634,00 €). Redni stroški
znašajo 400,00 € na vsakih 5 let. Kredit znaša 4.990,00 €,
njegova obrestna mera pa je 6,5 %.
Tako bi 10 let odplačevali kredit po 694,00 €. Celotni dohodek
bi znašal 1.394,00 €. Letni
prihranek bi bil pozitiven in bi znašal 192,00 €. Diskontna
stopnja ostaja 5,2 %.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
50
Slika 8.16: Grafični prikaz finančnih parametrov
S Slike 8.16 je v prvih 10. letih viden dobiček zaradi povečane
hitrosti vetra. Po odplačanem
kreditu začne krivulja strmo naraščati. Po 13,9. letih je
gradnja odplačana in začnemo
poslovati pozitivno. Vsako leto opazimo upad dobička zaradi
prenove, ki znaša 400,00 €.
Interna stopnja je 6,9 % in je višja od diskontne, ki je 5,2 %.
V tem primeru se nam gradnja
splača. Neto sedanje vrednosti je 2.881,00 €. Stroške, ki
nastanejo zaradi povišanja stolpa,
nismo upoštevali. Če bi jih upoštevali, bi se pojavilo
vprašanje, ali bi realizacija projekta sploh
bila smotrna.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
51
Tabela 8.2: Primerjava primerov
Življenjska
doba
Kredit Stroški
remonta
Inflacija Povečanje
cene
vetrne
energije
Neto
sedanja
vrednost
Ali se
izplača?
1. primer
30 let
NE
400 €
0,5 %
0 %
-5.159 €
NE
2. primer
30 let
DA
400 €
0,5 %
0 %
-5.477 €
NE
3. primer
30 let
DA
400 €
0,5 %
2,5 %
-825 €
NE
4. primer
30 let
DA
400 €
0,35 %
0 %
-5.445 €
NE
5. primer
30 let
DA
400 €
0,5 %
3,5 %
1.678 €
DA
6. primer
30 let
DA
400 €
0,5 %
0 %
2.881 €
DA
Tabela 8.2 nam prikazuje, da gradnja vetrne elektrarne v vasi
Katun v prvih štirih primerih ni
smiselna. V zadnjih dveh primerih bi bila izgradnja ekonomična,
toda navedeni primeri v
praksi niso realni.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
52
9 PRIKLJUČITEV NA OMREŽJE
Elektrarna bo delovala na NN distribucijskem omrežju. Energija,
ki se ne bo porabila za lastno
porabo, se bo oddala v NN distribucijsko omrežje, kot je
razvidno na Sliki 9.1.
Slika 9.1: Priključitev na NN omrežje
Vetrna elektrarna ima moč 6,5 kW in jo priklopimo preko AC/AC
pretvornika. Generira se
izmenična napetost, ki je preko odklopnika sinhronizirana na 0,4
kV javno distribucijsko
omrežje. Priklop bo v naselju Katun, ki je od hiše oddaljen
približno 500 m. Priklop bomo
naredili s kablom, dimenzije 4 x 16 mm2, ki bo vkopan v zemljo.
Kabel ima dobro termično
obremenitev in je dobro izoliran. Merilna omarica in stikala
bodo nameščeni na stebru
vetrnice, v njej pa bo obračunsko mesto in glavno stikalo.
Ločilno mesto bo izvedeno na 0,4
kV napetostnem nivoju v novi NN priključno-merilni omarici z
odklopnikom. Pravilno
izvedena mora biti tudi ozemljitev objekta.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
53
Na Sliki 9.2 je prikazana priključitev MVE na NN omrežje.
Slika 9.2: Prikaz priključitve MVE neposredno na omrežje
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
54
10 SKLEP
Diplomska naloga je sestavljena iz splošnega dela in dela, kjer
je predstavljen projekt
izgradnje male vetrne elektrarne v vasi Katun - Odžak v občini
Pljevlja. V splošnem delu je
predstavljena zgodovina vetrnih elektrarn, predstavljene so
velike in male vetrne elektrarne in
pa vetrne elektrarne brez menjalnika oz. "direct drive" vetrne
elektrarne. Predstavili smo
njihovo sestavo ter tipe, ki jih lahko uporabimo. V drugem delu
pa smo govorili o ideji, katero
vetrnico bi bilo dobro uporabiti, o lokaciji vetrne elektrarne
ter o tipu vetrne turbine.
Predstavili smo tudi način priključitve na distribucijsko
omrežje. Uporabili smo program
RETScreen in nato izvedli 6 primerov ter jih med seboj
primerjali.
Zaradi majhne hitrosti vetra v štirih primerih gradnja
elektrarne ne bi bila smiselna, kar smo
ugotovili s pomočjo programa RETScreen. Izgradnja se nam v petem
primeru splača, a je ta
primer nerealen, saj bi se morala cena električne energije vsako
leto povečati za 3,5 %. V
šestem primeru, ki je realen, bi lahko poslovali pozitivno, a
ker nimamo cene podaljška stebra,
je tudi ta primer glede stroškov vprašljiv. Podana sta bila
podatka, da bi vetrna elektrarna na
leto lahko obratovala 1.594,32 ur ali 66,43 dni in da bi lahko
proizvedla 10 MWh. Lokacija
zaselka Katun je odigrala ključno vlogo, saj je znana po majhni
hitrosti vetra, ki znaša okoli
2,6 m/s na višini 10 m. Ugotovili smo, da v vasi Katun
postavitev vetrne elektrarne ne bi bila
smotrna, kot ne bi bila smotrna na nobeni lokaciji z majhno
hitrostjo vetra.
Črna Gora kot država hribov, neravnega reliefa in pomanjkanja
vetra nima veliko lokacij za
izgradnjo vetrnih elektrarn. Obstaja sicer nekaj krajev, kjer se
je začela gradnja vetrnih
elektrarn, kot sta Krnovo in Nikšić. V teh krajih je postavitev
vetrnih elektrarn smiselna zaradi
povprečne hitrosti vetra, ki znaša med 5,5 in 6,5 m/s. Toda
kljub temu menimo, da ima Črna
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
55
Gora veliko večji potencial obnovljivih virov energije iz sonca
in vode. Vodni potencial je v
tej državi zelo velik, toda ne dovolj izkoriščen.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
56
VIRI IN LITERATURA
[1] Zaveršnik, M. Upravičenost postavitve male vetrne elektrarne
v Spodnji Savinjski
dolini.
Diplomsko delo. Maribor: FERI, 2011. Dostopno na:
https://dk.um.si/Dokument.php?id=25260
&lang=slv [5. 7. 2016].
[2] Andrews J., Jelly N. Enery Science (Principles, tehnologies
and impact); New York:
Oxford, University Press, 2007.
[3] Sovič, B. Optimizacija oskrbe z obnovljivimi viri energije.
Magistrsko delo. Maribor:
FERI
2009. Dostopno na:
file:///C:/Users/Edin/Downloads/MAG_Sovic_Boris_1956.pdf .
[4] Direktni mehanski prenos. Dostopno na:
https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_drive_mechanism
[2. 9. 2016].
[5] Vetroturbine brez menjalnika. Dostopno na:
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Gearless_wind_turbine
[2. 9.
2016].
[6] Neodijum. Dostopno na:
https://sh.wikipedia.org/wiki/Neodijum [3. 9. 2016].
[7] Energija vetra. Dostopno na:
http://www.esvet.si/drugi-viri-energije/vetrna-energija
[4. 5. 2016].
[8] Samooskrba in prodaja. Dostopno na:
http://www.lontech.si/vetrne-elektrarne [4. 5.
2016].
[9] Vetrna turbina, wikipedija. Dostopno na:
https://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina
[13. 4. 2016].
https://dk.um.si/Dokument.php?id=25260file:///C:/Users/Edin/Downloads/MAG_Sovic_Boris_1956.pdfhttps://en.wikipedia.org/wiki/Direct_drive_mechanismhttps://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Gearless_wind_turbinehttps://sh.wikipedia.org/wiki/Neodijumhttp://www.esvet.si/drugi-viri-energije/vetrna-energijahttp://www.lontech.si/vetrne-elektrarnehttps://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
57
[11] Small wind turbin. Dostopno na:
https://en.wikipedia.org/wiki/Small_wind_turbine [5.
5. 2016].
[12] Katunova vas. Dostopno na:
https://www.google.com/maps/dir/43.2799915,19.3509109/43.2801487,19.3443995/@
43.2801753,19.3440608,579m/data=!3m1!1e3!4m2!4m1!3e1 [5. 8.
2016].
[13] Zgodovina Vetrnih elektrarn, wikipedija. Dostopno na:
https://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_energija [4. 6. 2016].
[14] Slika nizkovetrne turbine Aventa AV-47. Dostopno na:
http://www.aventa.ch/das-
leichtwindkonzept.html [6. 22. 2016] .
[15] Slika vetrnice. Dostopno na:
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine#/media/File:Wind_turbine_1888_Charles_
Brush.jpg [7. 4. 2016].
[16] Energija vetra. Dostopno na:
http://www.esco.rs/energija-vetra.html [11. 4. 2016].
[17] Slika 5.1 Sastavni deli male vetrnice
https://www.google.me/search?q=small+wind+turbine&sa=X&biw=1366&bih=667&t
bm=isch&tbo=u&source=univ&ved=0ahUKEwiIlpGlj8DMAhUFdCwKHSTODfsQs
AQIFw#imgrc=E6QDqq9QPKCC_M%3A [5. 4. 2016].
[18] Elektroprivreda Crne Gore. Dostopno na:
http://www.epcg.com/ [3. 5. 2016].
[19] Čabarkapa, V. Život na selima oko Pljevalja avtorja Vojina
Čabarkape. Leta 2005
[6.6. 2016].
https://en.wikipedia.org/wiki/Small_wind_turbinehttps://www.google.com/maps/dir/43.2799915,19.3509109/43.2801487,19.3443995/@43.2801753,19.3440608,579m/data=!3m1!1e3!4m2!4m1!3e1https://www.google.com/maps/dir/43.2799915,19.3509109/43.2801487,19.3443995/@43.2801753,19.3440608,579m/data=!3m1!1e3!4m2!4m1!3e1https://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_energijahttp://www.aventa.ch/das-leichtwindkonzept.htmlhttp://www.aventa.ch/das-leichtwindkonzept.htmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine#/media/File:Wind_turbine_1888_Charles_Brush.jpghttps://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine#/media/File:Wind_turbine_1888_Charles_Brush.jpghttp://www.esco.rs/energija-vetra.htmlhttps://www.google.me/search?q=small+wind+turbine&sa=X&biw=1366&bih=667&tbm=isch&tbo=u&source=univ&ved=0ahUKEwiIlpGlj8DMAhUFdCwKHSTODfsQsAQIFw#imgrc=E6QDqq9QPKCC_M%3Ahttps://www.google.me/search?q=small+wind+turbine&sa=X&biw=1366&bih=667&tbm=isch&tbo=u&source=univ&ved=0ahUKEwiIlpGlj8DMAhUFdCwKHSTODfsQsAQIFw#imgrc=E6QDqq9QPKCC_M%3Ahttps://www.google.me/search?q=small+wind+turbine&sa=X&biw=1366&bih=667&tbm=isch&tbo=u&source=univ&ved=0ahUKEwiIlpGlj8DMAhUFdCwKHSTODfsQsAQIFw#imgrc=E6QDqq9QPKCC_M%3Ahttp://www.epcg.com/
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
58
PRILOGE
PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE
VERZIJE
ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
59
PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA