UNIVERZITET U TUZLI FAKULTET ELEKTROTEHNIKE ENERGETSKA ELEKTROTEHNIKA ANALIZA EES I
SEMINARSKI RAD VJETROELEKTRANE
Semir Pandžić
Tarik Rahmanović
Mirza Mulić
Ajla Makul
Dino Haračić
Lejla Imamović
Dino Bošnjaković
Muamer Mehmedović
Almir Tokić
Emir Šehić
Armin Čizmić
Mario Piljić
Begić Irma
DECEMBAR, 2012.
1. Uvod 1.1 1.2 1.3 1.4
Važnost upotrebe obnovljivih izvora energije Počeci razvoja vjetroelektrane Davna istorija Moderna industrija vjetra
2. Uopšteno o potencijalu vjetra i priključenju VE na mrežu 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
Brzina vjetra Snaga vjetra Energija vjetra Kriteriji izbora mjesta rada vjetroelektrane i uvjeti prikljućenja na mrežu Tehnički i opšti uvjeti priključenja
3. Osnovni dijelovi vjetroelektrane 3.1 3.2 3.3
Lopatice, rotor Kočnica, prijenosnik snage Generator 3.3.1 Upravljački i nadzorni sistem 3.3.2 Oprema za zakretanje 3.3.3 Gondola i stup 3.4 Princip rada vjetroelektrane
4. Konstrukcijski oblici vjetroturbina 4.1
Podjela vjetroturbina 4.1.1 Vjetroturbine sa horizontalnom osi vrtnje 4.1.1.1 Vjetroturbine s dvije lopatice 4.1.1.2 Vjetroturbine s jednom lopaticom 4.1.1.3 Vjetroturbine s više lopatica 4.1.2 Vjetroturbine sa vertikalnom osi vrtnje 4.1.3 Darrieusova vjetroturbina 4.1.4 Cikloturbine
5. Tok projektovanja vjetroenergetskog sistema na mrežu 5.1 5.2 5.3
Ciljevi projektovanja vjetroenergetskog sistema Programiranje vjetroenergetskog sistema Priključak vjetroelektrane na mrežu 5.3.1 Priključak vjetroelektrane na distributivnu mrežu 5.3.2 Uticaj vjetroelektrane na elektroenergetski sistem 5.4 Mrežna pravila za vjetroelektrane 5.5 Oprema za priključak na mrežu 5.6 Uzemljenje vjetroelektrana 2
6. Generatori za vjetroagregate 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
Historijski razvoj vjetroagregata Osnovne relacije u vezi sa snagom vjetra Fiksna brzina vjetrenih turbina Promjenjljiva brzina vrtnje vjetrenih turbina Električni generatori 6.5.1 Generatori s promjenjljivom brzinom okretanja 6.5.2 Generatori s nepromjenjljivom brzinom okretanja 6.6 Izvedbe generatora za vjetroagregate 6.6.1 Asinhroni generator 6.6.1.1 Kavezni asinhroni generator (SCIG) 6.6.1.2 Asinhroni klizno-kolutni rotor (WRIG) 6.6.2 Sinhroni generator 6.6.2.1 Sinhroni generator sa klizno-kolutnim rotorom (WRSG) 6.6.2.2 Sinhroni generator sa stalnim magnetima (PMSG) 6.7 Konstantna brzina vrtnje i asinhroni kavezni generator 6.8 Turbina promjenjljive brzine vrtnje sa sinhronim ili dvostruko napajanim asinhronim generatorom 6.9 Turbina promjenjljive brzine vrtnje i sinhroni generator 6.10 Generator sa trajnim magnetima 6.11 Generatori sa supervodljivim (HTS) materijalima za vjetroagregate (novi trend)
7. Aerodinamička i mehanička načela vođenja i zaštite 7.1 7.2
Podešavanje položaja kola spram smjera vjetra Sistem zaštite od pobjega
8. Sistem upravljanja i nadzora vjetroelektrane 8.1 8.2 8.3 8.4
Zadatak upravljanja i nadzora vjetroelektrane Osnovno upravljanje vjetroelektrana Upravljanje radi optimiranja prenesene snage Sigurnosni nadzor vjetroelektrane 8.4.1 Zaštita od pobjega 8.4.2 Detektor vibracija 8.4.3 Ručno zaustavljanje 8.5 Radni nadzor vjetroelektrane 8.6 Bilježenje izmjerenih podataka 8.7 Primjer ostvarenja zadaća upravljanja i nadzora vjetroelektrane
9. Vođenje vjetroelektrane pri radu na mreži 9.1
Provedbe zadaća vođenja vjetroelektrane 3
10.Vođenje vjetroelektrane pri autonomnom radu 11.Ekonomija vjetroelektrana 11.1 Vjetroelektrane u službi razvoja 11.2 Vjetroelektrane u Bosni i Hercegovini
12.Ruža vjetrova u Bosni i Hercegovini 12.1 Trenutna situacija u svijetu i regionu sa osvrtom na Bosnu i Hercegovinu 12.2 Korištenje energije vjetra u Bosni i Hercegovini 12.2.1 Uvod 12.2.2 Prostorna raspodjela 12.2.3 Podaci mjerenja 12.2.4 Potencijalne lokacije za gradnju vjetroelektrana u Bosni i Hercegovini 12.2.5 Procjena prihvatnog kapaciteta potencijalnih lokacija za izgradnju vjetroelektrana u Bosni i Hercegovini 12.2.6 Prepreke korištenja energije vjetra u Bosni i Hercegovini 12.2.7 Zaključak i preporuke
13.Literatura
4
1.0 Uvod 1.1 Važnost upotrebe obnovljivih izvora energije Svijetu treba sve više i više energije. Stalni porast populacije za sobom donosi i konstantno veće potrebe za energijom i čovječanstvo je u kontinuiranoj potrazi za izvorima energije koji bi primjereno pokrili energetske potrebe. Postoje vremena kad se potražnja za energijom privremeno smanji (globalne financijske krize i globalne recesije), ali takvi događaji su prolazni i nakon što završe glad za energijom je opet sve veća i veća. Dugoročno gledano, potreba za energijom se cijelo vrijeme povećava. Trenutno svijet pokriva svoje energetske potrebe uglavnom neobnovljivim izvorima energije, većinom fosilnim gorivima – ugljenom, naftom i prirodnim plinom. Kao što i samo ime govori, ovi izvori energije nisu obnovljivi, a to znači da ne mogu trajati vječno te će u određenom trenutku biti potrošeni. Fosilna goriva su također vrlo štetna za okoliš zbog ispuštanja velike količine ugljičnog dioksida (CO2), zagađenja okoliša u obliku izlijevanja nafte u more te također zbog izazivanja smoga koji je vrlo štetan za zdravlje. Trenutno je možda najnaglašeniji negativni efekt fosilnih goriva globalno zatopljenje – možda najveći izazov s kojim se čovječanstvo srelo u svojoj kratkoj historiji. Velika većina stručnjaka se slaže da je sagorijevanje fosilnih goriva glavni krivac za globalno zatopljenje i to zbog ispuštanja ugljičnog dioksida koji je staklenički plin. Efekt staklenika u normalnim uvjetima omogućava ljudima život na Zemlji jer bi bez njega temperature bile znatno niže, ali prenaglašeni efekt staklenika mogao bi uništiti život na Zemlji. Ukoliko u atmosferu uđe previše stakleničkih plinova efekt staklenika će jačati i temperature će rasti, a to bi moglo pokrenuti negativnu seriju događaja koji će dodatno pojačati efekt staklenika (eng. runaway greenhouse effect). Vjeruje se da se to dogodilo na planetu Veneri gdje je koncentracija ugljičnog dioksida u atmosferi na ogromnih 96,5%, pa su zbog efekta staklenika temperature na površini i preko 460 °C. Zbog tih problema logično je potražiti bolje rješenje za energetske potrebe, a to su obnovljivi izvori energije. Mnogo energetskih stručnjaka vjeruje da cijene fosilnih goriva moraju snažno porasti prije nego se počne ozbiljno razmišljati o alternativnim izvorima energije. Na primjer, za naftu se smatra da mora biti iznad $100 za barel da bi se počele razmatrati alternative na globalnoj razini, jer je to granica na kojoj obnovljivi izvori energije postaju ekonomsko konkurentni nafti. Nažalost, čim je potražnja za naftom malo pala zbog globalne financijske krize, pale su i cijene nafte ispod barijere od $100 i time su ideje o alternativnim izvorima energije opet počele padati u zaborav i fosilna goriva su ostala i dalje izvori energije broj jedan. Ono što je zaista potrebno obnovljivim izvorima energije je da postanu ekonomski konkurenti i ovako „niskoj“ cijeni fosilnih goriva, jer će se u tom slučaju ekonomija znatno okrenuti prema čistoj energiji. Ekonomska konkurentnost obnovljivih izvora je još uvijek vrlo daleko u budućnosti, osim ako se iznenada ne počnu slijevati znatna sredstva u ovaj sektor. 5
1.2 Počeci razvoja vjetroelektrane Historija korištenja energije vjetra seže u doba kada su ljudi prvi put postavili jedra na brodove i time si omogućili daleka putovanja i isto tako svoje živote povjeriti u ruke tog nepredvidljivog izvora energije. Može se reći da je na neki način vjetar bio taj koji je pokrenuo eru istraživanja i omogućio prenos robe i dobara u neslućenim količinama na velike udaljenosti . Dugo vremena nakon prvih jedara uslijedio je korištenje energije vjetra za obavljanje mehaničkog rada u mlinovima i za pokretanje vodenih pumpi ( posebice u Holandiji, na srednjem zapadu SAD-a I u zabačenim djelovima Australije ). U modernim vremenima s dolaskom i izuma električne energije počinju se upotrebljavati u svrhu proizvodnje iste, no tek u zadnja dva desetljeća zbog sve većeg zagađenja okoliša počinju svoj značajan uzlet da bi danas to bilo jedan od glavnih izvora energije za blisku budućnost.
1.3 Davna historija Jedrenjaci kao prvi oblik korištenja energije vjetra postoje već najmanje 5500 godina i od tih davnih vremena do danas rade na istim principu koristeći čisti i svugdje dostupan izvor energije. Isto tako jedrenjaci su najvažniji oblik vodnog transporta u historiji čovječanstva s izuzetkom modernih vremena.
Slika 1. Prva izvedba vjetrenjače Prve vjetrenjače za praktičnu primjenu bile su u upotrebi u pokrajini između Afganistana i Irana najranije u 9. Stoljeću , a moguće već i u 7. Stoljeću. To su bile vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje i pravougaonim lopaticama s jedrima, a upotrebljivale su se za mljevenje i pumpanje vode. Njihova upotreba bila je raširena u srednjoj Aziji i na Bliskom istoku. Vjetrenjače s 6
horizontalnom osi vrtnje su ušle u širu primjenu u sjeverozapadnoj Europi početkom 1180-tih godina i bile su korištene za mljevenje. Mnoge stare Holandske vjetrenjače i danas postoje. U to doba vjetrenjače su se također koristile i za pumpanje morske vode za dobivanje soli u Kini i na Siciliji. Najstariji sigurni spomen jedne vjetrenjače s horizontalnim osi datiranja iz 1185. Godine u Weedley-u, Yorkshire, Velilka Britanija. Europske vjetrenjače s horizontalnom s horizontalnom osi su konstrukciski bile značajno različite od Afganistanskih i Iranskih vjetrenjača s vertikalnom osi vrtnje, te se smatra da su to dva neovisna i odvojena otkrića. U srednjevjekovnoj Velikoj Britaniji su lokacije vodotoka i samim time iskorištavanje energije vode obično bilo rezervisano za plemstvo, pa je time energija vjetra bila važan izvor energije za niži stalež. Prvu vjetrenjaču za proizvodnju električne energije (tj. Prvi vjetroagregat) je izradio prof. James Blyth u Škotskoj 1887. godine sa Anderson`s College-a, Glasow. Njegov vjetroagregat visine 10m s platnenim jedrima je postavljanjen u vrtu njegove vikendice i punio je akumulatore koji su davali energiju za osvjetljenje njegove kolibe. Time je to postala prva kuća na svijetu koja se napajala električnom energijom proizvedenom iz energije vjetra.
Slika 2. Prva vjetrenjača za proizvodnju električne energije
1887. godine u Clevelandu, SAD je Chrarles F. Brush dizajnirao i konstruirao veći i bolji vjetroagregat koji je izradila njegova inžinjerska kompanija, te ga postavila kod njegove kuće i koji je radio sve do 1900. godine. Njegov vjetroagregat imao je prečnik 17m i bio je postavljen na 18m visok stub, no unatoč visini razvio je snagu od samo 12kW, a okretao se relativno sporo i imao je 144 lopatice. Priključni generator je punio akumulatorsku bateriju, te pokretao do 100 sijalica ili neki od mašina u Brushovom labaratoriju.
7
1927. godine u SAD-u je osnovana kompanija Jacobs Wind koja je proizvodila vjetroagregate za korištenje na farmama. Oni su bili pretežno korišteni na farmama koje su bile udaljene od najbliže elektroenergetske mreže za punjenje akumulatora i osvjetljenje. U 30 godina proizvedeno ih je oko 30 000 i bili su korišteni i u zabačenim dijelovima Afrike pačak i na Antartiku. 1941. godine na mrežu je spojen prvi vjetroagregat snage preko 1 MW koji je bio postavljen na planini poznatoj kao Grandpa`s Knob u mjestu Castleton u SAD-u. Bio je to Smith Putnan vjetroagregat snage 1,25 MW koji je radio 1100 sati prije puknuća lopatice koja nije bila dovoljno ojačana na poznatoj slaboj tački zbog nedostatka materijala. Prvi sljedeći vjetroagregat slične snage i dimenzija postavljeni su tek nakon 40 godina, tako da je to bio prvi pionirski poduhvat.
1.3 Moderna industrija vjetra Moderno iskorištavanje vjetra koje poznajemo i danas je počelo u 1970-tim godinama kao odgovor na svijetsku naftnu krizu 1973. godine. Od 1973. do 1986. godine tržište vjetroagregata se razvilo od malih pojedinačnih vjetroagregata za upotrebu na farmama snage 1 do 25 kW sve do polja međusobno povezanih vjetroagregata (vjetroelektrane) koje su bile srednjih snaga od 50 pa sve do 600 kW. Vjetroelektrane izrađene u Kaliforniji su prestavljale veliku većinu instalirane snage svjetskih vjetroagregata sve do ranih 1990-tih. Na vrhuncu razvoja industrije vjetra u Kaliforniji je u 1980-tima bilo instalisano 17 000 vjetroagregata ukupne snage 1 700 MW koji su proizvodili preko 3 TWh električne energije godišnje, što je bilo dovoljno za napajanje grada od 3 000 000 stanovnika. Taj nagli razvoj industrije vjetra u Kaliforniji bio je neočekivani fenomen koji se desio uslijed povoljne ekonomske i zakonske klime.
Slika 3. Razvoj vjetroagregata u zadnjih 25 godina
8
No taj fenomen je ujedno pokrenuo industriju vjetra. Američki proizvođaći su već u to vrijeme nastupili sa vjetroagregatima velikih dimenzija i snage, sa različitim dizajnerskim rješenjima, no brzopletnost i nedovoljno ulaganje u razvoj tih rješenja rezultiro je cijelim nizom katastrofalnih, nesigurnih i neprimjenjivih vjetroagregata. S druge strane Danske kompanije sa klasični Danskim tipom vjetroagregata koji je i danas najrašireniji diljem svijeta su imale gotov, provjeren i certificiran proizvod od strane Risoe instituta (koji je i danas najpoznatiji svjetski institut za energiju vjetra). Naknadno se ustanovilo da su Danski vjetroagregati bili loše rješenje za visoke brzine vjetra u Kaliforniji. No kotačić je pokrenut i razvoj energije vjetra je uzeo maha te se do kraja 20. stoljeća samo ubrzavao, s tim da se težište proizvodnje i instalacije nove snage preselilo u sjevernu Europu koju se danas smatra kolijevkom modernih vjetroagregata i industrije vjetra. U 21. stoljeću, to jest U zadnjih 10 godina razvoj energije vjetra poprima neslućene razmjere, snaga pojedinačnih vjetroagregata se u manje od 20 godina povećala za 10 puta, a dimenzije su narasle više od dva puta. Danas se slobodno može reći da vjetar kao izvor energije krupnim koracima postaje jedan od uobičajnih izvora energije, te će u skorijoj budućnosti po svim kriterijima moći statiuz rame i čak i nadmašiti klasičme centralizirane izvore energije koje smo većinom koristili do sada.
2.0 Uopšteno o potencijalu vjetra i priključenju VE na mrežu 2.1 Brzina vjetra Strujanje vjetra najčešće je nestacionarno, zbog čega je neophodno obrađivati anemografske podatke (srednje satne vrijednosti) pomoću kojih se dobiva vjerovatnost pojave određene brzine vjetra. Zato je određivanje raspodjele učestalosti brzina vjetra od velikog značenja za obradu podataka mjerenja. Od postojećih teoretskih raspodjela opšte je usvojena Weibullova raspodjela brzine vjetra, prihvaćena kao dobra metoda za procjenu vjerovatnosti pojave vjetra određene brzine na datoj lokaciji. Osnovni oblik dvoparametarske Weibullove raspodjele pokazuje sljedeća jednačina:
𝑘 𝑣
𝑣 𝑘
𝑓(𝑣) = 𝑐 (𝑐 )𝑘−1 𝑒 −(𝑐)
(1.1)
C[m/s] - parametar mjere K
- parametar oblika
9
Funkcija raspodjele za sve brzine ima oblik: 𝑣 𝑘
𝐹(𝑣) = 1 − 𝑒 −(𝑘)
(1.2)
Na slikama prikazane su krive učestalosti brzina vjetrova za date c i k vrijednosti određenih lokacija. Anemografski podaci brzine vjetra koji bilježe srednje satne ili deset minutne vrijednosti brzine vjetra statistički se obrađuju u srednje mjesečne, sezonske i srednje godišnje vrijednosti. Izračunavanje srednje brzine vjetra za neki period provodi se prema formuli: 𝑉𝑠𝑟 =
∑ 𝑣𝑖 𝑡𝑖
(1.3)
∑ 𝑡𝑖
Slika 5. Učestanost brzine vjetra sj. Europe
Slika 6. Učestanost brzine vjetra u Splitu
Uveden je pojam srednje energetske brzine vjetra o čemu će bit riječi kod projektiranja VT. Pomoću eksponencijalnih zakona određuje se promjena brzine vjetra s visinom, prema izrazu ̅(𝑍2 ) = 𝑈 ̅(𝑍1 )(𝑍2 ) 𝑈 𝑍
𝑝
(1.4)
2
gdje su Z1 i Z2 visine nad tlom u m, U͞ srednje brzine vjetra, a eksponent p određuje se izrazom 𝑝=
1 𝑍2 𝑍0
(1.5)
ln √𝑍1·
U (1.5) Zo je parametar hrapavosti tla [m], koji se mijenja u skladu s vrstom terena. Tako se vrijednosti za Z0 kreću od 0,0001 za površinu mirnog mora, Z0 = 0.35-0.5 za pošumljen teren, do
10
Z0 =1,1-3 [m] za vrlo brdovit teren. U tabeli 1.1. prikazane su te vrijednosti prema danskim izvorima, a na slici 1.4, njihov utjecaj na promjenu brzine vjetra.
Slika 6. Prikaz terena područja Cape Verde (California) digitalnim putem
Slika 7. Promjena brzine vjetra s promjenom vrste terena na vidini od 10 m
Po logaritamskom zakonu brzina vjetra U2 na visini Z2 izračunava se pomoću poznate U1 na visini Z1, za hrapavost Z0 prema formuli ̅2 = 𝑈 ̅1 · 𝑈
𝑍2 ) 𝑍0 𝑍1 ln( ) 𝑍0
ln(
(1.6)
11
Kategorija terena 0 1
Vrsta terena Vodne površine Otvoreni i ravni prostori s rijetkim ratinjem i zgradama Poljoprivredna zemljišta s niskim zgradama na većim rastojanjima Urbanizirana područja, stabla drveća, seoska poljoprivredna poduzeća
2
3
Parametar hrapavosti 0-1 mm 1-3 cm
Relativna energija (na 50 m visine) 10 7
5-10 cm
5
30-40 cm
3
Tabela 1. Relativna energija u ovisnosti od vrste terena
Iz podataka za hrapavost za dati teren može se napraviti proračun i za planinska područja do 10 km dužine. Na brdovitim terenima, gdje vrhovi planina uvjetuju poremećaje pritiska i do polovice troposfere (ako se protežu više od 10 km u horizontali), stvaraju se složeni sistemi vjetrova. Za takve prilike postavljaju se matematički modeli kojima se opisuju složene konfiguracije i njihov utjecaj na poremećaje strujanja vjetrova. Dobiva se digitalizirana slika terena koja se koristi za numeričko modeliranje izračunavanja polja strujanja vjetrova.
2.2 Snaga vjetra Prema metodi srednje brzine vjetra, koju bi vjetar mogao predati jedinici površine diska turbine, izračunava se prema izrazu: 1
𝑃 = 2 𝜌𝑣 3 [W/m2]
(1.7)
U izrazu je p gustoća zraka [kgm3], a v[m/s] srednja brzina vjetra. Specifična snaga vjetra je, dakle ovisna o trećoj potenciji srednje brzine. Izračunavanje snage vjetra moguće je i pomoću teoretskih raspodjela te tabela kontigencije, odnosno trajanja brzina vjetra a prema jednačini
1
3
𝑃 = 2 𝜌𝑐 3 𝛤 (1 + 𝑘)[W/m2]
(1.8)
12
gdje je Γ - gama funkcija distribucije. Gustina zraka određuje se na temelju sezonskih i godišnjih vrijednosti apsolutne temperature T [K] i pritiska zraka p [Pa] prema izrazu:
𝑝
𝜌 = 0,3484 𝑇
[kg/m3]
Teškoća u određivanju potencijala vjetra na nekoj zadatoj lokaciji i visini, ako tu nisu obavljena višegodišnja mjerenja, svodi se na upotrebu metoda interpolacije na temelju podataka meteorološke stanice i korekcija za dati teren i visinu. Te se metode mogu koristiti ako nisu velike razlike terena zadanog mjesta i položaja meteorološke stanice. U Evropi se koriste tzv „Insovent“ mape u kojima se na bazi tih lokalnih podataka ucrtavaju crte, krive jednakih brzina vjetrova na visini od 10 m te unose brzine vjetrova na udaljenostima i po više kilometara. Meteorološka stanica 1. 2. 3. 4.
Strmac Senja Vir Split Marjan
5. Dubrovnik Ćilipi 6. Lastovo 7. Palagruža
Topografski podaci Brežuljkasti teren Krov visoke zgrade Ravan teren Kroz zgrade na šumovitoj uzvisini Aerodrom Na vrhu brežuljka obale Na vrhu stjenovite obale
Srednja godišnja brzina [m/s] 4.40 5.2 4.3 4.71
Srednja godišnja snaga [W/m2] 148.6 319.2 107.6 186
4.5
109
5.85
245.3
6.87
464.5
Tabela 2. Potencijali vjetra označenih mjesta na visini od 10 metara
13
Slika 8. Specifikacija gustine energije vjetra Lastova na 10 metara visine
Slika 9. Specifična energija Hrvatske na visini od 50 metara
14
1.3 Energija vjetra Trajanje snage vjetra izračunava se pomoću vremena trajanja svake pojedine brzine vjetra v i u intervalima ti. Ukupna godišnja specifična energija vjetra određene lokacije dobiva se sabiranjem pojedinih energija svih brzina vjetrova prema izrazu:
1
𝐸 = 2 𝜌 ∑ 𝑣3t
[Wh/m2]
(1.10)
Ako se pojedinačno za svaku brzinu, odnosno njezinu godišnju srednju vrijednost, izračuna pripadna specifična energija [kWh/m2] i podijeli s iznosom brzine [m/s], površina ispod krive prikazuje specifičnu gustinu energije po sezonama za označenu lokaciju.
1 1 (𝜌𝑉𝑠𝑟 3 ∑ 𝑡𝑖 ) = 𝜌 ∑ 𝑣 3 𝑡𝑖 2 2
1
∑ 𝑣 3 𝑡𝑖 3 𝑉𝑠𝑟 = [ ] ∑ 𝑡𝑖
Srednja energetska brzina izračunava se pomoću jednakosti energije.
15
Slika 10. Iznosi specifične energije vjetra po kontinentima
2.4 Kriteriji izbora mjesta rada vjetroelektrane i uvjeti priključenja na mrežu Prema iskustvima evropskog laboratorija Riso, koji je s drugim istraživačkim centrima za program EU utvrdila kriterije odabira mjesta VE, u nastavku se iznose uvjeti odabira mjesta postavljanja vjetroagregata, razrađeni u okviru četiriju glavnih tačaka.
1.
Kriterij energetskih potencijala vjetra
Glavni je odabir mjesta prema kriteriju dostupnog iznosa energetskih potencijala vjetra. Uspoređuju se energetske značajke vjetrova na više različitih mjesta: golo tlo, bez vegetacije, tlo s niskom vegetacijom i vodne površine te tlo pokriveno visokim rastinjem, čiji su utjecaji hrapavosti na energiju vjetra izneseni ranije, područja uz morsku obalu. Biraju se mjesta najvećih potencijala. Konačan izbor ovisi i o ostalim potrebama i ekonomskim kriterijima otkupa i uređenja tla i morske površine. 2.
Kriterij odabira zemljišta s gledišta ostalih potreba prema grupama
Zaštićene su zone površine određene za urbana područja (turistička i druga naselja), aerodromi, odmarališta ptica i vojni objekti, rezervati životinja, poljoprivredne plantaže, zone radija i TV. Udaljenost vjetroelektrana od urbanog područja ne smije biti manja od 300 metara.
16
3.
Kriterij gustine broja agregata na jedinici površine zemlje
Uključuje udaljenost između agregata koja se određuje prema proizvodu 7 x D T, što čini nužnu udaljenost na kojoj je zanemariv utjecaj međusobnih smetnji (DT - promjer radnog kola turbine). U svrhu većeg korištenja površine zemlje, lokacije dobrih potencijala vjetra, stavljaju se agregati vodoravnog stroja na 2-3 različite visine od tla kada se studijom strujanja u ovisnosti o veličini i tipu turbine te obliku tla određuju udaljenosti između njih i visinskih razina postavljanja vjetroagregata. 4.
Uvjeti izgradnje VE na morskoj površini
Nasute morske površine isturene uz obalu prikladna su mjesta za VE, jer ne zadiru u imovinske, najčešće privatne interese, što je također važno. Postavljanje vjetroagregata na morske dokove zahtijeva dubine mora veće od 10 m (za dok dubine gaza do 6 m). Za te lokacije na moru potreban je dogovor s preduzećem za plovne puteve, ribolovnim organizacijama, telekomunikacijama te vladom, zbog navigacije i ostalih razloga u nadležnosti vladinih organa. Proučavajući mogućnosti postavljanja vjetroagregata na morskim dokovima, Danci su npr. utvrdili 20 lokacija za 3 300 vjetroturbina s godišnjom proizvodnjom od 21 TWh/god na svom morskom prostoru.
2.5 Tehnički i opšti uvjeti priključenja -
Dijelovi za priključenje i ostala oprema za povezivanje s mrežom mora se odabrati i koristiti prema propisima elektroprivrednih i distributerskih organizacija, jer oni preuzimaju nadzor i održavanje, najčešće i financiranje izgradnje elektrana na vjetar.
-
Dijelovi opreme moraju sadržavati automatsku sklopku za potrebe isključenja iz mreže, bilo zbog funkcije mreže ili lošeg rada opreme.
-
Električna oprema vjetrosistema ne smije biti uzrokom poremećaja u mreži.
-
Osoblje elektrane na vjetar koje rukuje priključnom opremom mora biti stručno radi sporazumijevanja sa stručnim radnicima elektrodistribucije, odnosno elektroprivrede.
-
Odgovorne tehničke osobe imaju pravo isključiti iz mreže VE sustav u slučaju potrebe rekonstrukcije i rada na mreži.
-
Prava investitora (potrošača) u VE sustave, ako to nije Elektroprivreda, jesu olakšice, od investicijskih kredita do cijene električne energije koju kupuje, odnosno prodaje mreži.
17
-
Vjetroturbina je elektrogenerator koji se vezuje na mrežu pri sinhronoj brzini (pri dostatnoj brzini vjetra) a automatski se isključuje ako počne apsorbirati snagu iz mreže, a vlasnik VE, ako je i potrošač, prebacuje se automatski na mrežu.
-
Posebnim električnim uređajima sprečava se nagli tok električne struje kako ne bi došlo do poremećaja.
-
Promjena napona određena je međunarodnim standardima a ograničava se tiristorskom opremom.
-
Indukcijski generatori, koji rade pomoću mreže, redovito se ugrađuju u VT agregate.
-
Zaštita frekvencije nalaže toleranciju od 50 ± 1 Hz.
-
Preko naponska zaštita propisuje razinu prijelaza napona koje elektrogeneratori ne smiju prijeći.
-
Simetrija faza može se poremetiti ako je jedna od njih isključena više od 10-20 sekundi te zato postoje automatski priključivači.
3.0 Osnovni dijelovi vjetroelektrane
Slika 11. Osnovni dijelovi vjetroagregata
18
3.1 Lopatice i rotor Većina vjetroturbina ima sistem s dvije ili tri lopatice. S obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinamičnim kočnicama) ili s krilcima. Obje izvedbe su ujedno sekundarni kočni sustavi, koji u slučaju otkaza primarnog kočnog sustava (mehanička kočnica) stvaraju moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom površinom, te na taj način ograničavaju brzinu vrtnje. Sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glava i lopatice. Ovisno o tomekako reguliramo snagu, rotor može biti izveden: 1) Tako da se regulaciju ugla tijekom rada vrši zakretanjem lopatice, na načinda se profil namješta u optimalni položaj. Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primjenjivi za lopatice duže od 25-30 m. 2) Tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinamičnogefekta poremečenog trougla brzina. Dakle, s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu ugao struje zraka, odnosno dolazi do poremečaja trougla brzina te do porasta ili gubitaka uzgona, pri čemu lopatice nemaju mogučnost zakretanja. Međutim, kako je vjetroturbina projektirana za neko područje brzina, lopatice imaju unaprijed namješten ugao za dotično područje brzina radi veće efikasnosti.
3.2 Kočnica i prijenosnik snage Kada generator ispadne iz mreže, odnosno brzina naleta vjetra prijeđe maksimalnuvrijednost (isključnu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do izrazitog dinamičkog opterećenja te mora postojati kočni sustav kako bi rasteretio prijenosnik snage, odnosno zaustavio rotor.Osim toga, bitno je reći da je također zadatak ovog sistema održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno osigurati sistem čije je djelovanje dinamički uravnoteženo. Disk kočnica je najčešća izvedba kočnog sustava (kojom se na suvremenim strojevima upravlja mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnoj osovini prije prijenosnika ili na brzookretnoj osovini generatora. Prijenosnik vjetroturbine spaja sporookretnu s brzookretnom osovinom i povećava brzinu vrtnje s oko 30 - 60 o/min na oko 1200 - 1500 o/min to jest na brzinu vrtnje, za većinu generatora, nužnu za stvaranje električne energije. Prijenosnik je u većinislučajeva multiplikator i može biti različitih izvedbi. Hlađenje prijenosnika se najčešće vrši zrakom, a podmazivanje sintetičkim uljem. Prilikom analiziranja načina na koji se vrtnja prenosi s vjetroturbinskog dijela na električni generator, naročitu važnost zauzimaju materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prijenosni omjer. Prijenosnik je skup i težak dio vjetroturbine pa zbog toga inženjeri istražuju mogučnost izravnog pogona generatora bez prijenosnika. 19
3.3 Generator Turbinski dio vjetroelektrane s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage predstavljavažan dio cjelokupnog sistema, čija je osnovna funkcija pogon generatora. Za pravilno i sigurno funkcioniranje čitavog vjetroturbinsko - generatorskog sistema, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: - Visok stupanj iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja - Izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sistema - Izdržljivost,odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri ukljućivanju i iskljućivanju generatora. Uzimajući u obzir uvjete povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i slićne uvjete, pred generatore se također postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se moze izvršiti podjela generatora. Tako na primjer prema naćinu rada generatori se mogu podijeliti na one: - Za paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom - Za samostalni rad - Za spregnuti rad s drugim izvorima. Prema vrsti struje mogu biti istosmjerni ili izmjenični. Istosmjerni se zbog problema pouzdanosti rijetko primjenjuju. Prema načinu okretanja s promjenjljivom ili s nepromjenjljivom brzinom okretanja uz zadržavanje iste frekvencije.
3.3.1 Upravljački i nadzorni sistem Služi za zakretanje turbinsko-generatorskog sistema. Nalazi se ispod kučišta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko puznog prijenosa (omjera reda veličine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom, učvršćenim na stupu, izravnava se os osovine rotora s pravcem vjetra. Zakretanje zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje zakretanje kućista zbog naleta vjetra. Zakretanje kućista regulira sistem koji je izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset minuta dogodi se zakretanje kućista).
20
3.3.2 Oprema za zakretanje Služi za zakretanje turbinsko-generatorskog sistema. Nalazi se ispod kučista vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko pužnog prijenosa (omjera reda velicine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom, učvršćenim na stupu, izravnava se os osovine rotora s pravcem vjetra. Zakretanje zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje zakretanje kučista zbog naleta vjetra. Zakretanje kučista regulira sistem koji je izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset minuta dogodi se zakretanje kučista).
3.3.3 Gondola i stup Kućiste s jedne strane štiti generatorski sistem sa svim komponentama od okolišnihutjecaja, a s druge štiti okoliš od buke dotičnog sistema. Može biti izveden kao cjevasti, konusni, teleskopski, rešetkasti, učvršćeni ili povezani. Danas se najćešće koristi cjevasta konstrukcija, a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke čvrstoće karakterizira i veća otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti, a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i montažu.
3.4 Princip rada vjetroelektrana Pojam vjetroelektrana podrazumijeva sistem za transformaciju energije prolazne zraćne mase odnosno vjetra u električnu energiju posredstvom vjetroturbine i električnog generatora. Na slici 12. prikazan je osnovni princip rada vjetroagregata.
Slika 12. Osnovni princip rada vjetroagregata
21
Budući da vjetar predstavlja izrazito promjenjivi energetski resurs koji se ne može uskladištiti, potrebno je utvrditi uvjete pogona sistema za pretvorbu energije vjetra u električnu energiju. Općenita šemadjelovanja vjetroelektrane prikazana na slici 13. obuhvata elemente koji se projektiraju obzirom na tri oblika energije: energiju vjetra, mehaničku energiju te električnu energiju. Vjetroturbina koja može imati jednu ili vise elisa, služi za transformaciju energije vjetra u mehaničku energiju. Ako se u obzir uzmu razina buke i vizualni efekt, izvedba s tri elise predstavlja najčešće rješenje. Pored toga, dinamikom rotora s tri kraka je najlakše upravljati. Inercijski moment trokrakog rotora prema tornju ne mijenja se tijekom 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 uobićajeno u sebi uključuje mjenjačku kutiju s prijenosnikom pomoću kojeg se niza 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 1 500 okretaja u minuti (rpm). Budući da se rotor okreće brzinom od 30-50 rpm, potrebna je upotreba prijenosnika. S prijenosnikom 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 prijenosnika manifestira se u obliku topline i buke.
Slika 13. Općenita šema djelovanja vjetroelektrane
22
Neke vjetroturbine u svojoj opremi sadrže i sistem za upravljanje uglom zakreta elisa pomoću kojeg se može vršiti regulacija izlazne snage. Vjetroelektrana u izvedbi s promjenjivom brzinom vrtnje prikljućuje se na mrežu pomoću sučelja zasnovanog na energetskoj elektronici. Jedinica za kompenzaciju jalove snage može u sebi uključivati uređaj za korekciju faktora snage te filtre za više harmoničke članove. Rasklopna oprema treba biti projektirana na naćin koji omogućava glatko priključenje na mrežu. Konačno, upravljački sustav vjetroelektrane moze biti izveden s razlićitim stepenima složenosti.
4.0 Konstrukcijski oblici vjetroturbina Vjetroturbine spadaju u rotacijske mašine na strujanje jer njihov rotor u kojem se vrši pretvorba energije vrši rotacijsko gibanje. Vjetroturbina je izložena slobodnoj struji zraka to jest kinetičkoj energiji vjetra iz okolnog vjetroenergetskog polja. Ta se energija u kolu turbine pretvara u okretni moment vratila. Vjetroturbine su hladnemašine, to znači da se u njima pretvara energija prirodnog fluida koji ima temperaturu okoline. Glavna karakteristika vjetra kao pogonskog fluida jest njegova obnovljivost. Nakon što zrak napusti sistem kojem je predao energiju vraća se u okolinu nepromijenjenih fizičkih i hemijskih svojstava. Preostala energija fluida na izlazu iz turbine dovoljna je da on napusti sistem.
4.1 Podjela vjetroturbina Vjetroturbine možemo podijeliti prema položaju osi vrtnje:
Uobičajene vjetroturbine imaju horizontalno postavljenu osu vrtnje i zbog toga se nazivaju vjetroturbine s horizontalnom osi vrtnje ili VSHO (eng. HAWT). Manje poznate vjetroturbine imaju vertikalnu os vrtnje i nazivaju se vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje ili VSVO (eng. VAWT). Da bi se razjasnila razlika između ove dvije vrste vjetroturbina potrebno ih je detaljnije opisati.
4.1.1 Vjetroturbine sa horizontalnom osi vrtnje (VSHO) Rotor ovih turbina postavljen je horizontalno na vrhu stupa. Lopatice koje zahvataju vjetar moraju biti usmjerene u njega. Generator ovih turbina obično se postavlja na vrh stupa u trup zajedno s multiplikatorom ako je on potreban (ovisno o tipu električnog generatora). Multiplikatorom povećavamo brzinu vrtnje ukoliko je brzina vrtnje lopatica premala za proizvodnju električne energije. Visina stupa vjetroturbine iznosi oko 1,5 do 2 promjera lopatica zbog toga da bi turbina mogla hvatati vjetrove veće brzine na većim visinama. Ove vjetroturbine moraju imati mogućnost 23
zakretanja trupa zbog zahvatanja vjetra iz različitih smjerova pa tako manje izvedbe imaju jednostavna krilca koja usmjeravaju vjetroturbinu u pravom smjeru dok veće imaju servo motor povezan s senzorom. Postoje dvije izvedbe ovakvih vjetroturbina. Jedna izvedba je sa stupom iza lopatica dok je druga izvedba sa stupom postavljenim ispred njih. Izvedba sa stupom ispred lopatica ima prednost jer joj nije potreban mehanizam za zakretanje zbog toga što se trup sam postavlja prema vjetru. Za velike turbine ovo nije najbolje rješenje zbog toga što se gornji dio može zakrenuti mnogo puta u istom smjeru i stvoriti probleme s vođenjem kablova kroz stup (četkice ne dolaze u obzir u ovom slučaju jer se struje kreću i do 1000 A). Još važnijaprednost je to što ovakve izvedbe podnose jače vjetrove zbog mogućnosti većeg savijanja lopatica bez opasnosti da će dodirnuti stup. Osim toga ovakva konstrukcija je uglavnom lakša. Glavna mana ove izvedbe jest to što lopatice prolaze kroz turbulenciju nastalu od tornja što pridonosi velikom opterećenju lopatica.
Slika 14. Izvedba sa stupom ispred lopatica
Slika 15. Izvadba sa stupom iza lopatica
Izvedba sa stupom postavljenim iza lopatica najčešće se koristi. Prednost ovakve izvedbe je ta što izbjegava sjenu vjetra iza stupa. S druge strane postoji malo utjecaja od turbulencije oko stupa pa tako pri svakom prolasku lopatice ispred stupa dolazi do laganog pada snage. Glavna mane ove izvedbe je ta što rotor turbine mora biti izveden kruto i udaljeno od stupa, što povećava troškove izvedbe. Također uređaj za prilagođavanje smjeru vjetra je obavezan.
24
4.1.1.1 Vjetroturbine s dvije lopatice Broj lopatica rotora kod horizontalnih vjetroturbina ima veliki utjecaj na njihove karakteristike. Uobičajena vjetroturbina s tri lopatice naziva se klasični Danski koncept. Prema tom konceptu ocjenjuju se ostali jer se pokazao kao najbolje rješenje. Te turbine koriste asinhrone generatore. Neparni broj lopatica u odnosu na parni pokazao se kao bolje rješenje zbog uravnoteženosti konstrukcije. Uštedom na jednoj lopatici dobivamo potrebu za većom brzinom vrtnje da bi dobili jednaku količinu energije kao vjetroturbina s tri lopatice. Veće brzine povećavaju razinu buke. Osim toga ovakva izvedba zahtjeva složenije učvršćenje lopatica za trup jer im se mora dopustiti mali ugao zakretanja u vertikalnoj osi da bi se izbjegla velika naprezanja pri prolasku lopatice ispred stupa.
4.1.1.2 Vjetroturbine s jednom lopaticom Unatoč još većoj uštedi zbog smanjenja broja lopatica ovakva izvedba nije se pokazala dobrom. Javlja se još veća buka, i potreba za protu utegom na suprotnoj strani lopatice.
4.1.1.3 Vjetroturbina sa više lopatica Ovakve se vjetroturbine koriste na farmama za pogon pumpi za vodu. Brzina vrtnje je mala. Imaju velik moment pokretanja ali malu ukupnu učinkovitost. Izvedba je jednostavna i robusna.
Slika 16. Vjetroturbina s više lopatica
4.1.2 Vjetroturbine sa vertikalnom osi vrtnje (VSVO) Položaj vratila ovakve izvedbe vjetroturbine je vertikalan, zbog toga se generator nalazi u podnožju i time je toranj manje opterećen. Prednost u odnosu na horizontalne vjetroturbine je to što se ove vjetroturbine ne moraju usmjeravati u vjetar. U posljednje vrijeme pojavilo se mnogo izvedbi ovakvih vjetroturbina. 25
4.1.3 Darrieusova vjetroturbina Osnovna izvedba ove vjetroturbine pojavila se 1927. godine. Francuski inženjerzrakoplovstva Georges Jean Marie Darrieus patentirao je svoju vertikalnu vjetroturbinu prema kojoj su kasnije nastale druge izvedbe.
Slika 17. Darrieusova vjetroturbina
Oko rotirajućeg vratila raspoređene su lopatice aerodinamičnog profila. Ovakva izvedba jednako je učinkovita, neovisno o smjeru puhanja vjetra, u odnosu na konvencionalne vjetroturbine. Brzina vrtnje ove izvedbe je uglavnom puno veća od brzine vjetra. Princip rada Darrieusove turbine je slijedeći: Pretpostavlja se da vjetar koji nailazi na lopaticu puše ravno. Lopatice se vrte mnogo brže u odnosu na brzinu vjetra pa je tako omjer brzine vrha lopatice > 3. Slika 18. prikazuje vektor brzine lopatice u različitim položajima u odnosu na vjetar. S tako visokim omjerom lopatice će “rezati“ vjetar s malim napadnim uglom. Rezultirajuća sila uzgona pokreće rotor, dok je sila otpora uvijek suprotnog smjera. Sila uzgona pada na nulu s lijeve strane (na 0° ) ,a s desne se (na 180° ) lopatica pokreće u smjeru vjetra pa je u toj poziciji moment je negativan. Kada je lopatica tačno ispred (na 90° ) i odzada (na 270° ) komponenta uzgona je mnogo veća od komponente otpora pa se proizvodi pozitivan moment. Ukupni moment po obrtaju biti će pozitivan pa će se tako rotor vrtjeti u pravom smjeru.
26
Slika 18. Vektor brzine lopatica u različitim položajima
Ovakvoj izvedbi vjetroturbine potrebna je pomoć pri pokretanju jer moraju postići određenu brzinu vrtnje prije nego što se počnu same vrtjeti. Pri malim brzinama Darrieusova turbina ima vrlo mali moment pa se vrlo lako zaustavlja zbog trenja u sistemu. H-tip Darrieusove turbine Jedan od poznatih izvedbi je H-tip kod kojeg su lopatice postavljene paralelno s obzirom na osu vrtnje. U odnosu na uobičajenu Darrieus turbinu ovo je jednostavnija izvedba no problem je u tome što je masa lopaticama pomaknuta u odnosu na simetralu tornja. Iz tog razloga lopatice moraju biti čvršće.
Slika 19. H-tip turbine 27
4.1.4 Cikloturbine Ova izvedba vjetroturbine ista je kao H-tip a razlika je u tome što lopatice imaju mogućnost zakretanja oko svoje osi. To omogućuje lopaticama postavljanje u položaj tako da uvijek imaju neki ugao napada vjetra. Glavna karakteristika ovog tipa turbine sa tri ili četiri lopatice je ta što je moment približno konstantan. Zbog sistema zakretanja dobiva se skoro maksimalni mogući moment što pridonosi povećanju korisnosti ovakve vjetroturbine, a to znači da dobivamo više energije. Pozitivna karakteristika jest mogućnost samopokretanja okretanjem lopatica u optimalan položaj da bi se generirala dovoljno velika sila uzgona za pokretanje. S druge strane, mehanizam za zakretanje je kompleksan i zahtjeva neku vrstu senzora za određivanje smjera vjetra.
Slika 20. Šema sistema za okretanje lopatica Tip sa spiralnim lopaticama Lopatice Darrieusove turbine mogu tvoriti spiralu npr. tri lopatice zakrenute za 60° . Vjetar može imati dobar napadni ugao na lopaticu s obje strane turbine neovisno o položaju u kojem se lopatica nalazi. Razlog tome je upravo spiralni oblik lopatica. Moment je tako ujednačen tijekom cijelog okreta i nema pulsacija, a kako se aksijalne sile poništavaju opterećenje na ležajeve je manje u odnosu na ostale tipove Darrieusovih turbina. Ovakav oblik također smanjuje otpor rotaciji. Još jedna povoljna karakteristika ovog oblika turbine jest mogućnost 28
hvatanja turbulentnih struja kakve se pojavljuju iznad krovova objekata. Osim toga problem samopokretanja je otklonjen.
Slika 21. Spiralna vjetroturbina Osim vertikalnih izvedbi postoje i horizontalne izvedbe Darrieusove vjetroturbine što uvelike olakšava i proširuje njihov spektar primjene. Prednost je u tome što su ležajevi bolje smješteni na konstrukciji i time su manje aksijalno opterećeni. Ovakvom izvedbom konstrukcija se smješta na određenu visinu na kojoj hvata jednoliko raspoređenu brzinu vjetra pa je time izbjegnut problem malih brzina na dijelu turbine koji se nalazi pri tlu. Negativan aspekt ove izvedbe jest nemogućnost hvatanja vjetra iz svih smjerova (kao i kod VSHO) pa se spektar njihove primjene smanjuje. Slika 22. Horizontalna izvedba na objektu
Slika 23. Horizontalna izvedba iznad puta
29
Savoniusova vjetroturbina Ova vjetroturbina zamisao je finskog inženjera Sigurda J. Savoniusa. Ovo je prva izvedba vertikalne vjetroturbine, a nastala je 1922. godine. Ponekad može imati i tri lopatice.
Slika 24. Savoniusova vjetroturbina Ovakav tip vjetroturbine radi na principu potisne sile. Gledajući presjek, turbina ima oblik slova S. Zbog zaobljenja lopatica ima manji potisak kada se pomjera protiv vjetra s ispupčenim dijelom nego kada se giba s vjetrom uleknutim dijelom. Na taj način potisak je uvijek jači u jednom smjeru i dolazi do rotacije. Zbog ovakvog principa rada ove vjetroturbine daju puno manje energije nego uzgonske turbine iste veličine. Slika 26. Princip rada Savoniusove vjetroturbine
30
Ovakve vjetroturbine vrlo su jednostavno izvedene pa se koriste u slučajevima kada su cijena i pouzdanost bitniji od učinkovitosti, npr. anemometar. Još jedna upotreba ovog principa pojavljuje se na vrlo poznatom Flettner ventilatoru. On se koristi na krovovima kuća ili autobusa i služi ventilaciji prostora, pogoni ga snaga vjetra. Također se ponekad mogu uočiti reklamne oznake u obliku ove vjetroturbine, cilj im je rotacija reklamnog znaka kojom se privlači pažnja. Postoji i izvedba ovakve turbine kod koje su lopatice spiralno zakrenute po dužini pa se na taj način dobiva ujednačeni moment na vratilu.
5.0 Tok projektovanja vjetroenergetskog sistema na mrežu 5.1 Ciljevi projektovanja vjetroenergetskog sistema Tri cilja projektiranja obrazložena u nastavku međusobno se razlikuju prema potrebnim ulaznim podacima i toku projektiranja. 1. Iskorištenje raspoloživih potencijala energije vjetra lokacije, regije ili zemlje radi podrške postojećem elektroenergetskom sistemu u paralelnom radu s drugim elektranama, naročito s hidroenergetskim elastičnim sistemom. Vjetroelektrane Danske, skandinavskih zemalja te Engleske, rade u elektroenergetskom sistemu svoje ili susjedne zemlje (Danska - Švedska), skupa sa HE zbog mogućnosti njihova elastičnog ulaska u sistem za vrijeme nedostatnih potencijala vjetra. To doprinosi uštedi akumulacije vode HE pri velikoj raspoloživoj energiji vjetra. U nas se porast potrošnje električne energije poklapa s najvećom raspoloživosti energije vjetra. Prethodni podaci za postizanje cilja jesu:
Geološko-urbanistički podaci radi odabira broja i veličine lokacija za izgradnju VEulazni podaci meteoroloških mjerenja na odabranim lokacijama i više visina nad tlom (10-50 m) potrebnih za izračunavanje potencijala energije vjetra. Prethodni proračun očekivane energije Izbor tipa i veličine agregata VE za danu lokaciju Izbor broja (agregata), jedinica VE Izračun specifične i ukupne očekivane energije na izlazu iz VE.
2. Korištenje energije vjetra iz VE u kombiniranom sustavu s drugim prirodnim izvorima (sunčana elektrana SE) na razini potrebne potrošnje ograničenih potrošača lokalne električne mreže uz priključak na integralni elektrosistem radi podmirenja potreba u intervalima vremena nedostatne raspoloživosti prirodnih izvora i preuzimanja neplaniranih viškova VE i SE od mreže.
31
3. Korištenje VE u zatvorenom autonomnom sustavu sa SE i Diesel-agregatima s akumulacijom energije na razini potrebne energije ograničenog područja i razine potrošnje. Mogućnost korištenja kombinacije VE i SE mora se oslanjati na dostatnim raspoloživim potencijalima vjetra i sunca. Za izračunavanje, prema ciljevima 2. i 3. osim nabrojenih podataka potrebni su ulazni podaci pod a) i b), samo se oni nakon izbora lokacija odnose na ograničenu razinu potrebne snage u skladu s planom udjela VE u ograničenoj potrošnji određenih potrošača. Podaci plana potrošnje također su potrebni za projektiranje ovog sistema. Sistemi pod 2. i 3. bitno se razlikuju od sistema 1. prema ograničenosti udjela VE u kombiniranom sistemu, dok je u 1. maksimum korištenja energije VE danih lokacija zbog predaje integralnoj mreži. Ostvarenje cilja 1.i 2. može se provoditi u etapama po lokacijama.
5.3 Programiranje vjetroenergetskog sistema Programiranje VS sastoji se iz četiri potprograma: obrade potencijala vjetra izabrane lokacije iz kojeg slijedi projektna brzina turbine, projekt ili izbor turbine iz kojeg slijede značajke snage P = f(v) i koeficijenti Cp = f(v), proračun broja jedinica vjetroelektrane te proračun plana proizvodnje energije VE. Ako se radi o kombiniranom autonomnom energetskom sistemu, potrebno je prethodno imati plan potrošnje energije da bi se u skladu s tim odredili udjeli energije iz svih izvora sistema, pa tako i udio iz VE, odnosno potreban broj VE agregata.
Slika 27. Algoritam za programiranje
32
5.3 Priključak vjetroelektrane na mrežu U opštem slučaju VE možemo podijeliti na: 1. Autonomne VE- nisu priključene na mrežu i obično se koriste za napajanje električnom energijom potrošača koji nemaju obezbijeđeno napajanje. 2. VE priključene na mrežu Priključak VE na mrežu utiče na stabilnost sistema te je prije priključenja potrebno ispitati kakav će uticaj VE imati na mrežu. Ukoliko je zastupljenost energije vjetra u ukupnoj proizvodnji električne energije mala onda VE neće imati značajan uticaj na mrežu. Ovo je slučaj u većini zemalja u svijetu. Međutim, u nekim državama značajan dio ukupne proizvodnje električne energije( u Danskoj 20 %) otpada na VE pa je njihov uticaj veoma bitan.
Slika 28. Priključenje vjetroelektrane na mrežu VE se mogu priključiti na bilo koji naponski nivo pa će obično i njihov uticaj zavisiti od načina priključka. Mjesto na kojem se VE spaja na mrežu naziva se mjesto priključka. U opštem slučaju VE može biti priključena na : 1. Distributivnu mrežu (ovo se još naziva i distribuirana proizvodnja) 2. Prenosnu mrežu Danas je većina VE priključena na distributivnu mrežu dok je trend da se u budućnosti njihovo spajanje vrši na prenosnu mrežu. 33
5.3.1 Priključak vjetroelektrane na distributivnu mrežu Distributivna preduzeća imaju energijuugovorenog kvaliteta.
obavezu
da
obezbijede
potrošačima
električnu
Osnovni uticaji VE na distributivnu mrežu su: - Spore ( stacionarne ) varijacije napona, - Brze varijacije napone, - Distorzija talasnog oblika. Osnovni uticaji mreže na rad VE su: - Neravnoteža napona, - Tranzijenti.
Da li se VE može priključiti na mrežu zavisi od njenog uticaja na ostale korisnike mreže isto kao i kod priključka običnog potrošača. Stacionarne promjene napona se obično razmatraju pretpostavljajući minimalno opterećenje i maksimalnu zastupljenost VE ili maksimalan teret i minimalnu zastupljenost VE. Ovo su teške pretpostavke koje one osiguravaju da stacionarne vrijednosti napona neće izaći iz predviđenih granica. Međutim one osiguravaju da vjetroelektrana uvijek može dati snagu u mrežu ( osim u slučaju kvara ). Varijacije napona u distributivnim mrežama ne smiju biti veće od 1-2% dok se u podprenosnim mrežama dozvoljavaju varijacije oko 6%. Zbog toga je kapacitet VE koje se mogu priključiti na distributivnu mrežu ograničen jer velika impedansa i relativno visoke struje koje teku od generatora mogu dovesti do nedozvoljenih varijacija napona. Određivanje kapaciteta vjetroenergije koji može biti priključen na distributivnu mrežu zahtijeva niz proračuna. Način priključka 11 KV mreža 11 KV sabirnica 32 KV mreža 32 KV sabirnica 132 KV mreža
Maksimalni kapacitet VE (MW) 1-2 8-10 12-15 25-30 30-60
Tabela 3. Maksimalni kapacitet vjetroelektrana koje je moguće priključiti na mrežu
34
Slika 29. Promjena napona mreće na mjestu konekcije u zavisnosti od izlaza vjetroelektrane Napon generatora vjetroturbine je 690 V. Svaka vjetroturbina je priključena preko transformatora na mrežu (690 V/33 KV ). Kako se izlaz VE povećava dolazi i do povećanja napona sve dok izlaz iz VE ne bude blizu nominalne vrijednosti. Tada generetori povuku reaktivnu snagu i dolazi do smanjenja napona.
5.3.2 Uticaj vjetroelektrana na elektroenergetski sistem Uticaj vjetroelektrana na električnu mrežu zavisi u opštem slučaju od: - Veličine i karakteristika mreže; - Zastupljenosti VE u mreži Uticaje VE na EES možemo podijeliti na: 1. Lokalni uticaj, odnosno uticaj u bliskoj električnoj mreži 2. Uticaj na EES u cjelini
35
Lokalni uticaj ogleda se u : 1. Uticaj na tokove snaga i napone na sabirnicama Ovaj uticaj zavisi od vrste generatora koja se koristi. 2. Uticaj na zaštitne šeme, struje kratkog spoja i nazivne vrijednosti rasklopnih uređaja I ovo zavisi od vrste generatora koji se korist i VE. 3. Kvalitet električne energije (harmonici, flikeri itd ) Priključak VE na električnu mrežu može imati uticaja na kvalitet električne energije. Kakokvalitet napona mora biti održavan u određenim granicama prije priključenja VE potrebno je ispitati njene uticaje na EES. Da bi se ispitao ovaj uticaj potrebno je poznavati električne karakteristike vjetroturbina.Ove karakteristike zavise od proizvođača turbina. Dakle, kada su poznati ovi parametri moguće je izračunati mogući uticaj VE na EES. Većina proizvođača se pridržava standarda IEC 61400-21 za obezbjeđenje karakteristika koje se tiču kvaliteta električne energije vjetroturbina. Uticaj zavisi od vrste generatorakoji se koristi u turbini. Najveću pažnju u pogledu kvaliteta treba obratiti na flikere i harmonike. Harmonici nastaju uglavnom kod vjetroturbina promjenljive brzine jer one sadrže energetskepretvarače. Poseban značaj imaju kod velikih "ofshore" VE jer velike kablovske mreže mogu dovesti do harmonijske rezonancije te velikih harmonijskih struja. Flikeri uglavnom nastaju kod vjetroturbina konstantne brzine jer se fluktuacije napona prenose u mrežu u obliku fluktuacije sange što dovodi do njihanja napona što dalje dovodi do flikera. Na globalnom nivou potrebno je obratiti pažnju na druge aspekte. VE utiču na: - Napone i tokove snaga. Ovi efekti mogu bit pogodni za sistem naročito kad su VE bliske potrošačkim centrima. VE koje imaju ugrađene sisteme za regulaciju reaktivne snage imaju povoljan uticaj na dijelove mreže koji obično imaju lošiji kvalitet napona. - Uodređenim potrebna je nadogradnja postojećih distributivnih i prenosnih mreža. Za priključak udaljenih VE kao što je slučaj sa “offshore” elektranama potrebna je izgradnja novih mreža. - Efikasnost drugih generatora koji su priključeni na mrežu - Stabilnost sistema i pouzdanost opskrbe
36
5.4 Mrežna pravila za vjetroelektrane Mrežna pravila za vjetroelektrane definišu uvjete koje je potrebno ispuniti da bi se izvršilo priključenje VE na EES. U opštem slučaju mogu se podijeliti u dvije grupe i to: 1. Mrežna pravila za priključenje VE na napon manji od 110 KV (priključak na srednji i niski napon). Najpoznatije smjernice kojih se preba pridržavati prilikom priključka su: DEF U 111 (Danska), AMP (Švedska),VDEW (Njemačka), G59/1 i G75 (Velika Britanija). Ova pravila se uglavnom odnose na globalnu stabilnost sistema i upravljanje EES. 2. Mrežna pravila za priključenje na napon veći od 110 KV. Najpoznatije smjernice za ove priključke su:TSO (Danska), ESBNG (Irska), Sintef (Norveška) itd. Uglavnom se odnose na održavanje kvaliteta električne energije na lokalnom nivou. Postoje i mrežna pravila koja se mogu primjenjivati bez obzira na naponski nivo mreže na koju se priključuje elektrana. Mrežna pravila se razlikuju od države do države bog različitih mreža i zastupljenosti VE umrežama. Osnovni zahtjevi koje propisuju ova pravila odnose se na: regulaciju napona, regulaciju aktivne i reaktivne snage, regulaciju frekvencije, zaštitu VE, modelovanje i komunikaciju VE itd.
5.5 Oprema za priključak na mrežu Veza između VE i mreže sastoji se od opreme za priključak ili isključivanje VE sa mreže, opreme za zaštitu mreže i VE i transformatora. Osnovni dijelovi opreme su: 1. Rasklopni uređaji Služe za spajanje i isključivanje VE sa mreže. Trebaju biti dizajnirani za brzo automatsko djelovanje u slučaju kvara VE ili mreže. 2. Zaštitna oprema Treba da obezbijedi da kvar u VE ne utiče na mrežu i obrnuto. Treba da obezbijedi brz isklop u slučaju kratkog spoja i prenapona u VE ili u slučaju odstupanja frekvencije od nazivne te gubitka jedne faze. Zaštitna oprema sastoji se od senzora za utvrđivanje kvara.
37
3. Električni provodnici Provodnici ili kablovi za priključak VE na mrežu su obično napravljeni od aluminijuma i bakra. Ovi provodnici imaju električne gubitke pa je ukupna efikasnost sistema manja 4. Transformatri Služe za povezivanje električnih mreža različitih naponskih nivoa. Obično transformatori imaju automatsku regulaciju napona. 4. Uzemljenje VE trebaju uzemljenje zbog zaštite od atmosferskih pražnjenja i kratkih spojeva. Obezbjeđenje provodne putanje za visoke struje u zemlju može biti značajan problem kod vjetroelektrana.
5.6 Uzemljenje vjetroelektrana Uzemljenje služi za: - Uspostavljanje male impedanse za struje zemljospoja omogućavajući efikasno djelovanje nadstrujne zaštite. - Smanjenje opasnosti od napona dodira i koraka. - Omogućavanje zadovoljavajućeg pražnjenja atmosferskih struja i kontrolu atmosferskih napona. - Sprečavanje pojave potencijalnih razlika na nedozvoljenim dijelovima mreže radi zaštite opreme i ljudi. Vjetroelektrane imaju neobične zahtjeve u pogledu uzemljenja. Problemi koji se susreću pri uzemljenju VE su: 1. Veće elektrane zauzimaju velike površine (mogu se protezati i na nekoliko kilometara). 2. Zbog svoje visine vjetroturbine su izložene udarima groma. 3. VE se obično nalaze na terenima velike otpornosti tla (brda, stijene, mora itd). Zbog prethodnih uslova normalne prakse uzemljenja nije lako primjeniti na VE. Standard IEEE 1094 (1991 godine ) zahtijevao je da cijela VE ima kontinuirani metalni sistem uzemljenja koji povezuje svu opremu. Ovaj standard se više ne koristi ali je njegova praksa usvojena novim standardom IEC 61400–24 (2010) i obično se provodi pomoću neizolovanog provodnika položenog u kanal iznad energetskih kablova. Ovaj provodnik omogućava smanjenje 38
impedanseprema zemlji kao i povezivanje svih dijelova elektrane. Sistem uzemljenja treba biti efikasan u slučaju struja kvara u sistemu kao i u slučaju atmosferskih pražnjenja.
Slika 30. Šematski prikaz uzemljenja vjetroelektrane Na svakoj turbini izvedeno je lokalno uzemljenje postavljajući neizolovani provodnik u obliku prstena oko temelja na dubinu od 1m . Sve turbine se dalje međusobno povezujui stvara se mreža uzemljenja. Slika 31. Vjetroelektrane na moru
39
6.0 Generatori za vjetroagregate 6.1 Historijski razvoj vjetroagregata Razvitak, gradnju i eksploataciju vjetroelektrana u zadnjih desetak godina na globalnoj razini prati neočekivani bum. U svijetu su ukupni instalirani kapaciteti za proizvodnju električne energije iz vjetra do kraja 2006. god. dostigli veličinu od 74223 MW dok je samo u 2006. god. izgrađeno novih kapaciteta za 15197 MW. Očekivani porast izgradnje novih kapaciteta je oko 32% godišnje. Iako je samo oko 1 % ukupne svjetske proizvodnje električne energije ostvareno iz vjetroelektrana 2005. god. , taj sektor postaje značajan segment na svjetskom energetskom tržištu. Do konca 2006. god. u Evropi je instalirano oko 48 000 MW snage vjetroelektrana, a godišnji je rast bio oko 19%. Broj aktivnih proizvođača vjetroturbina u svijetu prelazi 30, a primat imaju europski proizvođači. Zemlje s najvećim instaliranim kapacitetima su Njemačka, Španjolska, SAD, Indija i Danska. U 13 zemalja svijeta instalirani kapaciteti vjetroagregata prelaze 1000 MW. Na tržištu je velika konjunktura i manjak kapaciteta za proizvodnju. Znanstvenim i stručnim istraživanjima se bavi veliki broj specijalista širom svijeta. Istražuju se mogućnosti što efikasnijeg iskorištavanja vjetropotencijala na dozvoljenim lokacijama, gradnjom što većih i efikasnijih turbina, što boljih generatora i sistema povezivanja vjetroelektrana u energetski sistem, razvojem sistema regulacije i vođenja vjetroelektrana, smanjenjem utjecaja na okoliš i još mnogi drugi zadaci. Rezultat napretka u razvoju i gradnji vjetroagregata se vidi iz činjenice da je 1980. god. izgrađen agregat snage 30 kW, a 2005. agregati gigantske snage 5000 kW. Tok razvoja kroz povećanje snaga i povećanje proizvedene energije po vjetroagregatu u minulih 25 godina je ilustriran na slici 1. U proteklih 25 godina povećana je proizvodnja energije u vjetroelektranama oko 500 puta.
40
Slika 32.Povećanje snage i dimenzija vjetroagregata u periodu od 1980-2005 godine
6.2 Osnovne relacije u vezi sa snagom vjetra Energiju i snagu vjetra moguće je prikazati poznatim izrazom za kinetičku energiju strujanja zraka:
E= mv2/2 => P=(ρSv)v2/2 gdje je: E energija, P snaga, m (kg) masa gibajućeg zraka, ρ (kg/m3) gustoća zraka, v (m/s) brzina gibanja zračne mase (vjetra) i S (m2)površina koju vrtnjom opisuje turbina. Primjenom vjetrene turbine može se iskoristiti samo dio ukupne energije vjetra što se računa s koeficijentom iskorištenja Cp koji ovisi o aerodinamičkim svojstvima turbine i orijentaciji turbine u odnosu na smjer vjetra. Teoretski maksimum za Cp iznosi 0,593 (Betz-ov zakon). Snaga vjetrene turbine se može prikazati izrazom:
P=CpρSv3/2 Snaga vjetra proporcionalna je trećoj potenciji njegove brzine prema čemu treba regulirati turbinu. U idealno dizajniranoj turbini moglo bi se prema teoriji njem. znanstvenika Betza od energije vjetra preuzeti najviše 59,3 % energije. U praktičnim izvedbama se postižu koeficijenti iskorištenja u granicama od 0,25 - 0,45. Za optimalni Cp treba prema stalno promjenljivim brzinama vjetra podešavati brzinu vrtnje turbine da bude proporcionalna s vjetrom. U tehničkim proračunima računa se Cp za konkretnu turbinu u ovisnosti o koeficijentu λ koji je 41
omjer obodne brzine [m/s] vrha lopatice turbine (engl. tip speed) ibrzine gibanja vjetra [m/s] te o uglu zakreta lopatica turbine θ u odnosu na smjer vjetra. Sada se izraz za snagu turbine može napisati u obliku:
E= [Cp(λ,θ)ρSv3] / 2=[Cp(λ,θ)πr2v3]/2 Za turbine kojima se brzina vrtnje ne regulira, koeficijent λ je konstantan, a za neregulirane promjenljiv. Praktički su svi instalirani vjetroagregati bazirani na tri vrste vjetrenih turbina: 1. Nepromjenljiva brzina vrtnje (fixed speed), 2. Djelomično promjenljiva brzina (semi variable speed), 3. Promjenljiva brzina (regulated speed). Principijelna karakteristika promjene snage vjetrene turbine u ovisnosti o brzini vjetra je prikazana na slici 2. Prema toj karakteristici se bira generator i sistem regulacije snage u promjenljivim uvjetima brzine vjetra. Nazivna snaga turbine i generatora se postiže u području promjena brzine vjetra od vndo vmax. Za brzine vjetra od brzine uključenja vu (eng. cut in speed) do nazivne brzine vn optimira se snaga agregata podešavanjem aerodinamičkog profila lopatica, tako da se dobije što više snage. Od nazivne brzine vn do brzine isključenja vmax (eng. cut out) mora se regulacijom turbine ograničavati snaga na nazivnu snagu agregata i druge elektroopreme. Primjenjuju se različite tehnike optimiranja i ograničenja snage vjetroagregata (engleski nazivi: stall control, activ stall control, pitch control).
Slika 33. Tipična statička karakteristika snage vjetroturbine pri upravljanju metodom "active stall"
42
6.3 Fiksna brzina vjetrenih turbina U ranim 90-tim godinama vjetrene turbine su imale stalnu (fiksnu) brzinu vrtnje. To je značilo da je brzina rotora turbine stalna i da je određena frekvencijom mreže na koju se priključuje, vrstom i izvedbom generatora. Karakteristika vjetrenih turbina fiksne brzine je ta da su se one upotrebljavale za generatore indukcionog tipa, koji je bio direktno priključen na mrežu, sa uređajem koji se ograničavao struju kratkog spoja (soft-starter uređaj).One su bile dizajnirane da imaju maksimalno iskorištenje samo pri određenoj brzini vjetra. Generatore sa fiksnom brzinom vrtnje, prema brzini vjetrene turbine možemo podijeliti u sledeće skupine:generatori za niske ,umjerene i visoke brzine vjetra . Vjetrene turbine fiksne brzine su bile robusne, i imale su nizak stepen iskorištenja. Također su bile izložene mogućim jakim mehaničkim udarcima pri većim brzinama vjetra, što je predstavljalo poteškoće pri upravljanju i radu vjetroagregata.
6.4 Promjenjljiva brzina vrtnje vjetrenih turbina Tokom proteklih nekoliko godina promjenjiva brzina vrtnje je postala dominantna.Promjenjive brzine vjetroturbine su dizajnirane kako bi se postigla maksimalna aerodinamična učinkovitost u širokom opsegu brzine vjetra. Sa promjenjivom brzinom vrtnje postalo je moguće kontinuirano prilagođavati (ubrzavati ili usporavati) rotacijsku brzinu vrtnje ω vjetroturbine,ka trenutnoj brzini vjetra.Na taj način ostvarilo se maksimalno moguće iskorištenje energije vjetra. Za razliku od fiksne brzine sistema, sistem promjenjive brzine održava moment generatora konstantnim, i varijacije brzine vjetra su apsorbirane promjenom brzine generatora. Električni sistem sapromjenjivom brzinomvjetroturbinejesloženiji od sistema safiksnom brzinom turbine. Te je običnoopremljen asinhronim ilisinkronimgeneratorom , ispojen je namrežuprekofrekvencijskog pretvarača.Pretvarač frekvencije kontrolira brzinugeneratora,jer oscilacije brzine nastaju promjenom brzine vjetra. Prednostipromjenjive brzine vjetroturbinasu: Povećanje apsorbovane energija vjetra, Poboljšanakvaliteta električne energije, Smanjeni mehanički udarci navjetroturbine. Nedostaci su: Gubici u uređajima energetske elektronike, Korištenje višekomponenti, Povećani troškoviopremezbog korištenja uređaja energetske elektronike. Uvođenje promjenjivebrzinevjetrenih turbina, povećava se upotreba generatora ove vrste,a također omogućava i nekolikostepeni slobodeukombinaciji generator ikonvertor frekvencije.
43
6.5 Električni generatori Turbinski dio vjetrenjače s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, čija je osnovna funkcija pogon generatora. Za pravilan i siguran rad vjetroagregata,generator mora ispunjavati određene zahtjeve kao što su:
Visok stepen iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja; Izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sistema; Izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora; Uležištenje generatora na način da jamče dugotrajnost.
Uzimajući u obzir nepogodne i promjenjive uvijete rada (povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i dr.) pred generatore se također postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. Tako se prema načinu rada generatori mogu podijeliti na generatore za:
paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom; samostalni rad; spregnuti rad s drugim izvorima.
Prema vrsti električne struje koju generatori generiraju, generatori mogu biti:
generatori istosmjerne struje (generatori istosmjerne struje se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju); generatori izmjenične struje.
Prema načinu okretanja generatori mogu biti:
generatori s promjenjivom brzinom okretanja i generatori s nepromjenjivom brzinom okretanja.
Također postoji podjela prema veličini tj. snazi.
6.5.1 Generatori s promjenjljivom brzinom okretanja Generatori s promjenjivom brzinom okretanja su:
sinhroni ili asinhroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu; asinhroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem; asinhroni generator s nadsinhronom ili podsinhronom pretvaračkom kaskadom. 44
6.5.2 Generatori s nepromjenjljivom brzinom okretanja Generatori s nepromjenjivom brzinom okretanja su:
Vjetroturbina s asinhronim generatorom. Asinhroni generatori se najčešće priključuju na krute električne mreže. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska stabilnost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priključni uređaj kako bi se omogućilo početnu sinkronizaciju s mrežom; Vjetroturbina sa sinhronim generatorom. Upotrebljevaju se za spajanje na ne tako krute električne mreže, npr. kod spajanja na otočni električni sistem. 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 kuta zakretanja elise propelera, što inače nije slučaj, pa tako da se spomenuti sistem ne izvodi u svim jedinicama.
Vjetroagregate (turbina + generator) razlikujemo prema: a) Snazi b) Mjestu ugradnje c) Položaju osi vratila d) Načinu regulacije snage e) Načinu pretvorbe energije vjetra u električnu energiju Prema snazi vjetroagregati se mogu grubo podijeliti na male vjetroagregate do 600 kW i na velike preko 600 kW. Vjetroagregati mogu biti instalirani na kopnu (onshore) i na području mora (offshore). Na kopnu se uglavnom postavljaju vjetroagregati snage do 3 MW, dok se vjetroagregati snage preko 3 MW instaliraju na moru. Danas dominiraju vjetroagregati s horizontalnim vratilima s obzirom na smjer vjetra u odnosu na one s vertikalnim vratilima.
45
Regulacija snage vjetroagregata može biti: a) Pasivna regulacija pomoću posebno projektiranih lopatica (stall regulation), b) Regulacija snage zakretanjem lopatica (pitch regulation), c) Aktivna stall regulacija (Active stall, Combi Stall). Kod ovog pristupa regulacija snage se ostvaruje kombinacijom regulacije zakreta lopatica vjetroturbine (pitch regulation) i pasivne regulacije pomoću posebno projektiranih lopatica (stall regulation). Prema načinu pretvorbe energije vjetra u električnu energiju te njihovim priključkom na električnu mrežu vjetroagregati se mogu podijeliti na vjetroagregate s asinhronim generatorom i multiplikatorom i na vjetroagregate sa sinhronim generatorom, sa ili bez multiplikatora. Tako razlikujemo: a) Asinhroni kavezni jedno ili dvobrzinski generator (2p=4 ili 6), s multiplikatorom b) Asinhroni klizno-kolutni dvostrano napajani generator, s multiplikatorom c) Sinhroni generator sa uzbudnom strujom na rotoru, direktni pogon d) Sinhroni generator sa uzbudnom strujom na rotoru, s multiplikatorom e) Sinhroni generator s trajnim magnetima, direktni pogon f) Sinhroni generator s trajnim magnetima, s multiplikatorom
6.6 Izvedbe generatora za vjetroagregate S obzirom da su brzine vrtnje vjetrene turbine prirodno niske, približno u rasponu od 5-30 ob/min, bez obzira kako se reguliraju, izbor vrste generatora ovisi o tome da li se koristi multiplikator brzine i kakav je priključak na mrežu. U savremenim izvedbama se koriste generatori izmjenične struje, asinhroni i sinhroni u više varijanti koje su opisane u nastavku. Istosmjerni generatori koriste se za snage reda nekoliko kW. Za turbine fiksne brzine koriste se obično asinhroni generatori, kavezni i klizno-kolutni i direktno se spajaju na mrežu (bez električkog pretvarača frekvencije). Neophodan je multiplikator brzine vrtnje kojem je prijenosni omjer toliko veliki da se može izabrati 4 ili 6 polni asinhroni generator. Po svojim svojstvima asinkroni generator s mnogo polova (2p>20) je praktički neprihvatljiv za primjenu zbog lošeg faktora snage cosψ (0,6 ili još manje bez kompenzacije) i zbog toga relativno slabih energetskih pokazatelja. U nastavku su nešto detaljnije opisane izvedbe pogonskih nizova (engl. drive-train), koji su značajni u primjeni i koji su u trendu za nove elektrane.
46
6.6.1 Asinhroni (indukcijski) generator Generator koji se veoma često koristi uvjetroelektranamajeasinhroni. On ima nekoliko prednosti, kao što su: robusnost imehaničkajednostavnost,proizvodnja uvelikojseriji, a on takođerima i niskucijenu. Glavni nedostatak je taj dastatortrebajalovustruju za magnetiziranje. Asinhroni generator ne sadržitrajnemagnete inema mogućnost samouzbude. Dakle,da bi se uzbudio potrebna je struja iz nekog drugog izvora, a također troši i jalovu snagu. Jalova snaga možebiti isporučenaod mreže ili od elektroničkog sistema. Generatorskomagnetsko poljepostoji samo ako je generatorspojenna mrežu. U slučajuACuzbude, stvoreno magnetsko poljerotira sinhronom brzinom,koja je određena brojem polova,i frekvencijom struje. Rotor asinhronog generatoramože biti dizajnirankaotzv.kratko spojni rotor (kavezni rotor) ili kaoklizno-kolutni rotor.
6.6.1.1 Kavezni asinhroni generator (SCIG) Do sada, SCIGje veoma rasprostranjen zbog svojemehaničkejednostavnosti, visokeučinkovitost iniskih zahtjeva u pogledu održavanja.SCIGjeizravno spojen na mrežu. USCIGbrzinase mijenja u samo nekolikopostotaka.Zbog toga se ovaj generatorkoristizakonstantnu brzinu vjetroturbine. Generatori vjetroturbina vjetrogeneratorasu zajednospojeni preko multiplikatora, tako da se brzine vjetroturbine i generatora razlikuju. SCIGkoji koriste vjetroturbine konstantne brzine vrtnje običnosu opremljenisasoft-starter mehanizmima, iinstalacijamazakompenzaciju jalove snage, pošto je SCIG-spotrošač jalove snage. SCIG-simajustrmukarakteristikumomentai stoga sefluktuacijeuvjetroelektranama prenoseizravnona mrežu. Uslabojmreži, ovaj visokinaletstruje možeizazvati ozbiljninaponski poremećaj. Stoga, povezanost SCIG na mrežu treba izvršiti postepeno kako bi se ograničio nalet struje.Tokom normalnog rada i izravnoj vezi s jakom AC mrežom, SCIG je vrlo robustan i stabilan. Klizanje varira i povećava se sa povećanjem opterećenja. Glavni problem je taj što zbog struje magnetiziranja isporučene iz mreže statorskom namotu, faktor snage postaje veoma nizak. Nizak faktor snage kompenzira se spajanjem kondenzatora paralelno generatoru. U SCIG-s postoji jedinstven odnos između aktivne snage, jalove snage, napona i brzine rotora. To znači da pri jakim vjetrovima, vjetrena turbina može proizvesti više aktivne snaga samo ako generator povuče više jalove snage. Za SCIG, iznos potrošene jalove nije kontroliran, jer varira s uvjetima vjetra. Ako generator nema uređaja koji će mu moći obezbijediti jalovu snagu (kondenzatorske baterije),tada generator mora uzeti jalovu snagu izravno iz mreže. Jalova snaga isporučena od strane mreže uzrokuje dodatne gubitke prijenosa i u određenim situacijama, može napraviti sistem nestabilanim.Kondenzatorske baterije ili elektronički pretvarači mogu se koristiti za smanjenje potrošnje jalove energije. U slučaju kvara, kod SCIG-s bez ikakvog uređaja za kompenzaciju jalove snage sistema, napon generatora vrlo lako može doći u područje nestabilnosti. SCIG-s se
47
može koristiti kako za fiksne brzine vjetroturbina tako i za vjetroturbine sa promjenjivom brzinom.Za drugi slučaj potreban je pretvarač frekvencije, koji će regulisati brzinu vrtnje rotora .
6.6.1.2 Asinhroni klizno-kolutni rotor (WRIG) UslučajuWRIG-a, električne karakteristikerotoramogubitikontrolirane izvana,a samim tim i naponrotorase može kontrolisati.Klizno-kolutnom (WRIG) rotoru možemoizvana pristupiti prekokliznih prstenovai četkica.Struja rotora može biti kontrolisana preko uređaja energetske elktronike.Na taj način generator može biti uzbuđen bilo da se rotoru dovede uzbudna struja putem uređaja energetske elektronike, ili da generator uzima jalovu struju iz mreže za svoju uzbudu, međutim ovaj drugi način je veoma malo zastupljen.NedostatakWRIG-a je taj da jeskuplji,i da nije robustankaoSCIGgenerator.
6.6.2 Sinhroni generator Sinhroni generator je puno skuplji i mehanički složeniji nego asinhroni generatora slične veličine. Međutim, tu je i jedna velika prednost u poređenju sa asinhronim generatorom, naime,sinhroni generator ne treba reaktivnu struja za magnetiziranje.Magnetsko polje sinhronog generatora može se dobiti pomoću trajnih (permanentnih) magneta ili klasičnim putem pomoću struje. Ako sinhroni generator ima pogodan broj polova (višepolni WRSG ili PMSG), on može biti izravno spojen sa vjetroturbinom,odnosno u tom slučaju nije potreban multiplikator. Kod sinhronog generatora uređaji energetske elektronike imaju sledeće zadatke:
da djeluju na promjene uzrokovane promjenom gustine i energije vjetra i da ublaže prelazne pojave pri promjeni radnih uslova, da kontroliraju magnetiziranje rotora kako bi se izbjegli problemi oscilovanja frekvencije. Takvu vrstu manipulacije omogućavaju generatori sa promjenjivom brzinom vjetroturbine.
Dvije osnovne vrste sinhronih generatora koje se koriste su :
sinhroni generator sa klizno-kolutnim rotorom (WRSG) sinhroni generator sa stalnim (permanentnim) magnetima (PMSG)
48
6.6.2.1 Sinhroni generator sa klizno-kolutnim rotorom (WRSG) Statorski namoti WRSG-s su spojeni izravno na mrežu , te je zbog toga brzina okretaja strogo fiksna i određena frekvencijom vanjske mreže. Namoti rotora su uzbuđeni sa strujom dovedenom preko kliznih prstenova i četkica, iz ispravljača. Za razliku od asinhronog generatora, sinhroni generator ne treba sistem za kompenzaciju jalove snage. Namoti rotora, kroz koje izravno teče struja, stvara uzbudno polje, koje se vrti sa sinhronom brzinom uz pomoć vjetroturbine i multiplikatora. Brzina sinhronog generatora određena je frekvencijom rotirajućeg polja i brojem pari polova na rotoru.
6.6.2.2 Sinhroni generator sa stalnim magnetima (PMSG) Mnogi naučni članci su predložili primjenu PMSG-s u vjetroelektranama, zbog njihove samouzbude, koja omogućuje rad uz visok faktor snage i visoku učinkovitost.Kod stroja sa permanentnim magnetom (PM) stroja, učinkovitost je veća nego kod indukcionih strojeva. Međutim, materijali koji se koriste za proizvodnju trajnih magneta su skupi, a također su zastupljene i poteškoće u toku proizvodnje. Osim toga, upotreba PM uzbude zahtijeva korištenje pretvarača,kako bi se prilagodili napon i frekvencija generatora, naponu i frekvenciji mreže. To jetakođer dodatni trošak. Rotor koji je izrađen od permanentnog magneta može biti sa istaknutim polovima ili cilindrični. Generatori koji imaju rotor sa istaknutim polovima se koriste za niže brzine vrtnje, dok se generatori sa cilindričnim rotorom koriste za mnogo veće brzine.
49
Slika 34. Tipovi generatora i način njihovog priključka na mrežu
50
6.7 Konstantna brzina vrtnje i asinhroni kavezni generator Između rotora turbine i asinhronog generatora je multiplikator (obično trostepeni velikog prijenosnog omjera i do 1:100) tako odabran da se može upotrijebiti 4-polni ili 6-polni trofazni asinhroni kavezni generator. Takav generator je vrlo jednostavan, može se uzeti iz kataloga standardnih asinhronih strojeva. Priključuje se direktno na mrežu 50 ili 60 Hz uz primjenu uređaja kojim se smanjuju veličine struje kratkog spoja (obično soft-start uređaj) pri priključku na mrežu. Opterećenje generatora je ograničeno aerodinamičkom izvedbom lopatica turbine tzv. "stall principle", a brzina cijelog pogonskog niza turbina + multiplikator + generator se vrlo malo mijenja oko nazivne brzine generatora. Klizanje generatora iznosi oko (1-2)% tako da gubici u rotoru generatora budu u podnošljivim granicama. Vjetroagregat ne može raditi bez priključka na energetsku mrežu iz koje uzima jalovu snagu za magnetiziranje. U primjeni je česta varijanta kaveznog asinhronog motora s promjenljivim brojem polova, obično za dvije brzine vrtnje prema slici 3. Tvrtka Mitsubishi primjenjuje takve tehnologije u svim svojim agregatima snage 1000 kW. Turbina je konstruirana za dvije fiksne brzine vrtnje optimirane tako da se dobije najviše energije iz vjetra i da se smanji buka u promjenljivim uvjetima.
Slika 35. Vjetroagregat s asinhronom mašinom i turbinom konstantne brzine vrtnje
51
Slika 36. Struktura vjetroagregata s asinhronim generatorom Sažeto prednosti i nedostaci ovakve izvedbe: Prednosti: jednostavnost izrade, jednostavno održavanje, prigušenje pulzacija momenta turbine, niska nabavna cijena i direktno spajanje na mrežu. Nedostaci: potrebna jalova energija, potreban soft start (uređaj za zaštitu od struja kratkog spoja) uređaj za prvo priključenje na mrežu, primjenjivo samo za fiksne brzine turbine, upotreba multiplikatora, neupotrebljivo za mnogo polova. U praksi je česta varijanta kaveznog asinhronog generatora s promjenjivim brojem polova, obično za dvije brzine vrtnje.
6.8 Turbina promjenjljive brzine sa sinhronim ili dvostruko napajanim asinhronim generatorom Klasični sinhroni generatori izvedeni za konstantnu sinhronu brzinu vrtnje koju diktira pogonski stroj, imaju na rotoru istosmjernu uzbudnu struju. Takvi su agregati (generator + pogonski stroj) općenito glavni izvori električne energije u elektranama, za sisteme 50 ili 60 Hz. Ako je zbog bolje energetske iskoristivosti agregata ili drugog razloga potrebno za vrijeme pogona regulirati brzinu vrtnje turbine i sinhronog generatora, a taj generator priključiti u energetski sistem fiksne frekvencije, to se može ostvariti na dva načina:
52
1. Upotrebom frekvencijskog pretvarača smještenog između namota sinhronog generatora i energetske mreže fiksne frekvencije, prema ilustraciji na slici 4. Snaga pretvarača jednaka je snazi generatora. Potrebna je uzbudna struja u rotorskom namotu i sistem regulacije napona ili trajni magneti.
Slika 37. Vjetroagregat sa sinhronom mašinom i turbinom promjenjljive brzine vrtnje Sažeto prednosti i nedostaci ovakve izvedbe: Prednosti: jednostavno upravljanje jalovom snagom, široko područje brzina vrtnje, jednostavan za upravljanje, male dimenzije i masa generatora, standardni generator. Nedostaci: potreban pretvarač za ukupnu snagu, potreban uzbudni sistem, klizni koluti i četkice, trošenje i održavanje, visoka cijena, gubici, problem održavanja multiplikatora.
2. Izmjeničnom uzbudnom strujom u rotorskom namotu iz frekvencijskog pretvarača (ciklokonverter ili dvosmjerni statički frekvencijski pretvarač) priključenog na istu mrežu kao i statorski namot, sve prema ilustraciji na sl. 5. Uobičajeni je naziv za ovakav agregat dvostrano napajani (hranjeni) asinhroni stroj (engl. Doubly-fed Induction Generator). Stator generatora je spojen na mrežu 50 Hz. Rotor generatora je spojen na mrežu preko frekvencijskog pretvarača i prilagodnog transformatora. Zbog velikog značaja za primjenu u vjetroelektranama i hidroelektranama opisat ćemo detaljnije ovaj pogonski niz (engl. drive train). U izvedbama za vjetroelektrane između turbine i generatora je multiplikator, kojim se postiže da brzina vrtnje generatora bude 1000 ili 1500 ob/min ( 6 polniili 4-polni stroj 50Hz). Konstrukcijski gledano dvostrano napajani asinkroni stroj je poznata izvedba asinkronog kolutnog stroja kojemu na stator i rotor narinemo napone različite frekvencije. Klasični sinhroni stroj jer također dvostrano napajani stroj ali mu je frekvencija rotorskih struja uvijek jednaka nuli (istosmjerna uzbuda).
53
Slika 38. Dvostruko napajani asinhroni generator vjetroagregata promjenjljive brzine vrtnje Izvedba prema slici 38. je daleko povoljnija od izvedbe prema slici 37. zbog veličine i cijene frekvencijskog pretvarača, viših harmoničkih članova u mreži koje generira pretvarač, upravljivosti, potrebnog prostora za smještaj, stabilnosti energetskog sistema, mogućnosti generiranja jalove energije. Kao daljnja prednost ove izvedbe pred drugim izvedbama agregata ističu se mogućnosti povećanja iskoristivosti primarnih pogonskih strojeva u promjenljivim režimima rada, npr. pumpa-turbina kod reverzibilnih hidroagregata snage i do nekoliko stotina MW , vjetrene turbine snage do 6 MW. Sažeto prednosti i nedostaci ovakve izvedbe: Prednosti: bitno smanjena snaga i cijena pretvarača, mogućnost regulacije brzine vrtnje za optimalno korištenje energije, jalova snaga za magnetiziranje stroja iz pretvarača, moguć podsinhroni i nadsinhroni rad. Nedostaci: klizni koluti i četkice, trošenje, održavanje – složeno upravljanje agregatom, izravan spoj na mrežu otežan. Metoda izmjenične uzbude rotorskog namota, odnosno dodatnog napona u rotoru promjenljive frekvencije se zasniva na znanju da za elektromehaničku pretvorbu energije, magnetska polja stvorena statorskim i rotorskim strujama moraju biti u prostoru međusobno nepokretna tj. moraju se vrtjeti jednakom brzinom. U rotorskom namotu koji ima 2p 2 polova i priključenom na trofazni napon frekvencije f2 stvara se okretno magnetsko polje koje se vrti brzinom n 2= f2 /p2 u odnosu na rotor, kojeg turbina vrti brzinom n. U tim uvjetima će se okretno polje rotora vrtjeti prema statorskom namotu koji ima 2p1 polova brzinom: no2=n + f2/p2 Frekvencija induciranih napona u statorskom namotu zbog rotorskog okretnog polja će biti: 54
f1=(n + n2)p1=np+f2 jer za pretvorbu energije uvijek mora biti p1 = p2= p. Ako se mijenja smjer vrtnje rotorskog polja biti će:
n=(f1+f2)/p Budući da je u ovakvim primjenama uvijek fiksna statorska (mrežna) frekvencija, regulira se frekvenciju u rotoru i brzinu vrtnje turbine. Ako se npr. rotor 4 polnog trofaznog generatora vrti brzinom n = 27,5 ob/s, a frekvencija mreže je 50 Hz rotor treba biti uzbuđen strujom frekvencije f2= 5 Hz da bi se mogla pretvarati mehanička energija u električku. Odnosi brzina vrtnje rotora n, frekvencije u rotoru f2 i statorske frekvencije f1 su ilustrirani na slici 6. Budući da je f1 zadano mrežom, podešavamo frekvenciju uzbudnih struja rotora prema promjenljivoj brzini vrtnje turbine. Regulacijom brzine vrtnje turbine ili pumpe mogu se ostvariti najbolje energetske iskoristivosti turbine ili pumpe u konkretnim uvjetima npr. brzine vjetra ili visine vode u akumulacijskom jezeru reverzibilne hidroelektrane. Navedenim sistemom reguliranja brzine vrtnje može se dobivati i induktivna i kapacitivna snaga frekvencije jednake frekvenciji energetskog sistema. Dvostrano napajani asinhroni generator ima veliku primjenu u vjetroagregatima i to zbog vjetra koji ima nepredvidivo promjenljive brzine, zbog čega je povoljno imati mogućnost regulacije brzine turbine. Agregati se izvode za frekvencije u rotoru koje su u grubo (4-10) puta manje od statorskih što omogućava da pretvarači frekvencije imaju snagu oko 35 % nazivne snage generatora. Energetske odnose u vjetroagregatu, (za pojednosta-vljeno razmatranje u kojemu ćemo zanemariti gubitke pretvorbe ugeneratoru) razmotrimo prema oznakama na slici 5. Mehanička snaga turbine na izlazu iz multiplikatora Pmeh pretvara se posredstvom okretnog magnetskog polja u električnu snagu Pg koju generator daje u mrežu i „snagu klizanja“ u rotoru Pr= - s Pg. To se može prikazati izrazom:
Pg=Pmeh+sPg Klizanje rotora, oznaka s, je definirano kao razlika brzine vrtnje okretnog statorskog polja i brzine rotora s = (ns – n)/ ns i ono je u generatorskom načinu rada stroja uvijek negativno. Rotorska električna snaga Pr asinhronog stroja je uvijek određena predznakom i veličinom klizanja s. Za generatorski rad bit će predznak snage Pr pozitivan (u mrežu), a kako je klizanje s pozitivno za motorski rad, bit će snaga motorskog rada Pr negativnog predznaka ( iz mreže). Za uobičajeni dijapazon regulacije brzine turbine, od 70 - 110 % nazivne, i sinhronu brzinu 55
generatora oko 90% nazivne brzine turbine klizanje je u granicama između ±23%, a potrebna snaga pretvarača u rotorskom iznosi grubo oko 30 % ukupne snage koja se elektromehanički pretvara u stroju. Tehnologije s vjetroagregatima promjenljive brzine vrtnje postaju dominantne, a naročito za velike snage (1-5 MW) vjetrenih turbina. Već 2002. god. bilo je 47 % svih vjetroagregata izvedeno s dvostrano hranjenim asinhronim strojem. Frekvencijski pretvarači imaju snagu oko 35% snage generatora.
6.9 Turbina promjenjljive brzine vrtnje i sinhroni generator Za razliku od asinhronog generatora moguće je koristiti sinhroni generator za vrlo male brzine vrtnje turbine (5-30 ob/min). Sinhroni generator s velikim brojem polova (60 ili više) u izvedbi s klasičnom uzbudom ili trajnim magnetima se može direktno spojiti na turbinu bez multiplikatora (engl. direct-drive), a priključak na mrežu je preko frekvencijskog pretvarača. Snaga frekvencijskog pretvarača jednaka je snazi generatora. Zbog velikog broja polova i male brzine vrtnje generator mora razvijati veliki moment vrtnje, njegove su dimenzije i masa relativno velike, presudno utječu na izvedbu i dimenzije „gondole“ elektrane. Izvedba jednog takvog generatora prikazana je na slici 39. Radi se o potpuno novim, ne klasičnim izvedbama generatora za koje je bio potreban poseban istraživačko razvojni rad.
Slika 39. Sinhrona mašina sa klasičnom uzbudom za „direct drive“ pogon Sažeto prednosti i nedostaci ovakve izvedbe: Prednosti: jednostavno upravljanje jalovom snagom, široko područje brzina vrtnje, jednostavan za upravljanje, jednostavnija izvedba vjetroagregata jer nema multiplikatora koji se smatra kompliciranim za izradu i održavanje, veća korisnost agregata. 56
Nedostaci: potreban pretvarač za ukupnu snagu, potreban uzbudni sistem, klizni koluti i četkice, trošenje i održavanje,velike dimenzije i masa, problem izrade, transporta i montaže. Ovo je primjer ne klasične izvedbe generatora, velikih dimenzija i mase. Zbog velikog broja polova i male brzine vrtnje generator mora razvijati veliki moment vrtnje. Razvijene su i primjenjuju se tehnologije s permanentnim magnetima i s klasičnom uzbudom na rotoru. Ova izvedba agregata je usko povezana s izvedbom frekvencijskog pretvarača kroz koji mora proći ukupna snaga generatora. Razvoj i primjene "direct drive" generatora su neodvojivi od razvoja primjene i cijene frekvencijskog pretvarača. Prema dostupnim informacijama povećava se broj kompanija koje grade generatore s trajnim magnetima i to za "direct-drive" sistem i za pogon preko multiplikatora s jednim ili tri stepena prijenosa. U odnosu na generatore s uzbudnom strujom na rotoru generatori s trajnim magnetima za istu snagu imaju bolju korisnost (veći η), manje su dimenzije rotora, jednostavniji je rashladni krug generatora, jednostavnije je održavanje, nema posebnog uzbudnog sustava. Sve više kompanija radi ili razvija prototipne generatore s trajnim magnetima (Siemens, ABB, WinwinD, Mitsubishi, ČKD Blansko,...). Slika 40. Dijelovi vjetroelektrane
57
6.10 Generator sa trajnim magnetima Kod vjetroelektrana je vrlo bitna jednostavnost konstrukcije i lagano održavanje generatora. Zbog toga se sinhroni generator s trajnim magnetima pokazuje kao izuzetno dobro rješenje jer na njemu gotovo da i nema dijelova koje treba održavati. Iz tih razloga danas mnogi proizvođači već rade takve generatore (Siemens, ABB, Mitsubishi, ....). Priključak takvog generatora na turbinu i mrežu je ilustriran na slici 41.
Slika 41. Sinhroni generator s trajnim magnetima, "direct drive" pogon i priključak na mrežu Postoje različiti problemi i nedostatak iskustva u izradi sinhronih strojeva veće snage s trajnim magnetima i velikim brojem polova (do 100). To su magnetiziranje magneta, problem smještanja i učvršćenja magneta na rotor, razmagnetiziranje magneta pri visokim temperaturama ili u nekim nepovoljnim režimima rada generatora. Podaci od kojih se može krenuti u dizajniranje su sličnosti s već izrađenim strojem s klasičnom uzbudom. Poznati podaci su snaga, izlazni napon i frekvencija, ista turbina i slične dimenzije. Sažeto prednosti i nedostaci ovakve izvedbe: Prednosti: jednostavan rotor bez potrošnih dijelova i uzbudnog namota, nema gubitaka u rotoru, veća korisnost agregata, jednostavnija izvedba cijelog vjetroagregata jer nema multiplikatora koji se smatra kompliciranim za izradu i održavanje, veća korisnost agregat. Nedostaci: visoka cijena trajnih magneta, mogućnost razmagnetiziranja, nema regulacije struje uzbude, velike dimenzije i mase, problemi izrade, transporta i montaže.
58
6.11 Generatori sa supervodljivim (HTS) materijalima za vjetroagregate Odmah nakon što je otkriven fenomen supravodljivosti bilo je jasno da će njegova primjena biti i više nego velika, međutim prije otkrića visoko-tempreraturnih supravodiča (HTS) ona je bila izuzetno neprofitabilna zbog enormno visoke cijene tekućeg helija. Otkriće supravodiča iznad temperature tekućeg dušika izuzetno je proširilo upotrebu supravodiča za snažne nove supravodljive magnete. Supravodljivi generatori mogu proizvoditi veću količinu elektrike s manje opreme i manjom količinom energije. Dobivena električna struja može se provoditi u kablovima bez otpora tako da ne dolazi do gubitka energije, a može se pohraniti u supravodljivim zavojnicama duže vrijeme bez gubitaka. U novije vrijeme, sve se više eksperimentira s primjenom supravodljivosti na električne strojeve. Kod električnih strojeva, važna je tehnologija HTS supravodljivosti - supravodljivost na visokim temperaturama (High Temperature Superconductivity). Supravodljivost omogućuje proizvodnju, prijenos i korištenje energije, bez gubitaka zbog otpora vodiča. HTS žice, mogu prenositi 3 do 5 puta više energije od bakrenih žica, bez gubitka energije, te time uveliko povećavaju energetsku učinkovitost el. strojeva. Ukratko, HTS elektromotori I generatori, bit će upola majih dimenzija i težine od svojih prethodnika uz iste (ili još bolje) karakteristike i uz mnogo manju potrošnju energije. Smatra se da će primjena supravodljivosti povećati učinkovitost elektromotora i generatora čak do 98%. Zbog svi svojih prednosti HTS materijali se sve više počinju koristiti u izradi supervodljivih motora igeneratora, osobitoza proizvodnju generatora i motora za područja primjene gdje je masui zapreminu tih strojeva potrebnosvesti na minimum, poput brodskih pogonskih sistemaivjetroturbina. Prednosti HTS generatora kod vjetroagregata: Masa i zapremina je upola manja u odnosu na konvencionalne generatore Visoka gustoća snage: HTS polje, stvara magnetsko polje veće od onih u konvencionalnim strojevima što je rezultiralo u mnogo manjoj veličini i težini. Visoka učinkovitost: HTS generatori imaju do 10% veću učinkovitost Niska razina buke: HTS generatori imaju nižu emisiju buke od konvencionalnih strojeva. Harmonici: HTS generatori imaju bolje kvalitete električne energije, a posebno su bez harmonika. Održavanje: HTS generatori neće zahtijevati remont rotora generatora, ili obnovu izolacije što je potrebno kod konvencionalnih generatora. Povećana osobna sigurnost: Rotor HTS generator može se demagnetisati za vrijeme održavanja ili popravke. To značajno povećava osobnu sigurnost u odnosu na vjetroturbinu s trajnim magnetima generatora. 59
Slika 42. HTS generator
Slika 43. HTS generator
60
7.0 Aerodinamička i mehanička načela vođenja i zaštite 7.1 Podešavanje položaja kola spram smjera vjetra Ciljevi vođenja i zaštite vjetroturbine postoje s izuzetkom podešavanja položaja namještanja kola turbine spram smjera vjetra te kod klasičnih propelernih turbo mašina (vodne turbine),gdje su ostvareni s djelotvornim i pouzdanim sistemima. Svojstvenost ostvarenja istih ciljeva kod turbine na vjetar proizlazi iz uvjeta rada u atmosferi - neomeđenim uvjetima, s izrazitim i brzim promjenama energije vjetra privedene kolu. Shodno tome se u razvitku modernih vjetrogeneratora veća pozornost posvećuje zaštiti od preopterećenja gonjene mašine pri velikim brzinama vjetra ili preopterećenja lopatice kola u uvjetima pobjega (pri naglom rasterećenju kola turbine - gonjenog stroja) nego regulaciji radi najvećeg iskorištenja raspoložive energije. Prilagodljivost položaja osi kola spram smjera vjetra naizgled pruža mogućnost da se zakretanjem kola, zbog promjene površine nastrujavanja vjetra na kolo, bitno utječe na veličine energije privedene kolu, a tako na isti način kao kod vodnih turbina (utjecajem naprivod energije) ostvari ulogu zaštite. Razmjerno tome veliki moment tromosti masa i nepoželjne popratne pojave pri brzom prisilnom zakretanju kola čine takav vid zaštite neprikladnim za veće turbine. Promjenjivost vjetra uzrokuje odstupanje položaja osi vrtnje kola od smjera vjetra ili točnije određeno, mogućnost da tokom rada turbine vjetar nastrujava pod određenim uglom y z na vertikalnu ravninu u kojoj leži os vrtnje kola. Ta točnija odrednica potrebna je zbog toga što se često os kola turbine postavlja pod stanovitim nagibom u odnosu prema vodoravnoj ravnini. Iako je ugao nagiba osi kola vrlo malen (yt< 6°), te predstavlja samo jedan konstruktivan detalj, zanimljiv je zbog neposredne veze s temom poglavlja. Temeljni razlog za uvođenje nagiba osi kola yt jest povećanje razmaka između (vrha) lopatice i stupa ili izvedba kola sa stanovitom koničnošću (pri čemu uzdužna os lopatice ne leži u ravnini okomitoj na os kola) uz istodobno što manji razmak ovjesišta lopatica od stupa. Prvom je svrha da se smanji međudjelovanje lopatice i stupa (koje uzrokuje slabije iskorištenje energije vjetra i pojačava dinamičko opterećenje stupa i lopatice) ili smanji ukupni moment savijanja lopatice djelovanjem centrifugalne sile lopatice. Drugom je svrha da se smanji moment aerodinamičkih sila kola s obzirom na os stupa,pa stoga utječe na regulaciju položaja. Utjecaj tzv. zakošenog vjetra na rad turbine s nezakretljivim lopaticama i ω = const. prikazan je na temelju eksperimentalnih podataka na slici 1.a. iz koje proizlazi:- snaga turbine (očekivano) smanjuje se s porastom ugaoova zakošavanja yz i to približno = cos2 yz.Znatnije promjene snage nastupaju pri uglovima yz = (20-30°), dok otkloni reda veličine y < 6° uopće nemaju utjecaja. Pri otklonu yz> 70° snaga turbine praktički je zanemariva.
61
U području velikih brzina vjetra, snaga ovog tipa turbine povećava se čak i za 0 < y z< 40°,nakon čega slijedi njezino naglo smanjenje. Gubi se očekivana podjednakost utjecaja negativnih i pozitivnih otklona, tj. simetričnost P(yz). Prvi zaključak je važan za brzinu djelovanja sistema za regulaciju koji ima svrhu da zakretanjem kola oko osi stupa svede yz -» 0. Brzina podešavanja položaja kola smjeru vjetra stoga može biti razmjerno malena i bez većeg je značenja za iskorištavanje energije vjetra.Neočekivano povećanje snage (u području većih brzina, gdje dolazi do izražaja stall--efekt) s porastom yz može se objasniti utjecajem zakošenosti vjetra na isti efekt, dok se gubitak simetričnosti može objasniti utjecajem promjene brzine nastrujavanja vjetra s visinomi interakcijom stupa i lopatice. Slika 1.b kao rezultat teoretskog proračuna, osim što je poopćenje u bezdimenzijskom obliku cp (Kp, yz), prikazuje utjecaj yz na koeficijent brzohodnosti (Kp)r - za cp = 0, dok je smanjenje (Kp)r s rastućim uglom otklona osnova za korištenje zakretanja kola za sprečavanje pobjega.
Slika 44. a) i b) Utjecaj „zakošenosti“ vjetra na snagu turbine Treba spomenuti da se rezultati teoretske analize utjecaja zakošavanja na snagu, tj. c py/cp(yz = 0), za razliku od pokusnih, točnije aproksimiraju krivuljom cos 3yz. Sličan odnos između značajke turbine sa i bez utjecaja zakošenja vjetra na temelju normalne komponente brzine okomite na ravninu vrtnje kola vy = v cos y, proizlazi iz pokusnih rezultata na modelnoj turbini. Normalizacija dijagrama cp(Kp) za različite uglove zakošenja yz u jedinstven oblik cpy (Kpy), gdje je Kpy = Kp / cos xyz, cpy = Cp/(cos 3yz) x, daje najbolje rezultate, tj. najmanje rasipanje mjernih točaka za različite yz od krivulje aproksimacije, kao što prikazuje slika 45., zax= 1-2/3. Prikaz trougla brzine u uvjetima zakošenog vjetra na slici 46. ukazuje na promjenu relativne brzine vjetra w i odgovarajućeg ugla vjetra za različite položaje (cp = 0,7t) lopatice pri vrtnji oko osi kola. Posljedice su nestacionarnost strujanja, »nesimetričnost« opterećenja lopatice zbog čega se u opterećenju kola pojavljuju periodički promjenjive komponente sile i momenta u svim koordinatnim smjerovima, xi,yi, zi. Radi teoretske analize aerodinamičkog opterećenja lopatice svrhovito je vektor brzine vjetra v (co daleko ispred turbine) prikazati u koordinatnom sistemu (KS) vezanim uz geometriju lopatice. U obzir će se uzeti i mogući ugao nagiba osi kola yi i koničnost kola yk (ugao otklona
62
lopatice iz ravnine okomite na os kola), koji slično utječu na opterećenje lopatice kao i ugao zakošenja yz.
Slika 45. Normalizacija značajke turbine u obliku Cpy
Slika 46. Trougao brzina pri zakošenom vjetru
63
Rezultat niza pretvorbi komponenti brzine vjetra, počevši od prikaza brzine u koordinatnom sistemu KSO (x0, y0, z0) vezanim uz stup vjetrogeneratora: 𝑣𝑥0 𝑣 cos 𝑦𝑧 𝑣 = 𝑣0 = |𝑣𝑦0 | = |− 𝑣 sin 𝑦𝑧 | 𝑣𝑧𝑜 0
Slika 47. Prikaz koordinatnog sistema turbine do Ks3 vezanog uz lopaticu
vx0 obodna − obodna brzina vrtnje v v = vo = | y0 | = | normalna − okomita na obodnu i uzdužnu | vz0 uzdužna − uzduž lopatice, od korijena do vrha
v3 = T1 T2 T3 v0 Može se prikazati za određivanje relativne brzine vjetra w spram odsječka lopatice, vektor apsolutne brzine izveden prema prethodnoj jednačini . T1, T2, T3 matrice su pretvorbe vektora brzine pri pojedinačnim zakretima koordinatnog sistema.
64
v1 = T1 v0 – KS1 zakrenut za γt oko osi x0 u odnosu prema KS0 v2 = T2 v1 − KS2 zakrenut za φ oko osi y1 u odnosu prema KS1 v3 = T3 v2 − KS3 zakrenut za γk oko osi x2 u odnosu prema KS2 −v sin γz cos φ − v cos γz sin γt sin φ v = v3 = | v cos γz cos γt cos γk + v sin γx sin φ sin γk − v cos γz sin γt cos φ sin γk | v cos γz cos γt sin γk − v sin γz sin φ cos γk + v cos γz sin γt cos φ cos γk Potrebno je nadopuniti obodnom brzinom odsječka lopatice: −𝜔𝑟 cos 𝛾𝑘 0 | | 0 gdje je r - položaj odsječka duž lopatice i komponentama inducirane brzine u obodnom smjeru vl i aksijalnom smjeru (smjeru osi kola)𝑣𝑎 . Uvođenjem indukcijskih faktora a1i a2 : a1 =
va cos γz cos γt v
a2 =
vt r cos γk ω
Gdje je v cosyz cosyt komponeta brzine vjetra u smjeru osi kola,te raščlanjivanjem inducirane brzine u KS3 na komponente:
−ωr cos γk a2 v = |−v cos γz cos γt cos γk a1 | −v cos γz cos γt sin γk a1
gdje je k p = ωr cos γk /v relativna brzina vjetra, a Ct Cn, Cs bezdimenzijske su brzine nastrujavanja na odsječak lopatice ovisne o položaju lopatice pri vrtnji oko osi Ct = sin γz cos φ k p + cos γz sin γt sin φk p + (1 + a2 ) tan γz sin φ sin γk Cn = − tan γt cos φ sin γk + (1 + a1 ) cos γk cos γt
65
Cs = −
tan γz sin φ cos γk − tan γt cos φ cos γk + (1 − a1 ) sin γk cos γt
Vektor relativne brzine w se može prikazati kao:
−ωr cos γk Ct w = |v cos γz cos γt Cn | v cos γz cos γt Cs 2
1/2
kp w = v cos γz cos γt [Ct 2 ( ) + Cn 2 + Cs 2 ] cos γz cos γt
Koja sadrži uzdužnu komponentu brzine Cs. Vektor w stoga ne leži u ravnini okomitoj na uzdužnu os lopatice, odnosno u ravnini profila lopatice. Ta zakošenost relativne brzine w znatno otežava proračun sila na lopatice (postavlja se pitanje, primjerice u kojoj se mjeri mogu koristiti podaci za koeficijent uzgona - otpora cL, cD dobiveni ispitivanjem u tunelima s dvodimenzijskim strujanjem u ravnini profila) te se stoga u većini analiza zanemaruje. Treba istaknuti da je uzdužna (»radijalna«) komponenta brzine w nazočna i kod kola s (yz=y=yk=0). Zbog radijalne »ekspanzije« toka uzrokovanog promjenom aksijalne brzine prije i nakon diska kola. Ispitivanja su pokazala nazočnost nezanemarive radijalne komponente strujanja, posebno u presjecima bliže korijenu lopatice.Zanemarujući utjecaj uzdužne komponente brzine vjetra ugao relativne brzine vjetra je :
Φ = arc tan (
Cn 1 cos γz ) Ct kp
Koeficijenti inducirane brzine a1, a2 određuju se izjednačavanjem izraza za aksijalnu silu i moment spram osi kola dM izvedenih iz jednadžbe (momenta) količine gibanja i teorije krila.
dT = 1/2 ρw 2 drCt cos γk B (5.12)
66
dT = dm(v1a − v2a )F = ρ4πcos2 γz cos 2 γt cos 2 γk a1 (1 − a1 )v drF (1) 1
dM = 2 ρw 2 l dr cQ Br cos γk (2) 4 3 dM = dm(r̅1 xv̅1 − r̅2 xv̅̅̅) 2 a F = 4πρ cos γz cos γt cos γk a 2 (1 − a1 )ωr vdrF (3)
gdje je:
B-broj lopatica cT=cLcosΦ+cDsinΦ-koeficijent aksijalne sile cQ=cLsinΦ-cDcosΦ-koeficijent obodne sile F-faktor smanjenja aksijalne i obodne sile zbog konačnog broja lopatica-faktor vršnog pritiska ( )a –komponenta u smjeru osi kola
Jednadžbe 1, 2, 3. strujanje oko lopatice opisuju kao kvazistacionarno strujanje, tj. u diferencijalnom vremenskom razdoblju tijekom kojega se lopatica zakrene za ugao d p = co dt veličine to(cp), <)>((p) se smatraju nepromjenjivima. Zanemaruje se i utjecaj međusobne neujednačenosti nastrujavanja na B (broj lopatica) pri izvodu indukcijskih koeficijenata za lopaticu u položaju (p).
1 δcT w2 1 a1 (1 − a1 ) = 4 cos 2 γz cos 2 γt cos2 γk v 2 F δcQ 1 w2 1 a2 (1 − a1 ) = 4 cos γz cos γt cos 3 γk v r ω F
gdje je ϭ-koeficijent krutosti. Za regulaciju zakretanjem oko osi stupa od neposredne su važnosti komponente F xi, Mzi,Myi koje doprinosi momentu Mz0 kola u odnosu prema osi stupa.
67
Slika 48.Ovisnost urednjenje vrijednosti Fxi odnosno cxi=Fxi / (1/2*p*v2*R2*t) o ugaonom zakošenju vjetra (Mz0 )k = −My1 sin γt + (Fx1 )k l0 cos γt + (Mz1 )k cos γt gdje je l0-udaljenost ovjesišta od vertikalne osi zakretanja kola. Indukcijski se koeficijenti određuju iterativnim postupkom rješavanja sistema jednakosti.
Slika 49. Utjecaj otklona kola Mzi pri jednom okretanju oko ose vrtnje kola Dok preostale komponente posredno utječu opterećujući glavni ležaj turbine (tj. Doprinoseći momentu trenja ležaja skupa s preostalim silama koje ležaj preuzima kao, primjerice, težina kola i kućišta turbine, aerodinamičko opterećenje kućišta turbine itd.).Fxl, Mzl su za red veličina manji od Myi te i uz vrlo malene uglove nagiba osi kola(Yz < 6°) prvi član desne strane prethodne jednadžbe može biti dominantan ili bar ravnopravan s preostalima. Ovisnost M yi (= P/co) o yz slijedi istu zakonitost kao i snaga kola (Myi = cos2yz).Aerodinamička sila Fxi rezultat je nesimetrične raspodjele. 𝐵
𝐵
𝐷 2
1 𝐹𝑥1 =̇ ∑ ∫ 𝑑𝑄𝑖 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑖 = ∑ ∫ 𝜌𝑤 2 (𝑟, 𝜑𝑖 )𝑙𝑟 𝑐𝑄 (𝑟, 𝜑𝑖 )𝑑𝑟𝑐𝑜𝑠𝜑𝑖 2 𝑖=1
1 0
gdje je cpi - položaj i-te lopatice u trenutku t. Na temelju analize trougla brzina za dva položaja lopatice, u kojima je najuočljiviji utjecaj otklona (cp = 0, ep = % dQ = +dFxl) proizlazi da je smanjenje dQ za ep = 0 relativno manje nego za 68
cp = n (w2=0 > w2=Jt). Shodno tome učinak djelovanja rezultirajuće sile Fxi, rezultati proračuna koje su prikazani na slici 2.4 kao usrednjene vrijednosti tijekom jednog okretaja kola Fxl = J*Fxl dtp/271 u ovisnosti o uglu zakošenja, je samopodešavajući.Moment sile Fxl djeluje na kolo u smjeru otklona vjetra od osi kola težeći, dakle da postavi kolo u smjeru zakošenog vjetra. Analogno FxJ, moment Mzi je posljedica nesimetrične raspodjele aksijalnog opterećenja lopatica. Rezultati proračuna Mzf prema uobičajenoj podjeli lopatice na niz odsječaka i teoriji profila uz pretpostavke ugrađene u jednadžbe 1,2 3. B
B
D 3
1 Mz1 =̇ ∑ ∫ dTi rcosyk sinφi = ∑ ∫ ρw 2 (r, φi )l(r)cT (r, φi )cos 2 yk sinφi rdr 2 i=1
1 0
suviše se razlikuju od pokusnih da bi se ta razlika mogla objasniti činiteljima neobuhvaćenim proračunom (utjecaj stupa, stratifikacija strujanja). Prikaz je stoga ograničen na isključivo pokusne rezultate. Osim izrazitih varijacija Mzl sa zakretom kola, izostanka očekivanog periodičkog obilježja (razmjerno broju lopatica) za tok krivulje svojstveno je M zl< 0 za -40° < yz< 40°.Kombinacija utjecaja Fx i Mzl u području yz< 0 stvara, dakle moment koji zakreće kolo u smislu smanjivanja yz, tj. kolo se samo podešava promjeni smjera vjetra. U području yz> 0 nije moguć jednoznačan zaključak zbog međusobno suprotnog djelovanja Fxl i MZi.Za proračun (Mz0)k pri yt=0 mogu poslužiti eksperimentalni podaci predočeni u bezdimenzionalnom obliku. (Mzo ) k CMz0 = 1 = f(yz ) 2 3 ρv R π 2
prema kojima je (cMzo)max = 0,04 za 30° < yz< 40°. Prema načinu djelovanja regulacijski sistemi za podešavanje mogu se podijeliti na: a) Aktivne - kod kojih se moment zakretanja turbine oko osi stupa ostvaruje električno (hidrauličkim) sistemom pogon kojih je neovisan o vjetru . b)Pasivne - moment zakretanja koji je rezultat djelovanja aerodinamičkih sila vjetra na b1)kolo turbine, b2) dodatne krilne površine, kao što je, primjerice, repni stabilizator, b3) pilot vjetrenjaču. S obzirom na položaj kola turbine i nosećeg stupa prema vjetru, razlikuju se izvedbe »uz vjetar« i »niz vjetar«. U prvoj izvedbi vjetar prvo nastrujava na kolo turbine, a zatim na stup,tj. stup se nalazi u tragu kola, dok je u izvedbi niz vjetar obrnuto. Prednosti prve izvedbe su bolje iskorištenje energije vjetra i manje izrazito dinamičko obilježje opterećenja pri prolazu lopatice uza stup. Ta izvedba prevladava u kombinaciji sa sistemima pod a), b2), b3), dok se izvedba »niz vjetar« primjenjuje u samopodešavajućem sistemu pod b1), čija je osnovna prednost jednostavnost konstrukcije. Aktivni sistemi za podešavanje položaja kola turbine jesu klasični regulacijski sistemi s osjetnikom smjera (smještenim na kućištu turbine), regulatorom, postavnim članom. Realizacija postavnog člana je uobičajeno elektromotorni pogon, čija je posebnost znatan prijenosni smjer 69
(reda veličine 1:1 000) prijenosnika snage, koji završava zahvatom u veliki zupčanik pričvršćen na glavni ležaj turbine.Ako prijenosnik snage nema svojstvo samokočivosti (kao pužni prijenosnik, primjerice),tada je sistem, proširen hidrauličkim kočnicama koje rasterećuju prijenosnik od izrazitog dinamičkog opterećenja. Brzina zakretanja turbine oko osi stupa reda je veličine 1 okret/10 min. Razvojno gledano donja granica primjene aktivnih (ili prisilnih) sistema podešavanja pomiču se u područje sve manjih snaga (< 10 kW) potiskujući upotrebu, primjerice, pilot vjetrenjače, pa se ta izvedba danas vrlo rijetko primjenjuje. U području male snage(< 1 kW) još uvijek se najviše koristi repni stabilizator, što se može objasniti njegovom prihvatljivom cijenom, jednostavnošću izvedbe ili upotrebom, kao sistema, zaštite od preopterećenja gonjenog stroja. Ms > (Mz0 ) + Mtr ± Mr k
gdje je Mtr - moment trenja u glavnom ležaju turbine. Mr = P/ωv - reakcija momenta na vertikalnom vratilu gonjenog stroja brzine vrtnje ω v (generatora, pumpe), temeljenom na stupu (podnožju stupa) jest temelj za (statičko) dimenzioniranje repnog stabilizatora površine Ars, položaja E (spram osi stupa) koji treba ostvariti moment samopodešavanja. b)Repni stabilizator Uvjet samopodesivosti turbine: 1 Ms = cn γz ρv 2 Ars Eρ2 2
Izbor oblika repnog stabilizatora (vitkost) i njegova profila, koji utječu na koeficijent normalne sile cn, ograničen je težnjom za jednostavnošću izvedbe te činjenicom da je za samopodešavanje najpovoljniji ugao otklona - nastrujavanje na repni stabilizator yz = 20-40°. Dok iz prvog ograničenja najčešće slijedi izbor ravne ploče kao profila, druga ukazuje da velika vitkost (b2/A,.s) i nije bitna. Iako se povećanom vitkošću za male napadne uglove mogu ostvariti veće vrijednosti cn, u području yz = 20-40° najpovoljnije značajke ima ploča vitkosti = 1. U tom području vrijednost yz ploča manje vitkosti, prema jednadžbi, zahtijeva relativno manju površinu od vitkije ploče. EArs >
cMz 1 3 R π cn p2
70
Njezini nedostaci za yz< 20° ionako nemaju važnosti s energetskog stajališta, jer je promjena snage turbine zbog otklona neznatna.Faktor smanjenja brzine u tragu kola može se procijeniti na temelju vrijednosti indukcijskog faktora aksijalne brzine.
7.2 Sistem zaštite od pobjega Analiza pobjega turbine usmjerena je određivanju: a)Brzine vrtnje ωr koja bi se ustalila pri pobjegu. Usporedba brzine vrtnje pobjega i nominalne brzine vrtnje ωn treba ukazati na povećanje mehaničkog opterećenja kola turbine.Time je omogućeno odlučivanje pri izboru dvaju mogućih projektnih rješenja vezanih s pobjegom: robusne konstrukcije koje će podnijeti sva mehanička naprezanja u uvjetima nekontroliranog pobjega ili ekonomičnija izvedba sa zaštitom od pobjega. b)Dinamike pobjega. Promjena brzine vrtnje tijekom pobjega važna je za proračun vremenskog razdoblja u kojem će se brzina vrtnje povećati od nominalne do najveće dopuštene ω k na temelju čega se utvrđuje potrebna brzina djelovanja sistema zaštite.
c) Repni stabilizator.Uvjet samopodesivosti turbine Prikaz značajke turbine u bezdimenzijskom obliku cp(Kp = R ω/v) najprikladniji je za analizu ponašanja turbine uz promjenjivu brzinu vrtnje ω, s obzirom da su vrijednosti Kp za određenu brzinu vjetra razmjerne brzini vrtnje kola. Položaj točke pobjega R kao stacionarnog stanja turbine, određenje sa P = 0 tj. cp = 0. Pretpostavljajući da turbina pokreće generator priključen na mrežu, zbog čega je ugaona brzina vrtnje ωn stalna, radna se tačka turbine pri povećanju brzine vjetra pomiče u područje manjih vrijednosti koeficijenta brzohodnosti Kp. Ispadom generatora iz mreže i pobjegom turbine ustalilo bi se stanje u točki R.Ako se pretpostavi nepromijenjena brzina vjetra nakon ispada, tada je konačna brzina vrtnje pobjega ω r
ωr = ωn
(K P )r Kp
S obzirom da vrijednost (Kp)r ovisi samo o geometriji (i postavnom uglu lopatice, koji je za prethodno objašnjavanje stalan) slijedi da je za pobjeg najkritičnija radna točka pri najvećoj brzini vjetra. Iako pokusne značajke izvedenih propelernih vjetrogeneratora ne daju mogućnost točnog određivanja (Kp/Kp, jer je za većinu izvedbi rad turbine ograničen na područje brzina vjetra (3P,5) < v < (25-30) m/s, njihovom se ekstrapolacijom dolazi do vrijednosti (Kp)r/Kp = 10.Prethodna analiza pobjega turbine na temelju dijagrama cp(Kp) izvedenog iz značajke turbine P(v), gdje je P promjena postavnog ugla lopatice počiva na pretpostavci jednoznačne ovisnosti cp o Kp za određeni p. U uvjetima znatnog povećanja relativne brzine nastrujavanja vjetra w = (co2r2 + v2)1/2 zbog pobjega (ωr»ω) dolazi do izražaja utjecaj Reynoldsovog broja(Re = w 1/v) i Machova broja (M = w/a) na značajke profila lopatice, odnosno na cp turbine(a - brzina zvuka).
71
Slika 50. a) b)Prikaz pobjega turbine pomoću bezdimenzionih značajki Za razumijevanje utjecaja M broja nužno je podsjetiti da je konačno stanje pobjega rav-notežno stanje u kojem je pogonski moment, kojega stvara unutarnji dio lopatice, uravnotežen momentom kočenja vanjskog dijela lopatice. Utjecaj promjene M broja najizraženiji je upravo u području najveće relativne brzine w, tj. velike obodne brzine u = ω r, o kojemu i ovisi moment kočenja. Za profile koji se koriste pri gradnji lopatica turbine, podaci za koeficijent uzgona otpora cL - cD ograničeni su na podzvučno strujanje (M < 0,3) kojem su profili namijenjeni, te se zaključak o utjecaju M broja na konačnu brzinu vrtnje pobjega svodi na uočavanje dva suprotstavljena efekata: pri M < 1 vrijednost koeficijenta uzgona cL pada,dok koeficijent otpora cD raste. S obzirom na dominirajući doprinos sile otpora obodnoj sili kočenja pri malim napadnim ugalovima (ili eventualno negativnim napadnim ugaoovima pri kojima i sila uzgona doprinosi sili - momentu kočenja) kao opšti zaključak slijedi da će se u uvjetima povećanog M broja, zbog djelotvornijeg kočenja, brzina pobjega ωr, tj. Kpr smanjivati. Zaključak se može proširiti i na pogoršanje cjelokupne bezdimenzionalne značajke turbine, kao što prikazuje slika 51 a.
Slika 51. a) b) Uticaj Machova broja na konačnu brzinu vrtnje pobjega
Proračun koji ne uzima u obzir i utjecaj M broja stoga daje teoretski najveću postizivu vrijednost brzine vrtnje pobjega, na što zorno ukazuje slika 2.8b. U podzvučnom području (M < 0 4-0 5) ugaona brzina pobjega ωr (ili obodna brzina vrha lopatice U) određena je položajem na pravcu 72
nagiba Kpr, odnosno U = ωr D/2 = Kpr v, gdje je v brzina vjetra pri pobjegu.Pri dozvučnomstrujanju (M < 1), to jest pobjegu pri brzini v > vp konačno stanje pobjega bit će određeno tačkom na pravcu nagiba KprM (< Kpr) s pripadajućom vrijednošću M broja. Osim očiglednog povećanja mehaničkog opterećenja korijena lopatice uzrokovanog centrifugalnom silom, pobjeg turbine praćen je i znatnim povećanjem aksijalne sile T (na lopaticu i stup). Slika 52a prikazuje promjenu aksijalne sile na kolo turbine u radnom području uz ω = konst., a njezinom preinakom u bezdimenzijski oblik cT(Kp)k (sl. 52b) uočljivje porast koeficijenta aksijalne sile cT s porastom koeficijenta brzohodnosti Kp. Pobjeg iz kritične radne točke (uz najveću brzinu vjetra vco, pri kojoj je turbini dopušten trajan rad zbog porasta Kp turbinu dovodi u područje znatno većih vrijednosti cT nego što su bile prije samog ispada cTi. Uz nepromijenjenu brzinu vjetra to izaziva, razmjerno omjeru cj/c-n, povećanje aksijalne sile T ili za čvrstoću lopatica još kritičnije, povećanje momenta savijanja lopatice.
Slika 52. a) b) Opterećenje kola turbine aksijalnom silom Tu normalnom pogonu i pobjegu Dinamika pobjega turbine, uz zanemarivanje gubitaka snage u prijenosniku snage od kola turbine do generatora, određena je jednadžba dinamičke ravnoteže:
Jred =
dω =M dt
gdje je: Jred = Jk + Jg i2- moment tromosti smanjen na os kola turbine Jk- moment tromosti mase kola (lopatice i ovjesište lopatice) u odnosu prema osivrtnje kola Jg- moment tromosti mase rotora generatora i = rog/ro - prijenosni omjer multiplikatora M - aerodinamički moment vjetra u odnosu prema osi kola tijekom pobjega. Na slici 53. dat je pregled vrijednosti momenta tromosti lopatice kola te usporedba momenta tromosti kola Jk i generatora Jg i2), iz čega proizlazi dominantan utjecaj kola turbine.
73
Slika 53. a) b)Masa i moment tromosti lopatice u ovisnosti o promjeru kola (a) moment tromosti kola i generatora (b) Analiza pobjega kao kvazistacionarnog zbivanja, niza uzastopnih stanja od kojih je svako određeno odgovarajućom tačkom na radnoj značajki turbine, omogućava definiciju aerodinamičkog momenta M uz korištenje poznatih eksperimentalnih značajki turbina. Prethodno je potrebnoradnu značajku kola (dijagram ovisnosti snage na vratilu kola P o brzini vjetra) preinačiti u bezdimenzijski oblik prikladan za praćenje promjene snage uz promjenjivu brzinu vrtnje. Umjesto klasičnog prikaza značajke turbine cpm = f X P, oblik kola međusobnomkombinacijom bezdimenzijskih značajki, uvest će se nova značajka snage:
P 1 2
ρ(Rω)3 A
3
= k pm ג, gdje je = ג1/K p
U području velikih brzina vjetra značajke kPm(y) većine turbina na vjetar, osobito onih čija je snaga ograničena - regulirana stall-efektom, izgledaju kao na slici 2.11, tj. kPm = const.
Slika 54. Prikaz pobjega turbine u dijagramu kom(x)
74
Ponašanje turbine neposredno nakon rasterećenja kola pri brzini vjetra vn< v < vω, tj.početna faza pobjega unutar koje bi trebala djelovati zaštita turbine i spriječiti daljnje povećanje brzine vjetra (smanjenje y), može se, dakle odrediti kao:
k pm = ̃ const. = 1 2
P ρω3 R5 π
=1 2
Pn ρωn 3 R5 π
gdje je : Pn - nominalna snaga kola turbine i nominalna brzina vrtnje kola P„ = PGN/1 Pgn - nominalna snaga nK, T ip - stupanja djelovanja generatora i prijenosnika snage. Na temelju prethodne jednadžbe proizlazi ovisnost aerodinamičkog momenta kola M o brzini:
M=
P 1 = (k pm ρR5 π) ω2 = k M ω2 ω 2
gdje je kM - konstantna veličina za određeno kolo (uz nepromijenjen položaj lopatice) upodručju X N < X < XCLR Uvrštenjem M = kM ω2 rješenje jednadžbe dinamičke ravnoteže kola tijekom pobjega dt =
Jred dω k M ω2
određuje vremenski interval Atk u kojem sistem zaštite od pobjega mora djelovati da bi spriječio povećanje brzine vrtnje iznad Jred 1 1 dt k = [ − ] k M ωn ωk Na primjeru turbine promjera kola D = 15,3 m, nominalne električne snage P n = 55 kW, r) < 0,8 sinhrone brzine vrtnje generatora reducirane na os kola ω s = 5,26 ob/min, nominalne brzine
75
vrtnje kola a> = 5,73 ob/min (uz 2% klizanja generatora pri punom opterećenju), momenta tromosti JrC = 15000 kg m2, može se prikazati red veličine Atk. Uz dopušteno prekoračenje brzine vrtnje od 20% ffln (ograničenje koje je uobičajeno kod većine izvedbi) i odgovarajuće vrijednosti koeficijenata kpm = 9 • 10"3 kM = 461, slijedi Atk = 1,0 s. Taj rezultat ukazuje na važnost brzog i pouzdanog djelovanja sistema zaštite od pobjega, jer brzina vrtnje dosegne dopuštenu vrijednost praktički tijekom jednog okretaja kola. Sprečavanje pobjega kod modernih turbina na vjetar ostvareno je jednim od sljedećih postupaka ili najčešće, u svrhu povećanja pouzdanosti, njihovom međusobnom kombinacijom. Kočenje pomoću momenta trenja između kočnih tarnih obloga i kočnog diska smještenog na vratilu kola turbine ili generatora. Aerodinamičko kočenje kola turbine pomoću »spoilera« - posebno izvedenih dijelova lopatice, koji pri prekoračenju zauzimaju takav položaj da stvaraju aerodinamički moment koji koči kolo. Zakretanje lopatica kola turbine mijenja značajku cp(Kp) turbine, pri čemu se znatno smanjuje (Kp)r. Promjena postavnog ugla lopatice, osim one za pobjeg najznačajnije posljedice, rezultira i smanjenjem cT, tj. smanjenim opterećenjem lopatice i kola tijekom pobjega. Moment tromosti tog sistema razmjerno je malen, što mu omogućuje brzo djelovanje. Kod turbina srednje snage (P < 0,5 MW) prevladava kombinacija sistema s kočnim diskom kao primarnog, i aerodinamičkih kočnica, kao sekundarnog sistema zaštite od pobjega. Turbine većih snaga (P > 1 MW) primarnu zaštitu od pobjega ostvaruju zakretanjem lopatica kojima se ujedno regulira i snaga, tj. sprečava preopterećenje gonjenog stroja, dok sekundarnu ulogu ima kočni disk. 1. Izvedba sistema zaštite s kočnim diskom (disk kočnicama) kod turbina na vjetar ne razlikuju se od sličnih kočnih sistema u mašinstvu, od kojih su i preuzeti svi standardni dijelovi. Ugrađuju se kako na sporokretnom vratilu kola prije multiplikatora, tako i na brzo- kretnom vratilu generatora. Takav položaj kočnice u prijenosu snage zahtijeva daleko manji moment kočenja, ali zauzvrat multiplikator izlaže preopterećenju. Broj kočnih elemenata i njihov položaj duž oboda kočnog diska odabire se tako da se pri kočenju konstrukcija turbine optereti isključivo momentom kočenja Mk i time izbjegne neuravnoteženost razmjerno velikih obodnih sila kočenja diska na tarnim površinama. Važnost pravovremenog kočenja diska pri pobjegu za dimenzioniranje samog kočnog sistema proizlazi iz prethodne jednakosti kM Mk (∆t) > 𝑀 = k M ω2 = 2 1 k (ω − ∆t J M ) n
red
Koje ukazuje na povećanje potrebnog momenta kočenja s kašnjenjem At u aktiviranju sistema. Prema načinu aktiviranja i djelovanja kočni sistem zaštite od pobjega postojećih izvedbi turbina može se podijeliti na a) Aktiviranje - zbog signala ispada elektrogeneratora iz mreže - prekida strujnog kruga -signalom uređaja za mjerenje brzine vrtnje kola - generatora b) Djelovanje - elektromagnetsko -hidrauličko
76
Većina sistema zaštite ima ugrađeno svojstvo »samokočivosti«, to jest prekid u djelovanju izaziva kočenje diska. 2. Zračne kočnice su sekundarni sistem zaštite od pobjega na turbinama s nezakretljivim lopaticama, snaga kojih se ograničava stall-efektom. Svrha im je da u slučaju otkazivanja diskkočnica ograniče brzinu vrtnje (ω<ωk) rasterećenog kola stvarajući moment kočenja Mk pomoću »spoilera«. Na slici 55. prikazana su dva temeljna oblika spoilera u položaju u kojem izazivaju aerodinamičko kočenje kola. Vršni je spoiler u normalnom pogonu vrh lopatice i kao takav doprinosi pogonskom momentu lopatice - kola. Njegova je upotreba znatno šira od spoilera na slici 55b, što se između ostalog može pripisati i mogućnosti jednostavnijeg analitičkog proračuna njegova momenta kočenja. Vršni se spoiler najčešće izvodi kao neprofilirana lopatica, tj. kao debela ravna ploča, za koju su poznati odgovarajući koeficijenti uzgona i otpora, za razliku od spoilera na slici 55b, koji u potpunosti mijenja aerodinamičke značajke dijela lopatice na kojemu se nalaze. Te promjene aerodinamičkih značajki lopatice kao posljedica promjene opstrujavanja lopatice, posebno u podtlačnoj zoni, nije jednostavno analitički obuhvatiti. Spoiler s nosećim dijelom lopatice jest cjelina čija je aerodinamička značajka odrediva jedino pokusom. Tvrdnja o međusobnom utjecaju radnog dijela lopatice i spoiler (to jest vršni spoiler i preostali radni dio lopatice nisu dvije neovisne aerodinamičke površine), ali se u znatno manjoj mjeri odražava na tačnost proračuna.
Slika 55. a) b) Izvedba spojlera (u položaju pri kočenju kola turbine) (a) vršni spojler (b) spojler
77
Slika 56. Promjena specifičnog opterećenja kola zbog smanjene dužine lopatica pri aktiviranju spojlera Aktiviranje vršnih spoilera stvara moment kočenja Mk, koji može u potpunosti umiriti kolo ili uspostaviti ravnotežno stanje u kojem se sva snaga - moment ranog dijela kola, apsorbira na zračnim kočnicama pri brzini vrtnje ω < ωk. Snagu radnog dijela kola turbine nakon aktiviranja kočnica i uspostavljanja stacionarnog stanja pri brzini vrtnje ω prikladno je izraziti koristeći radnu značajku turbine bez aktiviranih vršnih spoilera. P = cps ρv 3 As = cp ()גfג
3
1 As ρ(ωR)3 A ( ) 2 A
gdje je: cps, As - koeficijent snage i površina kola kojem su uklonjeni (aktivirani) vršni spoiler cp, A - koeficijent snage i površina kola s neaktiviranim vršnim spoilerima f=cps/cp = (Ps/As)/(P/A). Faktor smanjenja specifične snage f kola jest posljedica promjene oblika kola nakon što su s lopatica »odstranjeni« spoileri. Smanjivanje duljine lopatica 1 (i omjera l/R) izaziva relativno veći utjecaj opstrujavanja rubova lopatice zbog konačne duljine same lopatice, tj. povećanje koeficijenta inducirane brzine. Promjena relativne brzine vjetra w i ugla nastrujavanja, kao posljedica promjene inducirane brzine, odražava se na f. Uz očekivano smanjenje specifične snage zbog pojačanog opstrujavanja rubova lopatice,njezino povećanje u području većih brzina može se tumačiti »zakašnjelom pojavom stall-efekta« zbog smanjenja ugla (j) i napadnog ugla a vjetra u odnosu prema profilu.Izraz za snagu P k koju apsorbira zračna kočnica, može se pojednostavniti s obzirom na sličan izvod za lopaticu zbog relativno male duljine vršnog spoilera. Zanemarujući, dakle promjenu relativne brzine w i ugla nastrujavanja vjetra duž vršnog spoilera Pk = Mk ω = rk (Dk cos Φ − Lk sin Φ)ωN Utjecaj opstrujavanja rubova već je ugrađen u vrijednost cD i cL, koji se, primjerice zaravnu ploču vitkosti = 1 u području a > 45° mogu izraziti kao : 78
cL = 1,17 cos α cD = 1,17 sin α D
gdje je α-ugao nastrujavanja vjetra w na spojler. Razradom izraza na silu uzgona Lk i otpora Dk spoilera i relativnu brzinu vjetra 2 1/2
wk = rk ω (1 + גk ) Slijedi :
1 2 1/2 Pk = ρ (1 + גk ) Ak Nr 3 ω3 1,17sin(α − Φ) 2 gdje je : גk = v/rk ω –Ak ; površina jednog spojlera
U bezdimenzijski oblik
1 2
ρ(Rω)3 A , u njihovom omjeru r
1
PK / 2 ρ(Rω)3 A 1
PS / 2 ρ(Rω)3 A
=
3
2
1,17 ( Rk ) (1 + גk ) sin(α − Φ) cp ג
3
N
Ak 1 k pk = A f k pm
uočavaju se koeficijenti snage kola i koeficijent snage kočnice kPk. Na slici 56. prikazana je njihova ovisnost o koeficijentu napredovanja X i broju aktiviranih spoilera N za postavni ugao spoilera גk = 90° koji osigurava najdjelotvornije kočenje. Za sve aktivirane zračne kočnice veća je snaga kočenja Pk> P od snage kola u bilo kojoj radnoj točki, a kolo će se u potpunosti umiriti. Djelomično aktiviranje zračnih kočnica rezultirat će vrtnjom kola ω (= v / R A,r), gdje je \ određena presjecištem kpm i kpk. Slika 56. Uticaj aerodinamičkog kočenja na pobjeg turbine
79
To ukazuje na važnost istodobnog aktiviranja vršnih spoilera zbog čega bi prednost u izboru sistema zaštiteimala izvedba sa središnjim uređajem za zakretanje. Pojedinačna zakretanja aktiviranje vršnih spoilera ostvaruje veću pouzdanost s obzirom na višestrukost sistema zaštite. Daljnja bi analiza ukazala na prednost prvog s obzirom na ravnomjerno opterećenje svih lopatica pri kočenju,dok pojedinačno aktiviranje omogućuje »jednostavnu realizaciju«, posebno ako se aktiviranje odvija zbog povećanja centrifugalne sile pri pobjegu. Slika 57 prikazuje često upotrebljavanu izvedbu te vrste.
Slika 57. Centrifugalni vršni spojler Pri ω = ωk centrifugalna sila spoilera nadmašuje silu prednapona tlačne opruge zbog čega se spoiler pomiče uzduž osovine i izvlači iz vodećih svornjaka na radnom dijelu lopatice (koji osiguravaju da u normalnom pogonu spoiler ne odudara od konture lopatice). Izdanci na osovini ulaze u odgovarajući žlijeb u tijelu spoilera i pri daljnjem radijalnom pomaku spoilera uzrokuju njegovo istodobno zakretanje oko osovine u kocioni položaj גk. Nakon smanjenja brzine vrtnje (< ωk) spoileri se vraćaju u prvobitan položaj i postaju radnim dijelom lopatice. 3. Hidraulički sistem (hs) za zakretanja lopatica prikazan na slici 58. osim za sprečavanje pobjega, namijenjen je i ograničenju snage i regulaciji brzine vrtnje kola turbine. Složenosti izvedbe hs, osim te višestruke namjene, doprinosi i red veličine turbine (P = 3 MW, D = 60m), na koju je sistem ugrađen, zbog čega su zahtjevi za pouzdanošću sistema povećani. Primjerice, sistem je u potpunosti zatvoren prema okolini i može djelovati bez obzira na svoj položaj. Niskotlačni spremnik - akumulator tlaka osigurava dostatno velik pritisak u sistemu i hidrauličkim cilindrima - zakretačima lopatica smještenim na samoj lopatici, tj. neprekidna nazočnost ulja pod tlakom u svim dijelovima sistema (kao, primjerice, u zakretačima koji su okomitom položaju lopatice nalaze 21 m iznad osi kola). Iz analize djelovanja sistema uočljiva je primjena klasičnih postavki u projektiranju zaštitnih turbinskih sistema: Sistem je »otporan« na neispravnost u vlastitom hidrauličkom krugu, to jest neispravnost (hs) zakretača lopatice dovodi u krajnji položaj, odnosno aerodinamički zakočeno kolo,u sistemu uvijek ima dostatno akumulirane energije da se omogući djelovanje u uvjetima prekida opskrbe električnom energijom iz vanjskih izvora. 80
Slika 58. Hidraulički sistem za zakretanje vršnog dijela lopatice turbine U uvjetima pobjega, to jest ispada generatora iz mreže, elektromagnetski ventil prekida dovod ulja pod visokim tlakom na tzv. pilotski priključak A blok-ventila. Time se prekida veza zakretača i servo ventila (E-B-servo ventil C-D-zakretač), a dovod ulja ostvaruje se preko E-D. Zbog različitih površina stapa zakretača, tlak kojeg neprekidno osigurava visokotlačni akumulator zraka, stvara silu koja pomiče stap u krajnji položaj, odnosno zakreće lopaticu u krajnji aerodinamički zakočen položaj.
8.0 Sistem upravljanja i nadzora vjetroelektrane Električna energija proizvedena vjetrom, promjenjive je količine i trajanja. U savremenimvjetroelektranama nastoji se u svakom času izvući maksimalna raspoloživa snaga iz promjenjivih brzina i smjerova vjetra. Osim toga, u trenucima zapuha, vjetroturbina je izložena naglimskokovitim promjenama ulazne snage vjetra, pa takve nestacionarne pobude uzrokuju mehanička i električna naprezanja cijelog sistema. Od vjetroelektrana traži se pak dug radni vijek,kako bi se osigurala maksimalna dobit od uložene investicije. Ti se zahtjevi rješavaju u okviruposebnog sistema vjetroelektrana pomoću kojega se, sa jedne strane vjetroelektrana nastojiautomatski upravljati, a s druge strane, posebno razrađenim postupcima nadzora nastoji se osiguratinjezin siguran, pouzdan i dugovječan rad. Radi se o sistemu upravljanja i nadzora.
8.1 Zadatak upravljanja i nadzora Osnovni zadatak sistema upravljanja i nadzora vjetroelektrane mogu se svrstati u slijedeće skupine: a) OSNOVNO UPRAVLJANJE VJETROELEKTRANE koje uključuje: Postupak pokretanja vjetroturbine pomoću motora za pokretanje (ako je brzina vjetranedostatna) Regulaciju položaja vjetroelektrane u odnosu prema smjeru puhanja vjetra 81
Uključivanje i isključivanje generatora koje je u izravnoj vezi s brzinom puhanja vjetrate regulacijom napona i frekvencije proizvedene električne energije.
b) UPRAVLJANJE S CILJEM OPTIMIRANJA PRENESENE SNAGE ima zadatak upravljanje radnim osobinama vjetroturbine i električnog generatora kako bi se:
Maksimirala iskoristivost sistema i optimalno prenijela snaga turbine na generator Ograničila prenesena snaga u času kada snaga turbine dosegne nominalnu snagu generatora.
c) SIGURNOSNI NADZOR uključuje nadzor uvjeta u kojima vjetroelektrana radi, te nadzor same vjetroelektrane radi otkrivanja kvarova. Ustanovljavanjem kvara vjetroelektrana seautomatski zaustavlja. d) RADNI NADZOR VJETROELEKTRANE ubraja se u preventivni nadzor, kojim se želipredvidjeti pojava kvara vjetroelektrane, kako bi se na vrijeme reagovalo, te na taj način smanjila eventualna šteta. Uključuje nadzor osnovnih veličina sistema, npr. količine vjetra,električnih veličina, uvjeta rada i slično. Svi podaci značajni za rad vjetroelektrane neprekidno se mjere a najvažniji od njih ibilježe, kako bi se naknadom analizom mogle provjeriti stanje vjetroelektrane ili rekonstruirati situacija u kojoj je došlo do poremećaja rada.
8.2 Osnovno upravljanje vjetroelektrana Osnovnim upravljanjem vjetroelektrana osigurava se njezin samostalniji rad bez neposredne prisutnosti čovjeka. Ovo upravljanje obično obuhvata: - Postupak pokretanja vjetroturbine - Regulaciju položaja vjetroelektrane u odnosu prema smjeru puhanja vjetra - Postupak uključivanja i isključivanja generatora. Da bi se vjetroturbina pokrenula, treba biti provjeren cijeli niz radnih uvjeta, od pritiskau hidrauličnom sistemu vjetroelektrane, do vanjskih faktora, i to prije svega brzine vjetra. Akobrzina vjetra nije dovoljna da bi se savladale sile otpora, vjetroturbina se prisilno pokreće pomoćumotora za pokretanje. Nakon što dosegne radnu brzinu motor se isključuje, a kako su sada silekoje je potrebno savladati znatno manje nego pri pokretanju, vjetroelektrana se prebacuje u radnirežim u kojem proizvodi električnu energiju. Postrojenje motora za pokretanje kod malih jedinicanije isplativo pa se kod njih turbina pokrene tek kad brzina vjetra prijeđe brzinu samostalnogpokretanja. Kod vjetroelektrana s asinhronim generatorima ulogu motora za pokretanje običnoima manji asinhroni generator koji se, nakon što turbina dosegne radnu brzinu, iz motornog režimaprebacuje u generatorski režim. Uz mogućnost automatskogpokretanja svaki sistem upravljanjaobično dopušta i ručno, prisilno pokretanje koje uključuje i isključuje operater. 82
Regulacija položaja vjetroelektrane u odnosu prema smjeru puhanja vjetra važna je isključivo kod propelernih turbina s vodoravnim vratilom. Snaga vjetra predana turbini maksimalna je u slučaju okomitog nailaska vjetra na površinu radnog kola turbine. Većinu mjesta označava promjenjivost smjera puhanja vjetra, pa ako se želi maksimalno iskoristiti mogućnosti turbine, treba joj stalno regulirati položaj ovisno o smjeru puhanja vjetra. To se možeprovesti pasivnomi aktivnom regulacijom, kao što prikazuje prethodna slika.Kod pasivne regulacijeturbina se pozicionira pomoću snage vjetra, dok se kod aktivne regulacije koriste posebnimotori za pozicioniranje.
Slika 59. Regulacija položaja turbine u odnosu prema smjeru puhanja vjetra Kod aktivne regulacije pomoću servosistema za pozicioniranje se radi o klasičnom slijednom servosistemu prikazanom na sledećoj slici. Ulazni signalkojega je potrebno pratiti dobije se iz senzora smjera vjetra. Senzor se treba smjestiti tako dauticaj turbine bude minimalan, npr senzor se postavlja na poseban stub. Međutim,zbog praktičnih razloga on se obično smješta na isti stub na kojemu je i turbina, pa su smetnjeneizbježne. Uticaj im se ublažava izračunavanjem srednje vrijednosti smjera u određenomvremenskom intervalu koji je duži kod jedinica većih snaga, a kreće se od 1-100 sekundi.
83
Slika 60. a) b) Slijedni servo sistema za pozicioniranje vjetroelektrane u odnosu prema smjeru puhanja vjetra (a) Tipičan zahtjev za odziv servosistema uz skokovitu promjenu reference (b) Odziv servosistema Odziv servosistema treba biti prigušen ali i dosta brz. To znači da se iz jednog položajau drugi treba doći što prije, bez oscilacija i prebačaja nove vrijednosti. Tipičan odziv za skokovitu promjenu reference prikazuje prethodna slika b).Danas se u tu svrhu pretežno koriste razni algoritmi digitalnog upravljanja, a ponekad iklasični PID regulatori. Jedna od složenih zadaća pri projektovanju vjetroagregata jeste rješenje prijenosa električneenergije od generatora, koji se okreće skupa s turbinom, do ostalog dijela energetske opremei potrošača koji se nalaze na zemlji. Kod vjetroagregata s repnim stabilizatorom ili pilotturbinama koriste se klizni prstenovi, a kod vjetroagregata sa servosistemom za pozicioniranjeposebni prijenosni kablovi koji dopuštaju učestalo uvrtanje, ali najviše 2-3 uvrtanja u jednomili drugom smjeru. Postojanje kabla postavlja dodatne uvjete sistemu regulacije položaja vjetroturbine. Broj uvrtanja utvrđuje se posebnim brojačem, pa se, nakon što u jednom smjeruprijeđe maksimalno dopuštenu vrijednost, pozicioniranje turbine provodi okretanjem u suprotnome smjeru, bez obzira što se pritom turbina možda treba zakrenuti za veći ugao. Naprimjer, neka se turbina treba zakrenuti 10° udesno. Ako je dosegnut maksimalan broj uvrtanja,ona će u novi položaj doći zakretanjem za 350° ulijevo. Sljedeća slika prikazuje tipični smještaj senzora za smjer i brzinu vjetra i servomotora zapozicioniranje. Senzori brzine vjetra i smjera vjetra fizički mogu biti razdvojeni, ili su spojeniu cjelinu. Radi se o velikoj vjetroelektrani snage 1 MW kod koje postoje tri neovisna električna servomotora, svaki s vlastitim reduktorom kao na slici.
84
Slika 61. Smještanje senzora za smjer i brzinu vjetra i servosistema za pozicioniranje vjetroelektrana snage 1000 kW sa pozicioniranjem prema vjetru Treća zadaća osnovnog upravljanja jest postupak uključivanja, isključivanja i prespajanjageneratora. On je s jedne strane u izravnoj vezi s brzinom puhanja vjetra, a s druge s regulacijom napona i frekvencije proizvedene električne energije. Naredna slika prikazuje tipičnu šemu spajanja vjetroelektrane na mrežu. Na slici su ucrtanirelejni sklopnici, iako se u posljednje vrijeme sve više koristi »mekano« uključivanje tiristorskim sklopnicima. Proizvođači nude tiristorske sklopnike različite snage posebno prilagođene radu u vjetroelektranama. Naglašava se da se njihovim korištenjem produžuje životni vijek vjetroelektrane posebno multiplikatora i ležajeva. Pomoću tiristorskih sklopnika, turbina se postupnoopterećuje, a ne skokovito kao u slučaju klasičnog uključivanja. Tako nemamehaničkih skokova što produžava životni vijek komponenata. Kod vjetroelektrana koje imaju dva generatora obično postoji mogućnost priključivanjageneratora pojedinačno ili skupa. Veličina koja određuje koji će generator biti priključenobično je brzina vjetra. Kod malih brzina najprije se uključuje samo mali generator, zatimpojačavanjem vjetra samo veći generator i na kraju, kad brzina vjetra dosegne odgovarajućuvrijednost uključuju se oba generatora skupa. Dakako, smanjivanjem vjetra dolazi najprijedo isključivanja manjeg generatora, zatim daljnjim smanjivanjem do isključivanja većeg auključivanja manjeg generatora, i na kraju isključivanja obaju generatora. U vezi s postupkom uključivanja i isključivanja generatora, na neki je način povezana iregulacija napona i frekvencije proizvedenog električnog napona. Spomenuto je da vjetroelektrane mogu biti priključene na postojeću elektroenergetskumrežu ili da mogu raditi samostalno. Pri radu na mrežu, regulacija napona provodi se samou slučaju 85
sinhronog generatora reguliranjem napona uzbude. Generator se može priključiti namrežu samo ako mu je napon u dopuštenim granicama. Pri autonomnom je radu regulacijanapona posebno važna u sistemu s pohranom električne energije u akumulatorskim baterijama.
Slika 62. Šema spajanja vjetroelektrane na mrežu 1. Vjetroelektrana 2. Podstanica visokog napona 3. Priključnica visokog napona 4. Priključak na distributivnu mrežu 5. Kontrola napona i frekvencije 6. Visokonaponski kabel Pri radu na mrežu, regulacija frekvencije je važna ako se koriste sinhroni generatori, aobično se provodi reguliranjem broja okretaja turbine. Pri autonomnom radu električna seenergija najčešće prvo pohranjuje u akumulatorima, pa se tek nakon toga, ako je potrebno,pretvara u izmjenični oblik. Zbog toga nije potrebno provoditi regulaciju frekvencije djelovanjem na broj okretaja vjetroturbine, već se regulacija provodi pri istosmjerno-izmjeničnojpretvorbi.
86
8.3 Upravljanje radi optimiranja prenesene snage Cilj ovog upravljanja jeste prije svega maksimiranje iskoristivosti vjetroelektrane tako da se karakteristike generatora i turbine međusobno optimalno ugode. U ovisnosti o brzini puhanja vjetra, zadaća upravljanja može biti optimiranje prenesene snage ili ograničavanje snage. Optimiranje se provodi sve dok je razvijena snaga generatora manja od nominalne, a ograničavanje nakon što se dosegne nominalna snaga generatora. Slika prikazuje tipične radne značajke vjetroturbine za optimalno postavljen ugao lopatica, i to karakteristiku snage i momentnu karakteristiku. Maksimumi krivulja snage, spojeni linijom Pmax određuju ugaonu brzinu turbine kod koje je za date brzine vjetra stepen korisnog djelovanja najveći. Na momentnim karakteristikama te tačke leže na krivulji M opt, koja je pomaknuta udesno od maksimuma momentnih karakteristika.
Slika 63. a) b) Tipične radne karakteristike vjetroturbine i to karakteristika snage i momenta Označimo li na slici a) sa PGN nominalnu snagu pokrenutog generatora, vjetroturbinaće biti maksimalno iskorištena ako se njezino opterećenje do nominalne snage generatorapoklapa s krivuljom Pmax. Za brzine vjetra veće od brzine koja razvija nominalnu snagu P GN,prenesenu je snagu potrebno ograničiti na iznos nominalne snage generatora, kao što je iprikazano na slici. Dinamička ravnoteža vjetroelektrane opisuje se jednačinom: 𝐽
𝑑𝜔 = 𝑀𝑄(𝜔,𝑣) − 𝑀𝐺(𝜔) 𝑑𝑡
gdje je: J - moment inercije rotacionog sistema 𝜔- ugaona brzina vratila turbine 𝑀𝑄(𝜔,𝑣) - moment torzije turbine 𝑀𝐺(𝜔) - moment torzije generatora v - brzina vjetra 87
𝑑𝜔
U stacionarnom stanju za stalnu brzinu vjetra sistem se vrti stalnom ugaonom brzinom( 𝑑𝑡 = 0), pa jednačina prelazi u oblik: 𝑀𝑄(𝜔,𝑣𝑐𝑜𝑛 ) − 𝑀𝐺(𝜔) = 0 Ako se poveća ili smanji brzina vjetra, dolazi do razlike momenta𝑀𝑄(𝜔,𝑣𝑐𝑜𝑛 ) i𝑀𝐺(𝜔) , što se 𝑑𝜔
𝑑𝜔
očitujeu ubrzavanju ( 𝑑𝑡 >0) ili usporavanju ( 𝑑𝑡 <0) cijelog sistema, sve do uspostavljanjanovog stacionarnog stanja. Zadaće regulacijskog sistema optimalizacije snage turbine možemo podijeliti u zadaćedinamičke optimizacije u prelaznom procesu i zadaće statičke optimizacije u stacionarnom stanju. U prelaznom procesu potrebno je minimizirati razliku𝑀𝑄(𝜔,𝑣𝑐𝑜𝑛 ) − 𝑀𝐺 (𝜔) , a ustacionarnom stanju𝑀𝐺(𝜔) ugoditi tako da odgovara optimalnom iznosu momenta turbine𝑀𝑄 za trenutnu brzinu vjetra. Kada se pređe nominalna snaga P N, tada je prenesenu snagu potrebno ograničiti na vrijednost PGN.
8.4 Sigurnosni nadzor vjetroelektrane Sigurnosni nadzor podrazumijeva praćenje vanjskih uvjeta u kojima vjetroelektrana radii praćenje rada svih sistema vjetroelektrane. Izmjereni se rezultati upoređuju s dopuštenim vrijednostima. Ako se pređu granične vrijednosti, aktivira se kočioni sistem i turbinase zaustavlja. Od vanjskih uvjeta nadzire se prije svega brzina vjetra. Kad vjetar dostigne određenubrzinu v iz, koja je obično u područjima olujnih brzina, vjetroturbina se prisilno zaustavlja. Odparametara vjetroelektrane prate se temperature multiplikatora, generatora, ležaja i kočnica, pritisci i razina ulja hidrauličkog sistema, brzina okretanja turbine, napon, frekvencija i razvijena snaga generatora.Izlaskom bilo koje od tih veličina iz sigurnosnih granica, vjetroelektrana se zaustavlja.Razlozi sigurnosti zahtijevaju postojanje nekoliko paralelnih kočionih postupaka. Svaki od postupaka može u potpunosti zaustaviti turbinu, paje zbog toga stepen sigurnosti cijelog sistema vrlo velik. Na kraju navedimo još nekoliko specifičnih postupaka sigurnosnog nadzora vjetroelektrane, poglavito električnog.
88
8.4.1 Zaštita od pobjega Pobjeg se očituje naglim povećanjem broja obrtaja turbine, a donjega obično dolazi naglim rasterećenjem turbine, npr ispadom generatora iz potrošačkog kruga. Zaštita od pobjegaobično je višestruka. Prva je električna i sastoji se u nadzoru frekvencije, napona, prenesenesnage i brzine okretanja generatora. Povećanje bilo koje od tih veličina može ukazivati napobjeg, a pogotovo ako je promjena nagla. Prelazom graničnih vrijednosti uključuje se kočioni sistem. Druga je zaštita mehaničko-električna, a sastoji se od centrifugalne sklopkekoja se aktivira pri brzinama za otprilike 10% većim od brzina kod kojih se uključuje električna zaštita. Treća je zaštita obično čisto mehanička i očituje se u prisilnom zaokretanju lopatica turbine ako brzina pređe određenu još veću vrijednost.
8.4.2 Detektor vibracija Vibracije rotirajućeg sistema vjetroelektrane Prelazom dopuštenihvrijednosti uključuju posebnu vibracijsku sklopku koja aktivira postupak zaustavljanja. Sljedeća slika šematski prikazuje tipičnu vibracijsku sklopku. Sastoji se od metalne kugle u ležištukoja pri određenim vibracijama ispada iz ležišta i uključuje sklopku, a preko nje i postupakkočenja. Ponovno vraćanje u pogon moguće je tek nakon neposredne ručne intervencije operatera i deaktiviranjem sklopke. Pretpostavka je da se vibracije mogu pojaviti samo u slučajuvećeg kvara, primjerice kod pobjega, a da pritom nisu proradili ostali mehanizmi zaštite, ilipri mehaničkom oštećenju konstrukcije, pa je nužan detaljni pregled vjetroelektrane.
Slika 64. Šematski prikaz vibracijske sklopke
89
8.4.3 Ručno zaustavljanje Uvijek mora postojati mogućnost za ručno zaustavljanje vjetroelektrane. Sklopka za ručno zaustavljanje obično se postavlja kod glavnog razvodnog ormara,koji je najčešće smješten u podnožju stuba vjetroelektrane, a kod većih jedinica postoje idodatne sklopke u kućištu vjetroelektrane. U slučaju nadzora na daljinu vjetroelektrana semože zaustaviti i iz središnjeg nadzornoga mjesta. U nekim slučajevima vjetroelektrana automatski ponovno starta, npr. kad brzinavjetra dođe u dopušteno područje, dok je u drugim slučajevima nužna intervencija operatera,npr. ako se uključi vibraciona sklopka, ili ako neka temperatura pređe dopuštene vrijednosti.
8.5 Radni nadzor vjetroelektrane Savremene bi vjetroelektrane trebale trajati dvadeset pet do trideset godina. Garancijadugog životnog vijeka redovit je preventivni pregled svih dijelova sistema, ali je još većagarancija stalan nadzor svih dijelova sistema i svih svojstava sistema uz mudru interpretacijunadziranih veličina. Na taj se način mogu predvidjeti kvarovi i djelovati na vrijeme, te spriječiti eventualne havarije ili bar skratiti vrijeme u kojem je vjetroelektrana izvan pogona. Neprekidno se trebaju nadzirati sljedeće veličine: -
Brzina vjetra Smjer vjetra Izlazna električna snaga Napon na stezaljkama generatora Struja generatora Frekvencija Brzina okretanja vratila i generatora Temperatura okoline Temperatura multiplikatora Temperatura generatora Temperatura kočnica Razina ulja hidraulike Pritisak ulja hidraulike.
Uz to postoji i potreba za periodičkim nadzorom koji uključuje mjerenje i analizu: -
Harmonika struje generatora Prelazne pojave pri uključivanju sistema na mrežu Naprezanja i vibracije konstrukcije Razina buke Učinkovitosti sistema. 90
Također je nužno povremeno napraviti: -
Vizualni nadzor svih dostupnih dijelova vjetroelektrane Nadzor rasprsnuća konstrukcije penetrirajućim sredstvima Ultrazvučni pregled dijelova konstrukcije Hemijsku i mehaničku analizu sredstava za podmazivanje.
Većina tih pregleda i analiza mogu se provesti bez isključivanja vjetroelektrane. Posebnase pozornost treba posvetiti posebno opterećenim sastavnim dijelovima, primjerice ležajevima, multiplikatoru, lopaticama. Kod malih turbina do nekoliko stotina kW nije isplativo provoditi sva ta mjerenja i analize. Sljedeća tabela prikazuje koja je mjerenja i analize potrebno obavljati kod manjih a koja kodvećih vjetroelektrana. Sistem upravljanja i nadzora najkritičniji jedio, pa je njegovu izboru i izradi potrebno posvetiti najviše pozornosti. Sistem zaokretanjaturbine prema vjetru, kao i spoj vjetroelektrane s mrežom, po učestalosti kvarova na drugomsu i trećem mjestu. Najmanje je teškoća bilo s temeljima i stubom, što je za očekivati s obzirom na njihovu statičku funkciju. Nadzor Vizualni Vibracije
Velike (MW) Male (50-300 kW) Da, posebna oprema Da, izravno Da, posebna oprema Da, ako sklopka izbaci sistem,ali ne neprekidno Svojstva Da, stalni Da, samo nadzor a proračunučinkovitosti analizepovremeno Temperatura Da, u svim dijelovima Samo u generatorima Pritisci Da, u svim dijelovima Samo u kočnicama Fluidi Da, ekspertna fizička Obično ne, ali se ikemijska analiza ponekadkoriste fluida jednostavnije analize Tabela 4. Tipovi nadzora i nadzirane veličine u ovisnosti o veličini vjetroelektrane
8.6 Bilježenje izmjerenih rezultata Najvažnije izmjerene veličine nužno je i zabilježiti kako bi se mogla provoditi periodičkaanaliza svojstava vjetroelektrane te rekonstruirati situacija u kojoj je došlo do određene havarije. Za analizu svojstava nužan je i upis radnih sati vjetroelektrane. Pri analizi svojstava ponekad je nepraktično koristiti stalno upisivane podatke, posebnočesto promjenjivih veličina, kao što je brzina vjetra, pa sistem nadzora obično dopušta i vremensko usrednjavanje tih veličina. Sistem upravljanja i nadzora je izveden mikroprocesorski, pa se podacikratkoročno, npr. dnevno, bilježe u lokalnim memorijama, a potom prenose u računalau kojima se provodi analiza. 91
8.7 Primjer ostvarenja zadaća upravljanja i nadzora vjetroelektrane Sistem upravljanja i nadzora sve radnje objedinjuje u središnjoj jedinici, koja ujedno upravljai svim zadaćama upravljanja i nadzora, te bilježi mjerne veličine. Ulogu središnje jedinice obično imaračunalo, koji se odgovarajućim sklopovima povezuje sa svim senzorima i izvršnim članovima. Naredna slika pregledno prikazuje mjerne tačke i izvršne članove sistema upravljanja i nadzora.Osnovne nadzirane veličine su: -
Brzina vjetra Smjer vjetra Brzina okretanja turbine Električna snaga generatora Položaj (azimutni ugao) vjetroelektrane Temperature Vibracije
Slika 65. Šematski prikaz sistema upravljanja i nadzora
92
Glavne izvršne funkcije su: -
Uključivanje motora za pokretanje Uključivanje-isključivanje generatora Uključivanje kočnice (obično disk kočnice na glavnom vratilu turbine) Zakretanje vrhova lopatica zbog redukcije snage vjetroturbine Azimutno postavljanje vjetroelektrane
Mikroračunar, koji ima ulogu središnje jedinice, može biti standardno industrijsko računalo, npr. industrijska izvedba PC računala, ili posebno mikroračunalo prilagođenozahtjevima upravljanja vjetroelektrane. Jedan tipično komercijalan mikroračunar za upravljanje i nadzor vjetroelektrane sadrži sljedeće elemente: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
8. 9.
Pilot-sijalica koja označava uključenost sistema, Pilot-sijalica koja označava pojavu pogreške, Ručno okretanje turbine po uglu azimuta. Ručno pokretanje turbine uključenjem motora za pokretanje koji može biti i manji generator u motornom režimu rada. Start automatskog rada, Ručno zaustavljanje i uključenje kočionih sistema, Tastatura za izbor parametara koji će se prikazati na pokazivaču. Izravno se mogu očitatisljedeće veličine: struje, naponi, faktori snage, vrijeme rada, te različite temperature i brojevi okretaja. Sistemnom tipkom mogu se prikazati i drugi podaci te izabrati jedan odpretprogramiranih ekrana pokazivača, Ključ za uključivanje, isključivanje i brisanje upravljačke jedinice, Servisni ključ kojim se određuje način rada upravljačke jedinice i to normalan rad ili servisiranje. Predviđeno normalno radno područje vjetroelektrane i značajke jedinice za upravljanje su: -
Brzina okretanja lopatica Brzina okretanja generatora (1) Brzina okretanja generatora (2) Brzina vjetra Mjerenje temperature Tačnost mjerenja smjera vjetra Naponski standardi (Europa, Indija, SAD) Frekvencija
0-10,47 rad/s 0-189 rad/s 0-194 rad/s 0-70 m/s 100°C do +150°C ± 5° 3x380 V, 3x400 V, 3x480 V 50 Hz ili 60 Hz i
Kod drugog tipičnog načina izvedbe jedinice za upravljanje i nadzor, osnovu sistema činiPC, a veza s vjetroelektranom izvodi se preko posebno projektiranog međusklopa koji uključuje sve mjerne pretvarače i prilagodne sklopove izvršnih članova. 93
9.0 Vođenje vjetroelektrane pri radu na mreži S obzirom na provedbu zadaća vođenja, vjetroelektrane se mogu podijeliti na: - Konstantno brzinske - konstantno frekvencijske (KBKF) kod kojih se brzina turbineregulira mijenjanjem postavnog kuta lopatica i/ili se regulira generator. Kod sinkronihgeneratora to se provodi reguliranjem uzbude, a kod asinkronih reguliranjem otpora ukrugu rotora. -Promjenjivo brzinske - promjenjivo frekvencijske (PBPF) kod kojih se turbina igenerator ne reguliraju, već se regulacija provodi u prilagodnom sklopu priključenomizmeđu generatora i mreže. Obično se radi o sistemu s reguliranim ispravljačem(AC/DC pretvarač) i reguliranim izmjenjivačem (DC/AC pretvarač). Razmotrimo najprije slučaj KBKF sistema sa sinhronim generatorom. Osnovne zadaćevođenja takvog sistema su: -regulacija napona na stezaljkama generatora -regulacija snage turbine, kako se ne bi prešla nominalna vrijednost snage generatora
PGN. Upravljačke varijable sistema jesu napon uzbude sinkronog generatora i postavni kutlopatica turbine. Prije rješavanja zadaća vođenja potrebno je odrediti kriterije kakvoće vođenja i ograničenja upravljačkih varijabli. Primjerice, tipični kriteriji kakvoće vođenja određeni za stvarnuturbinu snage 6 MW bili su: -tranzijentne promjene napona ne smiju biti veće od 5% i ne smije biti odstupanja napona u stacionarnom stanju -ne dopušta se prekoračenje snage turbine veće od 140 % nominalne vrijednosti, kako bi se spriječila velika mehanička naprezanja rotacijskog sistema.Osim toga postojala su i ograničenja za upravljačke varijable: - brzina promjene postavnog kula lopatica maksimalno je iznosila ± 10 stupnjeva u sekundi - minimalna promjena postavnog kuta lopatice bila je ± 0,2° -regulacija napona uzbude bila je moguća u granicama ± 20 V.Postavljene zadaće vođenja mogu se ostvariti na dva načina: -klasičnom teorijom vođenja, rješavanjem posebno zadaće regulacije napona generatora a posebno zadaće regulacije prenesene snage i-modernom teorijom optimalnog vođenja viševeličinskih sistema, kojom se sve zadaće vođenja rješavaju skupa. Primjer klasičnog rješenja prikazuje slika 66. Ulazna veličina regulatora uzbude generatora jest promjena izlaznog napona generatora ΔUG, a izlazna veličina napon uzbude UREG.Taj je regulator bio posebno razvijen u okviru američkog projekta multimegavatne vjetro-elektrane. Regulacija snage provodi se klasičnim PI regulatorom koji kao ulaznu veličinu imarazliku između nominalne snage i stvarno proizvedene električne snage generatora ΔPG, a kaoizlaznu varijablu promjenu postavnog kuta lopatica Δβ. Razlika između sinkrone i stvarnekutne brzine okretanja Δω koristi se kao stabilizirajući signal. Vrijednosti regulatora proračunate su na temelju postavljenih zahtjeva vođenja i lineariziranog modela sistema koji je uključivao vjetroturbinu, prijenosni mehanizam i sinkroni generator. Primjena moderne teorije optimalnog vođenja viševeličinskih sistema daje bolje rezultate odklasične teorije vođenja. Ulazne veličine algoritmu vođenja jesu odstupanjenapona ΔUG, razlikaizmeđu sinkrone i stvarne kutne brzine Δω i razlika između nominalne snage i stvarno proizvedenesnage ΔPG, a izlazne veličine promjena postavnog ugla lopatica Δβ i promjena regulacijskognapona uzbude ΔUREG. Treba odrediti matricu izlaznog regulatora K tako da vrijedi u= K • y , 94
Proračun K temelji se na lineariziranom modelu sistema i zahtjevu za minimalizacijom integralnog kvadratnog kriterija. Drugim riječima, potrebno je regulator projektirati tako da odstupanja Δω, ΔUG iΔPg budu minimalna uz najmanju moguću intervenciju, što znači uz najmanju promjenu Δβ i ΔUREG. Pritom se koristi dobro razvijena teorija optimalnog vođenja. Slika 66. prikazuje tipične odzive vjetroagregata na naglu promjenu brzine vjetra za slučajeve (a) klasičnog vođenja i (b) vođenja viševeličinskim optimalnim regulatorom. Riječ je o vjetroelektrani snage 6 MW. Prednost optimalnog vođenja je očita.
Slika 66. Klasični pristup vođenju vjetroelektrane sa sinhronim generatorom
95
U prethodnom primjeru kod regulacije snage govorilo se o ograničavanju snage na nominalnu vrijednost snage generatora PGN. Posebna je teškoća pitanje optimiranja prenesenesnage u slučajevima kada se brzina vjetra razlikuje od one koja može razviti nominalnu snagu. Slika 68. prikazuje momente karakteristike vjetroturbine i sinkronih generatora (krivulje 1 i2). Pod pojmom optimiranja snage podrazumijeva se praćenje krivulje Mopt. Ona spaja momente za koje je, uz danu brzinu vjetra, snaga maksimalna. ωs je sinkrona brzina okretanjaturbine određena brojem polova generatora, frekvencijom mreže i prijenosnim omjerom multiplikatora. Očito je da za tačno određeni broj polova generatora i točan prijenosni omjermultiplikatora nije moguće slijediti krivulju Mopt. Primjerice, generator čija je sinkrona brzinaωsl bit će bliže optimalnom radu za veće brzine vjetra (v > 7 m/s), a generator sa sinhronombrzinom ωs2 za manje brzine vjetra (oko 4-5 m/sek). Radi što boljeg iskorištavanja što širegpodručja brzine vjetra, vjetroelektrana se obično izvodi s dva generatora različitih brojevapolova ili s multiplikatorom s promjenjivim prijenosnim omjerima. Mjeri se brzina vjetra, a ako je ona manja od neke granične brzine (vg), na mrežu se priključi generator s većim brojempolova ili se uključuje multiplikator s većim prijenosnim omjerom. Sistem se tada okrećemanjom sinhronom brzinom. Za veće brzine vjetra isključuje se prvi i uključuje drugi generator s manjim brojem polova ili se prelazi na manji prijenosni omjer multiplikatora. Slika68. prikazuje slučaj kod kojeg je vG = 7 m/s. Za vG< 7 m/s prati sekarakteristika (1), a preko7 m/s prati se karakteristika (2). (Prelazi se iz točke A u tačku A'). Ako se radi o dva generatora,onda je generator s većim brojem polova manje nominalne snage.
Slika 67. Odzivi vjetroelektrane na naglu promjenu brzine odziva vjetra 96
97
Snaga je jednaka produktu momenta i ugaone brzine: P=M*ω Uzmemo li tačku A za nominalnu radnu tačku manjeg generatora, njegova će nominalnasnaga biti jednaka površini iscrtkanog pravougaonika određenog vrhovima O, M 1 , A, ωs2. Snagavećeg generatora, čija je nominalna radna tačka B, bit će jednaka površini većeg pravougaonikaodređenog vrhovima O, M2, B, ωsl. Spomenimo još i to da se izborom sinhrone brzine ωs uodnosu prema momentnoj karakteristici turbine određuje i donja brzina vjetra pri kojoj bi generatorpočeo proizvoditi električnu energiju. Kod generatora (1) to je brzina od približno 3 m/s, akod generatora (2) od otprilike 4.5 m/s. Prema tome, da postoji samo generator (2), brzinevjetra ispod 4.5 m/s ne bi se iskorištavale.
Slika 68. Momentne karakteristike vjetroturbine i sinhronog generatora U današnje se vrijeme u vjetroelektranama što rade na mrežu sve više koriste asinhronigeneratori. Oni imaju dvije osnovne prednosti: a) Nije potrebno provoditi regulaciju napona generatora b) Odgovarajućim izborom klizanja s moguće je bolje pratiti krivulju M opt, pa na taj načinviše iskoristiti potencijale vjetra. Klizanje s izračunava se izrazom: S=ωs-ω/ωs
gdje je ωs sinhrona brzina a ω stvarna brzina generatora. Slika 69. prikazuje momentne karakteristike asinkronih generatora i vjetroturbine. Pretpostavimo najprije daje brzina vjetra 8 m/s i da imamo samo asinkroni generator, čija je karakteristikaoznačena brojem 3 koja za brzinu vjetra od 8 m/s upravo presijeca krivulju Mopt. Ukupna razvijena aktivna snaga bit će PG = M3 ω3, što je jednako površini pravougaonikaodređenog tačkama, O, M3, C i ω3. Kako je ω3 = (1 + s) ωs3, gdje je ωs3 sinhrona brzina, as klizanje generatora, snagu PG možemo podijeliti u dva dijela i to:
98
PG=M3*(1+s)*ωs3=M3*ωs3+s*M3*ωs3=Ps+PR gdje je Ps aktivna statorska snaga predana mreži (površina pravougaonika O, M 3, D, ωs3), a PRaktivna snaga rotorskog kruga (površina pravougaonika ωs3, D, C, ω3). Kako je glavna zadaćavjetroelektrane proizvodnja i predavanje električne energije mreži, samo je Ps korisna snaga,a PR je snaga gubitaka iako se ponekad i ona može korisno upotrijebiti. Tipičan primjer jeslučaj kada je generator kolutna asinhrona mašina kod kojega prevladava vanjski regulacijskiotpor rotora. Tada se snaga PR može upotrijebiti za električno grijanje, ali ona ipak ostajedodatni proizvod u odnosu prema glavnoj zadaći vjetroelektrane. Nepovoljno je to što je zaasinhroni generator karakteristike 3, taj dodatni proizvod skoro dvostruko veći od osnovnog proizvoda.
Slika 69. Momentne karakteristike vjetroturbine i asinhronog generatora Promotrimo na slici 69. asinhroni generator čija momentna karakteristika, označena brojem4. prolazi maksimumom momentne karakteristike turbine za brzinu vjetra od 8 m/s. Sinhrona brzina ostala je ista ωs3. Ukupno proizvedena snaga površina je pravougaonika O, M 4, E, ω4, akorisna snaga površina pravougaonika O, M4, F, ωs3. Iako je ukupno proizvedena snaga manjau odnosu prema generatoru karakteristike (3), korisna aktivna snaga statora predana mreži veća jeza površinu iscrtkanog pravougaonika M3, M4, F, D. Prema tome, ako se želi što više snage predati mreži, treba pratiti maksimume momentnihkarakteristika turbine, a ne karakteristiku Mopt. Ako je važna ukupno proizvedena snaga, tada se nastojipratiti karakteristika Mopt. U slučaju asinhronog generatora, rijetko se može pomoću samo jednog fiksnog generatora postići dobro praćenje, bilo momentnih maksimuma, bilo karakteristike Mopt. I tu se najčešćekombiniraju dva asinhrona generatora različitog broja polova, ili jedan asinhroni generator smogućim prespajanjem broja polova. Koriste se i kombinacije obaju postupaka. Tipičan jeprimjer vjetroelektrana DEBRA-25 nominalne snage 100 kW, kod koje postoje dva asinhronageneratora: jedan sa 4 ili 6 preklopivih polova, snage 30 kW za 4 pola i 45 kW za 6 polova,i jedan generator sa 4 pola snage 55 kW. Prijenosni omjer multiplikatora je 30. Pri malimbrzinama vjetra mikroprocesorski sistem vođenja uključuje samo manji generator sa 6 polova,pa je sinkrona brzina turbine 3.48 rad/s. Brzina okretanja turbine za nominalnu snagu od 30kW koja se postiže pri 6.5 m/s, jest 3.64 rad/s. Brzina vjetra od 6.5 m/s ujedno je i graničnabrzina vjetra kod koje se najprije isključe oba generatora. Nakon prijelaza na novu 99
sinhronubrzinu od 5.23 rad/s, najprije se uključuje manji generator, koji sada ima 4 pola, a 5 sekundinakon njega uključuje se i veći generator. Nominalna snaga od 100 kW postiže se pri 10.5m/s uz brzinu okretanja sistema od 5.42 rad/s. Prijelaz s jedne sinhrone brzine na drugu trajepribližno 24 sekunde. Kod asinkronog generatora potrebno je ograničiti prenesenu snagu za brzine vjetra veće odone brzine koja daje nominalnu snagu. Primjerice, kod DEBRE-25 to su brzine vjetra preko10.5 m/s Jedan od načina provođenja te regulacije jest regulacija postavnog ugla lopatica turbine.Obično se i tu koriste jednostavni PI regulatori projektirani klasičnom teorijom vođenja. U do sada opisanim sistemima, bilo sa sinhronim ili asinhronim generatorima, nije sedjelovalo na momentnu karakteristiku generatora. Regulacija snage provodila se djelovanjem nalopatice turbine i (ili) uključivanjem i isključivanjem više generatora različitih karakteristika. Osnovninedostatak takvih sistema jest što: Ne omogućavaju optimalno iskorištavanje brzina vjetra kod kojih je proizvedena snagamanja od nominalne (praćenje krivulje Mopt ili maksimuma momentmh karakteristika turbine) i zahtijevaju složeni mehanizam regulacije postavnog ugla lopatice.Ti se nedostaci mogu ukloniti korištenjem kolutnog asinhronog generatora uz elektroničku regulaciju otpora u krugu rotora. Poznato je da klizanje asinhronog generatora ovisi razmjerno o regulacijskom otporu,koji je preko kliznih kolutova priključen rotoru generatora. Raščlanimo najprije optimiranje snage turbine uz pretpostavku da se želi maksimiratiukupno proizvedena snaga generatora. To znači da treba pratiti karakteristike Mopt. Slika 69. prikazuje momentne karakteristike turbine i asinhronog generatora. Pretpostavimoda je brzina vjetra jednaka nominalnoj brzini od 8 m/s.
Slika 70. Momente karakteristike vjetroturbine i asinhronog generatora uz regulaciju otpora u krugu rotora generatora
100
Uz vrijednost regulacijskog otpora R,radna tačka sistema bit će na mjestu označenom slovom A, a snaga predana mreži (koja je za8 m/s nominalna snaga), jednaka površini pravougaonika, O, M1 A', ωs. Ako brzina vjetrapadne na 5 m/s, uz nepromijenjen regulacijski otpor, nova je radna tačka sistema tačka B. Naslici 70. vidi se da ona ne leži na karakteristici Mopt. Počnemo li sada smanjivati regulacijskiotpor, smanjivat će se i klizanje generatora, a momentna će karakteristika postajati sve strmijom.Za vrijednost otpora R2 (R2< R1) radna će tačka tačno pasti na karakteristiku Mopt, odnosno utačku C. Površina pravougaonika O, M3, C, ω3 veća je od površine pravougaonika O, M2, B, ω2,što znači daje ukupno proizvedena snaga veća. Zanimljivo je daje došlo i do promjene odnosasnage predane mreži i snage rotora u korist snage predane mreži koja je veća za površinuiscrtkanog pravougaonika M2, M3, C', B'. Dakle, promjenom regulacijskog otpora od R2 do R,moguće je za sve brzine vjetra, između 5 m/s i 8 m/s radnutačku sistema postaviti na karakteristikuMopt. Postupak je isti i ako treba pratiti maksimume momentnih karakteristika. Ispitajmo sada zadaću ograničavanja snage na nominalnu vrijednost. Kako se rotorskasnaga troši na vanjskim otpornicima, osnovna zadaća ograničenja snage jest ograničenje statorske snage. Pretpostavimo da se nominalna vrijednost statorske snage postiže pri 8 m/s i daje jednaka površini pravougaonika O, M1 ,A', ωs. Za brzinu vjetra od 9 m/s radna tačka sistemabez regulacije bila bi na mjestu D, a površina iscrtkanog pravougaonika M 1, M4, D', A' bila bivišak aktivne snage statora. Poveća li se vrijednost regulacijskog otpora, poveća se i klizanje,a momentna karakteristika generatora postaje položenijom. Za neku vrijednost otpornika R 3(R3> R1 ) karakteristika generatora je oblika 3, a radna tačka za brzinu vjetra od 9 m/s premještase u tačku A". Aktivna snaga statora je ista kao i pri 8 m/s. Povećala se međutim snaga rotoraza površinu pravougaonika ω1, A, A", ω5. Ona, kao što smo kazali, ne opterećuje generator,već se troši u vanjskom otporu rotora i može služiti, primjerice, za grijanje vode. Slično sedogađa pri bilo kojoj brzini vjetra većoj od nominalne (8 m/s) a manjoj od granične izlaznebrzine v iz pri kojoj se turbina zaustavlja. Važno je napomenuti da se vanjski otpor rotora trebadimenzionirati u skladu sa snagom koja će se na njemu trošiti pri izlaznoj brzini vjetra viz. Karakteristika na slici 70. namjerno je nacrtana položenije nego što je uobičajeno kako bise bolje uočili odnosi. U stvarnoj primjeni obično je snaga statora pri normalnoj brzini vjetra2 do 3 puta veća od snage rotora. Na slici 70. snage Ps i PR skoro su izjednačene, što nisuuobičajeni odnosi. Slika 71. prikazuje blok-dijagram regulacijskog sistema za optimiranje i ograničavanjesnage. Na temelju izmjerene brzine ω i poznatih karakteristika vjetroturbine, izračunava se maksimalno moguća snaga Pmax statorskog kruga za tu brzinu okretanja. Primjerice, za turbinu saslike 70. i ugaonu brzinu ω2 maksimalna snaga statora jednaka je površini pravougaonika O,M5, E',ωS. Usporedbom Pmax generatora i poznate nominalne snage turbine PN određuje se režimrada regulacijskog sistema. Za Pmax< PN provodi se optimiranje snage, pa se stvarno proizvedena snaga statora Ps uspoređuje sa Pmax. Za Pmax> PN snaga se ograničava, pa se Ps uspoređujesa PN. Razlike Ps - Pmax ili Ps - PN služe kao ulazne veličine sistemu vođenja. Vanjski otporrotora elektronički se regulira mijenjanjem frekvencije izmjeničnog uključivanja radnih otpornika. Dvije moguće izvedbe shematski prikazuje slika 72. Kod jedne izvedbe otpornicise uključuju trijacima, a kod druge tiristorima. Označimo li sa tON vrijeme uključenosti trijaka unutar periode T, učinkovit vanjski otporrotora po jednoj fazi iznosi 𝑅𝑒𝑓 =(tON*(RL*RH/RL+RH)+(T-tON)*RH)/T
101
Slika 71. Blok šema regulacijskog sistema ua optimiranje i ograničavanje snage promjenom otpora u krugu rotora generatora
Slika 72. Elektronička regulacija otpora u rotorskom krugu asinhronog generatora
102
Dakle, izborom vremena t0N moguće je tačno mijenjati vrijednost otpora rotorskog krugau granicama od (RL • RH)/(RL + RH) DO RH te na taj način regulirati snagu prenesenu s turbinana generator. U drugom slučaju regulacija vanjskih otpornika rotorskog kruga ostvarena je sklopomkoji sadrži diodni trofazni ispravljač i par otpornika RH i RL koji se uključuju i isključujutiristorima. Tiristori se izmjenično uključuju tako da se može mijenjati vrijeme uključenostitiristora t 0N unutar periode T. Učinkovit vanjski otpor rotora određen je u tom slučaju izrazom Ref= tON*RH+(T-tON)*R2/T
i mijenja se u granicama od RL do RH. U prikazanom sistemu ugaona je brzina promjenjiva, ali je frekvencija napona stalna iodređena frekvencijom mreže. Zbog toga se takav sistem može nazvati promjenjivo brzinskim konstantno-frekvencijskim (PBKF), pa je on na neki način prijelaz sa KBKF naPBPF sisteme. Ispitajmo na kraju još i primjer promjenjivo brzinsko-promjenjivo frekvencijskog (PBPF)sistema. Generator se ne priključuje direktno na mrežu već radi u autonomnom režimu rada,a sva se regulacija provodi u međusklopu spojenom između generatora i mreže. Zbog togaće ovo razmatranje PBPF sistema dobro doći kao uvod autonomnim sistemima vjetroelektranakoje se analiziraju u sljedećem poglavlju. Osnovno svojstvo vjetroelektrane s asinhronim generatorom u autonomnom režimu jestto što se radna tačka sama namješta na taj način da generator iz turbine uvijek uzima maksimalnu snagu. Drugim riječima, zadaća optimiranja snage provodi se samostalno bez ikakvevanjske regulacije. Posljedica takvog načina rada promjenjivost je napona i frekvencije nastezaljkama generatora. Zbog toga se, između takvog PBPF izvora i distributivne mreže ubacujeodgovarajući prilagodni međusklop. Primjer prilagodnog međusklopa prikazan je na slici 73.
Slika 73. Vjetroelektrana s asinhronim generatorom u radu na mreži s regulacijom napona i frekvencije ispravljačko-izmjenjivačkim međusklopom
103
Postupak se sastoji u ispravljanju izmjeničnog napona proizvedenog asinhronim generatoromi nakon toga ponovnom pretvaranju istosmjernog napona u izmjenični napon stalne frekvencije. Zadaća regulacijskog podsistema jest reguliranje, odnosno bolje kazano ograničavanjesnage na nominalnu vrijednost. (Sjetimo se da se optimiranje snage automatski provodi.) Zatu zadaću ograničavanja snage bio bi dostatan regulirani ispravljač. Namještanjem ugla ispravljača αR bilo bi moguće održavati istosmjernu struju IDC na zadanoj vrijednosti IREF. Teškoća je u tome što se povećanjem uglaαR povećava i reaktivna snaga, a to može imatiozbiljne posljedice za generator, pa čak dovesti i do njegova demagnetiziranja. Zbog toga se ubacuje i druga upravljačka varijabla: kut regulacije izmjenjivača α,. Njegova je zadaća smanjivanje reaktivnog opterećenja generatora. Zadaće vođenja mogu se ispuniti tako da se: a) Svaka regulacijska petlja posebno rješava (αR -> IDC) i (αI -> reaktivna snaga) b) Obje regulacijske zadaće skupa rješavaju (αR, αI) -> (IDC, reaktivna snaga). U tom se slučaju radi o viševeličinskom vođenju. Glavni nedostatak PBPF sistema jest cijena. Potrebna oprema je, već i za sisteme srednjesnage puno skuplja od opreme koja se koristi u prije prikazanim KBKF i PBKF, sistemima.Zbog toga je postupak još uvijek samo na razini laboratorijskih ispitivanja, pa ga ovdje nećemo detaljnije raščlanjivati.
104
10.0 Vođenje vjetroelektrane pri autonomnom radu Autonomne sisteme vjetroelektrana dijelimo na sisteme bez pohrane električne energije i sisteme sa pohranom električne energije. Ispitajmo najprije autonomnu vjetroelektranu bez pohrane energije, sa posebnim naglaskom na zadaće podsistema vođenja. Slika 74. prikazuje vjetroelektranu sa sinhronim generatorom s permanentnim magnetima i radnim opterećenjem RA. Strujno-naponske karakteristike sistema prikazane su na slici 75.
Slika 74. Vjetroelektrana bez pohrane električne energije
Slika 75. Strujno-naponske karakteristike bez pohrane električne energije
105
Krivulja Pmax spaja tačke u kojima je razvijena snaga maksimalna. Ako je vrijednost radnog otpora RA1 stalna, radne tačke sistema ležat će na karakteristici RA1. Očito je da turbina u tom slučaju neće biti optimalno iskorištena. Za svaku brzinu vjetra, o kojoj izravno ovisi i brzina okretanja , generator neće iskoristiti svu snagu koju vjetroturbina može dati. Rješenje optimalnog iskorištavanja razvijene snage vjetroturbine u stalnom je mijenjanju radnog otpora RA, tako da se pri svakoj brzini okretanja na njemu razvije upravo maksimalno raspoloživa snaga Pmax. Neprekidno mijenjanje otpora RA složena je zadaća. Ona se pojednostavljuje ako se radni teret RA razbije u nekoliko diskretnih vrijednosti. Slika 75. prikazuje primjer sa 4 diskretne vrijednosti otpora. Karakteristike sistema su prikazane na slici 74. Ispod 44.5 rad/s uključen je samo otpor RA1, između 44.5 i 89 rad/s uključeni su otpori RA1 i RA2, između 89 i 125.6 rad/s uključeni su otpori RA1, RA2 i RA3, a iznad 125.6 rad/s uključuje se cijeli otpor RA = RA1 + Ra2 + Ra3 + Ra4.
Slika 76. Vjetroelektrana bez pohrane električne energije s mogučnošću regulacije opterećenja U takvim sistemima radni teret RA obično je termičko opterećenje, pa nije nužno održavati stalan napon. Važno je samo što bolje iskoristiti razvijenu snagu vjetroturbine. Vođenje vjetroelektrane znatno je složenije ako proizvedenu električnu energiju treba pohraniti u akumulatorskim baterijama. Akumulatorske baterije pune se točno određenim karakteristikama punjenja. Slika 77. prikazuje naponsko-strujno područje normalnog rada olovnog (Pb) i nikal-kadmijskog (Ni/Cd) akumulatora. Navedeni su i svi važni naponi po ćeliji akumulatora, od nazivnog napona do napona polarizacije. Neke od mogućih načina punjenja akumulatora pri kazuje slika 78. Prikazane su naponsko-strujne karakteristike i vremenske promjene napona i struje za vrijeme punjenja.
106
U vjetroelektranama akumulatori su obično spojeni usporedo s potrošačima, pa ih je najpogodnije puniti prema u ili iu karakteristikama kod kojih se baterija veći dio vremena puni stalnim naponom jednakim naponu neprekidnog ili trajnog punjenja. Međutim, kako je u vjetroelek- trani teško držati stalan napon ili struju, uvedene su u i iu karakteristike kod kojih se dopušta određeno tolerantno područje. Tipičnu iu karakteristiku prikazuje slika 78. istalnost napona generatora može se osigurati aerodinamičkim reguliranjem brzine okretanja vjetroturbine, primjerice reguliranjem postavnoga kuta lopatice. Međutim, kako su ti postupci složeni i isplativi jedino kod većih jedinica, regulacija napona obično se provodi djelovanjem na električni dio vjetroelektrane. Nekoliko različitih načina realizacije te regulacije primjenjivih kod sinhronog generatora s uzbudnim namotom, sinhronog generatora s permanentnim magnetima i asinhronog generatora u autonomnom radu prikazat će se u nastavku. Kod nekih od tih rješenja postoji mogućnost i regulacije prenesene snage, što će biti posebno naglašeno.
Slika 77. Naponsko-strujno područje normalnog rada olovnog i nikal-kadmijskog akumulatora
107
Slika 78. Tipične karakteristike punjenja akumulatora Održavanje stalnog napona sinhronog generatora regulacijom stanja uzbude dobro je poznat i često korišten postupak. Slika 79. prikazuje dva načina provođenja ove regulacije. Prvi je pomoću elektromehaničkog, a drugi pomoću elektroničkog regulatora. Oba postupka osiguravaju održavanje stalnog napona punjenja akumulatora u širokom području promjene stanja punjenja, kao što je prikazano na pripadnom strujno-naponskom dijagramu.
108
Slika 79. Održavanje stalnog napona sinhronog generatora regulacijom struje uzbude Baterije se automatski počinju puniti tek kada ispravljeni napon sinhronog generatora postane veći od napona akumulatora. To će se dogoditi tek kad brzina vjetra, a s njim i brzina turbine, prijeđu neku graničnu vrijednost. Tu brzinu vjetra nazivamo ulaznom brzinom. Kod elektromehaničkog regulatora povećavanjem napona generatora preko vrijednosti napona punjenja dođe do porasta struje uzbude Ic preko vrijednosti Icmax te do uključivanja releja Rcl i uzbude generatora. Padom napona relej se opet isključuje a s njim i uzbuda generatora, pa se cijeli postupak ponavlja. Frekvencija uključivanja i isključivanja releja obično je između 50 i 200 Hz. Elektronički regulator daje bolju naponsko-strujnu karakteristiku. Isključivanje struje uzbud- nog namota provodi se tranzistorom T1 u času kada napon sinhronog generatora prijeđe dopušteni napon punjenja akumulatora. Prikazani postupci regulacije napona generatora nisu primjenjivi u slučaju sinhronog generatora s permanentnim magnetima, a primjena takvog tipa generatora u vjetroelektranama postaje sve zanimljivija. Rješenje zadaća regulacije napona u tom je slučaju u primjeni istosmjernoistosmjernih pretvarača, čiju pojednostavljenu shemu prikazuje slika 80.
109
Slika 81. Šematski prikaz vjetroelektrane sa sinhronim generatorom i istosmjerno-istosmjernim pretvaračem Izmjenični napon sinhronog generatora ispravlja se diodnim ispravljačem i u kratkim razdobljima tipičnog trajanja od približno 50 s dovodi na prigušnicu L, kroz koju tada počne teći struja. Elektroničkom sklopkom S prigušnica se odvaja od generatora, ali struja i dalje teče, sada preko diode D u akumulatorsku bateriju. Kako je razdoblje isključenosti relativno kratko, struja kroz prigušnicu prividno stalno teče, što se očituje stalnim naponom na stezaljkama akumulatora. Ako se neovisno regulira vrijeme uključenosti sklopke tON i vrijeme isključenosti sklopke tOFF, može se zadovoljiti i zadaća regulacije napona i regulacije prijenosne snage. Vrijeme tOFF obrnuto je razmjerno naponu na izlazu pretvarača, a vrijeme tON količini energije preuzete iz generatora i predane akumulatoru. Uz poznate radne karakteristike turbine i poznatu izmjerenu brzinu okretanja generatora (koja je u stvari razmjerna brzini vjetra) može se, pravilnim izborom vremena tON. u svakom času optimalno opteretiti turbinu, a regulacijom vremena t OFF održavati stalan napon punjenja. Cijeli će sistem biti djelotvoran samo iznad brzina vjetra, (odnosno brzine okretanja) kod kojih je napon generatora veći od napona akumulatora. Slika 82. Blok šema jedne izvedbe istosmjerno-istosmjernih pretvarača prilagođenih VE
110
Slika 82. prikazuje blok-shemu jedne od mogućih izvedaba istosmjerno-istosmjernog pretvarača. Funkciju sklopke S ima tranzistor snage, a sistem vođenja ima i neke dodatne zaštitne funkcije. Vrijeme isključenosti sklopke tOFF razmjerno je ispravljenom naponu generatora, a na vrijeme uključenosti tON djeluje: - Struja generatora - Napon akumulatora - Temperature pojedinih komponenata. Struja generatora mjeri se i dovodi u sklop koji, na temelju te vrijednosti kao i vrijednosti napona generatora, podatka o brzini vjetra i poznatih karakteristika turbine, određuje optimalno opterećenje turbine. U ovisnosti o dobivenom rezultatu regulira se vrijeme tON, a prenesena se snaga povećava ili smanjuje. Kada je akumulator u potpunosti napunjen, njegov će napon početi rasti. Ta se promjena otkriva odgovarajućim osjetilom, pa se na temelju nje smanjuje vrijeme tON kako bi se spriječilo prekomjerno punjenje akumulatora. Ako sistem dugo radi punom snagom, može doći do pregrijavanja pojedinih dijelova. To se prije svega odnosi na namot generatora, ispravljač, serijsku prigušnicu i tranzistorsku sklopku. Sistem vođenja omogućuje stalan nadzor tih temperatura, pa se u slučaju pregrijavanja bilo koje komponente isključuje pretvarač stavljanjem vremena tON na nulu. Dodatno osiguranje s izravnim isključivanjem sistema omogućeno je nadzorom struje generatora. Ostvarenje zadaća regulacije napona u slučaju sistema s asinhronim generatorom još je složenije. Prije opisa samog postupka potrebno je objasniti način rada vjetroelektrana s asinhronim generatorom u autonomnom radu i pohranom električne energije u akumulatorima. Slika 83. prikazuje ovisnost snage vjetroelektrane o brzini okretanja turbine i brzini puhanja vjetra. Na istoj je slici nacrtana i karakteristika asinhronog generatora za nekoliko tipičnih slučajeva. Slika 83. Karakteristike snage vjetroturbine i asinhronog generatora u autonomnom radu
111
Pretpostavimo da vjetar puše brzinom od 10 m/s. Ako je asinhroni generator neopterećen, radna tačka sistema leži na mjestu označenom slovom A. Od raspoložive snage koju vjetroturbina može predati bit će iskorišten samo mali dio P 0, i to za potrebe pokrivanja gubitaka. Broj okretaja turbine bit će 1. Sada opterećujemo generator tako daje korisna snaga koja se predaje teretu Pk. Ukupna snaga koju vjetroturbina treba proizvesti je P1 = Pk + P0. Brzina turbine smanjuje se na vrijednost 2, a nova radna tačka sistema seli se na mjesto označeno slovom B. Pretpostavimo da se brzina vjetra smanjila na 9 m/s, a daje opterećenje ostalo isto.Radna tačka seli na karakteristiku za brzinu vjetra od 9 m/s, odnosno u točku C, a brzina okretanja dalje pada na vrijednost 3. Ako se brzina vjetra ponovno smanji, primjerice na vrijednost 8 m/s, vjetroelektrana više ne može dati snagu P1, već maksimalno snagu P2. Radna je tačka na mjestu označenom slovom D, a brzina okretanja pada na vrijednost 4. Na sličan se način može pronaći radna tačka za bilo koje opterećenje i brzinu puhanja vjetra. U svim tim slučajevima napon i frekvencija generatora mijenjaju se i ovise o brzini okretanja turbine. Promjenjivost frekvencije nije toliko značajna, zato što se radi o sistemu koji sadrži akumulator, pa je izmjenični napon generatora ionako potrebno ispraviti. Promjenjivost napona je značajnija, i zahtijeva dodatna razmatranja. Na slici 83. ucrtano je i područje pokretanja koje određuje ulaznu brzinu ul. Do te brzine okretanja ispravljeni napon generatora manji je od potrebnog napona punjenja akumulatora, pa ne teče struja punjenja. To znači, primjerice u slučaju sa slike 5.41, brzina vjetra od 2 m/s nije korisna brzina. Kritična brzina okretanja obrnuto razmjerno ovisi o kapacitetu uzbudnih kondenzatora. Druga je važna tačka granična brzina okretanja iz, za izlaznu brzinu vjetra viz koju određuje izdržljivost i čvrstoća lopatice i ostalih mehaničkih dijelova vjetro- elektrane, iz je važan podatak podsistemu zaštite. U slučaju sa slike 83. viz = 14 m/s. Područje između brzina okretanja ul i iz nazivamo radnim područjem. Unutar njega napon generatora mijenja se između neke minimalne i maksimalne vrijednosti. Važno je napomenuti da je napon generatora također obrnuto razmjeran opterećenju generatora, a razmjeran kapacitetu uzbudnih kondenzatora. Akumulatorske baterije pune se po točno određenim karakteristikama punjenja, koje obično zahtijevaju stalnost napona punjenja. Međutim, kako se napon generatora mijenja u relativno širokom području, nužno je provesti njegovu regulaciju. To je ujedno prva zadaća podsistema vođenja. Druga je zadaća optimiranje prenesene snage, tako da se u svakom času iz vjetroturbine izvuče maksimalna raspoloživa snaga. Pritom smo ograničeni izabranim generatorom. Svojstvo asinhronog generatora njegova je velika osjetljivost na pregrijavanja i razbuđivanje u slučaju preopterećenja, pa je na slici 83. ucrtana i maksimalno dopuštena snaga PG. U slučaju optimiranja prenesene snage radne točke sistema treba unutar radnog područja pratiti krivulju Pmax turbine, ali tako da prenesena snaga generatoru ne bude veća od iznosa P G. I u tom se slučaju izlazni napon može regulirati istosmjerno-izmjeničnim pretvaračem, ali asinhroni generator u autonomnom radu ima i neke druge mogućnosti. Naglašeno je da asinhronom generatoru u autonomnom režimu rada trebaju uzbudni kondenzatori i daje napon generatora u izravnoj ovisnosti o njihovu kapacitetu. To se svojstvo može iskoristiti pri regulaciji izlaznog napona generatora tako da se regulira kapacitet uubudnih kondenzatora. 112
Slika 84. Principijelna blok šema regulacije napona asinhronog generatora promjenom prividnog kapaciteta uzbudnih kondenzatora Principijelnu blok-shemu postupka prikazuje slika 84. Uzbudni kondenzatori su stalnog kapaciteta, a mijenja se prividno kapacitivno opterećenje asinhronog generatora pomoću tiristorski reguliranih prigušnica. Istosmjerni referentni signal IREF, koji je direktno razmjeran željenom naponu generatora, uspoređuje se s ispravljenim naponom generatora. Razlika AU jest napon pogreške. On se propušta kroz proporcionalno-integracijski (PI) regulator radi osiguranja stabilnosti rada sistema. Nakon toga se signal kao promjenjiva, upravljačka varijabla dovodi naponski upravljanom sklopu digitalnog kašnjenja impulsnih signala. S druge se strane istom sistemu dovodi i upravljački signal. To je slijed impulsa koji su u čvrstu faznom odnosu prema linijskom naponu generatora. Ti se signali dalje prenose tiristorima. Upravljački signal upravlja kašnjenjem slijeda impulsa, pa tako regulira i iznos prividnog induktiviteta.
113
Slika 85. Napon i struja induktiviteta u jednoj faz iza različitu vrijednost kašnjenja upravljačkih impulsa
Slika 85. prikazuje oblike napona i struje u jednoj od faza sistema za različito kašnjenje upravljačkog signala tiristora .Prividni uzbudni kapacitet kojeg »osjeća« asinhroni generator, a s njim i napon generatora, izravno ovisi o tom induktivitetu. Sto je induktivitet manji, struja kroz uzbude kondenzatora bit će veća a napon će se na stezaljkama generatora povećati. Manji prividni induktivitet uzrokovat će veće kašnjenje impulsnih upravljačkih signala tiristora. Kod promatranih sistema izmjenični napon generatora najčešće se ispravlja običnim mosnim diodnim ispravljačem.
Slika 86. Blok šema vjetroelektrane u autonomnom radu
114
Slika 85. prikazuje principijelnu shemu sistema. Osnovni podsklopovi prikazane vjetroelektrane jesu: a) Propelerna turbina s mogućnošću zakreta lopatica centrifugalnim regulatorom, b) Repni stabilizator pokretan servomotorom, kojim se regulira položaj vjetroturbine u odnosu prema smjeru puhanja vjetra, c) Multiplikator, d) Asinhroni generator s pripadnim uzbudnim kondenzatorima, e) Diodni ispravljač, f) Tranzistorski istosmjerno-istosmjerni pretvarač, g) Akumulatorske baterije, h) Tranzistorska sklopka, i) Dodatni teret. Sistem je zamišljen tako da maksimalno iskoristi raspoloživu snagu turbine i osigura automatski i siguran rad vjetrogeneratora. Za slučaj kada su akumulatorske baterije pune i nema usporednih potrošača, tranzistorskom sklopkom uključuje se dodatni teret, pa se na taj način osigurava maksimalno iskorištavanje električne energije koja se u tom času može proizvesti. Ulazni podaci podsistema vođenja jesu: brzina vjetra (v), brzina okretanja turbine (), struja generatora (Ig), napon (Uu) i struja (Iu) na ulazu istosmjerno-istosmjernog pretvarača, i napon (Ui) i struja (Ii) na izlazu istosmjerno-izmjeničnog pretvarača. Podsistem vođenja i zaštite djeluje na zakretanje repnog stabilizatora (REP), promjenu kapaciteta uzbudnih kondenzatora (C), radni ciklus istosmjerno-istosmjernog pretvarača (tON, tOF) i uključivanje i isključivanje tranzistorske sklopke. Centrifugalni regulator djeluje potpuno neovisno sa zadaćom ograničavanja snage u određenom intervalu brzine okretanja. Sistem vođenja i zaštite radi na sljedeći način. Pretpostavimo situaciju praznih akumu- latorskih baterija, odnosno takvih potrošača u usporednom spoju s akumulatorom koji osiguravaju trošenje cjelokupno proizvedene električne energije. U tom slučaju podsistem vođenja ugađa radni ciklus istosmjerno-istosmjernog pretvarača (pulsno-širinska modulacija) tako da prenosi svu raspoloživu snagu i optimalno opterećuje turbinu, uz istodobno održavanje stalnog napona (Ui) punjenja akumulatora. Ako vjetar ojača do brzina pri kojima centrifugalni regulator nije više u mogućnosti ograničiti prenesenu snagu na iznos PG, aktivira se frekvencijska regulacija istosmjerno-istosmjernog pretvarača. Isključivanjem pretvarača u određenim vremenskim intervalima, krugu akumulator-potrošači i dalje se prenosi samo granična snaga. Kao posljedica tog postupka jest povećanje broja okretaja turbine, tako da se višak energije troši u vidu kinetičke energije. Ako taj broj okretaja prijeđe graničnu brzinu G, aktivira se repni stabilizator, pa se pomoću njega turbina zakreće ovisno o smjeru puhanja vjetra, sve dok se broj okretaja ne smanji na nominalnu vrijednost. Cijeli se postupak može ponoviti sve do maksimalnog zakreta repnog stabilizatora max pri kojem se turbina isključuje. Pretpostavimo sada da nemamo dostatno potrošača koji mogu preuzeti raspoloživu snagu i daje akumulatorska baterija puna. U tom slučaju podsistem vođenja daje nalog za uključivanje tranzistorske sklopke, a na taj način paralelno priključivanje dodatnog tereta. Pritom je odgovarajućim sklopom spriječeno pražnjenje akumulatora preko dodatnog tereta. 115
Dodatni teret može biti, primjerice grijač vode ili crpka kojom se voda dobavlja iz crpnog spremnika u tlačni spremnik. Ako je temperatura vode dosegla maksimalnu vrijednost, ili je tlačni spremnik pun, što je potrebno ustanoviti odgovarajućim senzorima, dodatni teret i istosmjerno-istosmjernipretvarač se isključuju, pa turbina radi pri praznom hodu. U ovisnosti o odnosu trenutne brzine okretanja i granične brzine G, repni se stabilizator više ili manje zakreće. Kako je ulazni napon istosmjerno-istosmjernog pretvarača ipak ograničen, a potrebno je iskoristiti što šire područje brzina vjetra, uključen je još jedan dodatni regulacijski krug koji znatno proširuje područje rada vjetroelektrane. Pomoću regulacije kapaciteta uzbudnih kondenzatora, za razliku od prije opisane kontinuirane regulacije napona promjenom kapaciteta kondenzatora, ovdje taj način regulacije služi samo za proširenje radnog područja. Zbog toga je regulacija diskretna, dvopoložajna i sastoji se od skokovite promjene kapaciteta uzbudnih kondenzatora u času kad napon generatora prijeđe određenu maksimalno dopuštenu vrijednost. Veličina uzbudnih kondenzatora razmjerna je i struji generatora I g, a ona treba biti ograničena da ne bi došlo do pregrijavanja. Zbog toga se taj dio podsistema vođenja koristi i radi zaštite generatora. U slučaju da struja generatora i nakon smanjenja kapaciteta premašuje maksimalno dopuštenu vrijednost, aktivira se servosistem za zakretanje repnog stabilizatora čime se smanjuje brzina okretanja i struja generatora. Dodatna zaštita, koja djeluje neovisno i ima prednost u odnosu prema svim regulacijskim funkcijama, jest zaštita od velikih brzina vjetra. Ako brzina vjetra prijeđe brzinu isključivanja v iz vjetrogeneratora, turbina prestaje raditi isključivanjem istosmjerno-istosmjernog pretvarača i maksimalnim zakretanjem repnog stabilizatora. Raščlanimo li na kraju sve zaštitne i regulacijske zadaće i načine njihove realizacije, možemo zaključiti da se radi o hijerarhijskom sistemu vođenja, shematski prikazanom na slici 87. Sve regulacijske i zaštitne zadaće međusobno su objedinjene, isprepliću se i nadopunjavaju, s osnovnim ciljem da se na što racionalniji način maksimalno iskoriste svojstva raspoložive vjetroturbine, ali da se također osigura siguran, pouzdan i automatski rad vjetro- elektrane. Slika 87. Hijerarhijska struktura složenog sistema vođenja vjetroelektrane u autonomnom radu
116
11.0 Ekonomija vjetroelektrana Pojam ekonomije vjetroelektrana već je nekoliko puta spomenut u prethodnim tačkama, posebice vezano za nizak faktor opterečenja i troškove priključenja. Ukupno gledano, vjetroelektrane su kapitalno intenzivni projekti i upravo je investicija ta koja predstavlja ključnu komponentu ekonomije vjetroelektrana. Najvedi udio investicije pritom zauzima vjetroagregat i to uobičajeno oko 75-80% za kopnene (eng. onshore) vjetroelektrane. Visoki troškovi vjetroagregata prije ekonomske krize bili su uzrokovani najviše tzv. tržištem proizvođača, gdje su proizvođači bili ti koji su birali projekte i držali razinu cijene. Ekonomska kriza i smanjenje cijena ključnih sirovina dovela je i do laganog preokreta na tržištu za neke od proizvođača, te su sada kupci u puno boljoj poziciji za osiguravanje povoljnijih cijena . Investicija u vjetroelektrane tipično iznosi od 1.200 do 1.500 €/kW, ovisno o karakteristikama lokacije i korištenom vjetroagregatu. Tipična struktura investicije u vjetroelektranu u Europi prikazana je na tabeli 5. Turbina Konekcija na mrežu Fondacija Kupovina zemljišta Električne instalacije Konsultacijske usluge Finansijski troškovi Izgradnja priključnih puteva Kontrolni sistem Ukupno
Investicija 1000 €/kW 928 109 80 48 18 15 15 11 4 1227
Postotak 75,6 8,9 6,5 3,9 1,5 1,2 1,2 0,9 0,3 100
Kada se investiciji dodaju troškovi rada, održavanja, administracije, osiguranja itd. potrebni za rad vjetroelektrane dobivaju se ukupni troškovi proizvodnje električne energije iz vjetroelektrane.. Primjerice za lokacije s prosječnih 2.200h sati rada na punoj snazi i uz investiciju od 1.400 €/kW ta cijena 6-7 c€/kWh, odnosno 0,43-0,51 kn/kWh. U Hrvatskoj je poticajna tarifa za vjetroelektrane za 2010. iznosila 0,7210 kn/kWh , što i objašnjava velik interes investitora za izgradnju vjetroelektrana u Hrvatskoj. Vidljivo da s uključivanjem troškova emisije stakleničkih plinova, vjetroelektrane dolaze vrlo blizu proizvodne cijene takvih elektrana.Vidljivo je da su vjetroelektrane profitabilna tehnologija, koja bi uskoro mogla postati konkurentna ostalim tehnologijama proizvodnje električne energije. 117
11.1 Vjetroelektrane u službi razvoja Ekonomija vjetroelektrana ne odnosi se samo na isplativost projekata vjetroelektrana, već i na utjecaj vjetroelektrana na razvoj ekonomije. U 2009. i 2010. godini u Europi je instalirano više vjetroelektrana nego bilo kojeg drugog izvora električne energije. Na drugom mjestu su bile plinske elektrane. U EU-15 ukupni broj zaposlenika zaposlenih direktno na poslovima vezanima za vjetroelektrane bio je preko 100.000, od čega je skoro 60% bilo zaposleno u proizvodnji vjetroagregata ili pripadajućih komponenti. Ipak, 40% zaposlenika radi na ostalim poslovima, kao što su planiranje i razvoj projekata, financijske usluge, održavanje objekata, konzultantske usluge, istraživanje i razvoj itd. Većina tih poslova zahtijeva visokoobrazovane kadrove. Kada se govori o zapošljavanju često se misli na poslove u proizvodnji i uglavnom na zapošljavanje niskoobrazovanih kadrova. Istovremeno, kapacitet visokoobrazovanih kadrova često nije u potpunosti iskorišten, što dovodi do poznatog fenomena „odljeva mozgova“. Primjerice, samo na dva fakulteta – Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu i Elektrotehničkom fakultetu u Osijeku u posljednjih nekoliko godina oko 50 diplomanata na „energetskim“ smjerovima diplomiralo je na temi vezanoj za vjetroelektrane. Kada bi se tome pribrojali studenti ostalih tehničkih fakulteta u Hrvatskoj, uključujudi i ne-energetske smjerove, te društvene fakultete, primijetili bismo veliki interes mladih visokoobrazovanih ljudi za vjetroelektrane i obnovljive izvore energije. Takvi se kadrovi često zapošljavaju na potpuno drugačijim pozicijama, jer u Hrvatskoj naprosto nema dovoljno kvalitetnih radnih mjesta na području vjetroelektrana. Najsposobniji kadrovi željni izazova često odlaze u inozemstvo što nastaviti studij, što zaposliti se u nekom od inozemnih poduzeda, što predstavlja direktan odljev i pameti, ali i novca koji je uložen u njihovo školovanje. Zato je krajnje vrijeme da kada se govori o zapošljavanju kadrova na području vjetroelektrana, ali i energetike opdenito, da se ne zanemaruju poslovi visokoobrazovanih kadrova , koji su upravo ti koji bi trebali doprinijeti napretku i uvesti svježinu i novi način razmišljanja. Novi, visokoobrazovani mladi kadrovi su ti koji de u bududnosti raditi u potpuno novom okruženju, s povedanim zahtjevima na zaštitu okoliša, s povedanim cijenama energenata i s povedanom konkurencijom. Svakako ih treba obrazovati na način da razumiju sadašnje prakse i tradicionalan način razmišljanja, ali im također dati prostora za samostalno kritičko promišljanje i inovacije, što u smislu novih proizvoda, što u smislu promjene načina razmišljanja i ustaljenih praksi. Jasno je da je proizvodnja motor razvoja ekonomije i da bez proizvodnje teško može doći do napretka. To je pogotovo važno za vjetroelektrane i obnovljive izvore energije općenito jer se oni financiraju iz naknade za obnovljive izvore koju plaćaju svi potrošači električne energije u Hrvatskoj. Zato je potpuno opravdano pitanje – zašto bi hrvatski potrošači poticali inozemnu 118
tehnologiju i inozemnu proizvodnju? Slična situacija bila je prisutna u Portugalu prije nekoliko godina. Tehnologija se uglavnom uvozila a domači zaposlenici bili su uglavnom zaposleni na poslovima razvoja projekata, financiranja itd. Sada u Portugalu samo njemački Enercon ima šest tvornica vjetroagregata. U decembru 2009. u Portugalu je bilo 3.535 MW vjetroelektrana s još oko 300 MW u razvoju. Za usporedbu, ukupna instalirana snaga svih elektrana u Portugalu bila je oko 14 GW , što znači da je vjetar zauzimao udio od oko 25% instalirane snage. Portugal je izgradnju vjetroelektrana uvjetovao suradnjom s domadim proizvođačima opreme i domadim poduzedima, te otvaranjem tvornica u Portugalu. Sličan model mogao bi se primijeniti u Hrvatskoj, koja bi mogla postati regionalno središte industrije vjetroelektrana. U okolici Hrvatske, pogotovo u Bosni i Hercegovini i Srbiji postoji vrlo veliki interes za izgradnju vjetroelektrana. Hrvatska bi mogla kapitalizirati svoj geografski položaj i jadranske luke i postati „vrata“ ovog dijela Europe i lider u proizvodnji i transportu vjetroagregata i pripadajude opreme. Također, ne treba zanemariti i izvoz usluga (know-how) u različitim aspektima planiranja, procjene vjetropotencijala i izgradnje vjetroelektrana, koje bi mogli obavljati instituti, fakulteti, financijske institucije i poduzeda, ali i Hrvatska elektroprivreda. Vjetroelektrane su u Hrvatskoj otvorila mnoga nova pitanja i potaknula cijeli niz aktivnosti različitih sudionika gospodarstva. Jedno od takvih pitanja je i pitanje privatnih investicija u energetici. Dosad je elektrane gradila samo Hrvatska elektroprivreda, eventualno u suradnji s nekim europskim partnerom (npr. RWE u Plominu 2). Sada se pojavljuju privatni investitori koji žele graditi vjetroelektrane i priključiti ih na EES. Takva je situacija pokrenula svu silu pitanja, od toga kako de HEP-Operator prijenosnog sistema priključiti svu tu količinu vjetroelektrana, preko kriterija priključenja (kako razlučiti „ozbiljne“ od „neozbiljnih“ investitora), izgradnje (tko je vlasnik transformatorske stanice, tko što održava), pa sve do pitanja o prioritetu i učinkovitosti rada (jeftina energija iz hidroelektrana ili energija iz vjetroelektrana koja prima poticaje, pomodne usluge?). Činjenica je da su ta sva pitanja pokrenule vjetroelektrane, a mogla ih je potaknuti i bilo koja druga tehnologija. Primjerice, što bi se dogodilo da privatni investitor želi graditi visokoučinkovitu kogeneracijsku plinsku elektranu, čija proizvodnja se također potiče? Vjetroelektrane kao tehnologiju ne treba odbacivati zbog takvih pitanja, jer bi se ona pojavila uvođenjem bilo kakve druge tehnologije koja bi se financirala iz privatnog kapitala. Prema Registru obnovljivih izvora energije i kogeneracije (dosad prijavljeno preko 5.000MW projekata vjetroelektrana), planirane vjetroelektrane uglavnom su smještene na jugu Hrvatske, jer je tamo prisutan vrlo dobar vjetropotencijal. Dosta lokacija nalazi se u dalmatinskom zaleđu, na demografski opustošenim i gospodarski nerazvijenim prostorima. Vjetroelektrane bi svakako oživile lokalnuekonomiju, što tijekom izgradnje objekata, što kasnijim održavanjem, dobivanjem poticaja (0,01kn/kWh) i razvojem energetske infrastrukture. 119
Često se govori o utjecaju vjetroelektrana na okoliš – kako na ptice i šišmiše, tako i na ljude zbog utjecaja buke, zasjenjenja ili utjecaja na krajobraz. Sva su ta pitanja rješiva dobrim odabirom lokacije vjetroelektrane. Iako su ekolozi tek djelomično sklonivjetroelektranama, valja priznati su im velika količina podataka i istraživanja zbog vjetroelektrana donijele važna saznanja o flori i fauni južne Hrvatske. Vjetroelektrane su potaknule i novi način razmišljanja o financiranju energetskih projekata. Tradicionalan način financiranja podrazumijevao je da se Hrvatska elektroprivreda zaduži na domadem ili međunarodnom tržištu iz raznih izvora, te na taj način financira sve projekte u izgradnji. Vjetroelektrane se uglavnom financiraju putem projektnog financiranja, koje ne optereduje bilancu društva majke, već se oslanja na buduće prihode koje će generirati vjetroelektrana. Na taj način filtriraju se projekti i financiraju se samo kvalitetni isplativi projekti, pod strogom kontrolom financijskih institucija. Osim toga, vjetroelektrane i ostale elektrane na obnovljive izvore energije idealni su kandidati za financiranje iz europskih fondova, što je također relativno nova metoda u hrvatskoj energetici. Konačno, vjetroelektrane i obnovljivi izvori energije zaslužni su i za podizanje interesa javnosti za energetiku. Ne prođe sedmica da se bilo u novinama, bilo na televizijskim ili radijskim emisijama ne govori o obnovljivim izvorima energije. Nažalost, to je dovelo i do mnogih dezinformacija o energetici, ali upravo zato je potrebno pojačati napore i pokrenuti inicijativu o informiranju javnosti o energetici. Energetika je multidisciplinarna djelatnost, ne samo inženjerska i zato je potrebno početi sustavno oblikovati javno mišljenje o obnovljivim izvorima energije, ali i energetici opdenito kako bi se smanjila količina dezinformacija i otpor stanovništva kod pokretanja investicija u energetici.
Slika 88. Tipični vjetropark
120
11.2 Vjetroelektrane u Bosni i Hercegovini Unotač relativno slabim rezultatima Hrvatske i do dan danas neisunjenih ciljeva gradnje vjetroelektrana do 2010. Godine Hrvatska je ipak daleko ispred svih zemalja bivše Jugoslavije po instalisanoj snazi vjetroelektrana, ali i po udjelu proizvodnje električne energije iz vjetroelektrana u elektroenergetskoj mreži. Bosna i Herecegovina je još 2010. Godine najavila donošenje zakona o obnovljivim izvorima energije i kogeneraciji, i taj zakon je donesen u septembru 2012 na nivou Federacije BIH. U Republici Srpkoj na snazi je Pravilnik o podsticanju proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora i efikasnoj kogeneraciji. Svi navedeni dokumenti kao i status u kojem se trenutno nalaze daju naslutiti ozbiljnu namjeru izgradnje i razvoja obnovljivih izvora energije. Vjetroelektrane u Bosni I Hercegovini u višim stadijima razvoja se mogu nabrojati na prste jedne ruke: Pri tome se glavnina projekata nalazi na području oko Livna, Kupresa, Tomislavgrada I Mostara. To područje pokazuje izuzetan potencijal vjetra te je za očekivati da će se prvi projekti izgraditi na nekoj od lokacija u tom području. Osim nekoliko privatnih investitora i developera, od kojih su neki došli i na korak do izhođenja građevinske dozvole, vjetroelektrane razvijajau I Elektroprivreda BiH I Elektroprivreda HZHB. Projekat EPBiH se nalazi na platou podveležje u blizini Mostara, dok je projekat Mesihovina EP HZHB nalazi u blizini istoimenog mjesta. Pred ljeto 2011. Godine trebao je biti održan tender za VE podveležje, međutim isti je u zadnji trenutak poništen. Da je tender uredno prošao to bi vjerovatno bila prva VE u BiH. Mogući završetak gradnje ove vjetroelektrane je 2013. Godina. Također i vjetroelektrana Mesihovina bi trebala biti izgrađena 2013. Godine. Jedina vjetroelektrana koja je dobila dozvolu FERK-a za rad je mala vjetroelektrana u blizini Visokog vlasnika “Suša-commerc”.
121
12.0 Ruža vjetrova u Bosni i Hercegovini 12.1 Trenutna situacija u svijetu i regionu sa osvrtom na Bosnu i Hercegovinu GLOBALNO INSTALIRANI KAPACITET ENERGIJE VJETRA (MW) - REGIONALNA RASPODJELA Kraj 2009.
Početak 2010.
Kraj 2010.
Egipat
430
120
550
Maroko
253
33
286
Tunis
54
60
114
Iran
92
0
92
Other fusnota
37
0
37
866
213
1079
Kina*
22805
16500
42287
Indija
10926
2139
13065
Japan
2085
221
2304
Tajvan
436
83
519
Južna Koreja
348
31
379
33
0
33
6
48
54
Ukupno
36639
19022
58641
Njemačka
25777
1493
27214
Španija
19160
1516
20676
Italija
4849
948
5797
Francuska
4574
1086
5660
Velika Britanija
4245
962
5204
Danska*
3465
327
3752
Portugal
3357
345
3702
Holandija*
2223
15
2237
Afrika i Bliski Istok
Ukupno Azija
Filipini Other fusnota
Europa
122
Švedska
1560
603
2163
Irska
1310
118
1428
Turska
801
528
1329
Grčka
1086
123
1208
Poljska
725
382
1107
Austraija
995
16
1011
Belgija
563
350
911
1611
1071
2677
Ukupno Europa
76300
9883
86075
Od kojih EU-27 fusnota
74919
9259
84074
Brazil
606
326
931
Meksiko
202
316
517
Čile
168
4
172
Kosta Rika
123
0
123
Karibi
91
8
99
Argentina
34
27
60
drugi fusnota
83
23
106
1306
703
2008
SAD
35086
5115
40180
Kanada
33119
690
4009
Ukupno
38405
5805
44189
Australija
1712
167
1880
497
9
506
12
0
12
2221
176
2397
158738
35802
194390
Ostatak Europe fusnota
Latinska Amerika i Karibi
Ukupno Sjeverna Amerika
Regija Pacifika
Novi Zeland Pacifički Otoci Ukupno
Svijet ukupno
123
Slika 89. Ukupni kumulativno instalisani kapacitet vjetra 1996-2010 godina [MW]
Slika 90. Ukupno godišnje instalisani kapacitet vjetra
Slika 91. Top 10 instalisanih kumulativnih kapaciteta ua period decembar 2010. na lijevoj slici i za period čitave 2010. godine na desnoj slici
124
Zemlja
MW
%
Kina
42,287
21,8
SAD
40,18
20,7
Njemačka
27,214
14,0
Španija
20,676
10,6
Indija
13,065
6,7
Italija
5,797
3,0
Francuska
5,66
2,9
Velika Britanija
5,204
2,7
Kanada
4,009
2,1
Danska
3,752
1,9
Ostatak svijeta
26,546
13,7
Ukupno TOP 10
167,844
86,3
Ukupno svijet
194,39
100
Tabela 6. Top 10 instalisanih kumulativnih kapaciteta 2010. Godine
125
Slika 92. Godišnje instalisani kapacitet energije vjetra po regijama
126
12.2 Korištenje energije vjetra u Bosni i Hercegovini 12.2.1 Uvod Trenutno se u Bosni i Hercegovini energija vjetra ne koristi u energetske svrhe jer nema izgrađenih vjetroelektrana koje su priključene na elektroenergetski sistem, a takođe nema vjetroelektrana u izgradnji. S obzirom da je u svijetu snažno izražen trend znatnijeg iskorištavanja energije vjetra, za očekivati je da će u periodu do 2015. godine i u BiH doći do gradnje vjetroelektrana i njihovog integrisanja u elektroenergetski sistem. Procjena je da bi realan cilj korištenja energije vjetra u 2015. godini trebalo postaviti između 400 i 600 MW. Sve ovo u najvećoj mjeri zavisi o stavu i potezima državnih i entitetskih organa uprave u pogledu politike korištenja energije vjetra.
12.2.2 Prostorna raspodjela Budući da atlas vjetra Bosne i Hercegovine, kao ni njegovi derivati (poput karata vjetra) nisu raspoloživi, procjena potencijala vjetroenergije u BiH bazirati će se prvenstveno na prostornoj raspodjeli srednje godišnje brzine i snage vjetra koje su rezultat primjene globalnog modela atmosfere, uobličene u Svjetski atlas vjetra. Prostorna raspodjela srednje godišnje brzine i snage vjetra prikazana na slikama u nastavku izrađena je na osnovu meteoroloških podataka globalnog modela vremena koji se primjenjuje u svakodnevnoj operativnoj meteorološkoj praksi. Globalni model vremena pokriva cijelu zemaljsku kuglu, a primjenjuju ga američki centri National Center of Atmospheric Research, NCAR, i National Center for Environmental Prediction, NCEP, na osnovu čijih rezultata su dobiveni podaci korišteni za izradu prikazanih karata. Model koristi satelitske podatke, podatke radiosondaže i prizemnih meteoroloških stanica kao i razne druge podatke koji dnevno prikuplja Svjetska meteorološka organizacija. Svi pomenuti podaci koriste se za dobivanje globalnih polja velikog broja atmosferskih veličina. U horizontalnoj prostornoj dimenziji, polja su prikazana s rezolucijom od 2,5 stepena, dok su u vertikalnoj dimenziji dati podaci na visinama 50 i 500 m iznad tla. U vremenskoj dimenziji korak iznosi šest sati. Agregirani rezultati paspodjele brzine, snage i smjera vjetra s rezolucijom 2,5 stepena daje tek načelnu sliku prostorne raspodjele vjetropotencijala iznad područja Bosne i Hercegovine, koja nije primjenjiva za lociranje vjetroelektrana, ali se može primjetiti da je prostor južnog i jugoistočnog dijela BiH, uključujući Hercegovinu te dijelove Republike Srpske, najbogatiji vjetrom te stoga i najpovoljniji za njegovo iskorištavanje ukoliko to dozvoljavaju prostorne i infrastrukturne karakteristike tog područja.
127
Na lokalne vjetroklimatske prilike, međutim, utiču lokalni efekti strujanja atmosferskog zraka kao što su orografija, hrapavost površine i prepreke strujanju, kao i stabilnost atmosfere od koje zavisi vertiklani profil vjetra. Budući da detaljnijih istraživanja u tom smislu u ovom trenutku nema, nije moguće lokalizirati vjetroklimu u Bosni i Hercegovini i svesti je na rezoluciju povoljnu za analizu procjene potencijala vjetra i lociranja vjetroelektrana (100-250 m).
Slika 93. Srednja godišnja brzina vjetra na visini 50 m iznad zemlje za period 1997-2006. godine
12.2.3 Podaci mjerenja Prva mjerenja karakteristika vjetra (istraživanja i analiza područja je započela znatno ranije) započela su u aprilu 2002. godine na lokaciji Sveta gora – Podveležje, od strane konzorcija čiji je partner bio i Univerzitet Džemal Bijedić. Na pomenutom području su vršena mjerenja na 10 mikrolokacija, između ostalog i specijaliziranom opremom SODAR i LIDAR s ciljem utvrđivanja vertikalnog profila vjetra. Sistemsko ispitivanje vjetropotencijala na većem broju potencijalnih lokacija za izgradnju vjetroelektrana inicirano je od strane Elektroprivrede Herceg Bosne. U periodu od 2004. godine do danas na području Hercegovine provedena su mjerenja na desetak i više potencijalnih lokacija, u što se ne računaju mjerenja iz osnovne meteorološke mreže Bosne i Hercegovine, koja su najčešće uspostavljena za druge namjene (npr. praćenje i prognozu vremena u naseljenim područjima), pa se tek djelimično mogu iskoristiti za energetsku procjenu potencijala vjetra na udaljenim i brdskim lokacijama, pogotovo ako se radi o lokacijama u tzv. kompleksnom terenu. Rezultati gore pomenutog programa mjerenja vjetra dostupni su jedino za dvogodišnje vremensko razdoblje 2004.-2005. S obzirom na to da je vjetar prostorno i vremenski varijabilan izvor, godišnje varijacije srednje snage vjetra mogu biti srazmjerno velike (30 i više posto) pa
128
jepodatke kratkog niza potrebno staviti u kontekst višegodišnjega perioda ukoliko se želi dobiti relevantna dugoročna procjena potencijala energije vjetra na nekome području. Prema rezultatima mjerenja na odabranim lokacijama Hercegovine u periodu 2004.-2005. izmjerene su brzine vjetra koje variraju u rasponu od 7 do 9 m/s. Primjenom ekstrapolacijskih modela te stavljanjem perioda mjerenja u kontekst višegodišnjeg perioda na, ovim se lokacijama na visini 50 m iznad tla procjenjuje da se u najvećem broju slučajeva mogu očekivati srednje godišnje brzine u intervalu 6 do 8 m/s. Podaci o raspoloživom potencijalu vjetra na odabranim lokacijama, dobiveni prizemnim mjerenjima, mogu se u apsolutnom iznosu smatrati reprezentativnijim od podataka globalnog modela. Na osnovu modela se mogu ocijeniti relativne izdašnosti vjetropotencijala pojedinih regija BiH, sa solidnom sigurnošću. Stoga se područje juga Bosne i Hercegovine može smatrati najperspektivnijim za razvoj vjetroelektana te će se u nastavku razmatrati lokacije smještene upravo na području crvenim crtama označenom na sljedećoj slici.
Slika 94. Područje BiH u kojem se može očekivati najveća izdašnost potencijala energije vjetra
12.2.4 Potencijalne lokacije za gradnju vjetroelektrana u Bosni i Hercegovini U skladu sa razmatranjima u prošlim poglavljima, može se konstatovati da područje južnog dijela BiH u pojasu od kojih 50 km uz granicu s Hrvatskom predstavlja prostor od interesa za lociranje vjetroelektrana. To potvrđuju kako dosadašnje aktivnosti tako i inicijative pojedinih kompanija koje razvijaju projekte vjetroelektrana, ali ovdje treba naglasiti da na području
129
Republike Srpske do sada nisu provedena nikakva ispitivanja vjetropotencijala pa nema niti relevantnih podataka na osnovu kojih se mogu donositi zaključci. Cilj provođenja ove analize je bio sagledati prostorne mogućnosti BiH za razvoj vjetroelektrana i procijeniti njihov potencijal, neovisno o tome koji će elektroenergetski subjekt u konačnici i provesti projekte.
Budući da se radi o ranoj fazi razvoja vjetroelektrana u BiH, fokus će biti stavljen na projekte većih vjetroelektrana, koji s jedne strane čine glavninu projekata a s druge zbog ekonomske isplativosti i mogućnosti za realizaciju. Manji projekti imaju relativno ograničen utjecaj na provođenje programa vjetroelektrana u BiH pa njihova realizacija dolazi u obzir u drugoj fazi razvoja, nakon što se realizira određen broj većih projekata, odnosno uredi cijeli sistem gospodarenja obnovljivim izvorima energije i stvore tehničke i infrastrukturne pretpostavke. Procjenjuje se da vjetroelektrane manjih snaga (ispod 10 MW) mogu imati do 20 posto udjela u ukupnoj instaliranoj snazi svih vjetroelektrana. Ova pretpostavka je napravljena imajući u vidu načelo optimalnog iskorištenja prostora te činjenicu da: ● Su područja pogodna za razvoj vjetroelektrana relativno slabo naseljena, ● Da investitor nastoji maksimizirati dobit te stoga razvija vjetroelektrane maksimalno moguće ukupne snage.
Prema raspoloživim podacima, trenutno je u nekoj od faza realizacije 20-ak projekata vjetroelektrana većih snaga. Analizom raspoloživih podloga i karata, međutim, utvrđeno je da su mogućnosti što se tiče raspoloživih prostora znatno veće. Slijedeća tabela i slika daju pregled potencijalnih projekata vjetroelektrana na kojima je registrirana investitorska aktivnost ili interes. Prema slobodnoj i preliminarnoj procjeni ove lokacije obuhvaćaju tek oko 1/2 raspoloživih „velikih" lokacija vjetroelektrana, no budući da su na ovim lokacijama-kandidatima aktivnosti već započele, realizacija pomenutih projekata je vjerovatnija nego za ostale, posebno u periodu do 2015. godine. Lokacije iz tabele 7 smatrat će se lokacijama na kojima se s velikom vjerovatnoćom može očekivati realizacija projekata. Međutim, ukupan broj potencijalnih lokacija vjerovatno je i uz vrlo konzervativnu pretpostavku barem dvostruko veći od prikazanog.
130
1
Lokacija
Mikro lokacija
Podveležje Mostar
Sveta Gora
Mjerna visina 10
Poljica 1
20, 30
Lokvice
20, 30
Mali Grad
12.5, 30.5
Relej - Velež
6
Smajkići
10
Kamena
20, 40
Velina Gomila
20, 40
Ravnice
20, 40
Dražnjača
20, 40
Merdžan Glava
20,40
Poljica 2
20,40 50
2
Planinica, Mostar
Planinica
3
Jastrebinka, Mostar
Velika Vlajna Jastrebinka
4
Miljkovići, Mostar
Miljkovići
5
Pločno, Mostar
Pločno
10, 30
6
Prenj, Mostar
Bahtijevica
10, 30
7
Bosanski Petrovac
Medeno polje
25
8
Berkovići
Berkovići
10
9
Ivan Sedlo
Ivan Sedlo
10
10
Ravno
Ivanjica
10
Velja medja
10
131
10, 50
10
11
Neum
Crkvina
12
Tomislavgrad
Mesihovina
10, 50
Mokronoge
50
Srdjani
50
Vitrenik -Stipanići
10
Kamešnica
10
13
14
Livno
Kupreško polje
10
Borova Glava
10, 50
Pločno (Vran)
10
Ravanjska vrata Crljenac
25, 50
Paklina - Vrh Klis
25, 50
Debelo brdo 1
10, 30
Debelo brdo 2
50
Bitovnja
10
15
Bitovnja
16
Drvar
30
17
Grahovo
30
18
Nevesinje
Grebak
60
Morine
28.5
Tabela 7. Lokacije sa započetim istraživanjima vjetropotencijala u Bosni i Hercegovini
132
Slika 95. Potencijalne lokacije vjetroelektrana u Bosni i Hercegovini prema tabeli 7.
12.2.5 Procjena prihvatnog kapaciteta potencijalnih lokacija za izgradnju VE Za neke lokacije iz tabele 7. preuzete su postojeće procjene prihvatljivog kapaciteta (jer je prethodno već proveden preliminarni postupak mikrolociranja), dok je prihvatni kapacitet ostalih lokacija procijenjen na osnovu pretpostavke o minimalnim razmacima između vjetroagregata. Analize su napravljene na preliminarnom nivou uz korištenje kao podloge topografskih karata u mjerilu 1:100000. Pri tome, pretpostavljeni razmaci između vjetroagregata iznose oko 300 m, što na kraju i ne mora biti uzeto ako se mjerenjima razdiobe smjera vjetra utvrdi veća ili dominantna učestalost pojedinih smjerova vjetra. U načelu je za procjene ukupne snage korištena jedinična snaga vjetroagregata od 2 MW, iako su, dakako, varijacije moguće. Budući se radi o vjetroelektranama velikih snaga, ukupna procijenjena snaga za pojedine lokacije iz ove grupe zaokružena je na najmanji zajednički sadržilac broja deset. Sljedeća tabela (tabela 8.)prikazujeprihvatni kapacitet potencijalnih lokacija vjetroelektrana.
133
Lokacija
Prihvatni kapacitet (MW)
1.
Ivanjica
12**
2.
Velja Međa
20**
3.
Crkvina
24**
4.
Rilić-Gajevina (Debelo Brdo)
90*
5.
Velika Vlajna
56**
6.
Mesihovina
68**
7.
Pločno
12**
8.
Kamešnica
60*
9.
Vitrenik
30*
10.
Livno
90*
11.
Brova glava
98**
12.
Podveležje
60***
13.
Mokronoge
70**
14.
Štitar-Poklečani
40**
15.
Kupreško polje
20*
16.
Kijev Do
14**
17.
Planinica (Mostar)
42**
18.
Srđani
100**
UKUPNO
906
134
Ukupan potencijal posmatranih lokacija s gledišta raspoloživosti prostora procijenjen je na oko 900 MW. Treba napomenuti da za dio lokacija procjena uključuje razmatranje uslova i mogućnosti priključenja potencijalnih vjetroelektrana na elektroenergetsku infrastrukturu, a za dio ne, što na tim lokacijama može dovesti do značajnijeg smanjenja ukupnog prihvatljivog kapaciteta. U tabeli 9. su date očekivane proizvodnje na 12 promatranih lokacija od 18 navedenih u tabeli 5. Prema ovim podacima prosječan faktor iskorištenja na posmatranih 12 lokacija vrlo je visok i iznosi 32,4%. Za neke vjetroelektrane očekivani faktor iznosi i preko 34%. Radi poređenja navodimo da je prosječan faktor iskorištenja vjetroelektrana u 2005. godini na uzorku od oko 67000 MW vjetroelektrana u svijetu iznosio oko 22%. Od europskih zemalja prednjači Irska (32%), slijedi Grčka (28%), Velika Britanija (27%), Portugal i Norveška (26%). Lokacija
GWh/god
Ekv. sati vršnog pogona
Faktor iskorištenja
1.
Ivanjica
30,6
2550
29,1
2.
Velja Međa
51,0
2550
9,1
3.
Crkvina
61,2
2550
29,1
5.
Velika Vlajna
156,4
2793
31,9
6.
Mesihovina
198,6
2921
33,3
7.
Pločno
36,0
3000
34,2
11.
Brova glava
281,9
2877
32,8
13.
Mokronoge
197,4
2820
32,2
14.
Štitar-Poklečani
115,6
2890
33,0
16.
Kijev Do
35,7
2550
29,1
17.
Planinica (Mostar)
123,3
2936
33,5
18.
Srđani
290,0
2900
33,1
1577,7
2838
32,4
UKUPNO
135
Za ostale lokacije iz tabele 7., u indikativne svrhe je proračunata prosječna proizvodnost na temelju slijedećih pretpostavki: ● Gustoća zraka 1,113 kg/m3; ● Srednja godišnja brzina u dugogodišnjem periodu 7,5 m/s (Weibullov parametar oblika k = 1,7); ● Gubici wake efekta 3%; ● Sistemski gubici 8%; ● Generička radna karakteristika vjetroturbine. Prema gore navedenim uslovima proizvodnost bi prosječno iznosila 2471 kWh/kW, odnosno faktor opterećenja bi iznosio 28,2%. Za 350 MW vjetroelektrana (procijenjeni prihvatni kapacitet preostalih šest lokacija) prosječna godišnja proizvodnja iznosila bi oko 864,8 GWh. Uzimajući sve lokacije u obzir i kombinirajući podatke o proizvodnji dobivene od EP HZHB i procjene Izrađivača, ukupna godišnja proizvodnja na posmatranim lokacijama procjenjuje se na oko 2,44 TWh. Ovu procjenu treba smatrati strogo indikativnom jer za kvalitetnije procjene s manjom nesigurnošću potrebno je provesti detaljnu analizu mjerenih podataka vjetra, odnosno izraditi studije vjetra za pojedine lokacije.
12.2.6 Prepreke korištenja energije vjetra u Bosni i Hercegovini Generalno govoreći, mogla bi se sastaviti dugačka lista prepreka koje stoje na putu korištenja energije vjetra u Bosni i Hercegovini. Zanimljivo je za primijetiti da nedostatak finansijskih sredstava za identifikaciju potencijalnih projekata ili njihov razvoj ne predstavlja glavni problem, već glavne prepreke korištenju energije vjetra uključuju: ● Nedostatak jasne političke podrške, tj. utvrđivanje jasnih ciljeva po pitanju korištenja energije vjetra; ● Nedostatak političke konzistentnosti iako postoji deklarativna podrška korištenju energije vjetra nema razrađenih konkretnih mjera; ● Nepotpun ili nepostojeći regulatorni okvir; nedostaju legislativni akti, uvjeti poslovanja nisu pravno definirani (obveze otkupa, cijena električne energije, priključak na mrežu, itd.); ● Složena i dugotrajna procedura odobravanja projekata pri čemu se pravila o odobravanju projekata često mijenjaju što dovodi do dodatnih zahtjeva za investitore; ● Nedostatak ispitivanja od strane relevantnih institucija u području energije vjetra posebno po pitanju vjetropotencijala, tehničkih, operativnih, ekoloških i društvenih uticaja; ● Organizacijske i tržišne prepreke; 136
● Vlasnički odnosi vezani oko javnih površina: potrebno je uspostaviti procedure vezane uz uzimanje javnih površina u najam; ● Nedostatak informacija, marketinga: nedovoljan broj profesionalnih organizacija s potrebnim znanjem i iskustvom u području energije vjetra, nedostatak formalnog obrazovanja u navedenom području na sveučilištima te nedostatak adekvatnog stručnog predavačkog osoblja.
Polazeći od pretpostavke da je cilj entitetskih uprava povećati udio korištenja energije vjetra u Bosni i Hercegovini, treba se usredotočiti na nekoliko ključnih pitanja koja bi trebala omogućiti stvaranje stabilnih poslovnih uvjeta.
12.2.7 Zaključak i preporuke U području elektroenergetskog planiranja i zaštite okoliša postoji cijeli niz potencijalnih ciljeva koji mogu imati pozitivne posljedice, odnosno potaknuti povećano korištenje energije vjetra, poput: ● Smanjenja emisije stakleničkih plinova te troškova proizašlih iz globalnih i lokalnih učinaka onečišćenja, ● Smanjenja onečišćenja iz konvencionalnih postrojenja za proizvodnju električne energije, koje utječe na zdravlje ljudi i pripadajućih troškova liječenja, ● Povećanja prihoda lokalnih zajednica kroz lokalno zapošljavanje i izgradnju infrastrukture, ● Povećanja sigurnosti opskrbe kroz diversifikaciju izvora i proizvodnih lokacija, ● Poštivanja međunarodnih obveza i sporazuma.
Ovdje treba naglasiti da je jedan od prvih koraka u budućnosti definiranje ciljeva politike korištenja energije vjetra (obnovljivih izvora), za koje je od ključnog značaja uravnoteženje pozitivnih i negativnih efekata (prvenstveno povećanih troškova) korištenja energije vjetra, odnosno analiza troškova i dobiti. Prema sadašnjim saznanjima, može se procijeniti da ukupan potencijal izgradnje vjetroelektrana na 18 promatranih lokacija, na kojima je zabilježen interes i aktivnost nositelja projekata, iznosi oko 900 MW. Procjena je da bi moguća ukupna proizvodnja električne energije na ovim lokacijama mogla iznositi do oko 2,4 TWh/godinu uz prosječan faktor iskorištenja od oko 30%, što predstavlja gornju granicu proizvodnosti čak i u evropskim razmjerima. Ovdje je važno naglasiti da je gore navedena brojka u domenu pretpostavke i da ju je potrebno potvrditi detaljnijim analizama. 137
Ukupan tehnički potencijal za korištenje energije vjetra Bosne i Hercegovine znatno je veći i procjenjuje se na cca 2000 MW, pri čemu treba voditi računa da je pomenuti iznos proizašao iz sagledavanja raspoloživosti prikladnih prostora za vjetroelektrane na prostoru BiH ne uzimajući u obzir eventualna ograničenja (priključak na mrežu, zaštita okoliša i dr.). Politički cilj korištenja energije vjetra do 2015. godine može se postaviti bilo gdje u intervalu 0 do 900 MW. S obzirom da je u svijetu snažno izražen trend prema znatnijem povećanju korištenju energije vjetra, cilj za BiH vjerojatno bi također trebao biti blago na strani optimizma kao pozitivan signal potencijalnim investitorima. S obzirom na pomenute projekte, ali i tipično trajanje pripreme projekata vjetroelektrana koje danas iznosi tri do pet godina, imajući pak s druge strane u vidu složenost problematike te potrebu uređenja cijelog sektora vjetra u BiH kao i neiskustvo u pripremi projekata, nije vjerojatno da će svi projekti u cjelosti moći biti realizirani do 2015. godine. Stoga bi ambiciozan, ali realan cilj u 2015. godini vjerojatno trebalo postaviti između 400 i 600 MW. Za kvalitetnu procjenu potencijala energije vjetra u Bosni i Hercegovini, koja bi služila strukturiranju politike korištenja energije vjetra, definiranju tarifa za otkup i dr. korisno bi bilo osmisliti i provesti cjelovit projekt koji bi obuhvatao slijedeće aktivnosti: ● Sistematičan opis klimatologije vjetra na cjelokupnom području Bosne i Hercegovine, uključujući program mjerenja vjetra, ● Temeljit pregled i izbor potencijalnih lokacija za gradnju vjetroelektrana, ● Ocjenu potencijalnih lokacija nekom od prikladnih multikriterijalnih metoda te identifikaciju elemenata za ocjenu (kriterija), ● Analizu troškova i dobiti korištenja energije vjetra u Bosni i Hercegovini, kako bi se odredili izbjegnuti troškovi i metodološki utvrdio ekonomski opravdan udio vjetroelektrana u strukturi buduće potrošnje električne energije u Bosni i Hercegovini.
Dakako, za značajan poticaj korištenju energije vjetra u Bosni i Hercegovini neophodno će biti uspostavljanje institucionalnog i zakonodavnog okvira na državnoj, entitetskim i lokalnim nivoima.
138
13.0 Literatura 1. Energy-policy Framework Conditions for Electricity Markets and Renewable Energies, 21 Country Analyses, part Bosnia and Herzegovina, GTZ study, Eschborn, June 2004. 2. World Wind Atlas, Sander&Partner GmbH, 2007. 3. Analysis for the Use of Wind Power for Electricity Generation in Bosnia and Herzegovina 4. Pilić Lj., Rabadan D., Stipaničev Z. Hidroenergetska i aeroenergetska postrojenja, školska knjiga Zagreb, 2004. godina 5. Ackermann, T. : Wind Power in Power Systems, Royal Institute of Technology Stockholm, 2005 6. Mukund R. Patel, Ph.D., P.E. , Wind and Solar Power Systems, Kings Point, New York, 1999 7.http://hrcak.srce.hr/71291 http://adriawindpower.hr/VE_Ravna_1/upravljanje_vjetroelektranama/ https://www.google.ba/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCoQFjAA&url= http%3A%2F%2Fwww.fer.unizg.hr%2F_download%2Frepository%2FVjetroelektrane.ppt&ei=Dn rZUJWcKYmk4gSn14CgBA&usg=AFQjCNH21ZrXrC2SaVKLhJqBttmQlZJMg&bvm=bv.1355534169,d.Yms http://www.vjetroelektrane.com http://bib.irb.hr/datoteka/318502.A1_10.pdf http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroelektrana#Elektri.C4.8Dni_generatori http://www.scribd.com/doc/72779442/16/Princip-rada-vjetroelektrane-u-EES-i-izborgeneratora http://www.eihp.hr/~ndizdar/CIGRE2003_02.pdf http://www.eihp.hr/~ndizdar/ENERGIJA03b.pdf http://www.usitc.gov/publications/332/ITS-2.pdf
139
