11. predavanje Flashcards
1.
Upotreba vjetroelektrana ima svoje prednosti:
Prednosti su:
1. Čist izvor energije u ekološkom smislu
- Raspoloživa svuda za razliku od nafte i plina čija nalazišta su ograničena na nekoliko oblasti u svijetu
- Jedan od najjeftinijih načina za dobijanje električne energije
- Vjetroelektrane se mogu priključiti na mrežu bilo kog naponskog nivoa
- Upotreba vjetroelektrana ima svoje nedostatke;
- Nedostaci su:
- Vjetar je intermitentna pojava i ne puše uvijek kada je potrebna električna energija. Upotreba sistema za akumuliranje električne energije radi prevazilaženja ovog problema u velikim vjetroelektranama dovela je do visokih troškova
- Lokacije sa dobrom vjetrovitošću su najčešće udaljene od velikih potrošačkih centara što zahtijeva izgradnju dugih vodova određenog naponskog nivoa.
- Izgradnja vjetroelektrane zahtijeva zakup ili kupovinu određene površine zemljišta
- Problemi stabilnosti i naponskih prilika moraju se analizirati pri projektovanju vjetroelektrane.
- Posebno se analizira potreba ojačavanja električne mreže na koju se priključuju vjetrogeneratori.
- Vjetrogeneratori priključeni na slabu distribitivnu mrežu mogu da dovedu do nestabilnosti sistema.
- Vjetroelektrane (VE) – problemi u radu na mreži
- Velika varijabilnost i slaba predvidljivost brzine vjetra – ograničenja pri integraciji u mrežu.
Velika varijabilnost može se smanjiti instaliranjem VE na širokom području.
Slaba predvidljivost korištenjem poboljšanih metoda predviđanja vremena (vjetra).
- Vjetroelektrane imaju pozitivne i negativne uticaje na okolinu
- Negativni efekti se vežu za stradanja ptica, buku, konstrukcijske poremećaje, estetski uticaj i zagađenje vezano za proces proizvodnje i instaliranje turbine.
Pozitivni uticaji su ti da se sa drugim načinima proizvodnje električne energije mnogo više zagađuje okolina nego sa energijom vjetra.
- Vjetar
- Vjetar je oblik sunčeve energije i predstavlja usmjereno kretanje vazdušnih masa. Nastaje kao posljedica razlika u atmosferskim pritiscima usljed nejednakog zagrijavanja vazdušnih masa.
- Vrste vjetrova: (NABROJATI I OBJASNITI, SLIKA)
- Globalni ili geostrofski vjetrovi
- Lokalni ili površinski vjetrovi
Geostrofski vjetrovi nastaju zbog razlike u vazdušnim pritiscima koje se javljaju zbog neravnomjernog zagrijevanja Zemljine površine.
Ovo kretanje vazdušnih masa se odvija na visinama iznad 2 km i predstavlja globalne ili geostrofske vjetrove.
Iz cijele hemisfere zrak konvergira ka polovima. Kako se pomjera sa ekvatora zrak se hladi i kada dođe na pol ponire do nivoa zemlje, a zatim putuje nazad do ekvatora. To je ciklus, poznat kao cirkulaciona ćelija.
Površinski vjetrovi predstavljaju kretanje vazdušnih masa u prizemnom sloju atmosfere na koji dominantno utiče površina zemlje.
Ovi vjetrovi nastaju usljed lokalnih razlika u zagrijevanju tla, pa se ovi vjetrovi nazivaju još i termalni. Tipični lokalni termalni vjetrovi su morski i planinski vjetrovi.
- Morski vjetrovi i planinski vjetrovi (SLIKE)
- Morski vjetrovi nastaju usled razlike u temperaturama mora i kopna. Kopno se danju brže grije od mora, pa se topliji vazduh iznad kopna diže i stvara nizak pritisak iznad tla, time se pokreće hladniji vazduh iznad mora ka kopnu. Noću, zbog bržeg hlađenja kopna, more postaje toplije, pa se mijenja smjer vjetra od kopna ka moru.
U planinama tokom dana, zbog intenzivnijeg zagrijavanja, nastaju strujanja koja su usmjerena uz planinu. Noću vrhovi planina se brže hlade pa je smjer noćnih vjetrova od vrha ka podnožju.
- Vjetroturbina, vjetrogenerator, vjetroagregat, vjetroelektrana (SLIKA).
- Kinetička energija vjetra se transformiše u mehaničku energiju pomoću vjetroturbine.
Mehanički multiplikator služi za prilagođavanje brzine obrtanja vjetroturbine zahtijevnoj brzini obrtanja generatora.
Vjetrogenerator je električna mašina (generator) koja može biti sinhrona ili indukciona (asinhrona), pri čemu može raditi sa fiksnom ili promenljivom brzinom obrtanja.
Vjetroagregat - kompletan funkcionalni sklop sistema za elektromehaničku konverziju energije vjetra. Njega čine: vjetroturbina, reduktor, generator, blok transformator, sistemi za kontrolu i upravljanje, pomoćni sistemi (kran, sistemi za hlanenje, osvetljenje,…) i stub sa temeljom
Vjetroelektrane - (podnožnje, stub, turbina, generator i dr)
- Dijelovi vjetroturbine (SLIKA)
- Gondola sadrži ključne komponente vjetroturbine kao što su: mjenjač, električni generator.
Stup nosi gondolu i rotor. Općenito viši stup ima prednost jer brzina vjetra raste na većim visinama.
Rotorske lopatice prihvataju energiju vjetra i prenose je na “glavu” rotora.
Generator konvertuje mehaničku energiju rotiranja osovine u električnu energiju
Mehanički reduktor povećava brzinu rotiranja osovine i prilagođava generatoru.
Kočni sistem ima zadatak da održi projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno osigurati sistem čije je djelovanje dinamički uravnoteženo
Prijenosnik snage vjetroturbine spaja sporookretnu s brzookretnom osovinom i povećava brzinu vrtnje
- Kinetička energija vazdušnog toka i snaga zračne mase
10.
E = m*v^2/2 = (S * ro * v^3 * t) / 2
P = E/t = (S * ro * v^3) / 2
S = D^2*pi / 4
- Gustina zraka je funkcija pritiska p, temperature T zraka, a oba parametra su funkcije nadmorske visine z (FORMULA, str. 9):
- p1- izmjereni pritisak vazduha na visini z1
R-specifična gasna konstanta za vazduh R=287 kJ/kgK
g-ubrzanje
z(m) željena nadmorska visina
- Glavni efekti koji utiču na brzinu vjetra su:
- Hrapavost terena u blizini vjetroelektrane
- Turbulencije
- Prepreke ispred elektrane
- Promjenljivost brzine vjetra
- Efekat slabljenja vjetra i efekat parka
- Efekat tunela i efekat brda
- Visinski profil brzine vjetra najviše zavisi od
Termin dužina hrapavosti
- Visinski profil brzine vjetra najviše zavisi od stanja površine tla, odnosno od hrapavosti tla, i stabilnosti atmosfere (jedan od lokalnih efekata).
Termin dužina hrapavosti predstavlja rastojanje od tla do tačke iznad površine tla u kojoj je brzina vjetra teoretski jednaka nuli.
- Dva matematička modela pomoću kojih se opisuje visinski profil brzine vjetra i to: (FORMULE, str. 11):
- Logaritamski zakon
Eksponencijalni zakon
- Eksponencijalni zakon za promjenu gustine snage vjetra sa visinom (FOMRULA):
15.
- Turbulentnost
- Brze promjene intenziteta brzine vjetra u sekundnom domenu.
Svako odstupanje trenutne brzine vjetra od srednje vrijednosti u odgovarajućem desetominutnom intervalu.
- Prepreke na putanji vjetra ispred elektrane.
17.
Pod pojmom prepreka obično se podrazumijevaju građevinski objekti, drveće i slično, koji remete strujni tok vazduha i predstavljaju negativne elemente pri elektromehaničkoj konverziji energije vjetra.
- Vjetroturbine
Vjetroturbine se dijele na vjetroturbine sa (NABROJATI I OBJASNITI):
- Kinetička energija vjetra se transformiše u mehaničku energiju obrtnog kretanja pomoću vjetroturbine.
Vjetroturbine se dijele na vjetroturbine sa: vertikalnom osovinom i horizontalnom osovinom.
- Vjetroturbine sa vertikalnom osovinom
- Darriusova turbina
Ova vrsta turbine spada u brzorotirajuće turbine, što je pogodno u pogledu elektromehaničke konverzije jer omogućava upotrebu generatora sa malim brojem polova.
Ove vjetrotrurbine imaju dosta nedostataka:
- Darriusova turbina
- Brzina vjetra blizu tla je mala pa je i efikasnost vjetroturbine mala.
- Vjetroturbina nije samostartujuća, odnosno ovaj tip turbine zahtijeva motorno zalijetanje.
- Savoniusova vjetroturbina
Ova trubina se sastoji od dva polucilindra i radi na principu razlike aerodinamičkih koeficijenata otpora (Drag Coefficients) za cilindrični konveksni i konkavni dio. Ova vrsta turbina spada u sporohodne turbine i maksimalna teorijska brzina odgovara brzini vjetra.
- Vjetroturbine sa horizontalnom osovinom
- Vjetroturbine sa horizontalnom osovinom se danas dominantno koriste, kako za velike, tako i za male snage. Vjetroturbine sa horizontalnom osovinom mogu biti postavljene uz i niz vjetar.
Moderne vjetroturbine velikih snaga se grade sa horizontalnom osovinom i vjetroturbinom postavljenom uz vjetar, pa moraju imati sistem za zakretanje osovine u horizontalnoj ravni za praćenje promjene smjera vjetra
- Princip mehaničke konverzije kinetičke energije vjetra u obrtnu mehaničku energiju na vratilu vjetroturbine se zasniva na
- Princip mehaničke konverzije kinetičke energije vjetra u obrtnu mehaničku energiju na vratilu vjetroturbine se zasniva na posebnom dizajnu lopatica vjetroturbine (aerofoil) koji pri strujanju vjetra oko lopatice dovodi do stvaranja uzgonske sile potiska slično kao kod avionskih krila.
- Betzov zakon (SLIKA)
- Betzov zakon daje informaciju o maksimalnom teorijskom stepenu iskorišćenja vjetroturbine.
Teorijski je nemoguće da vjatroturbina oduzme cjelokupnu kinetičku energiju vjetru jer mora postojati protok vjetra kroz turbinu, odnosno brzina vjetra iza vjetroturbine mora biti veća od 0.
Ako vjetroturbina usporava vjetar koji na nju nailazi na trećinu njegove brzine, tada je snaga koju ona uzima maksimalna i iznosi 59,26 % snage vjetra. Ova činjenica poznata je pod nazivom Betzov zakon.
- Koeficijent snage zavisi od
Maksimalna teorijska vrijednost koeficijenta snage
Odnos ustaljenih brzina vjetra ispred i izavjetroturbine pri maksimalnoj efikasnosti vjetroturbine je: (FORMULE)
23.
Koeficijent snage zavisi od odnosa brzina vjetra ispred i iza vjetroturbine. Maksimalna teorijska vrijednost koeficijenta snage je 0,59.
Odnos ustaljenih brzina vjetra ispred i izavjetroturbine pri maksimalnoj efikasnosti vjetroturbine je:
- Obrtni moment vjetroturbine stvara
- Obrtni moment vjetroturbine stvara tangencijalna komponenta rezultantne sile - zbir projekcija sile uzgona fL i sile pritiska na tangentu kružnice koju opisuje analizirani segment lopatice pri rotaciji vjetroturbine.
- Osnovna strategija upravljanja kod vjetroturbine je
- Osnovna strategija upravljanja kod vjetroturbine je održavanje maksimalne efikasnosti u realnim uslovima promjene brzine vjetra.
- Familija krivih koeficijenta snage u funkciji brzine obrtanja turbine za različite brzine vjetra je data na slici. (SLIKA)
LAMBDA (Formula)
26.
LAMBDA predstavlja odnos periferne brzine vrha lopatice vjetroturbine prema brzini vjetra:
lambda = omegar * R / V
- Idealna kriva snage vjetroturbine, razlikuju se četiri oblasti i to:
27.
Oblast I u kojoj je vjetroturbina zakočena zbog nedovoljne brzine vjetra;
Oblast II je radna oblast u kojoj se održava strategija maksimalnog stepena iskorišćenja;
Oblast III je radna oblast u kojoj se održava strategija konstantne (nominalne) snage;
Oblast IV u kojoj je vjetroturbina zakočena zbog prevelike brzine vjetra.
- Minimalna radna brzina vjetra Vmin, nominalna radna brzina vjetra Vn i maksimalna radna brzina vjetra Vmax
28.
- Minimalna radna brzina vjetra Vmin (cut-in wind speed) je brzina vjetra pri kojoj vjetroagregat počinje proizvodnju električne energije (2,5 - 4) m/s);
- Nominalna radna brzina vjetra vn (nominal wind speed) je minimalna brzina vjetra pri kojoj vjetroagregat dostiže svoju nominalnu snagu.(10-13 ili 14-17 m/s)
- Maksimalna radna brzina vjetra Vmax (cut-out wind speed) je brzina vjetra pri kojoj se vjetroturbina zaustavlja. (obično 25 m/s)
- Turbine sa promjenljivom brzinom obrtanja zahtijevaju…
Vjetroturbina sa stalnom brzinom…
29.
Turbine sa promjenljivom brzinom obrtanja zahtijevaju upotrebu uređaja energetske elektronike radi prilagođavanja učestanosti i napona generatora vrijednostima u mreži.
Mogu da rade sa maksimalnom efikasnošću u širokom opsegu brzina. Električni sistem kod ovih turbina je znatno složeniji nego kod turbina sa stalnom brzinom obrtanja.
Prednosti su: viši stepen iskorištenja, bolji kvalitet proizvedene energije
Nedostaci su: gubici u energetskoj elektronici, korištenje većeg brojeg uređaja poskupljuje cijenu izvedbe.
Kod vjetroturbina sa stalnom brzinom obrtanja, brzina je konstantna bez obzira na brzinu vjetra, određena je učestanošću mreže, prenosnim odnosom reduktora i konstrukcijom upotrijebljenog generatora.
Prednosti: jednostavne, robusne, pouzdane
Nedostaci: potrošnja reaktivne snage je neupravljiva, mehanička naprezanja velika, ograničen kvalitet proizvedene električne energije.
- Vrste korištenih generatora u vjetroelektranama su :
- Asinhroni generatori:
- Asinhroni sa kaveznim rotorom
- Asinhroni sa namotanim rotorom
- Asinhroni sa namotanim rotorom i promjenljivim otporom rotora - Dvostrano napajani asinhroni generatori
- Sinhroni generatori
- Tehnologija - Osnovni tipovi prema snazi
- Male (1 - 30 kW) - Daleka izolirana mjesta. Raznolikost rješenja.
Srednje i velike (30 - 1500 kW) - Na mreži: samostalno ili u grupi. Od 650 kW posve komercijalne i velikih serija.
Pučina (> 1500 kW) - Na pučini stotine kW. Razvija se…
- Najčešće primijenjene konfiguracije vjetroagregata klasificiraju se:
Konfiguracije vjetroturbina mogu biti dodatno klasificirane prema načinu upravljanja snagom, elisom ili lopaticom:
32.
- prema njihovoj sposobnosti za regulaciju brzine i
- prema sposobnosti kontrole snage koja se koristi za njihov pogon.
- vjetroturbine sa aerodinamičkim prigušenjem,
- vjetroturbine sa zakretom lopatica i
- vjetroturbine sa aktivnim aerodinamičkim prigušenjem
- Postoje četiri tipa vjetroturbina u pogledu koncepta upravljanja i to vjetroturbine sa:
- konstantnom brzinom obrtanja i fiksnim uglom lopatica
- konstantnom brzinom obrtanja i promjenljivim uglom lopatica
- promjenljivom brzinom obrtanja i fiksnim uglom lopatica
- promjenljivom brzinom obrtanja i promjenljivim uglom lopatica
