Vjetroturbine

Vjetroturbine

Vjetroturbine (ijek.) ili vetroturbine (ek.) (popularno vjetrenjače), sistemi za iskorištavanje energije vjetra, čiju energiju pretvara u rotaciono ili pravocrtno gibanje, koja se poslje može iskoristiti ili za pokretanje određenih uređaja poput mlinova i pumpa, za što su se koristile kroz historiju, ili za pokretanje generatora električne energije i proizvodnju električne struje, za što se u najvećoj mjeri koriste danas.

HistorijaUredi

Energija vjetra je indirektan oblik solarne energije. Solarno zračenje uzrokuje nejednoliko zagrijavanje Zemljine površine i temperaturne razlike koje su uzrok postojanja kretanja zraka nazivamo vjetrom.

Vjetar može postići puno veću energetsku gustoću nego solarno zračenje: 10 kW/m² tokom jakih oluja i preko 25 kW/m² tokom uragana, dok se maksimum prizemnog solarnog zračenja kreće oko 1 kW/m², ali kod laganog povjetarca od 5 m/s (18 km/h, 11,2 mph) gustoća energije vjetra je jako mala i iznosi oko 0,075 kW/m².

Zbog velike energetske gustoće ljudi su kroz historiju energiju vjetra iskorištavali upotrebom raznih vrsta vjetrenjača, odnosno vjetroturbina i nastojali sve više povećavati njenu iskoristivost u energetskoj pretvorbi u mehaničku energiju, a kasnije i u električnu.

Historija iskorištavanja snage vjetra ide puno vjekova u prošlost. Energija vjetra je iskorištavana za navodnjavanje još prije 3000 godina. Historijski izvori govore o iskorištavanju energije vjetra za pogon mlinova u Iranu još u 7. vijeku. Te vjetrenjače su konstrukcijski bile vrlo jednostavne i imale su malu iskoristivost uspoređujući ih sa današnjim sistemima. U Evropi, energija vjetra je postajala sve važnijom od 12. vijeka prema današnjim danima, a s povećanjem važnosti energije vjetra i sa sve većim njenim iskorištavanjem konstrukcija vjetrenjača se sve više razvijala i postajala sve naprednijom.

Desetci tisuća vjetrenjača je upotrebljeno za drenažu zemljišta u Nizozemskoj tokom 17. i 18. vijeka, te vjetrenjače su bile sofisticirane i mogle su autonomno pratiti vjetar. U 19. vijeku u Sjevernoj Americi vjetrenjače su korištene za pogon sistema za pumpanje vode. U 20. vijeku energija vjetra se natjecala sa drugim izvorima energije kao što su para koja se upotrebljavala u parnim strojevima i fosilna goriva koja su se upotrebljavala u motorima sa unutarnjim izgaranjem.

Konačno, upotreba električne energije i elektrifikacija su istisnule vjetrenjače iz upotrebe i učinile enegriju vjetra kompletno redundantnom. Do ponovnog oživljavanja upotrebe energije vjetra došlo je zbog naftne krize tokom 1970-ih. Za razliku od prijašnjih sistema za iskorištavanje energije vjetra koji su energiju vjetra pretvarali u mehaničku energiju moderni sistemi energiju vjetra isključivo pretvaraju u električnu energiju. Njemačka je 1990-ih postala najnaprednija država po pitanju razvoja sistema za iskorištavanje energije vjetra. Današnji vjetrogeneratori su dosegnuli visok tehnološki standard i njihove snage prelaze snagu od 4 MW.

Izvedbe vjetroturbinaUredi

 
Vjetroturbine s okomitom (vertikalnom) osi

Današnji sistemi za iskorištavanje energije vjetra su pretežito vjetrogeneratori. Generalno, vjetroturbine mogu raditi na dva principa iskorištavanje energije vjetra, pa se zato i osnovna podjela svodi na podjelu prema tim principima. Tako imamo: vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja (drag devices), vjetroturbine koje rade na principu potiska (lift devices) i vjetroturbine koje rade na kombiniranju obaju principa. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja imaju manju iskoristivost od vjetrenjača koje rade na principu potiska, zbog toga danas pretežito koriste vjetroturbine koje rade na principu potiska ili koje rade na principu kombiniranja obaju principa.

Osim ove glavne podjele postoji još niz podjela vjetroturbina, pa ih tako u ovisnosti prema nekim konstrukcijskim i radnim značajkama razvrstavamo po:

  • položaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi.
  • omjeru brzine najudaljenije točke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne.
  • broju lopatica: višelopatične, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom.
  • veličini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne.
  • načinu pokretanja: samokretne i nesamokretne.
  • efikasnosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko efikasne.
  • načinu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.

Podjela po položaju osi turbinskog kolaUredi

Vjetroturbine s okomitom (vertikalnom) osiUredi

 
H – Darrieusov rotor
   
H – Darrieusov rotor
Savoniusov rotor

Vjetroturbine s okomitom (vertikalnom) osi su najstariji sistemi za iskorištavanje energije vjetra. Danas također postoje koncepti modernih vjetrogeneratora koji imaju okomit položaj osi. Negativna strana ove vrste vjetroturbina je manja iskoristivost od vjetroturbina sa horizontalnom osi, a pozitivne strane su:

  • Vjetroturbina nema usmjerenja, ne mora biti usmjerena prema vjetru, pa ne trebaju dodatni uređaji za praćenje vjetra i okretanje vjetroturbine
  • Potreban je slabiji vjetar za njihov rad
  • Uređaji za kontrolu vjetroturbine i pretvorbu energije mogu biti smješteni na razini zemlje zbog okomite osi rotora
  • Jednostavnija struktura što olakšava i samo postavljanje

Koncepti rotora sa vertikalnom osi su:

  • Savonius-ov rotor
  • Darrieus-ov rotor
  • H rotor

Savonius-ov rotor radi na principu otpornog djelovanja koji kombinira sa potiskom. Sastoji se od dvaju polu-cilindričnih lopatica koje su otvorene na suprotnim stranama. Blizu osi, lopatice se preklapaju tako da preusmjereni vjetar može strujati iz jedne lopatice u drugu. Ova vrsta rotora ima veću iskoristivost od rotora baziranih samo na otpornom djelovanju, ali manju od rotora primarno baziranih na potisku. Ovaj tip rotora ima prednost koja se bazira na tome da se mogu početi vrtjeti na malim brzinama vjetra, dok im je loša strana u tome što je potrebno puno materijala za njihovu izradu.

Darrieus-ov rotor je 1929. godine konstruirao Francuz, Georges Darrieus. Ova vrsta rotora se sastoji od dvije ili tri lopatice koje imaju oblik parabole. Profil rotorskih lopatica oblikom odgovara radu na principu potiska. Iskoristivost ovih rotora je puno veća od iskoristivosti Savonius-ovih rotora. Glavni nedostatak Darrieus-ovog rotora je u tome što ne može sam započeti rotaciju te zbog toga uvijek zahtjeva pomoćni uređaj za pokretanje.

Daljnjim razvojem Darrieus-ovog rotora razvijen je H rotor ili H – Darrieusov rotor. Ovaj rotor se još naziva i Heidelberg rotor po kompaniji Heidelberg Motor. Generator sa permanentnim magnetom je integriran u samu strukturu rotora i ne zahtjeva sistem prijenosa.

Vjetroturbine sa vodoravnom (horizontalnom) osiUredi

 
Vjetroturbine sa vodoravnom (horizontalnom) osi

Vjetroturbine sa vodoravnom (horizontalnom) osi su danas najzastupljeniji tip vjetroturbina. Većina današnjih vjetrogeneratora su vjetroturbine sa horizontalnom osi, zbog toga ćemo u ovom poglavlju govoriti isključivo o vjetrogeneratorima. Vjetrogeneratori su došli do vrlo visokog stupnja tehničke razvijenosti i dosežu snage od nekoliko megawata, dok su vjetrogeneratori 1980-ih bili u rangu snage ispod 100 kW.

Vjetrogeneratori sa horizontalnom osi uobičajno se sastoje od slijedećih dijelova:

  • Lopatice rotora
  • Rotorska kočnica
  • Sistem promjene nagiba lopatica
  • Električni generator
  • Prijenos
  • Sistem za mjerenje brzine vjetra
  • Sistem za praćenje vjetra
  • Kućište, stup i temelj
  • Transformator
  • Upravljački, nadzorni i ostali sistemi
  • Glavni spojevi

Moderni vjetrogeneratori sa horizontalnom osi mogu imati jednu, dvije ili tri lopatice rotora. Uobičajeno se ne koristi više od tri lopatice. Koristeći manji broj lopatica možemo smanjiti potrebu za materijalom tokom proizvodnje.

Rotori sa jednom lopaticom moraju imati protumasu na suprotnoj strani rotora. Rotori sa jednom lopaticom nemaju mirno kružno kretanje i zato dolazi do većeg naprezanja materijala. Na svijetu postoji samo par prototipova rotora sa jednom lopaticom i nije za očekivati da bi se to uskoro promijenilo.

Optimalni energetski koeficijent iskoristivosti rotora sa tri lopatice je malo veći od rotora sa dvije lopatice. Rotori sa tri lopatice imaju optički mirniji rad i bolje se integriraju u okoliš. Dok je jedini nedostatak rotora sa tri lopatice u tome što zahtijevaju više materijala za proizvodnju.

Efikasnost vjetrogeneratora, brzina vjetra i osiguranje vjetrogeneratoraUredi

Svaki vjetrogenerator je dizajniran za određenu brzinu vjetra pri kojoj ima najbolju iskoristivost. Na jako malim brzinama vjetra rad vjetrogeneratora nije isplativ. Pri slabom vjetru ne može se generirati ili se može generirati jako malo struje iz energije vjetra, pa tako sam vjetrogenerator može postati potrošač. Zbog rotorska kočnica bi trebala zaustaviti rotor vjetrogeneratora ako je brzina vjetra manja od preddefinirane brzine upogonjenja tog vjetrogeneratora.

Brzina vjetra za koju je dizajniran vjetrogenerator i nominalna brzina vjetra vjetrogeneratora uopbičajeno su različite vrijednosti. Nominalna brzina vjetra je uobičajeneno veća od brzine za koju je taj vjetrogenerator dizajniran. Iznad nominalne brzine vjetra, snaga generatora vjetrogeneratora mora biti limitirana, te zbog toga vaki vjetrogenerator iznad nominalne vrijednosti brzine vjetra daje konstantnu izlaznu snagu zbog limitacije i pada iskoristivosti. Ta izlazna snaga je konstantna sve do brzine isključenja.

Ako brzina postane previsoka, vjetroelektrana može biti preopterećena i može doći do oštečenja. Zbog toga vjetrogeneratori imaju preddefiniranu brzinu isključenja, pri kojoj rotorska kočnica zaustavlja vjetroturbinu i rotor se okreće od vjetra koliko je to moguće.

Predefinirane brzine vjetra uobičajeno imaju slijedeće iznose:

    • Brzina uključenja vcut-in = 2,5 – 4,5 m/s
    • Brzina vjetra za koju je dizajniran vjetrogenerator vD = 6 – 10 m/s
    • Nominalna brzina vjetra vN = 10 - 16 m/s
    • Brzina isključenja vcut-out = 20 – 30 m/s
    • Brzina preživljavanja vlife = 50 – 70 m/s

Svaki proizvođač vjetrogeneratora za svaki svoj proizvod ima napravljen dijagram iskoristivosti u ovisnosti o brzini vjetra. Na tom dijagramu su ucrtane i gore navedene preddefinirane vrijednosti za taj vjetrogenerator.

Ograničavanje izlazne snage i zaštita od olujaUredi

 
Karakteristika snage vjetrogeneratora u ovisnosti o brzini vjetra

Energija koja može biti preuzeta od vjetra ovisi o brzini vjetra. Poslje dostizanja nominalne snage, snaga vjetrogeneratora bi trebala ostati konstantna kod svih brzina vjetra većih od nominalne brzine zbog toga jer turbina i generator ne mogu podnjeti više energije.

Zbog toga, vjetroelektrana mora limitirati snagu pomoću jedne od dvaju slijedećih metoda:

    • Metoda zavjetrine (Stall control)
    • Metoda promjene kuta lopatica rotora (Pitch control)

Metoda zavjetrine (Stall control)Uredi

Metoda zavjetrine se bazira na efektu stvaranja vrtložnih struja, a sa time i zavjetrine kod velikih upadnih kutova koji se sami povećavaju pri povećanju brzine vjetra. Ovaj efekt uništava uzgon na površini zahvaćenoj ovim efektom te na taj način limitira snagu koju vjetar prenosi na lopatice rotora. Kod ovoga načina zaštite vjetrogeneratora lopatice rotora se ne pomiću, te kut pod kojim su postavljene uvijek ostaje konstantan. Ovakav način zaštite vjetrogeneratora se realizira samom konstrukcijom rotora te ne zahtijeva napredne tehničke sisteme za njezin rad.

Negativna strana ovakvog načina zaštite vjetrogeneratora je u tome što ne omogućava nikakvo naknadno upravljanje zbog toga što je ovaj način zaštite isključivo pasivan. Maksimalnu snagu novodizajniranog rotora nije lako procijeniti zbog kompliciranog matematičkog proračuna strujanja fluida. Nakon dosizanja maksimalne snage, izlazna snaga generatora zaštičenog ovom metodom opada.

Ovako zaštićeni sistemi moraju imati još dodatne aerodinamičke kočnice koje pomažu vjetrogeneratorima sa ovakvim načinom zaštite da prežive oluje.

Metoda promjene kuta lopatica rotora (Pitch control)Uredi

Mnogi proizvođači vjetroturbina preferiraju metodu zaštite svojih vjetroturbina pomoću promijenjivog kuta lopatica rotora, iako je ovu metodu zaštite tehnički puno teže izvesti. Međutim, pošto je ova metoda zaštite aktivna metoda, ona se može prilagoditi različitim uvjetima. Zaštita metodom promjene kuta lopatica rotora automatski prilagođava kut lopatica rotora, a samim time i upadni kut, smanjujući ga ili povećavajući, ovisno o prilikama. Lopatice rotora se okreću u vijetar prilokom većih brzina vjetra, smanjujući upadni kut i tako se aktivno smanjuje ulazna snaga na lopaticama rotora. Izrada ovako zaštićenih i kontroliranih vjetrogeneraora je kompliciranija, zato jer lopatice rotora moraju biti pomično učvršćene na vrh osovine, i mora postojati još dodatni motor koji mi upravljao nagibom lopatica. Manji sistemi uobičajeno upotrebljavaju mehanički kontroliran mehanizam promjene kuta lopatica rotora oslanjajući se na centrifugalnu silu. Ako se vjetrogenerator kompletno isključen zbog zaštite od oluje i ako ima mogućnost zakretanja kuta lopatica rotora, mogu joj se lopatice rotora okrenuti u položaj pera (najmanja moguća silueta koja stoji na putu vjetra), te se tako smanjuje njen otpor vjetru i mogućnost oštećenja.

Sistem za praćenje vjetra (Yawing)Uredi

Sistem za praćenje vjetra može se svrstati u sisteme za povećanje iskoristivosti vjetrogeneratora i u sisteme za zaštitu vjetrogeneratora sa vodoravnom (horizontalnom) osi. Ovaj sistem radi na principu horizontalnog zakretanja vjetrogeneratora. Vjetrogeneratori sa vodoravnom (horizontalnom) osi, za razliku od vjetrogeneratora sa vertikalnom osi, moraju uvijek svojom orjentacijom pratiti smijer vjerta. Orjetnacija lopatica rotora uvijek mora biti tako namještena da su lopatice rotora okrenute prema vjetru pod optimalnim kutem. Ovo može biti problem za vjetrogeneratore sa promijenjivim kutem lopatica rotora ako su postavljene na mjestu gdje dolazi do vrlo brze promjene smijera vjetra zbog toga jer može doći do velikih fluktacija u snazi o čemu se mora voditi računa prilikom horizontalnog zakretanja vjetrogeneratora i prema tome se korigirati brzina rotora.

Za zakretanje vjetrogeneratora u horizontalnom smijeru cijelo kućište vjetrogeneratora sa rotorom, prijenosom i generatorom mora biti pomično postavljeno na vrhu stupa. Sistem za mjerenje vjetra smješten na kućištu mjeri i izračunava brzinu i smijer vjetra i prema tim podatcima upravljački sistem odlučuje kada, za koliko i u kojem smijeru zaokrenuti kućište i rotor vjetrogeneratora. Kada kućište i rotor dođu u optimalni položaj pokreće se horizontalna kočnica koja drži vjetrogenerator u tom položaju. U stvarnosti postoji uvijek malo odstupanje od smijera vjetra i optimalnog položaja rotora. To odstupanje se zove "yaw angle" i uobičajno iznosi oko 5%.

VezeUredi