Energija vjetra

Svega 1 do 2% energije koja dolazi od sunca pretvara se u energiju vjetra. Energija vjetra je kinetička energija te ovisi o kvadratu brzine vjetra:

Vjetroturbina dobiva ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na elise rotora. Količina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji čini rotor u vrtnji, brzina vjetra, gustoći zraka i aerodinamici lopatica. Iz statistike vjetrova možemo dobiti točan smjer i brzinu vjetra na nekoj mikrolokaciji i to kartama koje se nazivaju ruža vjetrova. Ruža vjetrova je razdioba pojave(kontigencije) vjetra određene brzine u određenom smjeru nastala mjerenjem i/ili korelacijom na određenoj mikrolokaciji.

Slika 1. Ruža vjetrova za lokaciju Maksimir, Zagreb






 

Uz ružu vjetrova kao metode za praćenja staistike vjetra koristi se i atlas vjetra, koji nam daje podatke o očekivanim i srednjim brzinama vjetra na promatranoj lokaciji [m/s], kao i očekivanoj snazi energije dostušnoj po jedinici površine [W/m²]. Metoda je pogodna za određivanje mikrolokacije VE.

Slike 2 i 3. Atlas vjetra

Vjetroagregati specijalizirani su za skoro sve vrste terena i klimatskih uvjeta, te ih se može pronaći u tropskim područjima, ali i arktičkim uvjetima. Kombinirana visina stupa i lopatice na najvećim svjetskim vjetroagregatima dosiže visine i iznad 200 m, a pojedinačna snaga najvećih vjetroagregata danas prelazi 6 MW.

Vjetar je bogat, obnovljiv, lako dostupan i čist izvor energije, a energija vjetra je transformirani oblik sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim tlakovima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za izjednačavanjem tlakova zraka. Postoje dijelovi Zemlje na kojima pušu takozvani stalni (planetarni) vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Kopno kao pozicija za postavljanje vjetroelektrane je relativno nepovoljna, zbog velikog broja zapreka koje se nalaze na putu do turbina imamo veće fluktuacije u konstantnosti vjetra koji puše na lopatice, te zapreke mogu biti razne od šuma, pa do blizine planina ili nekog drugog oblika zapreka.Stoga dobre pozicije su uz obale oceana i pučina mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vjetrova i male količine zapreka,  ali cijene instalacije VE i transporta energije (u vidu priključka na mrežu) onemogućavaju dovoljno veliku eksploataciju. Ocean bi bio još idealnija lokacija zbog toga što VE nema nikakvih zapreka, no transport i gradnja takvih elektrana te njihovo održavanje je skupa investicija. Kada se vrši izbor lokacije za postavljanje VE bitno je odrediti da li na vjetrovitoj strani imamo zgrade ili planine, zbog toga što se zrak komprimira i njegova se brzina povećava, ta pojava se naziva „efekt tunela“ te bi on trebao biti što praviliniji.

 Slika 3 i 4. Efekt tuneliranja za različite vrste prepreka
 

Vjetroturbine su udaljene između 5 do 9 dužina promjera rotora u smjeru dolaska vjetra i između 3 i 5 dužina promjera rotora u smjeru okomitom na smjer vjetra. Gubitak energije zbog zavjetrine koje stvaraju jedna drugoj iznosi negdje oko 5%, no iskoristivost zemljišta i cijena spajanja na mrežu, traže da ih smjestimo što bliže jednu drugoj.
 
Kod pretvorbe kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju (okretanje osovine generatora) iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao je još davne 1919. zakon energije vjetra, a koji je publiciran 1926. u knjizi “Wind-Energie”. Njime je dan kvalitativni aspekt znanja iz mogućnosti iskorištavanja energije vjetra i turbina na vjetar. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti manje od 16/27 ili 59% kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar. 59% je teoretski maksimum, a u praksi se može pretvoriti između 35% i 45% energije vjetra.

Osnovne dijelove vjetoelektrane možemo vidjeti na Slici 5.  

Slika 5. Osnovni dijelovi vjetroturbine

Vjetroturbina se sastoji od: 
 

• Kučišta (engl. Nacelle)
• Anemometra
• Zakrivača smjera vjetra (engl. Wind Vane)
• Brzo-okretne osovine (engl. High-speed shaft)
• Upravljača (engl. Controller)
• Generatora
• Prijenosnika (engl. Gear Box)
• Sporo-okretne osovine (engl. Low-speed shaft)
• Kočnice (engl. Break)
• Lopatice (engl. Blades)
• Zubčanika (engl. Yaw drive)
• Motora zubčanika (engl. Yaw motor – služi za zakretanje kučišta)
• Tornja (engl. Tower)
• Sustav upravljanja kutem zakretanja elise (engl. Pitch)

 Osnovni princip rada vjetroturbine prikazani su na Slici 6.
 

Slika 6. Osnovni princip rada vjetroturbine

 

 Vjetroturbina i generator su spojeni pomoću mehaničke spojke za koju se najčešće podrazumijeva da u sebi ima mjenjačku kutiju s prijenosnikom. Prijenosnik ima funkciju prilagonavanja niže brzine vrtnje rotora vjetroturbine višoj brzini vrtnje rotora generatora.
 

• Ukoliko su generatori višepolni niskobrzinski i po mogućnosti sinkroni s uzbudnim namotom ili uzbudnim permanentnim magnetima, mehanički prijenosnik nije potreban (slučaj kod vjetroturbina novijeg dizajna).
• Iznos snage pretvorbe vjetroturbine regulira se pomoću sustava za upravljanje kutom zakreta elise (eng. pitch regulated), koji takoner može postojati unutar opreme nekih vjetroturbina ali i ne mora.
• Korištenjem tog regulacijskog mehanizma elisa se zakreće oko svoje duže osi i omogućuje regulaciju mehaničke snage, ovisno o karakteristikama vjetroturbine.
• Ako vjetroturbina nema regulacijski sustav zakretanja, naglasak se stavlja na konstrukciju elisa koje se projektiraju prema aerodinamičnom efektu.Tako je, u slučaju previsokih brzina vjetra, vjetroturbina zaštićena od povišenja snage.

 
Nedostaci upotrebe VE su visoki troškovi izgradnje i promjenjivost brzine vjetra (ne može se u svakom trenutku garantirati isporučivanje energije). Za domaćinstva vrlo su interesantne male vjetrenjače snage do nekoliko desetaka kW. One se mogu koristiti kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim područjima. Kad se koriste kao primarni izvor energije nužno im se dodaju baterije (akumulatori) u koje se energija sprema kad se generira više od potrošnje. Velike vjetroelektrane često se instaliraju u park vjetrenjača i preko transformatora spajaju se na električnu mrežu. Problem kod spajanja na krutu elektroenergetsku mrežu je taj što VE mogu značajno utjecati na stabilnost sustava te kvalitetu električne energije. Kriterij priključenja na mrežu odvija se po setu Mrežnih pravila za vjetroelektrane. Vjetroturbinski generatori bitno se razlikuju od sinkronih genaratora zbog čega je se uobičajeno izrađuju dvije vrste mrežnih pravila za vjetroelektrane. Jedna se vrsta odnosi na priključenje na prijenosni sustav (nazivni napon ≥ 110 kV), a druga na distribucijski sustav (nazivni napon ≤ 35 kV).

Karakteristični troškovi instalacije VE (kapitalne investicije) iznose:

• Male vjetroelektrane (<30 kW) : 1500-3000 €/kW
• Srednje i velike vjetroelektrane (30-1500 kW): 700-1100 €/kW
• Pučina: oko 1500 €/kW (ekstremno velika cijena temelja)

Krajem 2007. instalirana snaga vjetroelektrana u svijetu bila je 94.1 GW. Trenutno vjetroelektrane pokrivaju tek 1% svjetskih potreba za električnom energijom, dok u Danskoj ta brojka iznosi 19%, Španjolskoj i Portugalu 9%, Njemačkoj i Irskoj 6% (podaci za 2007.)

U Hrvatskoj  je za projekte vjetroelektrana  do sada iskazano najviše interesa na područjima Zadarske, Šibensko-kninske, Splitsko-dalmatinske, Dubrovačko-neretvanske županije, ali i nekih drugih županija, Trenutno je na području Hrvatske izgrađeno pet vjetroelektrana:

• Vjetroelektrana Ravne 1 na otoku Pagu - nalazi se u blizini grada Paga, iznad paške solane (izgrađena je u kolovozu 2004).  Instalirane snaga joj je 5,950 kW, a sastoji se od 7 Vestasovih vjetroagregata od 850 kW. Srednja godišnja brzina vjetra iznosi oko 6,4 metra u sekundi. Promjer lopatica je 52 metra.
•  Vjetroelektrana Trtar-Krtolin - nalazi se u blizini Šibenika, puštena je u pogon i u proizvodnji je od lipnja 2006. Sastoji se od 14 vjetroagregata Enercon E-48 pojedinačne nazivne snage 800 kW, što ukupno daje 11,2 MW instalirane snage. Promjer lopatica vjetroagregata je 48 metara, a visina osi 50 metara.
• Vjetroelektrana Orlice - nalazi se u blizini Šibenika, puštena je u pogon i u proizvodnji je od ljeta 2009. Sastoji se od 11 Enerconovih vjetroagregata, i to 3 E-48 pojedinačne nazivne snage 800 kW i 8 E-44 pojedinačne nazivne snage 900 kW, što ukupno daje 9,6 MW instalirane snage. Promjer lopatica vjetroagregata je 48 i 44 metara, a visina osi 50 metara. Predviđena je proizvodnja vjetroelektrane od oko 25 GWh električne energije godišnje.
• Vjetroelektrana Vrataruša - nalazi se u blizini Senja na obroncima Velebita. Izgrađena je još 2009., ali je dobila sve dozvole i u punom pogonu je od siječnja 2011.  zbog dugog perioda probnog pogona. To je ujedno i prva vjetroelektrana u Hrvatskoj priključena na prijenosnu mrežu, na 110kV. Isto tako je trenutno i najveća hrvatska vjetroelektrana sa ukupno instaliranih 42 MW. Sastoji se od 14 Vestasovih vjetroagregata V90 pojedinačne nazivne snage 3 MW. Promjer lopatica vjetroagregata je 90 metara, a visina osi 80 metara.
• Vjetroelektrana ZD6 (Velika Popina) - nalazi se na području općine Gračac, a u pogon je puštena u siječnju 2011. Vjetroelektrana se sastoji od 4 Siemensova SWT 93 2,3 MW vjetroagregata, čime joj ukupna snaga iznosi 9,2MW. Predviđena je godišnja proizvodnja od 26.000 MWh električne energije.

Ako se promatraju karakteristike vjetra na prostoru Hrvatske, može se zaključiti da naša domovina ima dobar vjetropotencijal. To ne znači da je cijeli prostor Hrvatske izuzetno pogodan za gradnju vjetroelektrana.
U cilju stvaranja uvjeta za gospodarsko korištenje energije vjetra, Vlada Republike Hrvatske pokrenula je nacionalni energetski program ENWIND. Odabrani su demonstracijski pilot-projekti koji trebaju potvrditi opravdanost ulaganja. Pokretanje ENWIND programa pobudilo je veliki interes među potencijalnim investitorima.

U poticajne mjere za izgradnju vjetroelektrana u Hrvatskoj, mogu se ubrojiti:
a) odluka HEP-a koji jamči otkupnu cijenu električne energije proizvedene u vjetroelektranama, po cijeni 90% prosječne prodajne cijene električne energije na mreži HEP-a
b) oslobađanje vjetroelektrana, za razliku od ostalih elektrana, plaćanja naknade za korištenje prostora jedinicama lokalne samouprave
 
Cijene električne energije jako su regulirane diljem svijeta. Kupci potpisuju dugoročne ugovore kako bi smanjili rizik budućih fluktuacija, osiguravajući tako stabilniji povrat novca za projekte u stadiju razvoja (no tu postoji veliki rizik od gubitka investicije, zbog nekontinuiranosti vjetra). U takvim ugovorima osoba odgovorna za rad sustava se obvezuje na kupnju energije dobivene vjetrom po fiksnoj cijeni za određeni period. Te cijene se mogu razlikovati od cijena energije iz drugih izvora, pa čak mogu sadržavati i određene subvencije. Kako je cijena električne energije stvar tržišta, prihodi su veći kada se proizvodnja odvija u periodima više cijene. Profitabilnost vjetroelektrana će stoga biti veća kada se vrijeme njihovog rada podudara s tim periodima.

Primjer jedne vjetroelektrane u RH, proizvođač Končar: KO – VA 57/1

Slika 7. Primjer vjetroagregata u RH (orginalno Hrvatska proizvodnja)
 

 Izvori informacija