Vetrogenerator

Vetroelektrana Torntonbank, koja koristi 5 MW turbine REpower 5M u Severnom moru kod obale Belgije.

Vetrogeneratori u Danskoj.

Vetrogeneratori, Krim

Vetrogeneratori ili vetroelektrane, su vrsta elektrana koje koriste kinetičku energiju vetra, koji je obnovljivi izvor energije. Vetrogeneratori se sastoje iz noseće konstrukcije u obliku stuba, vetroturbine, generatora električne energije, dela koji reguliše brzinu obrtanja generatora i izlazni napon vetrogeneratora i priključka na neki sistem za akumulisanje energije ili na električnu mrežu. U Srbiji je počela ozbiljna eksploatacija energije vetra i izgradnja vetroparkova.

Prema podacima iz 2020 godine, stotine hiljada velikih turbina, u instalacijama poznatim kao vetroelektrane, proizvodile su preko 650 gigavata energije, sa 60 GW dodanih svake godine. Vetroturbine su sve važniji izvor povremene obnovljive energije i koriste se u mnogim zemljama za smanjenje troškova energije i oslanjanja na fosilna goriva. Jedna studija iz 2009. godine tvrdi da je vetar, imao „najmanje relativne emisije gasova staklene bašte, najmanju potrošnju vode i najpovoljnije društvene uticaje“ u poređenju sa fotonaponskim, hidro, geotermalnim izvorima energije, ugljem i gasom.

Manji vetrogeneratori se koriste za aplikacije kao što su punjenje baterija i udaljene uređaje kao što su saobraćajni znaci upozorenja. Veće turbine mogu doprineti domaćem snabdevanju električnom energijom dok prodaju neiskorišćenu energiju nazad dobavljaču komunalnih usluga preko električne mreže. Vetroturbine se proizvode u širokom rasponu veličina, sa horizontalnim ili vertikalnim osama, mada su horizontalne najčešće.

Istorija korišćenja energije vjetra

Vetrogenerator

Energija sadržana u kretanju vazdušnih masa - vetru oduvjek je pobuđivala pažnju istraživača, koji su željeli da je korisno upotrijebe. Još su stari Egipćani, pre više od pet hiljada godina, koristili vjetar za pokretanje brodova na reci Nil. Najstariji poznati mlinovi za mljevenje pšenice i drugog zrnevlja pronađeni su u Persiji (današnji Iran). Ti mlinovi su imali lopatice koje su izgledale kao velika okrugla vesla. Osim za mlinove, Persijanci su koristili energiju vetra i za pumpanje vode. Više vekova kasnije Holanđani su poboljšali osnovnu konstrukciju vjetrenjača, uvodeći krila u obliku elise i koristeći na njima zategnuto platno. Oni su koristili vjetrenjače za mlevenje i ispumpavanje vode pri osvajanju zemlje niže od nivoa mora. Kolonisti u Americi su koristili vjetrenjače za mljevenje žita, vađenje vode iz dubokih bunara, ali i za sečenje drva u strugarama.

Istorija vjetrogeneratora

Po otkriću elektromotora i električnog generatora u 19. vijeku, počeli su eksperimenti sa proizvodnjom električne energije. Prvi modeli vjetrogeneratora su bili malo više od vjetrenjača sa dodatnim električnim generatorom, koji je pretvarao mehaničku energiju u električnu.

Smatra se da je prvi vetrogenerator napravio u Klivlendu, SAD, Čarls Bruš (Charles Brush) 1888. godine. Godine 1908. postojale su u SAD 72 vjetrogeneratori snage od 5 do 25 kilovata. U vrijeme Prvog svjetskog rata, 100.000 manjih vjetrenjača za farme je proizvođeno svake godine u SAD, uglavnom za pumpanje vode. Do 1930, manji vetrogeneratori su postale česte na farmama, obezbjeđujući struju za nekoliko sijalica, radio i druge manje potrošače. 20-tih godina 20. vijeka na Krimu, na obali Crnog mora, podiže se prvi višekilovatni vjetrogenerator u Evropi.

Korišćenje energije vjetra u proizvodnji električne energije je počelo da se razvija tridesetih godina 20. vijeka. Tada je počela izgradnja prvih vjetroelektrana – postrojenja za elektromehaničku konverziju energije vetra. Poslije 1930 počela je elektrifikacija ruralnih dijelova SAD, i vjetrogeneratori su uglavnom napuštene zbog jeftinije struje iz razvijene električne mreže. U Evropi, elektrifikacija je svuda bila centralizirana na državnom nivou, i vjetrogeneratori su postojale samo kao eksperimenti. Sporadična korišćenja vjetrenjača za razne namene nastavljila se sve do velike energetske krize, sedamdesetih godina 20. vijeka. Od 1980. godine vjetroenergetika je snažno napredovala, kako u instaliranoj snazi tako i u obimu proizvodnje. Tokom Svjetske konferencije o vjetroenergetici u San Francisku 1985. godine, na obližnjoj lokaciji Altamont Pas održana je svječanost prilikom koje je struja iz vjetrogeneratora dostigla vrijednost energije koja se dobija iz milion barela nafte. Istovremeno se i u Evropi, u Nemačkoj, Italiji i Španiji, kreće u osvajanje vjetroenergetskih tehnologija.

Posle naftne krize 1973, a pogotovo posle 2000, razvoj se sve više ubrzava. Cena energije iz vetrogeneratora polako pada, a cena energije iz klasičnih neobnovljivih izvora energije raste. Sve je ovo doprinelo da je količina proizvedene električne energije iz vjetrogeneratora porasla 5 puta u periodu od 2000. do 2007. godine. Od vjetroturbina kapaciteta 500 kW došlo se do vjetroturbina od 1,0 do 2,5 MW, sa prečnikom rotora od 50 do 90 metara. Danas, vjetroenergetika predstavlja granu energetike koja se najbrže razvija, kako u pogledu tahnologije, tako i u pogledu instaliranih vjetroelektrana u svetu.

Ekološka opravdanost vjetroelektrana

Vetar predstavlja neiscrpan ekološki izvor energije i značajan resurs u proizvodnji električne energije, čiji globalni potencijal višestruko prevazilazi potrebe. Spada u obnovljive i neograničene izvore energije i ne zagađuje životnu sredinu. Pri tome, vjetar stvara 200 puta više energije nego što je danas svijetu potrebno.

Ekonomska opravdanost vjetroelektrana

Iskorišćavanje energije vjetra opravdano je i sa ekonomskog stanovišta. Vjetroturbine se lako instaliraju, kako na kopnu tako i na moru. Rok izgradnje jednog vjetroparka iznosi maksimalno 1-2 godine, pri čemu jedna velika vjertroturbina može snabdjevati električnom energijom oko 1.000 domaćinstava. u Danskoj je, na primjer, 2002. godine sagrađen vjetropark sa 80 vjetrogeneratora koji napaju grad od 150.000 stanovnika. Energija vjetra se pokazala kao najozbiljniji obnovljiv izvor energije pri dostignutom razvoju tehnologije.

U prilog većem korišćenju vjetrogeneratora idu zajedno i ekonomija i ekologija. Zavisno od broja vjetrovitih dana i brzine vjetra iznad praga korisnog rada vetrogeneratora (između 4 i 5 metara u sekundi, odnosno između 14,4 i 18 kilometara na sat), već sada je u nekim zemljama njihova proizvodna cena konkurentna ceni elektrana na fosilna goriva, dok su specifične investicije, osim u slučaju gasnoturbinske termoelektrane. Pogonski troškovi vjetrogeneratora su neznatni. Učestvuju u ukupnoj ceni proizvedene energije sa samo oko 10%, jer nema troškova goriva, već postoje samo troškovi održavanja, personala, taksa, osiguranja, poreza i drugih administrativnih izdataka.

Godišnji faktor iskorišćenja ovih elektrana reda 10–15%. Oko 25% vremena u godini elektrana ne može da radi jer je brzina vetra manja od minimalne, a oko 5% vremena jer je veća od maksimalno dozvoljene. Često su vjetrovite oblasti dosta udaljene od naselja i adekvatno razvijenih distributivnih mreža, pa na ekonomiju elektrana na vjetar dosta utiču i troškovi njihove integracije u elektroenergetski sistem. Najekonomičnija primjena vjetrogeneratora je njihovo udruživanje na pogodnim lokacijama, u takozvane vjetroparkove ili vjetrofarme. Takva elektrana može da ima kapacitet od nekoliko MW do nekoliko stotina MW, koji obezbjeđuje više desetina vetrogeneratora.

Negativni uticaji na životnu sredinu

Od negativnog uticaja vjetroelektrane na životnu sredinu najpogubniji rezultati odnose se na ptičiji svijet, jer su tereni na kojima se grade veoma često migratorni prostor za mnoge vrste ptica. Ptice i slijepi miševi imaju česte sudare sa lopaticama generatora, jer je poznato da je let većine ptica upravo u visini rotora ili čak ispod njega. Kako bi se zaštitile ptice, prilikom planiranja izgradnje vetroparkova rade se opsežne studije izvodljivosti. U okviru ovih studija izrađuju se mape osetljivih područja, koje se rade na osnovu:

• Rasprostranjenosti osetljivih vrsta ptica
• Rasprostranjenosti retkih vrsta ptica
• Lokacija područja koncentracija ptica
• Lokacija rezervata prirode (zaštićenih područja, nacionalnih parkova i sl.)

Uz negativan uticaj na ptičiji svijet može doći i do degradacije pejzaža, a postoji i mogućnost zagađenja zemljišta ispuštanjem ulja iz vjetrogeneratora ili trafostanica. Takođe se može javiti i potreba za sječom šume, kako bi se izgradila trasa dalekovoda.

Vetrogeneratori

Roscoe Wind Farm in West Texas

Elektrane na vetar koriste kinetičku energiju vetra, koju pomoću turbina na vetar pretvaraju u mehaničku i dalje, preko električnih generatora, u električnu energiju. Gornji praga korisnog rada vetrogeneratora je pri brzini vjetra od 4-5 metara u sekundi, odnosno između 14,4-18 kilometara na sat. Kako je prag startne brzine korisnog rada vjetrogeneratora relativno visok, očigledno je da je njihova lokacija, s obzirom na intenzitet vjetra i vjerovatnoću pojave vjetrovitih dana osnovni faktor ekonomičnog korišćenja. Grade se na kopnu (onshore wind farm), ali i u priobalnom pojasu plitkih mora (offshore wind farm) gdje duvaju jaki i stabilni vjetrovi.

Osnovni djelovi vjetroelektrane

• Rotor vjetroturbine sastoji se od odgovarajućeg broja lopatica spojenih na vratilo preko jedne ili više glava.
• Lopatica je deo na kojem dolazi do konverzije kinetičke energije vjetra u kinetičku energiju obrtanja rotora.
• Glava je deo rotora preko kojeg su lopatice kruto ili fleksibilno povezane s vratilom.
• Vratilo služi za prijenos obrtnog momenta od glave do električnog omentora. Na položaju njegove ose zasniva se jedna od najvažnijih podjela vjetroturbina.
• Vratilo turbine je spojeno direktno na glavu, pa preuzima obrtni momenat i cjelokupno radijalno i aksijalno opterećenje koje se preko ležajeva prenosi na noseću konstrukciju: stub i temelj.
• Prenosnik ili multiplikator se po pravilu izvodi kao zupčanički i služi za dovođenje brzine obrtanja rotora na vrijednost koju zahtjeva električni generator.
• Vratilo omentor služi za pogon električnog omentora i po pravilu ne prenosi opterećenje.
• Električni generator služi za pretvaranje kinetičke energije obrtanja vratila u električnu energiju i predstavlja krajnji element konverzije energije u vjetroelektrani.

Podjela rotora vjetroturbina

Prema aerodinamičkom efektu:

• Rotori sa otpornim djelovanjem
• Rotori sa uzgonskim djelovanjem

Prema položaju vratila, odnosno osi rotacije:

• Rotori sa horizontalnom osovinom
• Rotori sa vertikalnom osovinom

Prema brzini obrtanja:

• Rotori sa promjenjivom brzinom obrtanja
• Rotori sa konstantnom brzinom obrtanja

Vjetrogeneratori sa vertikalnom osovinom

Šematski prikaz Savonius turbine, jedne vrste turbine sa vertikalnom osovinom. Ako ima više od 2 kraka, sama se pokreće pri bilo kojem smjeru vjetra.

Zajednička osobina vjetrogeneratora ove konstrukcije je što je osa rotacije propelera ili turbine vertikalna.

Prednosti vetrogeneratora sa vertikalnom osovinom:

• jednostavne su za izradu
• veliki obrtni moment
• izdržljive
• većina bez potrebe da se okreću u pravcu vetra, nepotreban mehanizam za tu svrhu
• lakše za održavanje nego vetroelektrane sa horizontalnom osovinom, jer je generator blizu tla

Nedostaci vetrogeneratora sa vertikalnom osovinom:

• manja efikasnost od vetrogeneratora sa horizontalnom osovinom
• za proizvodnju električne energije, veći stepen mehaničkog prenosa potreban zbog manje brzine rotacije nego vetrogeneratora sa horizontalnom osovinom

U današnje vrijeme dolazi do rasta interesovanja za ovu vrstu montaže zbog navedenih prednosti i za vetrogeneratore. Ovo se posebno odnosi na manje amaterske instalacije.

Prema principu rada i načinu izvošenja se vetrogeneratore sa vertikalnom osobinom dele na:

• anemometar - jednostavna sprava za merenje brzine vetra, sa šupljim polukuglama za „hvatanje“ vetra
• Savonius (Savonius) turbina
• Darius (Darrieus) turbina

i druge vrste, kojima je zajedničko to što im je osovina vertikalna.

Vetrogeneratori sa horizontalnom osovinom

Vetrogeneratori sa horizontalnom osovinom.

U današnje vreme najrašireniji tip vetrogeneratora za velike snage je upravo sa horizontalnom osovinom.

Prednosti vetrogeneratora sa horizontalnom osovinom:

• postavljaju se na većim visinama gde su i brzine vetra veće
• nešto bolje efikasnosti od većine vetrogeneratora sa vertikalnom osovinom
• mogućnost menjanja napadnog ugla elise (povećava efikasnost i olakšava regulaciju brzine)

Nedostaci vetrogeneratora sa horizontalnom osovinom:

• skupi tornjevi veće visine
• vibracije pri radu
• potreba za neprekidnim usmeravanjem osovine u vetar
• složenost konstrukcije
• skupo održavanje visokih stubova i generatorskog sklopa na velikoj visini

Dijelovi vetrogeneratora sa horizontalnom osovinom

Delovi tipičnog vetrogeneratora sa horizontalnom osovinom

• Noseća konstrukcija u obliku stuba
• Vetroturbina (elisa, propeler)
• Mehanički prenos, koji podiže malu brzinu rotacije elise na veću, potrebnu za generator
• Generator električne energije
• Deo koji reguliše brzinu obrtanja generatora i izlazni napon
• Priključak na sistem za akumulisanje energije ili na električnu mrežu

Proračun dobijene mehaničke snage

Proračun je isti kao i za običnu vetrenjaču, pošto je razlika tek u kasnijem stepenu pretvaranja energije.

Snaga koja je preneta na rotor vetrogeneratora je proporcionalna površini koju pokriva rotor, gustini vazduha i kubu (trećem stepenu) brzine vetra.

Dakle teoretska korisna snaga je:

$P={\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}\alpha \rho \pi r^{2}v^{3}$,

gdje

• P = snaga u W,
• α = faktor iskorišćenja,
• ρ = gustina vazduha u Kg/m³,
• r = radijus turbine u m, i
• v = brzina vazduha u m/s.

Pošto rotor (elisa) uzima energiju od vazduha, brzina vazduha pada. Albert Bec, nemački naučnik, je ustanovio 1919. da vetrenjača može da iskoristi najviše 59% od teoretske energije vetra.

Kao primer:

Recimo da je 15 °C na nivou mora i gustina vazduha je 1.225 Kg/m³. Vetar brzine 8 m/s (28.8 Km/h) kroz rotor dijametra 100 m će proneti 77000 Kg vazduha kroz prostor krakova rotora vetrogeneratora.

Ukupna snaga je 2.5 MW, ali samo 1.5 MW može da se iskoristi zbog Becovog zakona. Dobijena mehanička energija se dalje pretvara u električnu u električnom generatoru, pa je izlazna električna snaga još umanjena.

Poređenje sa drugim izvorima napajanja

Prednosti

Vetroturbine su jedan od najjeftinijih izvora obnovljive energije zajedno sa solarnim panelima. Kako je tehnologija potrebna za vetroturbine nastavila da se poboljšava, cene su takođe padale. Pored toga, trenutno ne postoji konkurentno tržište za energiju vetra (iako će ga možda postojati u budućnosti), jer je vetar slobodno dostupan prirodni resurs, od čega je većina neiskorišćena. Glavni trošak malih vetroturbina je proces kupovine i instalacije, koji u proseku iznosi između 48.000 i 65.000 dolara po instalaciji. Obično, ukupna količina prikupljene energije iznosi više od cene turbina.

Vetroturbine obezbeđuju čist izvor energije, koriste malo vode, ne emituju gasove staklene bašte i ne emituju otpadne proizvode tokom rada. Preko 1.400 t (1.500 short tons) ugljen-dioksida godišnje može se eliminisati korišćenjem turbine od jednog megavata umesto jednog megavata energije iz fosilnog goriva.

Nedostaci

Vetroturbine mogu biti veoma velike, dostižući preko 140 m (460 ft) visine i sa lopaticama dugim 55 m (180 ft) i ljudi su se često žalili na njihov vizuelni uticaj.

Uticaj energije vetra na životnu sredinu uključuje uticaj na divlje životinje, ali se može ublažiti ako se primene odgovarajuće strategije. Hiljade ptica, uključujući retke vrste, ubile su lopatice vetroturbina, iako vetroturbine relativno beznačajno doprinose antropogenoj smrtnosti ptica. Vetroelektrane i nuklearne elektrane odgovorne su za između 0,3 i 0,4 uginuća ptica po gigavat-satu (GWh) električne energije, dok su elektrane na fosilna goriva odgovorne za oko 5,2 smrtnih slučajeva po GWh. Radi poređenje, konvencionalni generatori na ugalj doprinose znatno više smrtnosti ptica. Jedna studija o zabeleženim populacijama ptica u Sjedinjenim Državama od 2000. do 2020. godine pokazala je da prisustvo vetroturbina nije imalo značajan uticaj na brojnost populacija ptica.

Energija koju koriste vetrogeneratori je promenljiva i nije „otpremni“ izvor energije; njena dostupnost zavisi od toga da li vetar duva, a ne da li je potrebna struja. Turbine se mogu postaviti na grebene ili litice kako bi se maksimizovao njihov pristup vetru, ali to takođe ograničava lokacije na kojima se mogu postaviti. U ovom pogledu energija vetra nije naročito pouzdan izvor energije. Međutim, može da bude deo energetskog miksa, koji takođe uključuje energiju iz drugih izvora. Takođe se razvija tehnologija za skladištenje viška energije, koja onda može da nadoknadi sve nedostatke u zalihama.

Vetroturbine imaju trepćuća svetla koja upozoravaju avione, da bi se izbegli sudari. Stanovnici koji žive u blizini vetroelektrana, posebno oni u ruralnim oblastima, žalili su se da trepćuća svetla predstavljaju dosadan oblik svetlosnog zagađenja. Pristup ublažavanju svetlostnog zagađenja uključuje primenu sistema za detekciju aviona (ADLS) pomoću kojih se svetla uključuju samo kada ADLS-ov radar detektuje letelice unutar pragova visine i udaljenosti.

Galerija vetroparkovi

• 
  Krnovo vetropark, Durmitor, Crna Gora
• 
  Vetropark Možura iznad Ulcinjske solane
• 
  Vetropark u Nemačkoj okolina Verštata
• 
  Vetrogenerator u Golubačkoj klisuri na Rumunskoj strani

Vidi još

• Vetrenjača

Literatura

• Burton, Tony; Jenkins, Nick; Sharpe, David; Bossanyi, Ervin (2011). Wind Energy Handbook. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-99392-6. 
• Darrell, Dodge, Early History Through 1875 Arhivirano na sajtu Wayback Machine (2. децембар 2010), TeloNet Web Development, Copyright 1996–2001
• David, Macaulay, New Way Things Work, Houghton Mifflin Company, Boston, Copyright 1994–1999, pg.41-42
• Spera, David A. (2009). Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts of Wind Turbine Engineering. American Society of Mechanical Engineers. ISBN 978-0-7918-0260-1. 
• Robert Gasch, Jochen Twele (ed.), Wind power plants. Fundamentals, design, construction and operation, Springer 2012 ISBN 978-3-642-22937-4.
• Erich Hau, Wind turbines: fundamentals, technologies, application, economics, Springer, 2013 ISBN 978-3-642-27150-2 (preview on Google Books)
• Siegfried Heier, Grid integration of wind energy conversion systems, John Wiley & Sons, 3rd edition (2014), ISBN 978-1-119-96294-6
• Peter Jamieson, Innovation in Wind Turbine Design. Wiley & Sons 2011, ISBN 978-0-470-69981-2
• J. F. Manwell, J. G. McGowan, A. L. Roberts, Wind Energy Explained: Theory, Design and Application, John Wiley & Sons, 2nd edition (2012), ISBN 978-0-47001-500-1
• Alois Schaffarczyk (ed.), Understanding wind power technology, John Wiley & Sons, (2014), ISBN 978-1-118-64751-6
• Hermann-Josef Wagner, Jyotirmay Mathur, Introduction to wind energy systems. Basics, technology and operation. Springer (2013), ISBN 978-3-642-32975-3
• GA Mansoori, N Enayati, LB Agyarko (2016), Energy: Sources, Utilization, Legislation, Sustainability, Illinois as Model State

Spoljašnje veze

• Ragheb, M. (2013). „WIND Power SYSTEMS”. Arhivirano iz originala 15. 12. 2012. g. Pristupljeno 17. 5. 2020. 
• „Where does Wind Energy come From?”. Arhivirano iz originala 10. 04. 2011. g. Pristupljeno 17. 5. 2020. CS1 održavanje: Nepodoban URL (veza)
• „Energija vetra”. vetrogeneratori.co.rs. Pristupljeno 17. 5. 2020. 
• Global Wind Energy Council
• World's Largest Wind Turbine
• Harvesting the Wind (45 lectures about wind turbines by professor Magdi Ragheb