U našem tradicionalnom serijalu “Pasivna kuća” odlučili smo se pozabaviti rasvjetom, kao jednom od bitnih komponenti energetske uštede. U sljedećem, lipanjskom broju Koraka donosimo temu energetske uštede unutarnje rasvjete, a kako je za rasvjetu potrebna električna energija, kao uvod, u ovom broju izabrali smo temu proizvodnje električne energije uz pomoć vjetra kao vrijednog predstavnika obnovljivih izvora energije.
Vjetroelektrane
Vjetar ljudi iskorištavaju već nekoliko tisućljeća, od vremena prvih civilizacija. Za pogon čamaca na rijeci Nil (5000 godina pr.n.e.), za navodnjavanje na otoku Kreti, a u današnjem Afganistanu pojavile su se prve vjetrenjače oko 700. godine pr.n.e. koje su služile za mljevenje žitarica. Također, sigurno Vam je poznato da je u bližoj povijesti Nizozemska obilovala vjetrenjačama koje su se koristile na imanjima za crpljenje vode ili kao mlinovi.
Energija vjetra nastaje kao posljedica akumulirane sunčeve energije u atmosferi. Zbog razlike u temperaturama zraka te različitog zagrijavanja površine Zemlje i okolnog zraka dolazi do pojave zona različitog tlaka i temperatura. Razlika tlakova zračnih masa uzrokuje stvaranje toka mase zraka odnosno pojave vjetra. Brzina vjetra na svakoj mikrolokaciji je različita te postoje specifični vjetrovi koji su posljedica lokalnih mikroklimatskih uvjeta.
Vjetroenergetski potencijal
Najvažniji element za izbor lokacije vjetroelektrane je vjetroenergijski potencijal, tj. karakteristike vjetra na pojedinoj lokaciji, a to su brzina, smjer i učestalost. Kako bi se provela kvalitativna analiza vjetroenergijskog potencijala za neku lokaciju, potrebno je imati višegodišnje podatke o brzini i smjeru vjetra na toj lokaciji.
Najvažnija karakteristika vjetra je njegova srednja godišnja brzina na određenoj visini iznad površine tla. Prema mjerenjima Državnog hidrometeorološkog zavoda, procjena je da uz brzinu od 5,5 m/s na visini od 20 m iznad površine tla, energetski potencijal vjetra u našoj zemlji iznosi 150 – 400 kWh/m²/god.
Naš Državni hidrometeorološki zavod izradio je Atlas vjetrova Hrvatske koji je osnova za procjenu energetskog potencijala vjetra. Atlas sadrži karte srednje godišnje brzine vjetra (m/s) i srednje godišnje gustoće snage vjetra (W/m2) na visinama 10 m i 80 m iznad tla.
Prikazane brzina i gustoća snage vjetra na pojedinoj lokaciji može biti manja ili veća od prikazane prosječne vrijednosti kvadrata mreže. Ukoliko se prikazani podaci koriste u procesu donošenja odluka, Državni hidrometeorološki zavod nije odgovoran za moguće ekonomske ili druge posljedice koje proizlaze iz upotrebe danih podataka, nego su potrebna detaljnija mjerenja prije donošenja ključnih odluka.
Utjecaj brzine vjetra
Brzina vjetra je iznimno važna za odabir lokacije za vjetroelektranu. Vjetroturbine su dizajnirane tako da počnu raditi pri brzini vjetra iznad 3 m/s. Tu pojavu nazivamo brzina uključenja vjetra. Pri brzini uključenja vjetra proizvodnja električne energije je vrlo mala. Porastom brzine vjetra, količina električne energije se povećava do maksimalne, koja se postiže pri brzini vjetra od oko 12 m/s. Daljnjim porastom brzine vjetra količina proizvedene energije se više ne povećava.
Turbina se programira tako da prestane raditi pri brzini vjetra od otprilike 25 m/s. To je brzina isključenja vjetra. Kad brzina vjetra prijeđe 25 m/s, vjetrogenerator se isključuje jer ne može podnijeti mehanička opterećenja koja nastaju pri tako velikim brzinama vjetra.
Iz navedenog možemo zaključiti da je za idealnu proizvodnju električne energije potrebna brzina vjetra od oko 12 m/s. Međutim, važan je i raspored brzine vjetra tijekom godine jer u godišnjem prosjeku može biti sadržan velik broj sati s brzinom vjetra iznad 25 m/s ili ispod 3 m/s, što nije pogodno za iskorištavanje. Za energijsko iskorištavanje optimalan je vjetar srednje jakosti, bez velikih oscilacija i što veće učestalosti.
Na globalnoj razini postoje vjetrovi koji pušu uvijek u istom smjeru, a to su planetarni vjetrovi i na tim lokacijama je najisplativije postavljanje vjetroelektrana. Dvije trećine energije vjetra se dobivaju tijekom proljeća, jeseni i zime što je obrnuto razdoblju rada hidroelektrana koje imaju vršnu proizvodnju tijekom ljeta te se ova dva izvora mogu dobro kombinirati u radu elektro-energetskog sustava. Na globalnoj razini uvijek negdje dolazi do kretanja zračnih masa te je vjetar neiscrpan globalni energetski izvor. Iskorištava se horizontalna komponenta strujanja zračnih masa koja je posljedica razlike tlakova i razlika temperatura te lokalnih utjecaja geografske lokacije i strukture površine Zemlje.
Vjetroturbine
Vjetroturbine su uređaji koji pretvaraju energiju vjetra u korisnu električnu energiju.
Više vjetroturbina čini vjetropolje te instalaciju kojom se proizvodi električna energija zovemo vjetroelektrana. U blizini velikih polja vjetroelektrana ne smiju biti naselja jer instalacija u radu stvara polje zračne buke koje negativno djeluje na biosvijet, insekte, ptice te rastjeruje divljač. Snaga polja zračne buke opada s povećanjem udaljenosti od izvora buke, ali buka koja se stvara je stalni šum koji razornije djeluje od prekidne buke.
Električna energija se dobiva pretvorbom mehaničke kinetičke energije vjetra u električnu energiju. Vjetar pokreće lopatice vjetroturbine koje rotacijski moment prenose osovinom na generator, a putem generatora se dobiva električna energija. Električna energija se potom transportira podzemnim vodovima do elektro-energetske mreže. Energija vjetra je nestalna i dosta nepredvidljiva, a sama vjetroelektrana ne može dati stalan dotok energije u mrežu, ali se može procijeniti koliko bi se godišnje moglo dobiti energije ovim sustavom.
Velika prednost ovog sustava je rad tijekom noći kada postoji strujanje vjetra. Korištenjem baterijskog sustava može se osigurati stalni izvor energije građevine, a primjenom mrežnih invertera postoji mogućnost direktnog spajanja na elektro-energetsku mrežu.
Brzina vjetra raste s visinom iznad tla te se na određenoj visini iznad površine postiže stalan tok mase zraka i stabilna brzina vjetra. Uz površinu tla dolazi do usporavanja zračnih struja zbog trenja objekata na površini Zemlje: šume, planine, gradovi te mikrolokacijskih specifičnosti koje su promjenjive te negativno djeluju na životni vijek vjetroturbine zbog stalnih promjena smjera toka zraka.
Povećanjem visine postavljanja dolazi se do područja stabilnih godišnjih vjetrova te porastom visine iznad Zemlje raste i srednja godišnja brzina vjetra. Postoji optimalna visinska granica postavljanja vjetroturbine koja proizlazi iz analize dobivene energije, uloženih sredstava te povrata investicije.
Ovisno o mikrolokaciji te srednjim brzinama vjetra odabiru se dimenzije vjetroturbine i njezini elementi.
Osnovni dijelovi vjetroturbine
Osnovni dijelovi vjetroturbine su: lopatice, rotor, generator, prijenosnik snage, kočnice, upravljački i nadzorni sustav, oprema za zakretanje, gondola i stup. Svi elementi su rotacijski i podložni su trošenju te je potrebno osigurati stalan servis da bi se uređaj mogao dugoročno koristiti. Materijali moraju biti otporni na olujne udare vjetra, otporni na djelovanje korozije soli u priobalnim područjima. Zaštita od udara groma mora biti osigurana te instalacija mora imati obavezno odvod prednapona koja štiti mrežu od atmosferskih statičkih pražnjenja. Od svih instaliranih 90% vjetroturbina imaju tri kraka, tri lopatice jer je njih najjednostavnije kontrolirati i upravljati u radu, a inercijski moment rotora je stabilan.
Inverter vjetroagregata ima funkciju da ulazni oscilirajući DC napon vjetrogeneratora pretvori u stabilni izlazni AC napon s karakteristikom gradske mreže 220V/50Hz. Kako se brzina vjetra stalno mijenja i nestalna je tako će i izlazna električna snaga biti promjenjiva. Inverter se kombinira dobro u radu hibridnih sustava koji su upravljani centralnom jedinicom.
Izlazna snaga vjetroturbine ovisiti će o nekoliko faktora. Srednja godišnja brzina vjetra na lokaciji ograničava koliko će se godišnje dobiti električne energije. Također srednja brzina vjetra uvjetuje i primjenu vjetroturbina koje su konstruirane za taj raspon srednjih brzina vjetrova lokacije jer kod promjene nominalne brzine vjetra dolazi i do različite izlazne snage. O promjeru lopatica ovisi i teorijska snaga vjetroturbine te koliku snagu može dati jedinica.
Kontrolom nagiba rotora smanjuje se izlazna snaga kod visokih brzina vjetra te se ujedno štite lopatice i turbina od oštećenja. Vijek trajanja vjetroturbine je oko 20 godina i tijekom životnog vijeka se proizvede 30 do 80 puta više energije nego što je potrošeno u njihovoj proizvodnji.
0-3 m/s – kod malih brzina vjetra isključenje s mreže
5,5 m/s – najniža srednja godišnja ekonomska brzina vjetra
3-15 m/s – standardno područje rada
15 m/s – standardna max brzina na koju se dimenzioniraju vjetroelektrane
15-17 m/s – opadanje snage na 90% i manje
> 25 m/s – kod visokih brzina vjetra isključenje s mreže
Vjetroturbine se konstruiraju za određeni raspon brzina vjetrova te se kod visokih brzina vjetra neće dobiti više energije. Da se osigura nominalna brzina rotacije i maksimalna izlazna snaga koriste se kočnice koje usporavaju rotaciju i daju nominalnu rotaciju kod koje se ostvaruje i nominalna maksimalna snaga vjetroturbine. Kod izrazito visokih brzina vjetra vjetroturbina se isključuje iz rada da ne dođe do mehaničkih oštećenja. Uslijed kočenja dolazi do oslobađanja toplinske energije te je zabilježeno pregrijavanje i zapaljenje pojedinih gondola same turbine koje nisu bile pravilno odabrane, a kod odabira tehnologije turbina potrebno je imati na umu i raspon brzina vjetra koje se mogu pojaviti na određenom području.
Osnovne prednosti vjetroelektrana
Vjetroelektrane ne zauzimaju veliki dio zemljišta. Površina koju prosječni vjetroagregat sam po sebi zauzima je izuzetno mala – cca. 30 m2. Dodatno, do vjetroelektrana se ponekad moraju izgraditi i pristupni putevi (makadamskog tipa) koji poslije vrlo često služe i drugoj svrsi, a ne samo dovozu vjetroagregata na lokaciju. Zemljišta na koja se vjetroagregati postavljaju su veoma često nepristupačna i nisu poljoprivredna zemljišta, ali u slučaju potrebe između vjetroagregata može se bez ikakvog problema zemljišno tlo koristiti za poljoprivredu ili stočarstvo.
Vjetroelektrane su trenutno u prosjeku najekonomičnija tehnologija iskorištavanja obnovljivih izvora energije. Predstavljaju tehnologiju koja trenutno ima najveću stopu rasta u svijetu i to u proteklih nekoliko godina od preko 30%.
Danska trenutno zadovoljava oko 21% svoje potrošnje električne energije iz vjetroelektrana, a planovi su da do 2030. dostigne iznos od 50%. Razvoj vjetroelektrana u Danskoj potaknuo je razvoj industrije koja proizvodi generatore i turbine, te danas ta industrija zapošljava preko 20.000 ljudi, a 90% svoje proizvodnje izvozi. U EU industrija vjetra je još 2009. godine zapošljavala 192.000 ljudi (izvor: ewea.org)
Proizvodnjom energije iz vjetra znatno se smanjuje proizvodnja CO2.
