SADRŽAJ

1. UVOD.................................................................................................................. 12. ENERGIJA VETRA............................................................................................ 3

2.1. Energetski sadržaj vetra................................................................................ 62.2. Gustina vetra (Wind Power Density)........................................................... 82.3. Određivanje „klase vetra“............................................................................. 92.4. Energetski potencijal vetra........................................................................... 102.5. Turbulencija i uzroci nastajanja.................................................................... 122.6. Trag efekat.................................................................................................... 132.7. Park efekat.................................................................................................... 13

3. KONVERZIJA ENERGIJE VETRA U MEHANIČKU ENERGIJU................. 144. VETROTURBINE I VETROELEKTRANE………………………………….. 17

4.1. Najčešće korišćeni tipovi vetrogeneratora………………………………… 22

5. POTENCIJAL ENERGIJE VETRA U SRBIJI................................................... 266. ZAKLJUČAK...................................................................................................... 28

LITERATURA.................................................................................................... 30

Seminarski rad Dragoš Lazarević

1. UVOD

Savremeni život se zasniva na širokoj primeni svih oblika energije. Nezamisliva je bilo koja oblast delatnosti koja ne koristi energiju. Potrebe za energijom stalno rastu po eksponencijalnoj krivi. Trošenje energetskih resursa takođe rastu po eksponencijalnoj krivi. Izvori klasičnih energija polako se iscrpljuju i moraju se nalaziti alternativni izvori energije. Pošto su klasični izvori energije poznati i ima mnogo radova o njima ( ugalj, nafta, gas, nuklearna energija), akcenat u ovom radu je dat na obnovljive ili alternativne izvore energije, prvenstveno na energiju vetra.

Početak XXI veka obeležen je intenzivnim porastom potrošnje svih vidova energije u svetu, a naročito fosilnih goriva, nagoveštavajući da bi ona uskoro mogla biti potpuno iscrpena. To je dovelo do nastavka rasta cena nafte, gasa i drugih energenata, koji je započeo u zadnjoj deceniji XX veka, ali i do globalne zabrinutosti za buduće izvore energije i razvoj čovečanstva.

Druga karakteristika ovog perioda je nastavak povećanja koncentracije štetnih gasova u atmosferi (prvenstveno CO2), kao posledice intenzivnog korišćenja fosilnih goriva, uprkos opšte prihvaćenom sporazumu o smanjenju emisije – Kjoto protokolu iz 1997. god.

Ova dva trenda, konstantan rast potrošnje i cena i intenziviranje posledica efekata staklene bašte, uz ograničenje ili zabranu korišćenja atomske energije, navele su razvijene zemlje, a pre svega zemlje Evropske unije, da se na samom kraju XX veka okrenu širem korišćenju obnovljivih izvora energije. U tom periodu Evropska Unija je koristila tek 6% energije dobijene iz obnovljivih izvora (uglavnom hidro energija i bio masa), dok je čak 79% bilo iz fosilnih izvora - nafta i derivati 41%, gas 22 % i ugalj 16% (slika 1.1).

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

UGALJ NAFTA GAS NUKLEAR OBNOVLJIVIIZVORI

Series1

Slika 1.1 - Raspodela primarnih izvora energije u EU (1998.god.)

1

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Kao posledica takve orijentacije, donešena je direktiva Evropske Unije 2001/77/EC [2], koja je polazeći od stanja 1998. god. zacrtala da se do 2010. god. udeo „zelene“ energije u ukupnoj potrošnji energije poveća sa 6% na 12%. Ova odluka bila je od ključnog značaja za nagli razvoj korišćenja svih vidova obnovljivih izvora.

Energija sadržana u kretanju vazdušnih masa - vetru -oduvek je pobuđivala pažnju istraživača koji su zeleli da je korisno upotrebe. Jedra, a kasnije i vetrenjače bili su jedini način za pretvaranje energije vetra u mehanički rad. Od svih izazova koji stoje danas na raspolaganju savremenom čoveku postoji jedan koji pleni svojom uzvišenoću i snagom. To je trka oko sveta. Pored svih mogućih prevoznih sredstava jedino se u jedrenju održavaju trke oko sveta što na slikovit način govori o moći vetra. Sada, a i u budućnosti energija vetra se pokazala kao najozbiljniji obnovljiv izvor energije pri dostignutom razvoju tehnologije.

Osnovni razlozi za to su:

neizmerna količina energije

mogućnost pretvaranja u električnu energiju pomoću vetrogeneratora

pad cena vetrogeneratora i pratece opreme srazmerno sve vecoj upotrebi energije vetra

ekološki potpuno čist način pretvaranja energije

mala zauzetost zemljišta

Energetske krize, smanjenje zaliha fosilnih goriva i enormno zagađivanje planete uticali su da se industrija za proizvodnju vetrogeneratora (VTG) poslednjih 30 godina razvijala u svetu skoro istom dinamikom kao i industrija računarske opreme, a danas se smatra vrlo stabilnom i perspektivnom.

Po predviđanjima mnogobrojnih eksperata, očekuje se dalji intenzivan rast instalisanih kapaciteta, a trendovi daljeg povećanja ekonomičnosti, kao i sve ozbiljnije pogoršanje stanja životne sredine, potvrđuju takve pretpostavke. Do kraja 2001. godine u svetu je instalisano 56.000 vetrogeneratora sa kapacitetom od 25 GW. U svetu, takođe se ubrzano podižu kapaciteti za dobijanje električne energije iz energije vetra. Taj rast je eksponencijalnog karaktera i praćen je velikim ulaganjima, kako država tako i privatnih investitora. Na slici 1.6 je predstavljeno trenutno stanje u svetu, kao i projekcija do 2012. god. Može se uočiti nagli razvoj u narednih pet godina kada svetski kapaciteti treba da se utrostruče!

Energetni deficit i neminovnost upotrebe ekološki čistih izvora energije primoraće i Srbiju da počne da investira u razvoj i eksploataciju energije vetra.

2

Seminarski rad Dragoš Lazarević

2. ENERGIJA VETRA

Ljudi koriste energiju vetra barem 5500 godina, neki od primera je da se čamac sa jedrima koristi barem 5000 godina i arhitekti su koristili upravljan-vetar za prirodne ventilacije još u antičko doba.Korišćenje vetra da se obezbedi mehanička energija je došlo negde kasnije u antici. U staroj Persiji, vetrenjače sa vertikalnom osovinom, napola zatvorene (tako da vetar potiskuje samo jednu polovinu rotora) i ravnim "jedrima" se koriste bar od 200. godine nove ere.

Praktične vetrenjače slične konstukcije su napravljene u Avganistanu u 7. vijeku. Sa Bliskog istoka, ideja se proširila do Evrope i vetrenjače za mlevenje zrnja u brašno ili pumpanje vode su zabeležene u 12. veku u Engleskoj i Holandiji.

Do 19. veka vetrenjače su rasprostranjene po čitavoj Evropi i donesene su u Sjevernu Ameriku. Krajem 19. veka energija vetra se počela koristiti i za proizvodnju električne energije (vidi vetroelektrana), ali uglavnom u malim lokalnim postrojenjima do naftne krize 1973. Poslije krize, dolazi u nizu zemalja do užurbane aktivnosti za iskorištenje energije vetra za proizvodnju struje. Sa usponima i padovima, vezanim uglavnom za rast i pad cena nafte, razvoj se naročito ubrzava poslije 2000. sa neprekidnim rastom cena nafte.

Energija vetra je energija koja potiče od snage vetra. Predstavlja konvencionalan obnovljivi izvor energije, koji se vekovima koristi za dobijanje mehaničke, a u novije vreme i električne energije. Međutim, proizvodnja električne energije iz energije vetra u većim količinama počela je tek posle naftne krize 1973.

Tokom cele godine Sunce najviše zagreva delove Zemlje oko ekvatora. Ovi predeli sa toplim vazduhom su naznačeni sa toplim bojama (crvena, žuta i narandžasta) na infracrvenom snimku (slika 1) temparature Zemlje koji je sačinio NASA satelit 07. 07. 1984. godine.

Slika 1: Predeli sa toplim vazduhom na ZEMLJI

Pošto je topli vazduh lakši od hladnijeg, on se podiže uvis sve dok ne postigne visinu od oko 10km i prostiraće se na sever i jug. Da Zemlja ne rotira ovaj vazduh bi stigao do severnog i južnog pola i ponovo bi se vratio na ekvator. Zbog rotacije Zemlje svako kretanje na severnoj hemisferi je iskrivljeno na desno. Ova sila savijanja je poznata kao

3

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Koriolisova sila (Nazvana po francuskom naučniku Gustav Gaspard Coriolisu 1792-1843).

Na severnoj hemisferi vetar teži da rotira na stranu suprotnoj od kretanja kazaljki na satu kako se približava oblasti sa nižim pritiskom.

Na ekvatoru topli vazduh se uzdiže i pomera ka severu i jugu i višim

atmosferskim slojevima. Na 30 stepeni geografske širine na obe hemisfere Koriolisova sila sprečava vazduh da se kreće dalje. Na toj širini je oblast visokog pritiska jer vazduh tada počinje da se sleže.

Ispod toplog vazduha na ekvatoru postoji oblast niskog pritiska tako da privlači vetar sa severa i juga. Na polovima preovlađuje visoki pritisak usled hlađenja vazduha. Atmosfera ima debljinu samo 10km. U delu atmosfere poznat kao troposfera dešavaju sve meteorološke pojave. Vetrove koje smo dosad posmatrali su globalni vetrovi koji zavise od temparaturne razlike a veoma malo od površine planete. Ovi vetrovi preovlađuju iznad 1000 m, i njihova brzina se meri meteorološkim balonima. Površinski vetrovi duvaju na visinama do 100 m, gde njihova brzina i pravac zavise od površine zemlje. Kada postoji prepreka tu je vetar usporen. Kada govorimo o energiji vetra govorimo o površinskim vetrovima ali vetar je suma kako globalnih tako i lokalnih uticaja. U određenim oblastima u određeno vreme lokalni vetrovi imaju znatnu veću vrednost nego globalni pa zato razlikujemo više vrsta lokalnih vetrova.

Lokalni vetrovi predstavljaju kretanje vazdušnih masa u prizemnom sloju atmosfere. Nastaju zbog lokalnih razlika u atmosferskim pritiscima. Lokalni vetrovi mogu biti različitih osobina što u velikoj meri zavisi od površine tla (ravnica, planine, doline, naselja, šume itd.), njenih osobina (kamenita, peščana, vodena, snežna teritorija) i osobina vazdušnih masa koje su uključenje u strujanje. S tim u vezi javlja se efekat lokalnog povećanja brzine vetra. Na primer, vetar je intezivniji na vrhu brda nego u podnožju. Tunel efekat je ubrzavanje vetra između dva brda koja na vetar deluju kao prirodni levak. Ovaj i slični efekti mogu povećati brzinu vetra i do 30%, što višestruko povećava njegovu snagu. Osim svojih pozitivnih efekata, u graničnom površinskom sloju postoje različite prirodne i veštačke prepreke koje uzrokuju i negativne efekte smanjenja brzine vetra i pojavu turbulencija, što znatno utiče na kvalitet vetra kao primarnog energenta.

Vetrovi ne moraju biti posledica globalnog kretanja vazdušnih masa već mogu nastati i kao posledica delovanja geografskih faktora na lokalnom području.

4

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 2

U cilju iskorišćenja energije vetra potrebno je odrediti mikro lokaciju, tj. mesto na kome vetar ima najviše raspoložive energije i na kom će vetroenergetski sistem najviše te energije prevesti u upotrebljiv oblik. S obzirom da tehnički uslovi omogućuju korišćenje vetra na visini do 150m od tla, problem određivanja mikro lokacije je veći zbog izražene turbulencije i pratećih efekata.

Da bi se počelo sa eksploatacijom energije vetra potrebno je proceniti najbolje lokacije za postavljanje vetrenjača. Normalno, lokacije će biti na mestima sa najkvalitetnijim vetrom u smislu njegove brzine odnosno snage i čestine. Takva mesta nije jednostavno odrediti. Potrebno je vršiti brojna merenja i proračune. Kako idealna merenja pa i merenja karakteristika vetra nisu moguća, to se vrlo malo karakteristika može predstaviti tačnim fizičkim zakonima, pa se za njihvo određivanje koriste empirijske i statističke metode.

U daljem izlaganju prikazaću kako izgledaju neki proračuni za ocenu kvaliteta vetra. Pokazaću kako se izračunava energija vetra, od čega zavisi, kao i prateće pojave koje utiču na ukupno iskorišćenje energije vetra (zavisnost od gustine vazduha, visine stuba, turbulencije itd.).

5

Seminarski rad Dragoš Lazarević

2.1. Energetski sadržaj vetra

Osnovni cilj vetroturbine je pretvaraje kinetičke energije vetra u mehaničku energiju, pa u sledećoj transformaciji u električnu. Iz tog razloga bitan parametar je količina korisne energije vetra. Neka vetar duva s leva na desno brzinom v0, kao što je pokazano na slici 3. Radi uprošćenja neka je vetar stalan, tj. Neka su pravac i brzina vetra konstantni. Vazduh je konstantne gustine . Na temperaturi 20o C gustina na nultoj nadmorskoj visini je oko 1,2 kg/m3 i ovu vrednost se može koristiti u većini slučajeva. Većina savremenih vetrenjača su sa horizontalnom osom rotacije, koja je paralelna ili skoro paralelna sa pravcem vetra.

Ako je prečnik kruga koji opisuju elise R, tada je površina koju zahvata vetrenjača:

A R 2

Slika 3: Energetski tok kroz površinu rotora

Sada se može odrediti količinu kinetičke energije vetra, koja prolazi kroz površinu

6

Seminarski rad Dragoš Lazarević

zahvatanja u jedinici vremena, što predstavlja snagu koja je bitna kod projektovanja vetrenjača.

Na desnoj strani slike 3. prikazana je elementarna zapremina vazduha, koja će proći kroz zamišljenu površinu A (površinu rotora). Elementarna zapremina je proizvod površine, A, i dužine normalne na nju, x, tako da je njena masa A x, pa je kinetička energija:

Kada bi se vazduh iza turbine zaustavio tada bi turbina preuzela svu energiju tj. snagu vetra. Međutim, vazduh ima neku brzinu pri izlasku, energija se delimično gubi na trenje te turbina iskorišćava samo jedan deo te energije, u najboljem slučaju razliku kinetičkih energija ispred i iza turbine.

Slika4: Brzina vetra kod turbine

Dobijena snaga je u stvari:

gde je cp koeficijent snage koji zavisi od brzine i turbulencije.

Kinetička energija pokretnih tela srazmerna je njihovoj masi (težini). Kinetička energija vetra zavisi od gustine vazduha, tj. mase u jedinici zapremine. Drugim rečima, što je vazduh “teži”, turbina dobija više energije. Na normalnom atmosferskom pritisku i na 15oC gustina vazduha je 1,225 kg/m3, s tim da ona neznatno opada sa povećanjem vlažnosti. Takođe, što je temeperatura niža to je vazduh gušći. Na većim visinama, u planinama, vazdušni pritisak je manji, pa je gustina vazduha manja.Brzina vetra je izuzetno važna za količinu energije koju vetrenjača može pretvoriti u električnu energiju. Energetski sadržaj vetra varira sa kubom prosečne brzine vetra, npr. ako je brzina vetra dva puta veća to i sadrži 23, tj. osam puta više enerije.

WPD

7

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 5: Zavisnost WDP od brzine vetra

Slika 5. pokazuje da pri brzini vetra od 8m/s dobijamo snagu (energija u sekundi) od oko 315 W/m2 pod pretpostavkom da vetar dolazi iz pravca koji je normlan na površinu rotora. Tabela 1 predstavlja tabelarni prikaz slike 5. i data je za gustinu vazduha od 1,225

kg/m3, koja odgovra suvom vazduhu pri normalnom atmosferskom pritisku na nultoj nadmorskoj visini i temperatururi od 15o C.

Tabela 1. - Vrednosti WPD za različite brzine vetra.m/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2

0 0 8 313,6 16 2508,81 0,6 9 446,5 17 3009,22 4,9 10 612,5 18 3572,13 16,5 11 815,2 19 4201,14 39,2 12 1058,4 20 4900,05 76,2 13 1345,7 21 5672,46 132,3 14 1680,7 22 6521,97 210,1 15 2067,2 23 7452,3

2.2. Gustina snage vetra ( Wind Power Density)

U izrazu za snagu vetrogeneratora, pretpostavljeno je da vetar duva konstantnom brzinom Vo.

U stvarnosti, varijacije brzine vetra zahtevaju složenije izračunavanje prave vrednosti. Da bi se dobila što preciznija procena gustine snage vetra, mora se izvrsiti sumiranje niza podataka izmerenih u vremenu, kao što sledi.

8

Seminarski rad Dragoš Lazarević

gde je n broj očitavanja brzine vetra a ρj i Vj su j-ta očitavanja gustine vazduha i brzine vetra.

Kako se gustina vazduha i brzina vetra menjaju pri svakom očitavanju, najprecizniji rezultat bi zahtevao računanje pri svakom očitavanju. Na primer, da bi izračunali najtačniju vrednost za WPD na datoj lokaciji za celu godinu, potrebno je izvršiti izračunavanje za ρ i v 105120 puta ( što odgovara očitavanju na 5 min).

Međutim postoje dva načina za dobijanje prihvatljivih proračuna za WPD bez svih gore pomenutih izračunavanja: Jedna mogućnost je da se za izračunavanje WPD koriste rezultati iz raspodele verovatnoće brzine vetra (histogram - tabela čestine vetra uzeta iz meteoroloških stanica).

Za to je potrebno raspolagati gotovim podacima iz meteoroloških stanica i izvršiti niz računanja. U praksi, takvo računanje nije uvek lako izvesti ili podaci nisu raspoloživi u pogodnom obliku (obično su rezultati merenja vetra dati u analognom obliku), pa se traže jednostavnija rešenja.

Jednostavnija metoda, kojom se može adekvatno proceniti WPD na određenoj lokaciji, je ako se pretpostavi raspodela brzine vetra u dijagramu frekvencije pojavljivanja vetra. U tom slučaju WPD se moze aproksimirati na sledeci nacin:

WPD = 0.5. K . p. (srednja brzina)3

gde je K vrednost odredena oblikom krive raspodele za datu brzinu vetra.

'

2.3. Odredivanje "klasa vetra"

Geografska područja su često opisana rangiranjem po “klasama vetra”, pre nego po gustini snage vetra WPD ili po srednjim brzinama vetra. Tabela 5.2 pokazuje opsege za gustinu snage vetra WPD, kojima su pridružene klase, na visini 10m1 od površine tla i na visini od 50m.2 Treba primetiti da tabela takođe daje opsege srednje brzine vetra za svaku klasu. Ove klase se obeležavaju i bojama, što se koristi za vizuelno prikazivanje u tkzv. mapama vetrova.

Tabela 2. - Klase snage vetrova ( Wind Power Classes)10(m) 50(m)

WindPowerClass

Wind PowerDensity(W/m2)

Mean Speed(m/s)

Wind PowerDensity (W/m2)

Mean Speed(m/s)

1 <100 <4.4 <200 <5.62 100-150 4.4-5.1 200-300 5.6-6.43 150-200 5.1-5.6 300-400 6.4-7.04 200-250 5.6-6.0 400-500 7.0-7.5

1 Standardna visina merenja brzine vetra i visine malih vetrenjača2 Industrijski standardizovan nivo za određivanje WPD-a za velike vetrenjače

9

Slika 7.2. Prečnik rotora i s naga turbine

Seminarski rad Dragoš Lazarević

5 250-300 6.0-6.4 500-600 7.5-8.06 300-400 6.4-7.0 600-700 8.0-8.87 >400 >7.0 >800 >8.8

2.4. Energetski potencijal vetra

Količina energije koju vetar donosi na elise rotora zavisi od gustine vazduha i brzine vetra i površine rotora. Slika 5.4 pokazuje cilindričan isečak vazduha širine 1m koji prolazi kroz površinu rotora od 1500m2 na vetrenjači snage 600kW . Ako je prečnik 43m svaki isečak vazduha teži oko 1.9 tona.

Slika 6: Isečak vetra na vetrenjači Slika 7: Prečnik rotora i snaga turbine

Površina diska koju pokriva rotor i naravno brzina vetra, određuje koliko energije iz vetra možemo pokupiti u toku godine. Neka, 600kW-na vetrenjača ima precnik rotora od 39-48m, tj. površina rotora je oko 1500m2. Kako se površina rotora povećava sa kvadratom prečnika, turbina koja je dva puta veća će dobiti dva na kvadrat, tj. četiri puta veću energiju.

Prečnik rotora može varirati od slučaja do slučaja jer mnogi proizvođači prilagođavaju njihove mašine lokalnim uslovima vetra. Veći generator naravno zahteva više snage (jake vetrove), za njeno pokretanje. Ako postavimo vetrenjaču u područje sa slabim vetrom, mi ćemo u stvari maksimizirati godišnju proizvodnju time što ćema upotrebiti srazmerno manji

10

Seminarski rad Dragoš Lazarević

generator za datu veličinu rotora (ili veći rotor za dati generator). Razlog zbog koga možemo dobiti više energije sa relativno manjim generatorom u oblastima sa slabim vetrom je taj da će vetrenjača imati više sati proizvodnje električne energije tokom godine.

Efekat visine rotora (visine h) postavljenom na stubu takođe utiče na nivo snage. Tipične vrednosti visina h se kreću u opsegu oko 50m, i stoga, one su male u poređenju sa nadmorskim visinama na kojima se osobine vazduha značajnije menjaju. U tom slučaju se mogu zanemariti promene osobina vazduha u razmatranjima o visini stuba vetrenjače. Međutim, kod savremenijih turbina, koje se postavljaju na visine preko 80m, na 100m i više, ovi efekti se moraju uzeti u obzir.

Postoje dva glavna izraza koja se koriste za opisivanje zavisnosti visine od srednje brzine vetra. Jednostavniji (levo), gde hr označava “referentnu visinu” (obično 10m), a m je eksponent koji zavisi od grubosti terena, i složeniji, ali precizniji (desno):

U oba slucaja, sa Zo je označena »dužina hrapavosti« terena (Roughness Lengths). Tipične vrednosti za m i Zo su date u tabeli 3. Klase grubosti su definisane Europian Wind Atlas-om na bazi dužina grubosti Zo u metrima, što predstavlja visinu iznad zemlje gde je brzina vetra teoretski jednaka nuli.

Tabela 3. Zavisnost z0 i m od tipa Tipovi terena z0 [m] m

vodabrisani prostor

obradive površine sa malo rastinjaobradive površine sa gustim rastinjem, šume itd., sela

0.00010.020.050.3

0.010.120.160.928

Klasa grubosti se računa na sledeći način:ako je zo <= 0.03 ako je zo > 0.03klasa = 1,699823015 + ln(zo) / ln(150) klasa = 3,912489289 + ln(zo) / ln(3,3333333)

Tabela 4. Klase grubosti i dužineKlasa grubosti Dužina grubosti

[m]Energetskiindeks (%)

Tip terena

0 0.0001 100 Voda

0,5 0,0024 73Potpuno brisan prostor sa klatkom

površinom, avionske piste...1 0,03 52 Otvorena polja, brežuljci

1,5 0,055 45Njive sa kućama na razdaljinama

1250m, žbunje

2 0,1 39Njive sa malo kuća na razdaljinama

500m,

11

Seminarski rad Dragoš Lazarević

2,5 0,2 31Njive sa više kuća na razdaljinama

250m, žbunje

3 0,4 24Sela, varoši, visoko žbunje, šume, i

veoma grubi tereni

3,5 0,8 18 Gradovi sa visokim zgradama

4 1,6 13Veliki gradovi sa zgradama i

oblakoderima

Srednja vrednost za m je oko 1/6, stoga, ako je snaga vetra srazmerna brzini, tada W grubo raste. To znači da dvostrukim povećanjm visine stuba postižemo povećanje izlazne snage za 40%. U praksi, zavisnost brzine vetra od visine je dosta složenija pa v(h) može dosta zavisiti od pravca vetra i doba dana.

2.5. - Turbulencija i uzroci nastajanja

U oblastima sa veoma neravnim površinama, iza objekata, kao što su zgrade, stvara se puno turbulencije, sa veoma haotičnim kretanjem vetra, često kao kovitlanje ili uvijanje. Zona turbulencije je oko tri puta duža od visine prepreke. Turbulencija umanjuje mogućnost iskoršćenja energije vetra pomoću vetrenjače. Takođe povećava habanje vetrenjače. Stubove vetrenjača treba praviti dovoljno visoko da bi se izbegla turbulencija koja potiče od vetra koji je blizi površini zemlje.

Slika 8: Turbulencija

Vetar retko duva stalanom brzinom, uglavnom brzina varira u vremenu što može biti izmereno intenzitetom turbulencije definisanog terminom efektivne vrednosti fluktuacije brzine (Root Mean Square). Da bi kvantifikovali ovu relaciju, pretpostavimo da je brzina vetra u bilo kom trenutku t, suma srednje brzine v, i promene brzine v(t). Treba primetiti da srednja vrednost v(t) je nula. Intenzitet turbulencije je definisan kao

(5.12)

12

Seminarski rad Dragoš Lazarević

gde je T period očitavanja brzine. U praksi, izlaz iz anemometra (koji meri v+v(t)) se očitava obično u konstantnim vremenskim intervalima i integral se aproksimira sumom. Perioda T treba da bude dovoljno velika tako da brza dinamika ne remeti vrednost Iv. U praksi, ovo je manje prihvatljivo i po dogovoru se, za standardno Tkod vetrenjača, uzima T=10min.

Intenzitet turbulencije zavisi od m i Zo , povećavajući se od 0,1 (10%) za ravne terene do 0,2 (20%) ili više za neravne terene na dužini Zo. Turbulencija takođe zavisi od visine, obično opada sa povećanjem h. Takođe, ona ima uticaj na određivanje snage turbine, i ima veliki efekat na opterećenje turbine.

2.6. Trag efekat

Energetski sadržaj vetra iza vetrenjače mora biti manji od onog ispred vetrenjače. Ovo proizilazi direktno iz činjenice da se energija uzima, a ne predaje vetru. Sama vetrenjača se uvek ponaša kao senka vetra za sve objekte iza nje. U stvari, doci će do pojave traga iza vetrenjače, stvaranje repa sa turbulencijom i usporavanjem vetra. Trag efekat se lepo može videti ako se pusti dim kroz krila vetrenjače.

Slika 9: Trag efekat (wake effect)

2.7. Park efekat

Na bazi trag efekta, svaka vetrenjača usporava vetar iza sebe izvlačeći energiju iz vetra. U slučaju formiranja parka vetrenjača, trag efekat utiče na određivanje lokacija pojedinačnih jedinica. U idealnom slučaju, vetrenjače treba postaviti što dalje jednu od druge za glavni pravac vetra. S druge strane, odabrana lokacija i cena povezivanja vetrenjača sa električnom mrežom ograničava postavljanje što bliže jednu drugoj.

Vetrenjače u parku su obično postavljene na razmaku od 5 do 9 prečnika rotora u pravcu glavnog vetra i 3 do 5 prečnika rotora u pravcu normalnom na pravac glavnog vetra. Na slici 5.8 postavljena su tri reda sa po pet vetrenjača u svakom redu. Vetrenjače (beli kruzići) su postavljeni na razmaku od 7 prečnika rotora u pravcu glavnog vetra i 4 prečnika u pravcu normalnom na pravac glavnog vetra.

13

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 10: Raspored vetrenjača u parku

Poznavajući oblik elisa, ruže vetra, raspodelu verovatnoće brzine vetra i hrapavost terena u različitim pravcima proizvođači ili projektanti mogu izračunati gubitke energije usled park efekta. Tipično, gubici energije su negde oko 5 procenata.

3. KONVERZIJA ENERGIJE VETRA U MEHANIČKU ENERGIJU

Kinetička energija vetra nije pogodna za direktno konvertovanje u električnu energiju, već se mora prvo svesti na oblik, koji se može upotrebiti za proizvodnju električne energije. Svi konvencionalni električni generatori kao ulazni oblik energije, koriste mehaničku energiju obrtnih masa. Iz ovoga sledi da je energiju vetra potrebno prevesti u mehaničku energiju, koristeći turbine na vetar.

Konverzija kinetičke energije vetra u kinetičku energiju vratila generatora odvija se putem lopatica rotora vetroturbine. Pri tome je vratilo zajedničko za turbinu i električni generator ali se i između njih nalazi i odgovarajući reduktor koji brzinu obrtanja vetroturbine (koja iznosi nekoliko desetina obrtaja u minutu) prilagođava zahtevanoj brzini generatora. 

U generatoru dolazi do konverzije kinetičke energije vetra u električnu energiju pa se cello postrojenje često naziva i vetrogeneratorom. Generator može biti sinhroni ili asinhroni, pri čemu se može raditi sa fiksnom ili promenjivom brzinom obrtanja. Povezivanje vetrogeneratora na elektroenergetski mrežu ostvareno je pomoću energetskog transformatora.

Jedna ili više vetroturbina sa pripadajućom opremom( generator, reduktor, kućište, stub, regulacija, transformator itd.) čini vetroelektranu.

14

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 11: Osnovni delovi vetroelektrane

Osnovni delovi vetroelektrane su: rotor vetroturbine, vratila s reduktorom, električni generator i ostali delovi električnog sistema (priključak na mrežu i sl.), sistemi za regulaciju (aerodinamičko kočenje, zakretanje kućišta, nadzor i komunikacije itd.), stub, temelj.

Slika 12: Osnovni delovi vetrogeneratora sa postoljem

Rotor vetroturbine sastoji se od odgovarajućeg broja lopatica spojenih na vratilo preko jedne ili više glava. Za primenu u vetroelektranama danas se najčešće (u gotovo 90% slučajeva) koriste tzv. propelerski rotori s tri lopatice ('kraka') na čijim se vrhovima postižu brzine od 50 do 70 m/s. Osim trokrakih, koji su se pokazali najefikasnijim, postoje i dvokraki (čiji je stepen iskorišćenja tek za 2 do 3% manji), a i jednokraki rotori (koji se moraju dodatno uravnotežavati).

Lopatica je deo na kojem dolazi do konverzije kinetičke energije vetra u kinetičku energiju obrtanja rotora. Broj i izrada lopatica uslovljeni su pre svega samom izradom rotora,

15

Seminarski rad Dragoš Lazarević

odnosno turbine (s horizontalnom ili vertikalnom osovinom i sl) zatim brojnim drugim tehničkim i netehničkim činjenicama. Na primer, manji broj lopatica znači manje troškove proizvodnje, ali uzrokuje veće brzine obrtanja, a time i veću buku i eroziju ležajeva. Za primenu kod vetroturbina s horizontalnom osovinom najčešće se, zbog tehničkih, ali i estetskih razloga koriste rotori s tri lopatice.

Glava je deo rotora preko kojeg su lopatice kruto ili fleksibilno povezane s vratilom. Kod rotora s horizontalnom osovinom glava je samo jedna, dok ih kod rotora s vertikalnom osovinom može biti više. U glavi se nalaze ležajevi pokretnih lopatica i sistem za zakretanje lopatica zatim priključci na instalacije (npr. za električne grejače na vrhu lopatice ili za hidraulički pogon zakretanja vrha lopatica i sl).

Vratilo služi za prenos obrtnog momenta od glave do električnog generatora. Na položaju njegove ose zasniva se jedna od najvažnijih podela vetroturbina. Pri tome se, zapravo, radi o dva vratila: sporom i brzom koja su međusobno povezana reduktorom (multiplikatorom).

Vratilo turbine je spojeno direktno na glavu pa preuzima obrtni moment i celokupno radijalno i aksijalno opterećenje koje se preko ležajeva prenosi na noseću konstrukciju: stub i temelj. Brzina obrtanja vratila turbine obično je manja od 100 min-1.

Prenosnik ili multiplikator se po pravilu izvodi kao zupčanički i služi za dovođenje brzine obrtanja rotora na vrednost koju zahteva električni generator (> 1500 min-1), pri čemu su najčešći prenosni odnosi od 1 : 30 do 1 : 50. Za prenosnik je vrlo važno smanjiti vibracije od ležajeva i zupčanika na najmanju moguću meru. Uz njega se može naći i spojnica, kojom se prema potrebi prekida prenos obrtnog momenta.

Vratilo generatora služi za pogon električnog generatora 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 vetroelektrani. Generatori koji se koriste u vetroelektrani moraju da poseduju posebnu konstrukciju jer se obrtni momenti zbog promene snage vetra često menjaju.

16

Seminarski rad Dragoš Lazarević

4. VETROTURBINE I VETROELEKTRANE

Vetroturbine, poznatije kao vetrenjače koriste se već oko 1000 godina.

Slika 13: Stara vjetrenjača

Vetrenjača je naprava koja pretvara kinetičku energiju vetra u mehaničku energiju. Mehanička energija može da se koristi direktno (za pumpanje vode, mljevenje brašna) ili da se pretvara dalje, na primjer u električnu energiju kao kod većine savremenih vjetroelektrana.

Postoje podaci o vetrenjačama u Persiji oko godine 600. nove ere. Prve persijske vetrenjače su imale vertikalnu osovinu i 6-12 jedara pokrivenih trskom ili platnom. Oko godine 1200., rasprostranjene su na širem područiju i pojavljuju se i u Evropi. Koriste se za mljevenje brašna i pumpanje vode, a kasnije i za odvajanje zrnja od stabljike, pilane i druge potrebe. Kasnije vetrenjače evropske konstrukcije uglavnom koriste horizontalnu osovinu. U zadnjih 200 godina upotreba direktnih mehaničkih vjetrenjača u Evropi je skoro potpuno prestala zbog širenja parne mašine i kasnije, električnih motora i motora sa unutrašnjim sagorijevanjem.

Od kraja 19. veka počinje upotreba vetrenjača i za proizvodnju električne energije (vetroelektrana), ali tek u zadnje vreme u većim količinama. Proizvodnja električne energije iz vjetroelektrana je porasla 5 puta od 2000. do 2007. godine.

Rotori vetroturbina, mogu se podeliti prema nekoliko osnovnih načela: prema aerodinamičkom efektu, prema položaju vratila, odnosno osi rotacije, prema brzini rotacije.

Prema aerodinamičkom efektu, rotori vetroturbina mogu biti:

17

Seminarski rad Dragoš Lazarević

1. Rotori s otpornim delovanjem zasnivaju svoj princip rada na sili otpora na lopatice rotora pri čemu se one okreću sporije od vetra, što čak smanjuje ukupnu efikasnost. Brzine obrtanja su tom prilikom male, a momenti na vratilu rotora srazmerno veliki. Najčešće se koriste u vetrenjačama, za pogon mlinova ili pumpi za vodu.

2. Rotori s uzgonskim djelovanjemzasnivaju svoj princip rada na delovanju sila uzgona na lopatice rotora, pri čemu je njihova linearna brzina nekoliko puta veća od brzine vetra. Brzine obrtanja su pri tome velike, a momenti na vratilu rotora mali. Zbog većih brzina rotacije (1000 do 1500 min-1) i veće aerodinamičke efikasnosti po pravilu se koriste u savremenim vetroelektranama.

Prema položaju vratila, odnosno osi rotacije, rotori vetroturbina mogu biti:

1. Rotori s horizontalnom osovinom (npr. kao kod propelera) su danas mnogo češći u primeni i po pravilu se koriste u savremenim vetroelektranama.

Slika 14: Rana vrsta vjetrenjače sa horizontalnom osovinom. Rotor ne može da se okreće "u vjetar"

Postavljene u nepokretnom tornju tamo gdje je vjetar stalnog smjera, kasnije verzije u zapadnoj Evropi se grade sa pomičnim tornjem, koji se ručno usmjerava "prema vjetru" (eng. post windmill). Krajem 18. vijeka se uvodi niz inovacija koje su omogućile automatsko okretanje vjetrenjače "u vjetar", uglavnom uz pomoć repa ili dodatne male vjetrenjače koja je okretala vrh tornja. Potpuno potisnute pojavom parnih mašina, elektromotora i motora sa unutrašnjim sagorijevanjem, sve više se vraćaju u upotrebu u izmijenjenom obliku za proizvodnju električne energije kao (vetroelektrane).

18

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 15: Vjetrenjača u Australiji za pumpanje vode. Vrlo sličan model raširen u Americi u 19. vijeku

Slika 16: Elektrana na vetar (vetrenjača) u američkoj vojnoj bazi u zalivu Gvantanamo, na Kubi

2. Rotori s vertikalnom osovinom su se, zapravo, počeli prvi da se koriste, ali su do danas pomalo napušteni. Ipak, imaju brojne prednosti: ne zavise od smera vetra, a teški delovi postrojenja mogu se smestiti na samom tlu, ali imaju i nekih, posebno pogonskih, nedostataka pa je njihova primena za sada još ograničena (npr. na tom načelu rade anemometri).

19

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 17: Anemometar, jednostavna vjetrenjača sa vertikalnom osovinom

Jednostavne za izradu, velikog obrtnog momenta, izdržljive, i većina bez potrebe da se okreću "u vjetar", ovo su bile prve vjetrenjače u upotrebi u Persiji i Kini. Jedra su bila pokrivena sa trskom ili platnom. U današnje vrijeme dolazi do rasta interesovanja za ovu vrstu vjetrenjača, pogotovo za manje ili amaterske instalacije.

U dizajne ove vrste spadaju:

anemometar - jednostavna sprava za mjerenje brzine vjetra, sa šupljim polukuglama za "hvatanje" vjetra

Savonius (Savonius) turbina

Darius (Darrieus) turbina

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

Slika 18: Darius turbina, vjetrenjača sa vertikalnom osovinom

20

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 19: Vertikalna osovina – Darrius-ova turbina

Prema brzini obrtanja, rotori vetroturbina mogu biti:

1. Rotori s promjenjivom brzinom obrtanja najčešće se koriste za pogon pumpi za vodu i vetroelektrana za potrebe punjenja baterija, dok za primenu u vetroelektranama koje se priključuju na električnu mrežu zahtevaju frekventni pretvarač.

2. Rotori s konstantnom brzinom obrtanja su vrlo prikladni za primenu u vetroelektranama za potrebe elektroenergetskog sistema (mreže) jer se time omogućava primena jednostavnih generatora čija je brzina obrtanja polova određena frekvencijom mreže

Dijapazon brzina vetra u kojem vetrogenerator generiše električnu energiju je tipično od 3 do 25 m/s, a maksimalnu (nominalnu) snagu postiže pri brzini vetra od 12 do 15 m/s. Za brzine vetra iznad 25 m/s vetroturbina se iz mehaničkih razloga zaustavlja. Pokazalo se da ekonomski nije isplativo projektovati vetroturbine za aktivan rad pri brzinama vetra većim od 25 m/s jer se takvi vetrovi relativno retko javljaju. Konstrukcija savremenog vetroagregata je projektovana da izdrži udare vetra i do 280 km/h.

Vetroagregati se grade na vetrovitim lokacijama na kojima je srednja godišnja brzina vetra veća od 6 m/s (na visini 50m iznad zemlje). Jedan vetroagregat snage 1MW može na ovakvoj lokaciji proizvesti oko 2000 MWh električne energije godišnje, što je dovoljno da podmiri potrebe oko 500 prosečnih četvoročlanih domaćinstava. Na pogodnim lokacijama se grupiše obično više vetroagregata koji čine vetroelektranu. Vetroelektrana može imati i nekoliko stotina vetroagregata i snagu preko 300 MW. Grade se na kopnu (onshore wind farm), ali i u priobalnom pojasu plitkih mora (offshore wind farm) gde duvaju jaki i stabilni

21

Seminarski rad Dragoš Lazarević

vetrovi.

4.1. Najčešće korišćeni tipovi vetrogeneratora

Poslednjih decenija XX veka se pokazalo da vetar predstavlja značajan resurs u generisanju električne energije. Ali i dalje ostaje problematična brzina vetra koja varira u vremenu, a time i brzina rotora turbine, što rezultira naizmenični izlazni napon promenljive učestanosti, koji je naravno nepogodan za vezivanje na standardnu distributivnu mrežu. U zavisnosti od toga da li vetrogenerator radi na principu konstantne (fixed-speed) ili promenljive brzine (variables peed), u radu će biti izložen koncept najčešće korišćenih vetrogeneratora renomiranih svetskih proizvođača, poput firmi ENERCON, DE WIND, VESTAS, BONUS...

1. Vetroturbina sa Indukcionim generatorom sa kaveznim rotorom za konstantne brzine (slika 20), se najčešće sreće u aplikacijama gde se vetrogenerator direktno priključuje na mrežu (bez invertora). Brzina obrtanja rotora, odnosno klizanje, se menjaju u zavisnosti od generisane snage. Ali ipak su promene brzine male i kreću se u granicama 1 do 2%. Kako je ovaj koncept vetrogeneratora primenjen na vetroturbinama za konstantne brzine (fixedspeed), najčešće se koristi generator koji radi na dve, ili više, brzina promenom broja pari polova statorskog namotaja, ili čak dva generatora, jedan manje snage za manje brzine vetra, a drugi snažniji za veće brzine vetra (često rešenje firme BONUS).

22

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 20: Vetroturbina sa Indukcionim generatorom sa kaveznim rotorom za konstantne brzine

Medjutim mana je što generator sa kaveznim rotorom uvek treba reaktivnu snagu za svoj rad, što je u mnogim slučajevima nepoželjno, naročito kod velikih i snažnih turbina i slabe električne mreže na koju su priključeni. Moguće je ovu energiju kompenzovati umetanjem određenih kapacitivnosti. Prednost ovakvog koncepta je u njegovoj jednostavnosti. Pošto je brzina obrtanja rotora generatora vezana za frekvenciju mreže i skoro da ne može da se kontroliše, nije moguće iskoristiti vetroturbinu pri turbulentnim brzinama vetra, jer bi za ovakav sistem, turbulencija prouzrokovala varijaciju snage, to bi se odrazilo i na kvalitet generisane energije.

Postoji jos jedna metoda rada indukcionog generatora sa kaveznim rotorom, ali sa promenljivim otoprom na strani rotora. Naime, energetska elektronika omogućava promenu otpornosti kola rotora što se odražava na promenu karakteristike momenata brzina. Ovim je moguće menjati brzinu rotora i do 10%, a pomenuti način regulacije je poznatiji kao sistem sa polu-promenljivom brzinom (semi-variable speed system).

2. Vetroturbina sa sinhronim generatorom sa promenljivim brojem pari polova radi u punom opsegu brzina vetra. Sinhroni generator sa promenljivim brojem polova, prikazan na slici 21, ima dobro razvijeno upravljanje, pa se zato vrlo često sreće u ponudi mnogih kompanija a glavni je adut nemačkog ENERCON-a. Izlazni napon sinhronog generatora je niži pri nizim brzinama vetra, pa se zbog toga koristi jedan coper koji je stavljen između ispravljača i kapacitivnosti. Pri nižim brzinama ovaj coper povećava ispravljeni napon na strani generatora na onu vrednost na koju invertor računa za svoj neometani rad. Prednost ovako korišćenog modela je što nema ograničenja brzine pri generisanju el. energije, ne poseduje reduktor, a takođe je i uprošćena kontrola prilično jednostavnim coperor i kovertorom. S druge strane ipak koristimo dva, odnosno tri, pretvarača za punu snagu a gubici su nam nekih 2-3% od generisane snage. Takođe su prisutni veliki kondenzatori u međukolu i prilična induktansa koja je oko 10-15% generisane snage.

23

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 21: Vetroturbina sa sinhronim generatorom sa promenljivim brojem pari polova

3. Vetroturbina sa indukcionim generatorom sa kaveznim rotorom za pun opseg brzina se ređe sreće ali je jako slična prethodnoj aplikaciji samo je razlika u tome što sada imamo menjač između osovine vetrenjače i vratila generatora, dok je kod generatora to rešavano promenom broja pari polova.

Ovakav koncept vetroturbine radi pri promenljivim brzinama vetra (variable-speed) a priključenje na mrežu je omogućeno puno upravljaivim invertorom (slika 22). Prednost ovako upotrebljenog indukcionog generatora jednostavnije konstrukcije je upravo u ceni i zato što nema ograničenja brzine pri kojoj se generiše el. energija. Takođe je dosta važno da možemo energetskom elektronikom kontrolisati reaktivnu snagu. Opet, ovakav model ima dosta nedostataka jer se primećuje da sada koristimo dva invertora za punu snagu u seriji i imamo gubitke od oko 3% generisane snage. I dalje su nam potrebni veliki kondenzatori za održavanje napona međukola.

nmm

Slika 22: Vetroturbina sa indukcionim generatorom sa kaveznim rotorom za pun opseg brzina

4. Vetroturbina sa dvostruko napajanim indukcionim generatorom (odnosno sa namotanim rotorom) je u poslednje vreme često korišćena opcija sa konvertor-invertor kombinacijom sa nadoknađivanjem energije rotoru, a koristi se za veće snage - preko 1 MW. Da bi omogućila rad pri promenljivim brzinama, energetska elektronika je u službi takozvanog back-to-back naponskog invertora koji napaja trofazni rotorski namotaj. Ovako su mehanička i električna frekvencija rotora razdvojene i frekvencije statora i rotora mogu biti postignute, nezavisno od mehaničke brzine rotora.

24

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Statorski namotaji mogu biti priključeni na mrežu samo kada je brzina rotora bliska sinhronoj brzini, dok je kolo rotora uvek povezano na mrežu preko konvertor-invertor veze. Za manje brzine rotora, pristupa se dopunjavanju rotora energijom iz mreže, dok se za veće brzine rotora deo energije vraća u mrežu.

Prednosti ovakvog načina generisanja el. energije su u tome što dva konvertora u vezi rade samo sa 20-30% snage (najčešće) pri prenosu energije na relaciji rotor-mreža i obrnuto. Zbog toga su i gubici znatno manji (nekih 0.6-0.9% generisane snage) a induktansa samo 3-4.5% (što i dalje čini 12-15% snage rotora).

S/ika 23: Vetroturbina sa dvostruko napajanim indukcionim generatorom

Opet gledano Indukcioni generator sa namotanim rotorom nije standardan, te se javljaju sada problemi sa kvarovima. Takođe sada ne radimo u celom opsegu brzina već imamo minimalna i maksimalna ograničenja brzina vetroturbine koja odgovaraju razmeni rotora mreža. Praktični problemi se javljaju i pri startovanju ovakvog modela i njegovoj zaštiti, a treba napomenuti da najčešće konvertor na rotorskoj strani radi na malim učestanostima te se javljaju zahtevi za dvostrukim dimenzionisanjem poluprovodničkih komponenti.

Solucija sa veoma sličnim kolom ali bez kliznih prstenova je stator sa dva trofazna namotaja gde je jedan namotaj vezan na mrežu, a drugi na vezu konvertor-invertor za dodavanje energije rotoru. Energija prenesena od rotora ka dodatom statorskom namotaju je postignuta indukcijom kao u prostom traksformatoru. Energija rotora može biti uzeta ili dodata pomoću različite frekvencije invertora. Kod ovakvog koncepta nemamo klizne kontakte (manje kvarova) i oba invertora rade sa istim učestanostima, dok se javlja potreba za dodatim namotajem na statoru.

25

Seminarski rad Dragoš Lazarević

5. POTENCIJAL ENERGIJE VETRA U SRBIJI

U Srbiji postoje pogodne lokacije za izgradnju vetrogeneratora, na kojima bi se u perspektivi moglo instalirati oko 1,300 MW vetrogeneratorskih proizvodnih kapaciteta i godišnje proizvesti oko 2,300 GWh električne energije:

1. Istočni delovi Srbije - Stara Planina, Vlasina, Ozren, Rtanj, Deli Jovan, Crni Vrh itd. U ovim regionima postoje lokacije čija je srednja brzina vetra preko 6 m/s.

2. Zlatibor, Žabljak, Bjelasica, Kopaonik, Divčibare su planinske oblasti gde bi se merenjem mogle utvrditi pogodne mikrolokacije za izgradnju vetrogeneratora.

3. Panonska nizija, severno od Dunava je takođe bogata vetrom. Ova oblast pokriva oko 2,000 km² i pogodna je za izgradnju vetrogeneratora jer je izgrađena putna infrastruktura, postoji električna mreža, blizina velikih centara potrošnje električne energije i slično.

26

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Slika 24: Potencijal energije vetra u Srbiji

Ministarstvo rudarstva i energetike je u januaru 2007. godine potpisalo sporazum sa Vladom Kraljevine Španije o saradnji u oblasti korišćenja energije vetra. U okviru tog projekta su odabrana 3 mesta za jednogodišnja merenja brzine vetra (na visinama od 10, 30 i 50 metara), a po završetku merenja će se za jednu odabranu lokaciju izraditi detaljna studija izvodljivosti za postavljanje vetrogeneratora.

U Srbiji, pa tako i u Vojvodini. u ovom trenutku, nema ni jedne ozbiljnije vetroelektrane, koja bi proizvodila električnu energiju iz energije vetra.

Međutim, u toku su pripremni radovi za definisanje lokacija, razrade pravnih okvira i preciziranja finansijskih i nefinansijskih uslova realizacija izgradnje vetroelektrana. U tome inicijativu imaju Ministarstvo rudarstva i energetike, Agencija za energetsku efikasnost, kao i zainteresovane institucije – Republički hidrometeorološki zavod, SANU, OSCE, Elektroprivreda Srbije, te lokalne samouprave. Pojavljuje se i određen broj privatnih investirora, koji ove radove obavljaju za specifične lokacije.

U dosadašnjim aktivnostima urađeno je sledeće:

Realizovane su 5 većih studija i jedna ocena mogućnosti korišćenja energije vetra u Srbiji [8-13] u kojima je procenjen energetski potencijal, ali na bazi rezultata merenja iz hidrometeoroloških stanica u Srbiji.

Dobijena je ili nabavljena oprema za merenja parametra vetra na visinama 50m i većim.

urađeno je adekvatno merenje, ali na svega nekoliko lokacija.

Pripremljena je osnovna pravna regulativa (Zakon o energetici, Strategija razvoja energetike)

27

Seminarski rad Dragoš Lazarević

Osnovana je Agencija za energetsku efikasnost pri Ministarstvu rudarstva i energetike, koja treba da vodi aktivnosti oko OIE u Srbiji.

Donešen je Programa ostvarivanja Strategije razvoja energetike Republike Srbije

U toku je nekoliko naučnih projekata, koji treba da doprinesu jednostavnijem korišćenju i priključenju vetroelektrana u EES Srbije.

Pored toga u AP Vojvodini se organizovano pristupilo procesu instalisanja obnovljivih izvora energije osnivanjem Saveta za obnovljive izvore i njegovim aktivnim radom u saradnji sa Pokrajinskim sekretarijatom za energetiku i mineralne sirovine i stalnom koordinacijom sa aktivnostima Ministarstva za rudarstvo i energetiku RS. Na sednicama saveta se razmenjuju najnoviji podaci o stanju razvoja primene energije vetra, kao i iznose aktuelni problemi, te predlažu praktična rešenja. Kao rezultat ovih aktivnosti, ali i napora i zainteresovanosti potencijalnih investitora, napravljeni su pomaci i izvršen niz pripremnih radova za podizanje prvih turbina. Očekuje se da se po objavljivanju paketa podsticajnih mera za OIE, koji se očekuju do jula 2009. god., krene s intenzivnom izgradnjom vetroelektrana u parkovima do 100MW.

6. ZAKLJUČAK

Vetar predstavlja neiscrpan ekološki izvor energije čiji globalni potencijal višestruko prevazilazi svetske potrebe za električnom energijom.

Globalni razvoj društva u budućnosti će u ogromnoj meri zavisiti od stanja u oblasti energetike. Problemi sa kojima se suočavaju u manjoj ili većoj meri sve zemlje sveta su povezani sa obezbeđivanjem energije i očuvanjem životne sredine. Eksplozija ljudske populacije na zemlji uzrokuje stalno povećanje potreba za energijom, naročito električnom energijom. Trend rasta potreba na globalnom nivou iznosi oko 2,8 % godišnje. Sa druge strane, trenutna struktura primarnih izvora električne energije ne može na globalnom nivou obezbediti takav trend povećanja proizvodnje električne energije. Razlog za to su aktuelni ekološki problemi direktno uzrokovani sagorevanjem fosilnih i nuklearnih goriva, na kojima se bazira sadašnja proizvodnja električne energije u svetu. Osim toga, postojeća dinamika

28

Seminarski rad Dragoš Lazarević

kojom se eksploatišu fosilna goriva će u bliskoj budućnosti dovesti i do iscrpljenja njihovih rezervi.

Direktna posledica ovih oprečnih uslova proizvodnje i potrošnje je stalni porast cene električne energije, čime se, već na sadašnjem nivou, stvara ekološki i ekonomski opravdana potreba uključivanja alternativnih izvora u globalnu strategiju razvoja energetike. Ovakvi energetski tokovi su primorali visokorazvijene zemlje da ulažu ogroman kapital i angažuju veliki broj stručnjaka u razvoj sistema za korišćenje obnovljivih izvora električne energije (vetroelektrane, solarne elektrane, elektrane na biomasu i biogas, geotermalne elektrane, ...). Kao rezultat takvog ulaganja osvojena je tehnologija i razvijena industrija za tehnički pouzdanu konverziju nekih primarnih obnovljivih izvora. Osim toga, međunarodni protokoli i obaveze o smanjenju emisije CO2 (Kyoto protokol) i lokalni ekološki problemi primorali su Vlade mnogih zemalja da različitim subvencijama podstiču izgradnju ekološki čistih elektrana koje koriste obnovljive izvore. Ovakva politika dovela je do izuzetne popularizacije i fantastičnog trenda povećanja udela pojedinih obnovljivih izvora u ukupnoj proizvodnji električne energije. Od svih obnovljivih izvora najveću stopu razvoja u poslednje dve decenije ima vetroenergetika.

Vetar predstavlja neiscrpan ekološki izvor energije čiji globalni potencijal višestruko prevazilazi svetske potrebe za električnom energijom. Oko 2% dozračene sunčeve energije se pretvori u vetar. Korišćenje energije vetra u proizvodnji električne energije je počelo da se razvija tridesetih godina dvadesetog veka i tada je počela izgradnja prvih vetroelektrana – postrojenja za elektromehaničku konverziju energije vetra. Proizvodnja električne energije iz vetra u to vreme je bila neefikasna, nepouzdana i skupa. Sa razvojem velikih hidroelektrana i termoelektrana vetroelektrane su brzo pale u zaborav. Velika energetska kriza sedamdesetih godina prošlog veka, a kasnije i sve ozbiljniji globalni ekološki problemi su doveli do renesanse vetroelektrana. Danas vetroenergetika predstavlja granu energetike koja se najbrže razvija, kako u pogledu tehnologije, tako i u pogledu porasta instalisanih vetroelektrana u svetu. Najveći doprinos razvoju moderne vetroenergetike dala je Danska u kojoj je industrija vetrogeneratora postala jedna od vodećih industrija.

Tehnološki razvoj, politika podrške izgradnje obnovljivih izvora i brza izgradnja doprineli su naglom povećanju instalisanih vetroenergetskih proizvodnih kapaciteta u svetu. Oko 75% svih svetskih vetroelektrana je instalirano u zemljama Evropske Unije (EU). EU iz instaliranih 34 466 MW (decembar 2004.) podmiruje oko 3% ukupnih potreba za električnom energijom. Nemačka je vodeća zemlja po broju instalisanih vetroelektranasa ukupno 16 629MW vetrogeneratora, što je duplo više nego snaga svih elektrana u Srbiji. Najveći udeo vetroelektrana u proizvodnji električne energije ima Danska, koja iz 3 117 MW instalisanih vetroelektrana podmiruje preko 20% svojih potreba za električnom energijom.

Pretvaranje kinetičke energije vetra u mehaničku energiju obrtnog kretanja vrši se pomoću vetroturbine koja može imati različite konstrukcije. Teorijski stepen iskorišćenja vetroturbine je 59%, a praktično rade sa iskorišćenjem od 35 do 45%. Interesantno je da sličan stepen iskorišćenja imaju i parne turbine u termoelektranama i nuklearnim elektranama (tipično 30 do 40%), dok hidrauličke turbine, u hidroelektranama, imaju najveći stepen iskorišćenja od 80% do 95%. Moderni vetroagregati imaju vetroturbinu sa horizontalnom osovinom koja ima sistem za zakretanje osovine u horizontalnoj ravni za praćenje promene

29

Seminarski rad Dragoš Lazarević

smera vetra. Vetroturbine mogu imati različit broj lopatica, ali se za veće snage najčešće koriste turbine sa tri lopatice. Prečnik vetroturbine zavisi od snage i kreće se od 1 m za snagu od 0,5 kW do 120 m za snagu od 5 MW. Vetroturbina se postavlja na vertikalni stub koji, u zavisnosti od njenog prečnika, može biti visok i preko 120 m. Turbina pokreće vetrogenerator koji može biti različite konstrukcije. Vetroturbina i vetrogenerator zajedno sa stubom na koji su postavljeni čine vetroagregat.

LITERATURA

Zakon 0 energetici", Sluzbeni glasnik RS, 84/04, www.parlamentsr.gov.vu2. Ministarstvo rudarstva i energetike RS, "Strategija razvoja energetike u RS", jul 2005,

www.mem.sr.gov.yu3. Ministarstvo rudarstva i energetike RS, "Program ostvarivanja strategija razvoja energetike

Republike Srbije do 2015. go dine za period od 2007. do 2012. godine ", www.mem.sr.gov.VU4. EU Direktiva 2001/77 IEC, "Promotion of electricity produced from renewable energy sources

in the internal electricity market", Official Journal of European Community, L283/33, 2001.5. EU Direktiva 2002/91IEC, "Direktiva 2002/91IEC Evropskog parlamenta i saveta od 16.decembra 2002. godine 0 energetskoj efikasnosti zgrada", Official Journal of EuropeanCommunity, L1/65, 2003.6. EU Direktiva 2003/301EC "Directive 2003/30/EC of the European parliament and of thecouncil of 8 May 2003 on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for

30

Seminarski rad Dragoš Lazarević

transport", Official Journal of European Community, LI23/42, 2003. 7. European Wind Energy Association, www.ewea.org 8. R. Putnik i sarad., "Mogucnost koriscenja energije vetra za proizvodnju elektricne energije ",

Studija, Elektroprivreda Srbije, Beograd, 2002.9. P.GburCik i sarad., "Gustina aeroenergetskog potencijala u Srbiji ", Studija, Srpska akademija

nauka i umetnosti, Beograd, 1984.10. P.GburCik i sarad., "Studija energetskog potencijala Srbije za koriscenje suncevog zracenja ienergije vetra ", Studija, Centar za multidisciplinarne studije, Univerzitet u Beogradu,Beograd, 2004.

11. T.Popovi6 i sarad., "Ocena mogucnosti koriscenja energije vetra na teritoriji RepublikeSrbije ", Savezni hidrometeoroloski zavod, Beograd, 1997.

12. Liber Perpetum, "Energija, zivotna sredina, ekonomski razvoj - Modul energija vetra",Studija, OSCE, www.skgo.org

13. B.Rajkovi6, Z.Popov, «Procena brzine vetra na izabranim lokacijama», Studija za Pokrajinskisekretarijat za energetiku i mineralne sirovine, 2005, http://www.psemr.voivodina.sr.gov.vu

14. Ministarstva energije SAD-a, Ured za analizu i predvidanje, "Izvjestaj broj DE-97005344 ",V asington, April 1997. 15. F.Felix: "Stanje nuklearne ekonomije", IEEE Spectrum, IEEE Press,

USA, Nov. 1997. 16. M.Kaltschmitt, W.Streicher, A.Wiese, "Renewable Energy - Technology, Economics and

Environment ", Springer-Verlag Berlin Heidelberg 200717. P.Kati6, D.Dukanovi6, P.Dakovi6, "Klima karte SAP Vojvodine", prilog publikaciji "Klima

SAP Vojvodine", Poljoprivredni fakultet, lnstitut za ratarstvo i povrtarstvo, Novi Sad, 1979.18. T.Papi6, "Obnovljivi izvori energije - vetar", Uvodno izlaganje, Tribina: "Obnovljivi izvori

energije - biomasa i vetar", Novi Sad, 5.11.2008., www.psemr.voivodina.sr.gov.vu19. Z.Durisi6, M.Bubnjevi6, D.Mikici6, N.Rajakovi6, "Wind Atlas of Vojvodina, Serbia",European Wind Energy Conference - EWEC 2007, Milano, 7-10. May 2007,www.ewec2007proceedings.info/

20. Ministarstvo rudarstva inavigaci i a. php ?IDSP=3 06 21. European Wind Atlas, htt~://www.windatlas.dk/Europe 22.

A.Zervos, C.Kjaer, "Pure Power - Wind Energy Scenario up to 2030", European WindEnergy Association, March 2008, www.ewea.org

23. EU Directive 5421/08, "Climate-energy legislative package", Dec.2008, www.ewea.orgenergetike,http://logic.dnsbrotect.com/~learnint/mem/

31