Obnovljivi izvori energije12/8/2019 SKIS - 2018/19 1

ENERGIJA VETRA

ENERGIJA VODE

GEOTERMALNAENERGIJA

BIOENERGIJA

ENERGIJASUNCA

12/8/2019 SKIS - 2018/19 2

Obnovljiviizvori

energije

Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEU5C03)

Modul US - 2019/20.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEE5A05)

Modul E - 2019/20.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEM5A04)

Modul EKM - 2019/20.

Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rsDoc. dr Sanja Aleksić, kabinet 347, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rs

Prof. dr Dragan Mančić, M2-4, dragan.mancic@elfak.ni.ac.rs

Solarna fotonaponska energija12/8/2019 SKIS - 2018/19. 4

2019/20.

Energija vetra12/8/2019 OIE - 2018/19 5

Energija vetra

PREDNOSTI◦ Vetroturbine su pogodne za dobijanje električne energije u ruralnim, izolovanim područjima.

◦ Cena dobijene električne energije je uporediva sa cenom električne energije koja se dobija konvencionalnim metodama gde se za dobijanje energije uglavnom koriste fosilna goriva (ugalj, nafta, gas).

◦ Visoka pouzdanost rada postrojenja.◦ Nema troškova za gorivo.◦ Nema zagađenja okoline.

12/8/2019 OIE - 2018/19 6

Energija vetra

NEDOSTACI - MANE

◦Buka

◦Problem malih i velikih brzina vetra

◦Ometanje radio i TV signala

◦Vizuelni efekti

◦Cena

12/8/2019 OIE - 2018/19 7

Energija vetraIstorijski pregled korišćenja energije vetra

12/8/2019 OIE - 2018/19 8

Rani sistemiKorišćenje energije vetra nije nova ideja – brodovi, mlinovi, pumpe, ...

Prvi energetki sistemi na vetar◦ Drevna civilizacija na Bliskom

istoku/Persija

◦ Vertical-Axis mlin

Vetar u Srednjem veku◦ Mlinovi u Severnoj Evropi

◦ Horizontal-Axis mlin

XIX vek USA◦ Pumpe i mlinovi

12/8/2019 OIE - 2018/19 9

Porast korišćenja energije vetra

1888: Charles Brush je izgradio prvu veću vetroturbinu (prečnik 17m, snaga 12kW)

1890s: Lewis Electric Company NY, prodaje generatore koji se mogu ugrađivati u postojeće mlinove koji koriste energiju vetra.

1920-1950s: sistemi sa propelerima (2 ili 3) za konverziju vetra u elektricitet (WECS)

1940-1960s: elektrifikacija ruralnih krajeva u Evropi i USA

12/8/2019 OIE - 2018/19 10

Savremeno doba

Osnovna obeležja◦ Veći kapacitet

◦ Komercijalizacija

◦ Konkurentnost

◦ Povezivanje u mrežu

Razlozi progresa ◦ OPEC kriza 1970s

◦ Ekonomski

◦ Energetska nezavisnost

◦ Očuvanje sredine

Standardizacija turbina◦ Tri propelera

◦ Horizontal-Axis

12/8/2019 OIE - 2018/19 11

Analiza tražišta

12/8/2019 OIE - 2018/19 12

Proizvodnja električne energije iz vetra.

Prema podacima Svetske asocijacije energije vetra (World Wind Energy Association – WWEA) kapacitet proizvodnje je do sredine 2014. godine dostigao 336.327MW, pri čemu je u prvoj polovini 2014. godine instalirano 17.613MW što je rast veći nego u prethodnih nekoliko godina.

12/8/2019 OIE - 2018/19 13

Vetroturbine

Moderne vetroturbine koje se koriste u proseku imaju snagu od 1.6MW.

Imaju horizontalni rotor, tri lopatice, menjač, ...

Koriste se kada je brzina vetra u opsegu od 15km/h (4m/s, što je vetar snage 3 na Beaufort skali) do 90km/h (25m/s, 9).

12/8/2019 OIE - 2018/19 14

12/8/2019 OIE - 2018/19 15

12/8/2019 OIE - 2018/19 16

Šta utiče na porast korišćenja energije vetra?

Zahtevi za čistom energijom

Smanjenje cene električne energije koja se dobija iz energije vetra.

12/8/2019 OIE - 2018/19 17

12/8/2019 OIE - 2018/19 18

12/8/2019 OIE - 2018/19 19

12/8/2019 OIE - 2018/19 20

12/8/2019 OIE - 2018/19 21

12/8/2019 OIE - 2018/19 22

12/8/2019 OIE - 2018/19 23

Energija vetra - SRBIJA

Postoji tehnički iskoristiv potencijal između 8 i 15GW, što je više nego što iznosi trenutni deficit u električnoj energiji.

Najveća potrošnja električne energije je u zimskom periodu, a to je upravo vreme kada ovde duvaju vetrovi većim intenzitetom i kada se ostvaruje najveća proizvodnja električne energije pomoću vetroelektrana.

12/8/2019 OIE - 2018/19 24

Ulaganja u zelenu energiju

Srbija je do sada ulagala jedino u hidroelektrane.

U poslednje vreme su u najavi mnogi projekti u vezi solarnih i vetroelektrana,

Najperspektivnije lokacije:◦ Midžor na Staroj planini (prosečna brzina vetra

7.66m/s)

◦ Suva planina (6.46m/s)

◦ Vršački Breg (6.27m/s)

◦ Tupižnica (6.25m/s)

◦ Deli Jovan (6.13m/s)

◦ Doline Dunava, Save i Morave

12/8/2019 OIE - 2018/19 25

Prosečna snaga vetra12/8/2019 OIE - 2018/19 26

Energija vetraFizičke osnove vetra

12/8/2019 OIE - 2018/19 27

12/8/2019 OIE - 2018/19 28

Poreklo vetra12/8/2019 OIE - 2018/19 29

Kako dolazi do pojave vetra?12/8/2019 OIE - 2018/19 30

Kako dolazi do pojave vetra?12/8/2019 OIE - 2018/19 31

Poreklo vetra

Vetar je pojava koja nastaje kao posledica veoma kompleksnih mehanizama koji uključuju:

rotaciju Zemlje oko Sunca,

toplotnu energiju od Sunca,

efekat hlađenja izazvan velikim vodenim površinama i polarnim ledenim kapama,

temperaturnim gradijentima koji se formiraju između kopna i vode, itd.

12/8/2019 OIE - 2018/19 32

Poreklo vetra

Vetar je posledica zračenja Sunca.

Energija vetra u stvari predstavlja transformisani oblik sunčeve energije.

Sva obnovljiva energija potiče od Sunca koje prema Zemlji zrači oko 1015 kWh po jednom kvadratnom metru.

1-2% od ove enegrije se pretvara u energiju vetra

12/8/2019 OIE - 2018/19 33

Vrste vetrova

Planetarna cirkulacija◦ Jet stream

◦ Trade winds

◦ Polar jets

Geostrophic winds

Thermal winds

Gradient winds

12/8/2019 OIE - 2018/19 34

Vrste vetrova12/8/2019 OIE - 2018/19 35

Uticaj topografije na cirkulaciju

12/8/2019 OIE - 2018/19 36

Karakteristike vetra12/8/2019 OIE - 2018/19 37

Dostupni resursi12/8/2019 OIE - 2018/19 38

Energija vetraSnaga vetra

12/8/2019 OIE - 2018/19 39

Snaga vetra

Snaga vetra zavisi od:

Količine vazduha (zapremina)

Brzine vazduha (brzina)

Mase vazduha (gustina)

12/8/2019 OIE - 2018/19 40

Energija vetra

Energija vetra je bazirana na kretanju vazduha, tj. kinetičkoj energiji vazdušne mase koja se kreće na visini do 150m od površine tla, što predstavlja trenutno najveću visinu vetrenjača.

Energija koja se pri tome dobija zavisi od:◦ Brzine vetra◦ Mase vazduha (preciznije od gustine vazdušnog fluida)

◦ Na gustinu utiču temperatura i pritisak vazduha, kao i visina.

12/8/2019 OIE - 2018/19 41

Određivanje snage vetroturbineMatematički model

Kinetička energija objekta mase 𝑚 koja se kreće brzinom 𝑣 je jednaka radu 𝑊 koji se uloži da se objekat iz mirovanja prebaci za rastojanje 𝑠 pod dejstvom sile 𝐹:

𝐸𝑘 = 𝑊 = 𝐹 ∙ 𝑠 Prema drugom Newton-ovom zakonu:

𝐹 = 𝑚 ∙ 𝑎 Prema tome:

𝑬𝒌 = 𝑾 = 𝒎 ∙ 𝒂 ∙ 𝒔 Koristimo treću jednačinu kretanja:

𝑣2 = 𝑢2 + 2𝑎 ∙ 𝑠

12/8/2019 OIE - 2018/19 42

Određivanje snage vetroturbineMatematički model

Kako je 𝑢 = 0 dobijamo da je:

𝑎 =𝑣2

2𝑠 Zamenjujući dobijamo:

𝐸𝑘 =1

2𝑚𝑣2

Snagu vetra definiše brzina promene energije:

𝑃 =𝑑𝐸𝑘𝑑𝑡

=1

2𝑣2

𝑑𝑚

𝑑𝑡

12/8/2019 OIE - 2018/19 43

Određivanje snage vetroturbineMatematički model

Nemački fizičar Albert Betz još 1919. godine zaključuje da vetroturbina ne može da konvertuje više od 16/27 (59.3%) kinetičke energije vetra u mehaničku energiju obrtanja rotora.

Ovo je poznato kao Betz-ovo ograničenje ili Betz-ov zakon prema kome se uvodi tzv. koeficijent snage:

𝐶𝑃𝑚𝑎𝑥= 0.59

Naravno, vetroturbina ne može raditi na ovom maksimumu već je koeficijent snage karakteristika svake vetroturbine i definiše se u njenim tehničkim specifikacijama. Prema tome, snaga vetroturbine se može odrediti kao:

𝑃 =1

2𝜌𝐴𝑣3 ∙ 𝐶𝑃

12/8/2019 OIE - 2018/19 44

Određivanje snage vetroturbineKonkretan slučaj

Brzina vetra:

𝑣 = 12m/s

Gustina vazduha:

𝜌 = 1.23kg/m3

Dužina elise:

𝑙 = 52m

Koeficijent snage:

𝐶𝑃 = 0.4

12/8/2019 OIE - 2018/19 45

Određivanje snage vetroturbineKonkretan slučaj

𝑙 = 𝑟 = 52m/s

𝐴 = 𝜋 ∙ 𝑟2 = 8495m2

𝜌 = 1.23kg/m3

𝑣 = 12m/s

𝐶𝑃 = 0.4

𝑃 =1

2𝜌𝐴𝑣3 ∙ 𝐶𝑃

𝑃 = 3.6MW

12/8/2019 OIE - 2018/19 46

Vežba 1.

Ponoviti prethodne proračune za različite brzine vetra.

Pretpostaviti da se brzina vetra menja u opsegu od 5m/s do 25m/s.

Nacrtati zavisnost snage u funkciji brzine vetra.

Pretpostaviti da je koeficijent snage konstantan i da iznosi 0.4.

12/8/2019 OIE - 2018/19 47

Vežba 2.

Koeficijent snage, naravno, nije konstantan kao što smo to do sada pretpostavljali. On zavisi od odnosa brzine koji se definiše kao:

𝜆 =𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑

𝑤𝑖𝑛𝑑 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 Blade tip speed se određuje na osnovu rotacione

brzine turbine i dužine elisa prema sledećem izrazu:

𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 =𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 (𝑟𝑝𝑚) ∙ 𝜋 ∙ 𝐷

60gde je D prečnik turbine. Ako je dato da je rotational speed = 15𝑟𝑝𝑚 odrediti 𝜆

koristeći date izraze i popuniti datu tabelu. Zatim odrediti odgovarajuću vrednost 𝐶𝑃 iz priloženog grafika i kompletirati tabelu (odrediti snagu i energiju)

12/8/2019 OIE - 2018/19 48

Vežba 2.12/8/2019 OIE - 2018/19 49

12/8/2019 OIE - 2018/19 50

Kriva snage vetroturbineCapacity Factor (CF)

12/8/2019 OIE - 2018/19 51

CF zavisi kako od karakteristika turbine, tako i od karakteristika lokacije gde je ona postavljena

Vetroturbine – skoro celokupna električna energija se dobija korišćenjem turbina koje su u osnovi slične.

12/8/2019 OIE - 2018/19 52

Aerodinamika

12/8/2019 OIE - 2018/19 53

Potisna (lift) i vučna (drag) sila

12/8/2019 OIE - 2018/19 54

Rotor – model disk: nema uticaja na strujanje vazduha

12/8/2019 OIE - 2018/19 55

Rotor – model disk: strujanje vazduha je potpuno zaustavljeno

12/8/2019 OIE - 2018/19 56

Rotor – model disk: poredjenje12/8/2019 OIE - 2018/19 57

Rotor – model disk: polupropustljivo

12/8/2019 OIE - 2018/19 58

Komponente vetroturbine

LopaticeRotor-centar

KulaOsnova

12/8/2019 OIE - 2018/19 59

Zašto 2-3 lopatice?12/8/2019 OIE - 2018/19 60

Efekat brzine rotacije12/8/2019 OIE - 2018/19 61

Rotaciona brzina W vs. poluprečnik rotora r

12/8/2019 OIE - 2018/19 62

Kriva snage

12/8/2019 OIE - 2018/19 63

Snaga dobijena iz vetroturbine12/8/2019 OIE - 2018/19 64

Snaga dobijena iz vetroturbine12/8/2019 OIE - 2018/19 65

Kontrola vetroturbine

Kontrola ima dve osnovne svrhe:

◦U normalnim uslovima se mora voditi računa da snaga nikada ne predje nominalnu snagu, i

◦U off-desig uslovima bi trebalo da obezbedi dovodjenje sistema u sigurno stanje.

12/8/2019 OIE - 2018/19 66

Kontrola obrtnog momenta12/8/2019 OIE - 2018/19 67

Kontrola nagiba lopatica12/8/2019 OIE - 2018/19 68

Faktor kapaciteta - Cf

12/8/2019 OIE - 2018/19 69

Faktor kapaciteta - Cf

12/8/2019 OIE - 2018/19 70

Faktor kapaciteta - Cf

12/8/2019 OIE - 2018/19 71

Faktor kapaciteta - Cf

12/8/2019 OIE - 2018/19 72

Odredjivanje dobijene energije

12/8/2019 OIE - 2018/19 73

Šta nam je potrebno da izračunamo energiju?

Karakteristike vetra –funkcija gusine verovatnoće

Kriva snage

Faktor kapaciteta

12/8/2019 OIE - 2018/19 74

Šta nam je potrebno da izračunamo energiju?

12/8/2019 OIE - 2018/19 75

Odredjivanje proizvedene energije ako su nam poznate kriva snage vetroturbine i karakteristike vetra na lokaciji gde se instalira

12/8/2019 OIE - 2018/19 76

Odredjivanje proizvedene energije ako su nam nisu poznate karakteristike vetra

12/8/2019 OIE - 2018/19 77

Kako odrediti energiju koju proizvede farma vetroturbina?

12/8/2019 OIE - 2018/19 78

Wake efekat12/8/2019 OIE - 2018/19 79

Wake efekat12/8/2019 OIE - 2018/19 80

Wake efekat12/8/2019 OIE - 2018/19 81

Vrste vetroturbina

12/8/2019 OIE - 2018/19 82

Vrste vetroturbina

Horizontalna osa – HAWT◦ 1, 2, 3 lopatice: veća efikasnost◦ Dobar odnos brzine i obrtnog

momenta

Vertikalna osa – VAWT◦ Darrieus – lift force◦ Savonius – drag force

12/8/2019 OIE - 2018/19 83

Vrste vetrourbina12/8/2019 OIE - 2018/19 84

12/8/2019 OIE - 2018/19 85

12/8/2019 OIE - 2018/19 86

Podsistemi vetroturbina12/8/2019 OIE - 2018/19 87

12/8/2019 OIE - 2018/19 88

12/8/2019 OIE - 2018/19 89

12/8/2019 OIE - 2018/19 90

Temelj (osnova) i kulaEvolucija od nosača

12/8/2019 OIE - 2018/19 91

Temelj (osnova) i kulado monopolnih kula

12/8/2019 OIE - 2018/19 92

Temelj (osnova) i kulaRazličite realizacije offshore sistema

12/8/2019 OIE - 2018/19 93

Temelj (osnova) i kulaRazličite realizacije offshore sistema

12/8/2019 OIE - 2018/19 94

12/8/2019 OIE - 2018/19 95

12/8/2019 OIE - 2018/19 96

12/8/2019 OIE - 2018/19 97

12/8/2019 OIE - 2018/19 98

12/8/2019 OIE - 2018/19 99