Vetrna elektrarna

Kaj je vetrna elektrarna?

Objavljeno: 18. 04. 2010, revizija 27. 01. 2012,  09-10-2012 in 14-10-2012, 06-05-2014 (vpliv infrazvoka na ljudi)
Andrej Lavrič

Vetrna elektrarna je energetski sistem, ki pretvarja kinetično energijo vetra v električno energijo. Je vir obnovljive in ekološko čiste energije. Kinetična energija vetra se na rotorju (vrtljivem delu) vetrnice pretvarja v rotacijsko kinetično energijo vetrnice, ta pa s pomočjo generatorja v električno energijo.

Kako izgleda elektrarna na kraškem polju
Vetrnica na Griškem polju pri Dolenji vasi

Vetrnice uporabljajo različne električne generatorje. V osnovi da generator na izhodu izmenično napetost, ki pa ni enake frekvence kot omrežna napetost (50Hz). Možna izvedba, ki se trenutno precej uporablja je asinhronski generator, kjer se stator napaja iz omrežja, rotor pa preko izmenično-enosmerno-izmeničnega pretvornika sinhronizira na omrežje.

Vetrne elektrarne so največkrat namenjene majhnim energetskim sistemom za obratovanje izven omrežja ali v omrežju. Velikost lopatic je v tem primeru majhna – običajno 1,3 m do 4,5 m. Nazivna moč majhne elektrarne je od 1 kW do 100 kW.

Največji vetrni sistemi so plantaže vetrnic, kjer ima posamezna vetrnica velikost lopatic tudi do 36 m ter nazivno moč 1,5 MW ali več. Stolpi so visoki tudi več kot 90 m.

Fizikalne osnove vetrne elektrarne

Zgradba vetrnice vetrne elektrarneZgradba vetrnice vetrne elektrarne


Kinetična energija vetra, ki ga zajame vetrnica je odvisna od gostote zraka, površine vetrnice in tretje potence hitrosti vetra. Kinetično energijo in moč vetra izpeljemo iz znanih enačb:

W_{k}=\frac{m\,v^{2}}{2}=\frac{\rho\,S\,v^{3}}{2}\,t

in

P_{vetra}=\frac{W_{k}}{t}=\frac{\rho\,S\,v^{3}}{2}

kjer je m masa zraka, S površina vetrnice, v hitrost vetra.

Pri tem smo vstavili:

m=\rho \,V=\rho \,S\,v\,t

Izračunati moramo še gostoto zraka. Spreminja se s tlakom in temperaturo. Izračunamo jo s pomočjo plinske enačbe:

\frac{p\,V}{T}=\frac{m}{M}\,R

kjer je:

m=\frac{\rho}{V}

Dobimo naslednji izraz za gostoto zraka:

\rho=\frac{p\,M}{R\,T}

Tu je tlak zraka p enak 1 bar,  M kilomolska masa zraka (29 kg/kmol), splošna plinska konstanta  (8310 J/kmol K), absolutna temperatura (283 K).

Dobimo:

\rho=1{,}23\,kg/m^{3}

Zgled

Za primer vzemimo majhno vetrnico z velikostjo lopatice r = 1,3 m in površino v smeri vetra 5,3 kvadratnega metra. Narišimo graf moči vetra v odvisnosti od hitrosti vetra. Moč narašča s tretjo potenco hitrosti vetra in znaša 88 W pri hitrosti vetra 3 m/s do 35 kW pri hitrosti vetra 22 m/s.

graf hitrosti in moči vetraGraf odvisnosti hitrosti vetra in moči vetra za podan primer

S pomočjo vrtenja lopatice okoli vzdolžne osi lahko spreminjamo moč, ki jo sprejema turbina od vetra. Največjo moč ima elektrarna pri hitrosti vetra približno 13 m/s. Z vrtenjem lopatic okoli vzdolžne osi (manjšanjem izkoristka pretvorbe) se ta moč vzdržuje do hitrosti vetra približno 22 m/s. Pri večji hitrosti vetra vetrnico izklopimo in s tem preprečimo njeno preobremenitev in poškodbo.

Izkoristek vetrnice

Energija, ki jo prejme vetrnica od vetra je enaka razliki med kinetično energijo vetra pred vetrnico in za vetrnico. Vetrnica ne more delovati s 100 % izkoristkom. V tem primeru bi bila hitrost vetra za vetrnico enaka nič – vetrnica bi se obnašala kot stena, ki odbija veter. Veter bi obšel vetrnico. Albert Betz je leta 1919 postavil zgornjo mejo izkoristka vetrnice, ki znaša 59%
(Betzova enačba ).

Betz pri izpeljavi idealnega izkoristka vetrne turbine upošteva:
– Vetrnica je tanka in ima neskončno lopatic
– Masni tok skozi vernico je kontanten
– Ni izmenjave toplote med vetrom in vetrnico

masni tok vetra
Masni tok vetra

Masni tok pred vetrnico je enak masnemu toku skozi vetrnico in za vetrnico:

\Phi_{m}=\frac{\Delta m}{\Delta t}

\Phi_{m1}=\Phi_{m}=\Phi_{m2}

Moč, ki jo odvzema vetrnica je enaka:

P=\frac{1}{2}\,\Phi_{m}(v_{1}^{2}-v_{2}^{2})=\frac{1}{2}\,\rho \,S\,v\,(v_{1}^{2}-v_{2}^{2})

v=\frac{v_{1}+v_{2}}{2}

P=\frac{1}{4}\,\rho \,S\,(v_{1}+v_{2})\,(v_{1}^{2}-v_{2}^{2})

Brez dokaza smo upoštevali, da je hitrost vetra na vetrnici enaka srednji hitrosti vetra pred in za vetrnico. Dobimo:

P=\frac{1}{4}\,\rho \,v_{1}^{3}(1-(\frac{v_{2}}{v_{1}})^{2}+\frac{v_{2}}{v_{1}}-(\frac{v_{2}}{v_{1}})^{3})

Razmerje hitrosti vetra za maksimalno moč vetrnice dobimo z odvajanjem zgornje enačbe:

\frac{dP}{d(\frac{v_{2}}{v_{1}})}=0\:\rightarrow \:\frac{v_{2}}{v_{1}}=\frac{1}{3}

Končni rezultat je:

P_{maks}=0{,}59\,P_{vetra}

Idealni izkoristek po Betzu je torej 59%. V praksi je odvisen od števila krakov vetrnice, razmerja obodne hitrosti vrtenja vetrnice in hitrosti vetra, oblike in naklona lopatic. V praksi dobimo izkoristek vetrnice 20% do 30% in to pri hitrosti vetra, ko deluje elektrarna pri nazivni moči.

Zgled:

Vzemimo vetrnico z velikostjo lopatic 34 m in nazivno močjo 2,2 MW pri hitrosti vetra 15 m/s. Kolikšen je izkoristek vetrnice glede na moč vetra?

\eta =\frac{P_{0}}{P_{vetra}}

Vstavimo moč vetrnice in moč vetra:

P_{0}=2,2\, MW

P_{vetra}=\frac{\rho\,\pi \,r^{2}\,v^{3}}{2}=7,5\,MW

\eta =\frac{2,2\,MW}{7,5\,MW}=0,29

Izkoristek je 29%.

Odvisnost izkoristka in izhodne moči od hitrosti vetra za elektrarno pri Dolenji vasi je podan v tabeli (tehnični podatki podjetja Enercon):

hitrost vetra (m/s)izkoristek (%)električna moč (kW)
100
2102
32718
43656
542127
646240
748400
850626
950892
10501223
11491590
12451900
13392080
14342230
15282300
16232310
20122310
2562310

Največji izkoristek vetrnice je torej pri moči, ki je približno dvakrat nižja od nazivne moči. Pri nazivni moči je izkoristek 28 %.

Razpoložljivost in energetska učinkovitost vetrnih elektrarn

Razpoložljivost elektrarn nam pove, kako zanesljivo lahko računamo na energijo elektrarne. Majhna razpoložljivost pomeni, da mora imeti energetski sistem 100% rezervo v drugih oblikah energije.

Vedeti moramo, da vetrna elektrarna doseže svojo nazivno moč komaj pri hitrosti vetra 16m/s – 58 km/h, pri hitrosti vetra 4 m/s – 14 km/h se priklopi na omrežje, pri hitrosti vetra 25 m/s – 90 km/h pa se izključi (podatki so okvirni).

Razpoložljivost je odstotek časa, ko daje elektrarna energijo v omrežje. To je verjetnost, da bo hitrost vetra nekje med 4 in 25 m/s in da elektrarna ne bo v okvari ali remontu.

Razpoložljivost vetrnih elektrarn je približno 15 do 20% (Ref.2). Za primerjevo: pri jedrski elektrarni je razpoložljivost približno 92%. Zaradi nizke razpoložljivosti pri načrtovanju energetskih sistemov ne moremo računati na vetrno energijo. Zaradi vetrnih elektrarn ne bo skupna potrebna zmogljivost ostalih energetskih objektov nič manjša. Višek energije vetrne elektrarne lahko skladiščimo v višinskih vodnih akumulacijah črpalnih elektrarn (v kolikor obstajajo) ali pa jo takoj prodamo na prostem trgu.

Drugi pojem je energetska učinkovitost elektrarn. Pove  nam, koliko električne energije bo dala v omrežje na leto glede na vgrajeno moč. Tudi, ko elektrarna obratuje, je moč, ki jo oddaja v omrežje odvisna od hitrosti vetra. Pri računanju pričakovane proizvodnje energije in časa vračanja investicije moramo imeti natančne podatke za hitrost vetra na področju, kjer želimo zgraditi elektrarno. Pri tem ni dovolj, da poznamo samo srednjo hitrosti vetra, pač pa moramo poznati tudi njeno statistična porazdelitev ali pa z  meritvijo dokazati, da je to ena od znanih porazdelitev – npr. Rayleighovo porazdelitev.

Nasledni problem je, da  stohastična narava vetra lahko privede  do nestabilnosti omrežja. To se kaže v nihanju napetosti, nesinusne oblike napetosti (višje harmonike) in utripanju napetosti. Ogrožena je lahko tudi omrežna zaščita, saj naključno prehaja energija iz distributivnega v prenosno omrežje.

Ocena okoljskega vpliva

Okoljski odtis (Ref. 2) nam pove, kolikšna je povprečno električna moč pridobljena na kvadratnem metru zemljišča. Pri tem upoštevamo celotno kvadraturo, do koder seže okoljski vpliv. Pri vetrnici je to vizualna motnja v okolju in hrup.

Vetrna elektrarna ima okoljski odtis 1,2 W na kvadratni meter. Za primerjavo:  okoljski odtis sončne elektrarne je 6 W na kvadratni meter, nuklearke 56 W na kvadratni meter, elektrarna na biomaso le 0,4 W na kvadratni meter. Okoljski odtis vetrne elektrarne je relativno velik, kar pomeni, da pridobivamo na veliki kvadraturi relativno malo energije.

 

Vpliv na okolico je večplatsten. Če se omejimo na okoljski vpliv že postavljene elektrarne je to zlasti:

– vizualno onesnaževanje akolice (npr. kraškega področja)

– hrup, ki moti okoliške prebivalce in živali, zlasi ptiče. Hrup vetrnic je nizkofrekvenčen in se zato lahko razširja zelo daleč.

Slabljenje nizkofrekvenčnega akustičnega valovanja je relativno majhno. Znano je, da nizkofrekvenčno akustično valovanje povzroča slabost (kot morska bolezen – zibanje ladje na morju).

Posledice nizkofrekvenčnega hrupa (infrazvoka) že čutijo okoliški prebivalci v Dolenji vasi. – dodano 06/05/2014.

Časovni diagram hrupa vetrnice
Časovni diagram hrupa, ki ga povzroča vetrnica

Kaj pa cena?

Cenovno so bolj ekonomični veliki sistemi, vendar so v ekološkem smislu zanimivi tudi sistemi majhne moči. Cene se gibljejo med 1800 € in 3700 €/kW za velike sisteme in med 3700 € in 5000 €/kW za majhne sisteme.

 

Literatura:

1. Hribernik Aleš: Obnovljivi viri energije. Maribor : Založništvo Fakultete za strojništvo,2010.

2. Rafael Mihalič: »Zelena« energija – bližnjica k energetski neodvisnosti ali slepa ulica?, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko,  ELEKTROTEHNIŠKI VESTNIK 78(5): 245-256, 2011

Povezave na druge spletne strani v samem članku.

Andrej Lavrič

 

  • admin

    V začetku oktobra sem si v živo ogledal vetrnico pri Dolenji vasi. V članek sem dodal fotografije in na osnovi javnih podatkov ocenil njen izkoristek.

O učenju

I cannot teach anybody anything, I can only make them think.

Socrates

Inštrukcije fizike

Pokličite GSM: 041 412 998 Inštrukcije fizike 

Priporočila na spletu

Facebook stran