HCOIE osnove ENERGIJE VJETRA

HRVATSKI CENTAR OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE

Vjetar

je vodoravna komponenta strujanja zračnih masa nastala zbog razlike temperatura, odnosno prostorne razdiobe tlaka. Vjetar je posljedica Sunčevog zračenja, a na njegove značajke dobrim djelom utječu lokalni čimbenici.

Vjetar nad nekim područjem moľe biti posljedica primarnih strujanja zračnih masa zbog globalne raspodjele tlaka (godišnja doba) i putujućih cirkulacijskih sustava (ciklona i anticiklona). Time nastaju razni lokalni vjetrovi s različitim značajkama što ovisi o izgledu površine tla (ravnica, planine, doline, naselja, šume itd), njezinim značajkama (pješčana, kamena, vlaľna, vodena, snijeľna itd) i svojstvima zračnih masa koje su uključene u strujanje. Vjetrovi ne moraju biti rezultat sinoptičkog djelovanja, već mogu biti posljedica lokalnog termičkog djelovanja (obalna cirkulacija, strujanje obronka i dr).

Osnove pretvorbe energije u vjetroturbini
Pretvorba kinetičke energije vjetra u kinetičku energiju vrtnje vratila odvija se pomoću lopatica rotora vjetrene turbine ili vjetroturbine. Pri tome se rotor i električni generator nalaze na zajedničkom vratilu nalaze (točnije, između njih postoji odgovarajući prijenosnik). U generatoru dolazi do pretvorbe kinetičke energije vrtnje vratila u konačnu, električnu energiju pa se cijelo postrojenje često naziva i vjetrogeneratorom.
Jedna ili više vjetroturbina s pripadajućom opremom (generator, prijenosnik, kućište, stup, temelji, kućište, regulacija, trafostanica itd) čini vjetroelektranu.
Pri tome se pod nazivom vjetroelekrana podrazumijevaju postrojenja za dobivanje električne energije, dok se pod nazivom vjetrenjača podrazumijevaju postrojenja za dobivanje mehaničkog rada (npr. za mlinove, crpke za vodu).

VJETROTURBINE

Rotori vjetroturbina, mogu se podijeliti prema nekoliko osnovnih načela:

■prema aerodinamičkom djelovanju
■prema položaju vratila, odnosno osi vrtnje
■prema brzini vrtnje.
Prema aerodinamičkom djelovanju, rotori vjetroturbina mogu biti:

1.Rotori s otpornim djelovanjem osnivaju se na djelovanju sila otpora na lopatice rotora pri čemu se one okreću sporije od vjetra, što čak čak smanjuje ukupnu iskoristivost. Brzine vrtnje su pri tome male, a momenti na vratilu rotora razmjerno veliki. Najčešće se koriste u vjetrenjačama, za pogon mlinova ili crpki za vodu.
2.Rotori s uzgonskim djelovanjem osnivaju se na djelovanju sila uzgona na lopatice rotora, pri čemu je njihova linearna brzina nekoliko puta veća od brzine vjetra. Brzine vrtnje pri tome su velike, a momenti na vratilu rotora mali. Zbog većih brzina vrtnje (1000 do 1500 min-1) i veće aerodinamičke učinkovitosti u pravilu se koriste u suvremenim vjetroelektranama.
Prema položaju vratila, odnosno osi vrtnje, rotori vjetroturbina mogu biti:

1.Rotori s vodoravnom osi (npr. kao kod propelera) su danas mnogo češći u primjeni i u pravilu se koriste u suvremenim vjetroelektranama.
2.Rotori s okomitom osi su se, zapravo, počeli koristiti prvi, ali su do danas pomalo napušteni. Ipak, imaju brojne prednosti: ne ovise o smjeru vjetra, a teški dijelovi postrojenja mogu se smjestiti na samom tlu, no imaju i nekih, osobito pogonskih, nedostataka pa je njihova primjena za sada još ograničena (npr. na tom načelu rade anemometri).
Prema brzini vrtnje, rotori vjetroturbina mogu biti:

1.Rotori s promjenjivom brzinom vrtnje najčešće se koriste za pogon crpki za vodu i vjetroelektrana za potrebe punjenja baterija, dok su za primjenu u VE koje se spajaju na električnu mrežu zahtijevaju pretvornik frekvencije.
2.Rotori s konstantnom brzinom vrtnje vrlo su prikladni za primjenu u vjetroelektranama za potrebe elektroenergetskog sustava (mreže) jer se time omogućava primjena jednostavnih generatora čija je brzina vrtnje polova određena frekvencijom mreže.
Osnovni dijelovi vjetroturbine:

■rotor vjetroturbine
■vratila s prijenosnikom
■električni generator i ostali dijelovi električnog sustava (spoj na mrežu, nužno napajanje i sl)
■regulacijski sustavi (aerodinamičko i zračno kočenje, zakretanje kućišta, nadzor i komunikacije itd)
■stup
■temelj.


Rotor vjetroturbine sastoji se od odgovarajućeg broja lopatica spojenih na vratilo preko jedne ili više glavina (posebice kod rotora s okomitom osi). Za primjenu u vjetroelektranama 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 najučinkovitijima, postoje i dvokraki (čiji je stupanj djelovanja tek za 2 do 3% manji), a i jednokraki rotori (koji se moraju dodatno uravnotežavati).

Lopatica je dio na kojemu dolazi do pretvorbe kinetičke energije vjetra u kinetičku energiju vrtnje rotora. Broj i izvedba lopatica uvjetovani su ponajprije samom izvedbom rotora, odnosno turbine (s vodoravnom ili okomitom osi i sl) te brojnim drugim tehničkim i netehničkim čimbenicima. Primjerice, manji broj lopatica znači manje troškove proizvodnje, ali uzrokuje veće brzine vrtnje, a time i veću buku i eroziju ležajeva. Za primjenu kod vjetroturbina s vodoravnom osi najčešće se, zbog tehničkih, ali i estetskih razloga, najčešće koriste rotori s tri lopatice.

Glavina je dio rotora preko kojeg su lopatice kruto ili fleksibilno povezane s vratilom. Kod rotora s vodoravnom osi glavina je samo jedna, dok ih kod rotora s okomitom osi može biti više. U glavini se nalaze ležajevi zakretnih lopatica i sustav za zakretanje lopatica te priključci na instalacije (npr. za električne grijače na vrhu lopatice ili za hidraulički pogon zakretanja vrha lopatica i sl).

Dva su osnovna načina smještaja rotora (s vodoravnom osi) u odnosu na smjer strujanja zraka:

■sa zavjetrinske strane
■s privjetrinske strane.
Vratilo služi za prijenos okretnog momenta od glavine do električnog generatora. Na položaju njegove osi osniva se jedna od najvažnijih podjela vjetroturbina, odnosno njihovih rotora pri čemu vratila mogu biti s okomitom ili s vodoravnom osi. Pri tome se, zapravo, radi o dva vratila: sporohodnom i brzohodnom koja su međusobno povezana prijenosnikom (multiplikatorom).

Sporohodno vratilo je spojeno izravno na glavinu te preuzima okretni moment i cjelokupno radijalno i aksijalno opterećenje koje se preko ležajeva prenosi na nosivu konstrukciju: stup i temelj. Brzina vrtnje sporohodnog vratila uobičajeno je manja od 100 min-1.

Prijenosnik ili multiplikator se u pravilu izvodi kao zupčanički i služi za dovođenje brzine vrtnje rotora na vrijednost koju zahtijeva električni generator (> 1500 min-1), pri čemu su najčešći prijenosni omjeri od 1 : 30 do 1 : 50. Za prijenosnik je vrlo važno smanjiti vibracije od ležajeva i zupčanika na najmanju moguću mjeru. Uz njega se može nalaziti i spojka, kojom se prema potrebi prekida prijenos okretnog momenta.

Brzohodno vratilo služi za pogon električnog generatora i u pravilu ne prenosi opterećenje.

Električni generator služi za pretvaranje kinetičke energije vrtnje brzohodnog vratila u električnu energiju i predstavlja krajnji element pretvorbe energije u vjetroelektrani. Generatori koji se koriste u VE moraju imati posebnu konstrukciju jer se okretni momenti zbog promjene snage vjetra često mijenjaju. Za vjetroelektrane sa snagama većim od 150 kW u pravilu se koriste generatori izmjeničnog napona.


HRVATSKI CENTAR OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE ( HCOIE )