TEMA BROJA

Pripremio:prof. dr Marko Popović

ENERGIJA
Energija vetra
Snaga pokretnog vazduha

Vetroenergetika pretvara kinetičku energiju kojom raspolaže vetar u korisnije oblike energije kao sto su mehanička i električna. Vetroenergetika ne zagađuje i neograničena je jer se obnavlja. Ona ne koristi gorivo, ne proizvodi gasove staklene bašte, od nje nema otrovnog ili radioaktivnog otpada

Prof. dr Marko Popović, naš vodeći stručnjak u vetroenergetici

Energija vetra je kinetička energija koju poseduje vazduh koji struji. Količina energije uglavnom zavisi od brzine vetra, ali je takođe u manjoj meri zavisna od gustine vazuha, na koju utiču temperatura i pritisak vazduha i visina. Kod vetrogeneratora, snaga izlazne energije dramatično raste sa porastom brzine vetra. Zbog toga je većina najisplativijih vetrogeneratora locirana u vetrovitim oblastima. Na brzinu vetra utiče konfiguracija terena pa se zbog toga vetrogeneratori podižu na visokim tornjevima.

Vetrogeneratori proizvode obično 40% od nominalne snage, ali pri optimalnim vetrovima taj procenat se može popeti i do 60%.

Vetar je vazduh u kretanju. To kretanje je uslovljeno neravnomernim zagrevanjem Zemljine površine od strane Sunca. Pošto površinu Zemlje čine veoma različiti tipovi zemljišta i voda, oni na različite načine absorbuju Sunčevu toplotu. Tokom dana, vazduh iznad tla se mnogo brže zagreva nego vazduh iznad vode. Topao vazduh iznad tla se širi i podiže, a teži, hladan vazduh dolazi na njegovo mesto stvarajući vetar. Noću, vetar je obrnut zato što se vazduh iznad tla brže hladi od vazduha iznad vode.

Na isti način, snažni atmosferski vetrovi koji kruže oko Zemlje nastaju usled toga što se tlo u blizini ekvatora više greje nego tlo u blizini severnog i južnog pola. Dakle, energija vetra je samo drugi oblik energije Sunca. Računa se da se nešto manje od 3% energije Sunca koja padne na Zemlju pretvori u vetar.

Brzina vetra meri se anemometrom ili anemografom. U dosadašnjoj meteorološkoj praksi, najčešće se koristi Fusov anemograf, koji meri pravac, srednju i trenutnu brzinu vetra. Sve tri veličine se registruju neprekidno na anemografskoj traci. Detektorski deo anemografa obično se nalazi 10 m iznad tla, na stubu u krugu meteorološke stanice. U novije vreme, merenja podataka o vetru vrše se pomoću digitalnih uređaja za prikupljanje podataka jer standardni meteorološki podaci nisu dovoljno dobri za primenu u vetroenergetici.

Veoma je interesantan, pored pomenutih osnovnih veličina, i parametar koji definiše vetar, a to su udari vetra. Udar vetra je brzina vetra u trajanju od nekoliko sekundi. U Srbiji je dobro poznat severoistočni vetar, košava koji ima česte udare velikog intenziteta. Recimo, kada je srednja brzina deset metara u sekundi, udari dostižu i duplo veću vrednost. Pravac ostaje isti i pri tim udarima.

Istorija korišćenja vetra

Pre više od pet hiljada godina, Egipćani su koristili vetar za pokretanje brodova na reci Nil. Kasnije su napravljeni mlinovi za mlevenje pšenice i drugog zrnevlja. Najstariji poznati su u Persiji ( Iranu ). Ti mlinovi su imali lopatice koje su izgledale kao velika okrugla vesla. Persijanci su koristili energiju vetra i za pumpanje vode.

Od starih Egipćana pa do otkrića parne mašine, vetar se koristi za pokretanja jedrenjaka. Čak i sada, jedrilice paraju morima i rekama koristeci vetar.

Više vekova kasnije Holanđani su poboljšali osnovnu konstrukciju vetrenjača, uvodeći krila u obliku elise i koristeći na njima zategnuto platno. Oni su koristili vetrenjače za mlevenje i ispumpavanje vode pri osvajanju zemlje niže od nivoa mora.

Kolonisti u Americi su koristili vetrenjače za mlevenje žita, za vađenje vode iz dubokih bunara, ali i za sečenje drva u strugarama. Oko 1920. Amerikanci koriste male vetrenjače i kao generatore električne struje. U isto vreme se na Krimu, na obali Crnog mora, podiže prvi višekilovatni vetrogenerator u Evropi.

Sporadična korišćenja vetrenjača, za razne namene, nastavljaju se sve do velike energetske krize, sedamdesetih godina prošlog veka. Tada je svest o nedostatku nafte promenila energetsku sliku sveta i naglo povećala interes za alternativne energetske izvore. To otvara put ponovog ulaska, na velika vrata, vetrenjača kao generatora električne energije.

Krajem avgusta 1985, tokom Svetske konferencije o vetroenergetici u San Francisku, na obližnjoj lokaciji Altamont Pas održana je svečanost prilikom koje je struja iz vetrogeneratora dostigla vrednost energije iz milion barela nafte. To je jedna od tri najveće lokacije vetrogeneratora u to vreme. Tih godina i u Evropi se krenulo u osvajanje vetroenergetskih tehnologija. Dosta su na tome radili Nemci, Italijani i Španci. Međutim, najbolje elise su i dalje proizvodili Holanđani, a generatore Danci. U to vreme, danski izvoz u SAD je naglo rastao. Recimo, 1981. izvezli su 21 vetrogenerator, 1983. već 356, a dve godine kasnije 3100 vetrogeneratora ! Interesantno je da je jedna od vodecih danskih firmi koristila asinhrone motore koje je proizvodio „ Sever “ iz Subotice i ugrađivala ih u svoj finalni proizvod koji je pretezno izvožen u SAD.

Šta je vetrogenerator ( WEG )?

Vetroturbina je mašina za konverziju kinetičke energije vetra u mehaničku energiju. Ako se mehanička energija koristi direktno u mašinama kao što su pumpe ili mašine za mlevenje žitarica, reč je mlinovima na vetar. Ako se mehanička energija pretvara u električnu, reč je vetrogeneratorima.

Vetroturbine se mogu podeliti na dva tipa, po osnovu položaja ose oko koje se turbina okreće. Najčešće se koriste horizontalne turbine. Danas su najrasprostranjeniji vetrogeneratori sa elisom od tri krila, snage od 1 kw do 6 Mw. Kod ovih vetrogeneratora se prenosni sistem - reduktor i sam električni generator nalaze na vrhu nosećeg tornja. Cela konstrukcija se, pomoću senzora pravca vetra i servomotora, pokreće tako da je elisa uvek okrenuta normalno na pravac duvanja vetra. Najsloženiji deo je menjačka kutija koja pretvara lagano i neujednačeno kretanje elise u brze okrete generatora stalne učestanosti.

Korišćenje u svetu

U periodu od 1993. do 2001. srednji godišnji rast vetroenergetskih kapaciteta iznosio je 28,56%, a u poslednjih pet godina registrovan je priraštaj novih kapaciteta od 36% godišnje. U periodu od 1999. do 2005. instalisana snaga se više nego učetvorostručila.

Više desetina hiljada vetrogeneratora su u radu, a trenutno ( na dan 20. decembra 2006) instalirani kapaciteti iznose 58.982 MW, od kojih na Evropu otpada 69%. Najviše je instalacija u Nemačkoj. Tamo je 2004. bilo instalisano 16.629 MW da bi danas naraslo na 19.267 MW. U Španiji je 2004. bilo 8.263 MW, a sada je 10.941 MW, u Velikoj Britaniji je 2004. bilo 888 MW da bi sada skočilo na 1.953 MW. Najveći skok zabeležen je u Francuskoj - sa 386 MW u 2004. sada je poraslo na 1500 MW, a u Portugalu sa 522 MW na 1.188 MW u istom periodu. Od istočnoevropskih zemalja veliki rast je u Poljskoj - od 63 MW na 107 MW, od 2004. do sada. Ne zaostaje ni Litvanija, koja ima preko 80 MW instaliranih kapaciteta.

SAD, posle početnog liderstva tokom osamdesetih, ukidanjem „ tax free “ stimulacije devedesetih, gube primat, da bi poslednjih godina beležili sistematski oporavak. Dok su 2004. imali instaliranih 6.725 MW, sada imaju 10.492 MW, s tim što se dinamični rast iz Kalifornije seli u Teksas, Severnu Dakotu, a i na istočnu obalu. Od azijskih zemalja vodeća je Indija sa 5.340 MW, sledi Kina sa 1260 MW, Japan sa preko 1000 MW, Tajvan i Južna Koreja imaju po preko 120 KW... Od afričkih zemalja, najviše je napredovao Maroko sa 64 MW, a u Južnoj Americi programi tek počinju da se razvijaju tako da Brazil od 24 MW u 2004. sada ima 79 MW instaliranih vetrogeneratora.

Vetrovi i struja u Srbiji

Zbog stalne energetske krize u Srbiji, vetroenergetika se pokazuje kao idealan novi kapacitet ; ima veoma kratak period investicione izgradnje, sezonska vršna proizvodnja poklapa se sa sezonskom vršnom potrošnjom i proizvodi se struja uz minimalno narušavanje životne sredine. Sredinom osamdesetih, bilo je više istraživačkih projekata u oblasti novih i obnovljivih izvora energije. Među njima i vetroenergetike. Septembra 1987, na savetovanju o proizvodnji električne energije u okviru strategije razvoja energetike, dosta pažnje bilo je posvećeno alternativnim izvorima. Poznato je da su u našoj zemlji potencionalni lokaliteti za razvoj vetroenergetike planinski venci istočne Srbije, Vojvodina, planinske zaravni u centralnoj Srbiji i doline Dunava, Save i Morave. Trenutno se vrše sistematska merenja vetroenergetskih potencijala na više lokacija u Vojvodini, na desnim obalama Save i Dunava, a najdalje se otišlo u merenjima na Vlasini. Na izabranim lokacijama, više od godinu dana, vrše se sistematska ispitivanja a proučena je i mogućnost akumulacije električne energije preko reverzibilne hidroelektrane.

Merenja na Vlasini

Na slici se vidi da je u junu, kada je period slabijih vetrova, u prva dva dana srednja vrednost brzine 12 m / s, da je od 3. do 18. juna srednja vrednost brzina iznosila 4 m / s, a u periodu od 18. do 30. juna 2005. prosečna brzina je bila 8 m / s, što je veoma pogodno za korišćenje.

Rezultati urađenih studija ukazuju da je vetar u Srbiji dobar resurs za proizvodnju električne energije. Po važećim kriterijumima za ekonomičnu eksploataciju, može se eksploatisati na velikoj površini. Pri sadašnjem stepenu razvoja tehnologije, moguće je instaliranje vetrogeneratora ukupnog kapaciteta do 1500 MW, što je oko 15% ukupnog energetskog kapaciteta Srbije. Ovi kapaciteti, uz pretpostavku niskog stepena iskorišćenja, mogu da proizvedu 2,4 TWh električne energije godišnje.

Izbor lokacije

U primorskim zemljama, uz obalu ili na planinskim prevojima uz more, stalno duvaju vetrovi pa izbor lokacije nije težak. U kontinentalnim zemljama, posebno u planinskim oblastima, na samo stotinak metara, smenjuju se zavetrine i brisani prostori, gde vetar snažno duva. Naši meteorolozi razvili su u svetu priznat metod modeliranja vazdušnih strujanja, pre svega radi tačnijih vremenskih prognoza. Međutim, modeliranje je našlo primenu i u vetroenergetici. Pomoću modela grubo su predviđene oblasti u Srbiji interesantne za vetroenergetiku. Za njih se izrađuje numerički model uz utvrdjivanje uticaja svih prepreka i određuje se merno mesto jednog ili više mernih stubova. Merni stub visine 50 m ili viši postavlja se na izabrano mesto i vrše se merenja duga više meseci ako se ona mogu korelisati sa podacima okolnih meteoroloških stanica, odnosno najmanje 18 meseci do dve godine, ako to nije moguće.

Merni stub

Stub visine 50 m košta nešto manje od 5000 eur. Opremljen je sa 4 kalibrisana merače brzine vetra, od kojih se dva postavljaju na vrhu, jedan na 40 m, a jedan na 30 m. Za tri pokazivača pravca vetra, senzor relativne vlažnosti, temperaturni senzor, uređaj za prikupljanje, primarnu obradu i skladištenje podataka, potrebne elektične i kablove za zatezanje stuba treba izdvojiti još toliko. Znači, za opremanje jednog mernog mesta treba uložiti nešto manje od 10.000 eur, ne računajući troškove transporta i postavljanja stuba.

Cena energije

Cena električne energije dobijene od vetra uporediva je sa cenom električne energije dobijene iz fosilnih goriva. Međutim, cena električne energije u Srbiji je veoma niska. Recimo, u Italiji ona iznosi 141 eur / MWh, u Portugaliji i Nemačkoj 128 eur, u većini evropskih zemalja između 84 i 91 eur, u Hrvatskoj 73 eur, a u Srbiji je nešto manja od 38 eur / MWh.

Prednosti i mane vetrogeneratora

Prednosti: vetar je slobodan i obnovljiv izvor i farme vetrogeneratora ne troše nikakvo gorivo, pri proizvodnji struje vetrogeneratorima nema nikakvih otpadaka niti se stvaraju gasovi staklene bašte, zauzete površine ovim uređajima mogu se normalno koristiti u poljoprivredi, vetroenergetske farme predstavljaju i turističku atrakciju, vetrogeneratori su dobar način da se od mreže udaljeni potrošači snabdevaju električnom energijom.

Mane: vetar je neujednačen i nema ga uvek pa tada vetrogeneratori ili ne rade ili daju manju snagu, najpogodnija mesta su obično na obalama mora i reka ili u planinama, pa je u prvom slučaju zakup zemlje skup, a u drugom je povećano ulaganje u izgradnju. Ima ljudi koji smatraju da pokrivanje terena vetrenjačama narušava izgled predela, mogu da predstavljaju opasnost za ptice, posebno ako su podignuti na pravcima njihovih seoba, rad vetrogeneratora može da ometa prijem televizijskog signala, vetrogeneratori proizvode stalan, slab i neprijatan šum.

Rad

Na snagu vetra utiču: hrapavost tla, prirodne ili veštačke prepreke i orografija. Rad vetrogeneratora može biti bitno uvećan ukoliko se WEG locira izmedju dve prepreke ili dve planinske padine ( tunel efekat ). Povećanja brzine mogu da budu i preko 30% u odnosu na okolinu. Jedan od uobičajenih lociranja WEG je na vrhovima brda gde se povećavaju gustina i brzina vazduha koji struji.

Efikasnost rada zavisi od srednje brzine vetra i učestanosti. Usled diskontinuirane prirode vetra, stepen iskorišćenja kapaciteta WEG je niži nego kod konvencionalnih elektrana i krece se između 20 i 40% u odnosu na instaliranu snagu. Vetar jako varira, pri čemu se promene brzine javljaju i usled ovog ili onog godišnjeg doba. U našim uslovima vetrovi su najjači zimi, kada je najveća potrošnja električne energije, pa WEG mogu da služe kao vršni kapaciteti.

Značajni parametri za proizvodnju električne energije su: brzina vetra, opredeljujući pravac, učestanost brzina, učestanost tišine, gustina vazduha. Tipična varijacija vetra obično se opisuje Weibull - ovom distribucijom. Sabiranjem svake brzine pomnožene sa verovatnoćom njenog pojavljivanja dobija se srednja brzinu u posmatranom periodu.

prof. dr Marko Popović