Energija vjetra - MINGOoie.mingorp.hr/UserDocsImages/Vjetar prezentacija.pdf · Povijest...

Energija vjetraEnergija vjetraKorištenje energije vjetra za proizvodnju el. energijeProf.dr.sc. Zdenko ŠimićFER 2010.zdenko.simic@fer.hr

SadržajSadržajSadržajSadržaj

• Uvod

• Snaga i energija vjetra

• Električna snaga vjetroagregata

P i d l kt ič ij j t l kt i• Proizvedena električna energija u vjetroelektrani

• Posebnosti proizvodnje električne energije u• Posebnosti proizvodnje električne energije u

vjetroelektrani

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 22

Uvod: Povijest korištenja energije vjetraUvod: Povijest korištenja energije vjetraPovijest korištenja energije vjetraPovijest korištenja energije vjetra• jedrenje u Egiptu - prije 4500 g.• pumpanje vode u Indiji i• pumpanje vode u Indiji i

mljevenje žitarica u Kini - prije 2400 g.

f• Perzija, Afganistan, Europa i drugi sve do industrijske revolucije za pumpanje vode i mljevenje žitarica

• krajem 19. st. prve el. VE u Danskoj i SADDanskoj i SAD

• 1941. u SAD vjetroelektrana za proizvodnju el. en. snage 1 25 MW1,25 MW

• 1980-te u SAD• zadnjih 15 godina u Europi i šire

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetraZdenko Šimić - Energija vjetra 3

• zadnjih 15 godina u Europi i šire

Mlin na vjetar –Afghanistan (900 god )Mlin na vjetar –Afghanistan (900 god )

Vjetrenjače –Europa (srednji vijek)

Vjetrenjače –Europa (srednji vijek)Afghanistan (900. god.)Afghanistan (900. god.) Europa (srednji vijek)Europa (srednji vijek)

Wi d ill k d C d C i t

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra

Windmills kod Campo de Criptana,La Mancha (Španjolska)

Prvi vjetroagregati - Europa i SAD (kraj 19. st.)Prvi vjetroagregati - Europa i SAD (kraj 19. st.) Novi početak –

California 1985Novi početak –

California 1985California 1985.California 1985.

Boone, NC 2 MW Mod-1

SAD -Charles

Bush 1890

Altamonte Pass 4000 x 40 kW

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra

Danska - La Cour’s testni vjetroagregat 1897

Danas – energija vjetra dio rješenjaDanas – energija vjetra dio rješenja

10 10 x x 2,3 MW Bonus2,3 MW Bonus (Siemens)(Siemens) VAVAvisina stupa 61 m, dubina vode 15 mvisina stupa 61 m, dubina vode 15 m

41x1 MW Mitsubishi MWT-1000A, 55 m stup,29.5 m lopatice, Combine Hills projekt u NE Oregon

Energijske tehnologijehttp://www.samsohavvind.dk/windfarm/

Stanje do 2009.Stanje do 2009.jj

GWEC izvještaj “Global Wind 2009” nahttp://www.gwec.net/index.php?id=167

Kumulativno instaliranoGodišnje instalirano

Energijske tehnologije2010. 7

Energija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetra• energija mase zraka je

k d đ j t ć ši 2

2vmEk

kinetička:– masu zraka određuje gustoća, površina

kroz koju struji, brzina i vrijeme: m=Avt

• snaga vjetra:

2

tvAEk

2

3

• snaga vjetra:– derivacija energije po vremenu, dE/dt:

• gustoća zraka:

2

2

3vAPvjetra

• gustoća zraka:– ovisi o temperaturi, tlaku i vlažnosti– za standardne uvjete na moru

1 225 k / 3 (101 3 kP i 15 °C)

2

=1,225 kg/m3 (101,3 kPa i 15 °C)– moguće je koristiti standardnu gustoću uz

korekciju faktorom odstupanja (prosjeka) stvarnog tlaka i temperature:

vA

d=vttlaka i temperature:

– unutar uobičajenih promjena temperature i tlaka gustoća varira do 10%

b i k

3,101pcH

TcT

1,288

Energijske tehnologijeEnergija vjetra 8

• brzina zraka:– raste s visinom i vrlo je promjenjiva

T

Teorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraIskorištena snaga ovisi o brzini kojom vjetar

dolazi (v) i brzini kojom odlazi (w):dolazi (v) i brzini kojom odlazi (w):– posebno odvajamo masu jer ovisi o prosjeku brzina:

– neka omjer brzina w/v bude x

v w

j

22

2)(

2wvwvAP

23 1

2)1(

2xxvAP

pcvAP

3

2

21)1( xxc

cp

12

xcp

– za x= w/v=1/3 , cp ima maksimalnu vrijednost cp.max :

16/27 59 3%cp.Betz=16/27=59,3%

- stvarni stupanj djelovanja je uvijek manji od maksimalnog

Energijske tehnologijeEnergija vjetra 9

x

j j g

Električna snaga vjetroagregataElektrična snaga vjetroagregataSnaga vjetra proporcionalna je :

gustoći zraka• gustoći zraka• trećoj potenciji brzine vjetra

D bi i j t d đ j b i j t i Dobivena snaga iz vjetra određena je brzinom vjetra i karakteristikom vjetroagregata: el snagael. snaga

1. startna brzina2. promjenjiva snaga i

3Pb p j j g

efikasnost3. nazivna snaga

(promjenjiva efikasnost)2Pa

b

(promjenjiva efikasnost)4. maksimalna brzina

1 4

Pa

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 1010

brzina vjetrava vb

Ovisnost snage VA o brzini vjetraOvisnost snage VA o brzini vjetrag jg j• Svaki VA ima

karakteristiku snage ukarakteristiku snage u ovisnosti o brzini vjetra

• Karakteristika snage ovisi• Karakteristika snage ovisi o tehničkoj izvedbi – pasivna samoregulacija (stall)– aktivna regulacija (pitch)

Energijske tehnologije11

Koeficijent c ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent c ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent cp ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent cp ovisi o izvedbi vjetroagregata

Moderni VA sa tri lopatice

Energijske tehnologije12λ – omjer vršne linearne brzine lopatica i brzine vjetra

Energija vjetra – brzinaEnergija vjetra brzina

Vjetar je masa zraka u pokretu:• uzrokuje ga razlika tlakova

(rezultat razlike temperatura)( e u tat a e te pe atu a)• posljedica Sunčeve energije (1 do 2 %)

č j tj j t ij Z lj i k fi ij tl• značajan utjecaj rotacije Zemlje i konfiguracije tla

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 1313

Varijabilnost brzine vjetra u prostoruVarijabilnost brzine vjetra u prostoruj j pj j p

meteorologija 100 k

Kratkotrajne varijacije brzine vjetra na dvije lokacije mogu biti korisne za

vrsta tlatopografija

~ 10 km

~ 100 kmsmanjivanje ukupne varijabilnosti proizvedene energije.Primjer za dvije lokacije udaljene 90 m:

prepreke<< 1 km

~ 1 km

a[m

/s]

brzi

na

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 14

vrijeme [s]

Varijabilnost brzina vjetra u vremenu: satno dnevno mjesečnoVarijabilnost brzina vjetra u vremenu: satno dnevno mjesečno

3

4

5 Jan

satno, dnevno, mjesečnosatno, dnevno, mjesečno

10

12

14

(m/s

)

Wind Speed

0 6 12 18 240

1

2

Prikaz stvarnih mjerenja u Dubrovniku:

10W ind S pe e d

1 2 3 4 5 6 70

2

4

6

8

Win

d Sp

eed

(j j

4

6

8

d Sp

eed

(m/s

)

January

Jan Feb Mar A pr May Jun Jul A ug Sep Oc t Nov Dec0

2

4

Win

Wind Speed m/s

18

24Wind Speed

8.4

9.8

11.2

12.6

14.0m/s

6

12

Hou

r of D

ay

2.8

4.2

5.6

7.0

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 15

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0

Day of Year

0.0

1.4

Brzina vjetra prikazana statističkiBrzina vjetra prikazana statističkiBrzina vjetra prikazana statističkiBrzina vjetra prikazana statistički16

18Wind Speed PDF

kkk 1Weibull raspodjela

f(v) – funkcija gustoće vjerojatnosti pojavljivanja brzine v

10

12

14

uenc

y (%

)

kk

cv

cv

ckvf exp)(

1Weibull raspodjelac – faktor skale [m/s]k – faktor oblika

4

6

8

Freq

u

22

Rayleigh raspodjelaza k = 2 u Weibullovojfi – frekvencija brzine vi

0 2 4 6 8 10 12 140

2

Value (m/s)Wind speed data Best-f it Weibull (k=1.43, c=3.36 m/s)

1 4W in d S p e e d D u r a t io n C u r v e

2 exp2)(

cv

cvvf

1 0

1 2

)

Krivulja trajanja brzine vjetra

4

6

8

Valu

e (m

/s)

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 16

0 2 ,0 0 0 4 ,0 0 0 6 ,0 0 0 8 ,0 0 00

2

H o u r s E q u a le d o r E x c e e d e d

Brzina vjetra u ovisnosti o visiniBrzina vjetra u ovisnosti o visini

• Brzina se vjetrapovećava s visinompovećava s visinom– to ovisi o konfiguraciji

tla, temperaturi i tlaku– važno za procjenu

brzine na raznimbrzine na raznim visinama jer određuje snagu i naprezanje VA

• Jednostavan model Varijacija brzine vjetra [m/s] s visinom [m] ovisno o preko koeficijenta terena :– mirna voda i glatko i

j j j [ / ] [ ]dobu dana i godišnjem dobu (siječanj – crno i srpanj– crveno). (B. Sørensen: Renewable Energy).

4 4 / (16 k /h)g

tvrdo tlo: =0,10– visoka trava =0,15– šumovito =0,25

d l k

=0,4450

300

4,4 m/s (16 km/h)

4,4 m/s

Visina– grad s velikim zgradama =0,40

H

=0,28

=0,16

300

150

4,4 m/s

3,12,2

Visina

[m]

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 17

00 H

HvvH30

,,1,4

Srednje godišnje brzine vjetraSrednje godišnje brzine vjetra

• na 10 m visine

( )(1992-2001.)

• DHMZ

d 1 d >6 /• od 1 do >6 m/s

Zadatak:Kolika je brzine na 80 m visine za80 m visine za visoku travu na tlu i brzinu od 5 m/s?

15,0

80 10805

v

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 18

v80 = 6,8 m/s

Atlas vjetra i potencijal energijeAtlas vjetra i potencijal energijepotencijal energijepotencijal energije

Europa TWh/god.

kopno 500kopno 500

pučina 2000

potrošnja (1) 3000

Svijet TWh/god.

potencijal (2) 25000

t š j (1) 15000(1) Približno za 2003.

potrošnja (1) 15000 (2) Samo kopno.

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 19

Kako dobiti statistiku vjetra za lokaciju?Kako dobiti statistiku vjetra za lokaciju?

Problem: Rješenje:

podaci s ostalih l k ij

ostale lokacije ne odgovaraju

Problem: Rješenje:

koreliranje(tlo prepreke)

Korelacioni atlas vjetra

lokacija odgovaraju (tlo, prepreke) j

dva pristupa

k li j d i “Predviđanje lokalna mjerenja kratko vrijeme

(brzina, smjer i temperatura)

koreliranje s drugim lokacijama gdje je duže mjereno

Predviđanje koreliranjem

mjerenja”

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2020

p )mjerenja

Dostupnost dugoročnih podatakaDostupnost dugoročnih podataka

i l i t t j j b i j tgdje?

• nacionalni sustav meteo mjerenja brzine vjetra• posebne namjene (nautika, avijacija, poljoprivreda)• korištenje vjetra od ranih 80-ih

d ?• preciznost anemometara• pohrana i obrada podatakapouzdano?

reprezen

• pohrana i obrada podataka• konzistentnost i povijest lokacije

k t tlreprezen-tativno?

• prepreke, vrsta tla• primjena korekcija

korisno? • format podataka: samo godišnji prosjeci ili duge vremenske serije• dugotrajno mjerenje

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2121

• dugotrajno mjerenje

Procjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visine

Irska: na 50 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50, 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50, 75 i 100 m; 75x150 km

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 22

15

20

25

30

d Sp

eed

(m/s

)

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0

5

10Win

d

Power Curve

1,000

1,500

2,000

Pow

er (k

W)

Power Curve

1 500

0 5 10 15 20 250

500P

Wind Speed (m/s)

500

1,000

1,500

Pow

er (k

W)

16 Scaled data PDFJan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

0

50 Vestas V82 Power Output PDF

4

8

12

Freq

uenc

y (%

)

20

30

40

eque

ncy

(%)

Energijske tehnologije0 5 10 15 20 25 30 35

0

4F

Value (m/s)Wind speed data Best-f it Weibull (k=1.42, c=7.63 m/s)

0 500 1,000 1,500 2,0000

10

Fre

Value (kW)

Procjena proizvodnje ukupne godišnje električne energijeProcjena proizvodnje ukupne godišnje električne energijeelektrične energijeelektrične energijeWgod. – procijenjena godišnja proizvodnja el. en.

T 365 24 8760 h dfPTWmv

)()(Tgod. = 365·24 = 8760 h

r – raspoloživost (0,9 ili više)

vp vm – početna i maksimalna brzina vjetra

dvvfvPrTWpv

godgod )()(..

vp, vm početna i maksimalna brzina vjetra

P(v) – snaga VA pri brzini v

f(v) – funkcija gustoće vjerojatnosti pojavljivanja brzine v m

p

v

vgod dvvfvPrW )()(8760.

Za utjecaj tlaka i temperature treba uključiti

korekciju cH i cT.mv

Za diskretnu raspodjelu frekvencije brzine

vjetra kroz godinu:

m

pi

v

vviigod fPrW 8760.

fi – frekvencija brzine vi

ti – trajanje brzine vi

m

pi

v

vviigod tPrW .

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra

- broj diskretnih koraka određuje preciznost

24

pi

Procjena proizvodnje ukupne godišnje električne energije - primjerProcjena proizvodnje ukupne godišnje električne energije - primjerelektrične energije primjerelektrične energije primjer

W = W3-11 + W11-25 = t3-11·P3-11 + t11-25·P11-25 = 5954·0,543 + 2355·1,500 = 6766 [MWh]

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 25

Varijacija proizvodnje vjetroelektranaVarijacija proizvodnje vjetroelektranaSatne dnevne sezonske i godišnje varijacije brzine vjetra

80

90

100

Satne, dnevne, sezonske i godišnje varijacije brzine vjetra

80

90

Dnevne varijacije veće blizu obale i tijekom ljeta.

40

50

60

70

atna

sna

ga V

E(M

W)

40

50

60

70

80

naga

VE

(M

W)

0

10

20

30

1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721

Sa

0

10

20

30

40

Dne

vna

sn

LB

1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721

Sat (Listopad 2000)

90

100

)

LB

1 8 15 22 29

Dan (Listopad 2000)

50

60

70

80

o m

jese

cim

a (M

W)

Prosjek

Maksimum

10

20

30

40

Snag

a VE

po

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 26(www.windpower.org) LB

0

10

Utjecaj vjetroelektrane na EE sustavUtjecaj vjetroelektrane na EE sustav

ž dij l jiti velika varijabilnost

može se dijelom smanjiti npr. uključivanjem VE na širokom

d čjvarijabilnost području

mala predvidljivost

korištenje poboljšanih metoda predviđanja vjetra (vremena)

korištenje modernih VE s kontrolom upravljivost

jnagiba lopatica i varijabilnom brzinom

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2727

Zadatak 4. Proizvedena el. energija iz vjetraZadatak 4. Proizvedena el. energija iz vjetraProizvedena el. energija iz vjetraProizvedena el. energija iz vjetraOdrediti proizvedenu el. energiju VA

prema podatcima:prema podatcima:početna brzina vjetra vp = 4 m/s;

nazivna brzina vjetra vn = 10 m/s;

k d b i j 25 /maks. radna brzina vj. vmax = 25 m/s;

trajanje vjetra između vp i vn tp-n= 3000 h;

trajanje vjetra između vn i vmax tn= 1500 h;

Rješenje:W = Wp-n + Wn

(P t +P t )prosječna snaga do nazivne Pp-n = 0,4 MW;

nazivna snaga Pn = 1 MW;

raspoloživost r = 90%

= r(Pp-ntp-n +Pntn)

= 0,9(0,43000+11500)= 0,9(1200+1500) raspoloživost r 90%

W

( )= 0,92700= 2430 [MWh]

Za vježbu:Odrediti faktor opterećenja VA.Rj : 28 %

mv

tPrW

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2828

Rj.: 28 %

pi vv

iigod tPrW .

Tehnologija: veličineTehnologija: veličinemale

1 ~ 100 kWsrednje i velike

100 ~ 1500 kW(pučina )

> 1500 kW1 100 kW 100 1500 kW > 1500 kW

Daleka izolirana mjestaRaznolikost rješenja

Na mrežiSamostalne i u grupi1000 kW posve

Na pučini (stotine MW)Razvija se

pkomercijalne (velike serije)

Mikro Vrlo male Male Srednje Velike

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 2929

Mikro Vrlo male Male Srednje Velike1 10 100 750 [kW]1 10 100 750 [kW]

Tehnologija: osnovne komponenteTehnologija: osnovne komponente

Lopatice rotoraLopatice rotora

pozicioniranje(prijenos)generatorkontrolakućište

t jtoranj

temeljiHAWTHAWT temelji

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 30Energija vjetra 30

Lopatice, prijenos, generator i kontrolagenerator i kontrola

IndireIndirekkttnini pogon: pogon: asinkroni asinkroni ggeneratorenerator

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 31Energija vjetra 31DireDirekkttnini pogon:pogon:

sisinnkkronronii ggeneratorenerator

Vjetroelektrana(VE)

Vjetroelektrana(VE)(VE)(VE)

Energijske tehnologije

TrendoviTrendovi

• Jedinice od 2 MW i više sve važnije od 2002.Poboljšana efikasnost• Poboljšana efikasnost– Odabir lokacije– Bolja oprema

Airbus A380 ima raspon krila 80 m

j p– Porast efikasnosti

2-3% godišnje

• Stalni pad• Stalni pad cijene proizvedeneproizvedene energije– Cijena inst.

isnage varira:1100-1700 $/kW

Energijske tehnologije

Lokacije VE: efekt više VA u bliziniLokacije VE: efekt više VA u blizini

reduciranje brzine

Slabljenje vjetra turbine niz vjetar:• manje brzine: manje snage• veće turbulencije: više opterećenja

pov turbulencije

p j• veći broj VA u VE povećava gubitke

pov. turbulencije

• optimiranje pozicioniranja za snagu i trošenje (računalni programi za simulacije i mjerenje)k d i t j d 4 d 9 j

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 3434

• razmak u dominantnom smjeru od 4 do 9 promjera - gubitci od 5 do > 60%, za manji (2x2) ili veći (10x10) broj VA u VE

Priključak na mrežu i višak vjetraPriključak na mrežu i višak vjetraPriključak na mrežu i višak vjetraPriključak na mrežu i višak vjetra

• Odbacivanje energije iz vjetroelektrana za snagu koja prelazi j g j j g j popterećenje minus bazna proizvodnja

• Provodi se na nivou regionalne interkonekcije• Promjenjivo za sve periode

3000K i lj t j j t ć j

1000 MW nazivni kapacitet vjetra36% faktor opterećenja

• Promjenjivo za sve periode

2000

2500 Krivulja trajanja opterećenja

VišakI k i ti ij j t

36% faktor opterećenja

1000

1500MW

Višakvjetra

Iskoristiva energija vjetra

0

500 Elektrane koje moraju raditi cijelo

Konstantno opterećenje

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 35Energija vjetra 35

0 2000 4000 6000 8000 10000

sati

UkratkoUkratkoUkratkoUkratko

I k i ti iI k i ti i P d iđ j b iP d iđ j b i•• Iskoristiva snaga i Iskoristiva snaga i energija vjetra energija vjetra ograničena je teorijskiograničena je teorijski

•• Predviđanje brzine Predviđanje brzine vjetra važno za vjetra važno za planiranjeplaniranjeograničena je teorijski ograničena je teorijski

i praktičnoi praktično•• Pokraj velike brzinePokraj velike brzine

planiranje planiranje •• Vjetar isplativ na Vjetar isplativ na

najboljim lokacijamanajboljim lokacijamaPokraj velike brzine Pokraj velike brzine važna stalnost i pristup važna stalnost i pristup el. en. mrežiel. en. mreži

najboljim lokacijamanajboljim lokacijama•• Za korištenje važna Za korištenje važna

politika, planiranje i politika, planiranje i p , p jp , p jffinanciinanciranjeranje

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija vjetra 3636

Koliko je vjetroagregat visok?Koliko je vjetroagregat visok?j j g gj j g g

33 m

Energijske tehnologije

Empire Eiffel 1.5 MW 250 kW 100 kWState Tower FER VA VA VA 381 m 301 m C zgrada 109 m 65 m 43 m

Eksperimentalni mali vjetroagregat na FER-uEksperimentalni mali vjetroagregat na FER-u

đ

vjetroagregat na FER-uvjetroagregat na FER-u

• Mjerni uređaji:– Mali vjetroagregat (50 W)– Smjer vjetra– Horizontalna i vertikalna

brzina vjetrabrzina vjetra– Temperatura i vlažnost

• NamjenaNamjena– Karakteriziranje

• Energije vjetra u g j jurbanim uvjetima

• Malih vjetroagregata

Energijske tehnologije38

Zdenko Šimić - Energija vjetra