KORISNOST VJETROENERGIJE - eduidea.org · Dinamo pokreće snaga sušila za kosu, koje u ovome slučaju predstavlja vjetar, te nastaje električna energija. Mjerimo napon i jakost

Karla Srnec

Željka Toplek

Mentor: Karmena Vadlja-Rešetar, prof.

[email protected]

KORISNOST VJETROENERGIJE

Čakovec

11.02.2013.

Gimnazija Josipa Slavenskog Čakovec

Vladimira Nazora 34

40 000 Čakovec

Korisnost vjetroenergije

2

Sažetak

Vjetroenergija je obnovljiv izvor energije koji ne zagađuje okoliš. Čovječanstvo

stoljećima koristi snagu vjetra za ispumpavanje vode ili mrvljenje žita dok ju danas koristimo

za dobivanje električne energije u vjetroelektranama.

U posljednje vrijeme sve smo svjesniji činjenice da svojim načinom života izazivamo

velike promjene Zemljinog eko sustava. Te promjene, s obzirom da smo dio tog sustava,

utječu i na nas. Iz tog razloga sve se više budi svijest ljudi o potrebi za velikim promjenama

vezanim uz način dobivanja energije te smo odlučile napraviti istraživanje o dobivanju

električne energije obnovljivim izvorom energije - vjetrom. Cilj istraživanja je utvrditi

korisnost vjetroenergije. Ona je u sklopu obnovljivih izvora aktualna tema te nas je

zainteresirala da se više informiramo te provedemo istraživanje.

Kako bismo testirali korisnosti vjetroenergije potrebno nam je sušilo za kosu ispred

kojeg postavimo dinamo s lopaticama. Na ravnu površinu postavimo dinamo, a na određenoj

udaljenosti postavimo sušilo za kosu te pod različitim kutovima djelujemo na dinamo.

Dinamo pokreće snaga sušila za kosu, koje u ovome slučaju predstavlja vjetar, te nastaje

električna energija. Mjerimo napon i jakost struje kako bismo kasnije izračunali korisnost.

Parametar koji mijenjamo jest uložena snaga, tj. snaga kojom sušilo za kosu emitira vjetar,

razlika u udaljenosti sušila za kosu i dinama, kut djelovanja vjetra, te utjecaj prepreka na

korisnost.

Cilj nam je utvrditi uvjete pri kojima je korisnost vjetroenergije najveća za dobivanje

električne energije. Mijenjanjem parametara mijenja se i korisnost vjetroenergije. Hipoteze

koje smo postavile prije provođenja pokusa bile su slijedeće: djelovanjem sušila za kosu veće

snage korisnost će biti veća, udaljavanjem dinama od izvora snaga će biti manja, povećanjem

kuta smanjuje se korisnost, te prepreke iza lopatica također smanjuju dobivenu snagu.

Nakon provedenog istraživanja možemo vidjeti da se većina naših pretpostavki

pokazala točnima. Dakle, korisnost je najveća kada je strujanje zraka horizontalno, a prepreke

iza lopatica udaljene su dovoljno da je turbulencija nezamjetna. Ako se prepreka nalazi

neposredno iza lopatica, dolazi do vrlo jake turbulencije te se one uopće ne okreću. Kako

udaljujemo prepreku turbulencija je sve slabija. Povećanjem kuta smanjuje se korisnost zbog

toga što na lopatice djeluje samo horizontalna komponenta brzine.


3

Sadržaj:

1. Uvod .................................................................................................................... 4

1.1. Vjetroturbine............................................................................................... 4

1.2. Budućnost obnovljivih izvora energije......................................................... 7

1.3. Zračne struje.................................................................................................. 7

1.4. Jednadžba kontinuiteta.................................................................................. 8

1.5. Bernoullijeva jednadžba................................................................................ 9

2. Mjerenja

2.1. Cilj rada....................................................................................................... 13

2.2. Pribor............................................................................................................ 13

2.3. Opis rada....................................................................................................... 13

2.3.1. Ovisnost snage o kutu djelovanja i udaljenosti dinama od izvora.... 15

2.3.2. Ovisnost snage o udaljenosti prepreke iza dinama........................... 15

2.3.3. Izračun snage i korisnosti................................................................. 16

3. Rezultati.............................................................................................................. 18

3.4.1. Ovisnost snage o kutu djelovanja i udaljenosti dinama od izvora.... 18

3.4.2. Ovisnost snage o horizontalnoj komponenti brzine vjetra............... 18

3.4.3. Ovisnost snage o udaljenosti prepreke iza dinama........................... 19

4. Rasprava.............................................................................................................. 21

4.1. Ovisnost korisnosti o uloženoj snazi................................................. 21

4.2. Ovisnost korisnosti o udaljenosti izvora od dinama.......... 22

4.3. Ovisnost korisnosti o kutu strujanja zraka......................... 22

4.4. Ovisnost korisnosti o udaljenosti prepreke....................... 22

5. Zaključak............................................................................................................ 24

6. Literatura............................................................................................................ 25


4

1. Uvod

1.1.Vjetroturbine

Vjetroturbine, tj. vjetrenjače su sustavi za iskorištavanje energije vjetra, čiju energiju

pretvaraju u rotaciono ili pravocrtno gibanje, koja se poslije može iskoristiti ili za pokretanje

uređaja poput mlinova i pumpa, za što su se koristile kroz povijest, ili za pokretanje

generatora električne energije i proizvodnju električne struje, za što se danas najviše i koriste.

Spadaju u rotacijske strojeve na strujanje jer njihov rotor u kojem dolazi do pretvorbe energije

obavlja rotacijsko gibanje. One su izložene kinetičkoj energiji vjetra koju pretvaraju u neki

drugi oblik energije.

Vjetroturbine mogu raditi na principu otpornog djelovanja, na principu potiska ili

kombiniranjem ovih dvaju principa. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja

imaju manju iskoristivost od vjetrenjača koje rade na principu potiska, pa se zbog toga danas

pretežito koriste vjetroturbine koje rade na principu potiska ili koje rade na principu

kombiniranja otpornog djelovanja i potiska.

Vjetroturbine se mogu podijeliti prema položaju osi vrtnje. Uobičajene imaju

horizontalno postavljenu os vrtnje. Mogu imati i vertikalnu os vrtnje međutim one su manje

poznate i danas se manje upotrebljavaju.

Vjetroturbina sa horizontalnom osi vrtnje sastoji se od slijedećih dijelova:

1. temelj

2. priključak na elektroenergetski sustav

3. stup

4. ljestve za pristup

5. zakretnik

6. kućište stroja

7. električni generator

8. anemometar

9. kočioni sustav

10. prijenosnik snage

11. lopatice rotora

12. sustav zakretanja lopatica

13. rotor

Slika 1.1. prikazuje dijelove vjetroagregata

http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Wind_turb


5

Lopatice koje zahvaćaju vjetar moraju biti usmjerene na njega. Generator koji služi za

pretvorbu mehaničke energije u električnu se obično nalazi na vrhu stupa zajedno sa

multiplikatorom kojim povećavamo brzinu vrtnje ukoliko je brzina vrtnje lopatica premala da

bi se proizvela električna energija. Stupovi su vrlo visoki da bi lopatice mogle zahvatiti

vjetrove koji su brži na većoj visini. One moraju imati mogućnost zakretanja trupa zbog

različitih smjerova vjetra. Lopatice se mogu nalaziti iza te ispred stupa, a prednost lopatica iza

stupa je to što jače podnose vjetrove zbog mogućnosti savijanja lopatica bez opasnosti da će

se dodirnuti stup.

Broj lopatica rotora kod horizontalnih vjetroturbina ima utjecaj na njihove

karakteristike. Ako usporedimo vjetroturbinu sa dvije lopatice i tri lopatice, ona sa dvije treba

veću brzinu vrtnje da bi dobili jednaku količinu energije. Vjetroturbina s jednom lopaticom se

nije pokazala dobrom zbog velike buke i potrebe za protu-utegom na suprotnoj strani lopatice.

Slika 1.2. Izvedba sa stupom ispred i stupom iza lopatica


6

„Američka“ vjetroturbina se često koriste na farmama za pogon pumpi za vodu. Brzina

vrtnje je mala unatoč tome što ima još više lopatica od prije navedenih.

Vjetroturbina s vertikalnom osi vrtnje ima prednost u odnosu na horizontalnu što se

ne treba usmjeravati u smjeru vjetra. Primjer vjetroturbine s vertikalnom osi jest Darrieusova

vjetroturbina kod koje su lopatice aerodinamičnog profila raspoređene oko rotirajućeg

središta.

Slika 1.3. „Američka“ vjetroturbina

Slika 1.4. Darrieusova vjetroturbina


7

1.2. Budućnost obnovljivih izvora energije

U posljednjih nekoliko desetljeća obnovljivi izvori imaju sve veću ulogu u svjetskoj

proizvodnji energije. Neki od njih poznati su i koriste se još od davnina (npr. energija vjetra u

vjetrenjačama ili energija vode u vodenicama).

S druge strane danas su od obnovljivih izvora energije popularniji oni neobnovljivi

kao što su nafta, ugljen čija je cijena sve veća i veća. Čovjek zbog prevelikog iskorištavanja

fosilnih goriva nepopravljivo šteti okolišu.

Priroda nas svakodnevno "opskrbljuje", i to potpuno besplatno, velikim količinama

sunca i vjetra. Korištenjem energije Sunca i vjetra štedimo materijalna sredstva za postizanje

istog cilja kakav postižemo korištenjem fosilnih goriva koji donose mnogo veće troškove.

Proizvodnja struje iz energije vjetra povećava svoje kapacitete za 19 do 20 posto godišnje, što

se može usporediti s područjima za koja je karakterističan snažan razvoj. Nove tehnologije

omogućavaju nam iskorištavanje novih, obnovljivih izvora energije za proizvodnju električne

energije, a time postajemo manje ovisnosti o fosilnim gorivima. Svijest o zagađenju planeta

već je na snagu stupila 1997. godine kada su u japanskome gradu Kyotu osmislili protokol čiji

je cilj smanjenje stakleničkih plinova: ugljičnog dioksida, metana, dušikovog oksida,

fluorirani ugljikovodici, perfluoriranih ugljikovodika i heksafluorida.

U Republici Hrvatskoj je prihvaćena obaveza smanjenja stakleničkih plinova do 5%

do 2012. godine. Taj postupak će u Hrvatskoj trajati do 2020. godine. Jedan od načina

poticanja za smanjenje emisija stakleničkih plinova je poticanje proizvodnje električne struje

koristeći obnovljive izvore energije. Razvijene zemlje Europske Unije razvijaju koncept

povećanja udjela u proizvodnji različitih oblika energije koristeći obnovljive izvore za 50%

više.

1.3. Zračne struje

Vjetar je vodoravno strujanje zraka. Vjetar nastaje kao posljedica nejednakosti tlaka u

atmosferi zbog meteoroloških mijena, a određen je brzinom, smjerom i jačinom.

Zračne mase su velike količine zraka koje se pomiču duž Zemlje. Gibanje zračnih

masa u atmosferi javlja se zbog neravnomjernog zagrijavanja površine Zemlje na različitim

geografskim širinama zbog toga što se zrak zagrijava indirektno preko tla. Polovi Zemlje

dobivaju manje energije od ekvatora, a kopno se grije brže od mora. Zbog razlika temperatura

u slojevima zraka stvaraju se razlike tlaka koji se pretvara u kinetički oblik energije vjetra.


8

Ciklusi strujanja zraka izmjenjuju se različitom snagom i različitim periodima trajanja ovisno

o utjecajnim čimbenicima. Promjene temperature i tlaka u slojevima zraka obnavljaju se

neprekidno ovisno o klimatskim promjenama na Zemlji.

Globalni vjetrovi pušu od ekvatora prema hladnim Zemljinim polovima. Kako je topli

zrak lakši od hladnog on se na ekvatoru podiže do visine od otprilike 10 km te putuje prema

sjevernom i južnom polu.

1.4. Jednadžba kontinuiteta

Dinamika fluida je dio mehanike koji se bavi gibanjem tekućina i plinova.

Gibanje fluida nazivamo strujanje, a ono nastaje zbog razlike u tlakovima ili vlastite

težine fluida. Protjecanje fluida predočujemo strujnicama. To su zamišljene linije u fluidu čija

tangenta u svakome trenutku pokazuje smjer brzine. Ako su strujnice gušće, brzina fluida je

veća. Strujanje može biti laminarno ako su strujnice paralelne te se brzina fluida ne mijenja i

turbulentno ili vrtložno kada se slojevi fluida miješaju, a strujnice su vrtložne.

Jednadžbom kontinuiteta objašnjavamo protjecanje idealnog fluida. Za idealni fluid

pretpostavljamo da je nestlačiv, konstantne gustoće, te se ne javlja unutarnje trenje.

Masa fluida se ne mijenja ukoliko se ne mijenja gustoća pa vrijedi da je protok stalan:

A1 v1 = A2 v2

Slika 1.5. Strujnice

Slika 1.6. Protok fluida kroz horizontalnu cijev


9

1.5. Bernoullijeva jednadžba

Bernoullijeva jednadžba nam daje vezu između tlaka i brzine gibanja fluida (u našem

slučaju zraka). U skladu sa jednadžbom kontinuiteta, u užem dijelu cijevi brzina fluida je

veća, dakle, fluid treba imati akceleraciju. Sila koja izaziva tu akceleraciju dolazi od okolnog

fluida.

Kako je u užem dijelu cijevi brzina veća, a time i kinetička energija, potrebno je uložiti veći

rad za strujanje fluida.

Rad je jednak promjeni kinetičke energije

Slika 1.7. prikazuje gibanje fluida


10

/:ΔV

Bernoullijeva jednadžba tako glasi:

Zbroj statičkog i dinamičkog tlaka u svim dijelovima horizontalne cijevi je konstantan.

Jednadžba opisuje zakon očuvanja energije čestica fluida određene mase. Kako je

potencijalna energija zbog male mase čestice zanemariva, slijedi da struja vjetra ima samo

kinetičku energiju.

Masa zraka m koja stupi kroz presjek A brzinom v i gustoće ρ jednaka je:

Kako je jednadžba protoka:

slijedi:

Ako to uvrstimo u formulu kinetičke energije dobijemo:

Ako u formulu za snagu uvrstimo izvedenu formulu kinetičke energije dobivamo:

P- snaga vjetra [W]

- gustoća zraka [kg/m3]

v- brzina vjetra [m/s]

A-površina turbine [m2]


11

Iz dobivene formule vidimo da snaga ovisi o trećoj potenciji brzine. U prirodi postoje različita

strujanja zraka i nisu sva horizontalna. Kako na lopatice djeluje samo horizontalna

komponenta sile snaga također ovisi i o kutu strujanja zraka.

Pa tako za kut α=30°, odnos snaga je:

P30° = 0,65 P0°

Za α=45°

P45° = 0,35P0°

LOPATICE

SUŠILO ZA KOSU

vh

vv

v

α

Slika 1.8. prikazuje skicu strujanja zraka na kosini


12

Za α=60°

P60° = 0,125P0°

Ili općenito možemo pisati

pa tako odnos snaga možemo računati za bilo koji kut:


13

2.Mjerenja

2.1 Cilj rada

Zbog sve veće važnosti vjetroenergije i vjetroturbina u današnjem svijetu, ovim radom željele

smo odrediti koji čimbenici te na koji način i koliko utječu na korisnost vjetroturbina. U

našim mjerenjima mijenjale smo uloženu snagu, kut strujanja zraka te smo istražile na koji

način prepreke iza lopatica utječu na korisnost dobivene energije.

2.2 Pribor

Od pribora koristile smo sušilo za kosu kojim smo emitirale vjetar. Sušilom za kosu djelovale

smo na dinamo s lopaticama čija je uloga bila pretvoriti mehaničku energiju u električnu.

Kako bismo mogle izračunati korisnost mjerile smo napon i jakosti struje pomoću voltmetra i

ampermetra. Kut puhanja mijenjale smo pomoću drvene kosine, a kao prepreka poslužila nam

je knjiga.

Slika 2.1. prikazuje pribor korišten u mjerenjima


14

2.3. Opis rada

Za početak dinamo s lopaticama spojile smo u strujni krug zajedno s voltmetrom i

ampermetrom te napravile dvije serije mjerenja. U obje serije mijenjale smo uloženu snagu, tj.

sva mjerenja napravile smo za dva sušila za kosu različitih snaga, jedno snage 1400 W, a

drugo 1500 W. Pretpostavile smo da što će uložena snaga biti veća, to će biti veća i dobivena

snaga, pa tako i korisnost.

Slika 2.2. prikazuje pripreme za mjerenja; podešavanje kuta Slika 2.3. prikazuje mjerenja


15

2.3.1. OVISNOST SNAGE O KUTU DJELOVANJA I UDALJENOSTI DINAMA OD

IZVORA

U prvoj seriji mijenjale smo kut djelovanja vjetra te udaljenost dinama od sušila za

kosu. Kut puhanja mijenjale smo pomoću drvene kosine. Sušilo za kosu pričvrstile smo za

kosinu te smo kosinu smjestile na određenu udaljenost, koja je u jednome slučaju bila 10 cm,

a u drugome 20 cm. Provele smo mjerenja za kutove od 0°,10°,20°,30°,40°,50°,60°,70° i 80°.

2.3.2. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI PREPREKE IZA DINAMA

U drugoj seriji istraživale smo koliko prepreke iza dinama s lopaticama utječu na

korisnost dobivene struje. Dinamo s lopaticama kroz sva je mjerenja bio na jednakoj

udaljenosti (10 cm) od sušila, a mijenjale smo udaljenost prepreka od dinama te, kao i u

prijašnjoj seriji, uloženu snagu. Kao prepreka poslužila nam je knjiga. Udaljenost prepreke od

dinama mijenjale smo od 0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm do 20 cm.

Slika 2.4. prikazuje početna mjerenja – kut strujanja zraka je 0°


16

2.3.3. IZRAČUN SNAGE I KORISNOSTI

Nakon što su sva mjerenja bila napravljena izračunale smo, najprije snagu, a zatim

preko snage korisnost. Snagu smo izračunale pomoću izraza.

Kako bismo mogle izračunati snagu, mjerile smo jakost struje I i napon U. Jakost struje u

vodiču je omjer količine naboja i vremena u kojemu ta količina naboja prođe kroz zamišljeni

presjek vodiča.

Fizička oznaka za vrijeme je t, a mjerna jedinica je sekunda.

Jakost struje označavamo slovom I i iskazujemo mjernom jedinicom A (amper) te ju mjerimo

ampermetrom. Ampermetar u strujni krug uvijek spajamo serijski.

Električni napon izvora je energija po jediničnom naboju koja se iz električnog

izvora prenosi strujnim krugom. Električni napon označavat ćemo slovom U i iskazivati

mjernom jedinicom V (volt) te mjeriti voltmetrom. Voltmetar u strujni krug uvijek

spajamo paralelno.

Pad napona na krajevima trošila je pretvorena električna energija po jediničnom naboju.

(1C=6,25x1018

e)

Slika 2.5. prikazuje mjerenja s preprekom


17

Korisnost je fizička veličina koja nam pokazuje koliki dio u stroj uložene energije stroj

"vraća" u korisnom obliku.

To je broj koji je uvijek manji od jedan. Uobičajeno je korisnost izražavati u postocima, što

dobijemo množenjem navedenog omjera sa 100. Izgubljena energija najčešće se troši na

nepoželjno zagrijavanje uređaja uslijed normalnog rada, pa ne samo što na to gubimo dio

energije, nego u uređaje još treba i ugrađivati sustave hlađenja da to zagrijavanje ne ošteti

uređaje. U našem slučaju uložena snaga bila je snaga sušila za kosu, a dobivena snaga

umnožak napona i jakosti struje dobivene u prvoj seriji na istoj udaljenost pod istim kutom,

ili u drugoj seriji struje dobivene kada je prepreka na istoj udaljenosti.

uloženoP

Pdobiveno

Slika 2.6. prikazuje serijski spojeni strujni krug


18

3. Rezultati

3.1. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI IZVORA OD DINAMA I KUTU

DJELOVANJA

Tablica 1. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1500 W na udaljenosti od dinama od 10 cm

kut/° U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%

0 3,30 22,10 72,93 0,0049

10 3,07 21,50 66,01 0,0044

20 2,84 18,50 52,54 0,0035

30 2,72 13,50 36,72 0,0024

40 2,53 12,40 31,37 0,0021

50 2,16 10,30 22,25 0,0015

60 2,10 9,40 19,74 0,0013

70 1,61 6,00 9,66 0,0006

80 1,40 4,30 6,02 0,0004



0 2,32 14,90 34,57 0,0023

10 2,14 12,50 26,75 0,0018

20 1,89 11,20 21,17 0,0014

30 1,67 10,10 16,87 0,0011

40 1,46 8,40 12,26 0,0008

50 1,27 6,70 8,51 0,0006

60 1,25 5,40 6,75 0,0005

70 0,95 4,40 4,18 0,0003

80 0,74 3,80 2,81 0,0002



0 2,84 20,50 58,22 0,0042

10 2,59 18,70 48,43 0,0035

20 2,48 16,70 41,42 0,0030

30 2,44 15,50 37,82 0,0027

40 2,18 14,60 31,83 0,0023

50 2,10 12,40 26,04 0,0019

60 1,95 11,00 21,45 0,0015

70 1,49 10,20 15,20 0,0011

80 1,27 8,40 10,67 0,0008


19



0 2,54 17,40 44,20 0,0032

10 2,38 15,50 36,89 0,0026

20 2,27 13,20 29,96 0,0021

30 2,19 12,90 28,25 0,0020

40 1,90 9,50 18,05 0,0013

50 1,85 9,10 16,84 0,0012

60 1,68 8,70 14,62 0,0010

70 1,59 7,50 11,93 0,0009

80 1,47 5,50 8,09 0,0006

3.2. OVISNOST SNAGE O HORIZONTALNOJ KOMPONENTI BRZINE VJETRA

Tablica 5. Uspoređeni računski i eksperimentalni podaci

kut/° 1500 W 1400 W

Pračunski/mW Peksperimentalno/mW Pračunski/mW Peksperimentalno/mW

10 69.64 66.01 55.6 48.43

20 60.53 52.54 48.32 41.42

30 47.41 36.72 37.84 37.82

40 32.82 31.37 26.19 31.83

Odnos korisnosti s obzirom na kut djelovanja i udaljenost

dinama i sušila

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0,0060

0 10 20 30 40 50 60 70 80

kut/°

ko

risn

ost/

% 1500 W, 10 cm

1500W, 20 cm

1400 W, 10 cm

1400 W, 20 cm


20

3.3. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI PREPREKE IZA DINAMA

Tablica 6. Mjerenja s preprekom za sušilo snage 1500 W

l/cm U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%

0 0,00 0,00 0,00 0,00000

5 1,60 11,70 18,72 0,00125

10 1,66 14,80 24,57 0,00164

15 1,68 14,30 24,02 0,00160

20 1,72 15,90 27,35 0,00182

Tablica 7. Mjerenja s preprekom za sušilo snage 1400 W

l/cm U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%

0 0,00 0,00 0,00 0,00000

5 1,60 7,50 12,00 0,00086

10 1,63 8,00 13,04 0,00093

15 1,66 8,30 13,78 0,00098

20 1,70 9,00 15,30 0,00109

Odnos korisnosti s obzirom na udaljenost prepreke

0,00000

0,00020

0,00040

0,00060

0,00080

0,00100

0,00120

0,00140

0,00160

0,00180

0,00200

0 5 10 15 20

udaljenost dinama od prepreke/cm

ko

risn

ost/

%

1500 W

1400 W


21

4. Rasprava

4.1. Ovisnost korisnosti o uloženoj snazi

Kako se velika količina energije dobiva pri većim brzinama vjetra, dosta nam energije

dolazi u kraćim intervalima, odnosno na mahove, kao i vjetar. Posljedica toga je da

vjetroelektrane nemaju stalnu snagu na izlazu te postrojenja koja napajaju vjetroagregati

moraju imati osiguranu proizvodnju električne energije i iz nekog drugog izvora. Stalnost

snage kod vjetroelektrana bi nam mogao osigurati napredak u tehnologijama koje se bave

spremanjem energije tako da možemo koristiti energiju koju smo dobili za jačeg vjetra onda

kada ga nema.

„Više je tisuća vjetroagregata u pogonu, ukupno instalirane snage 73.904 MW, od čega je u

Europi 65% (2006.). Vjetroelektrane su imale najbrži rast od svih alternativnih izvora

energije na početku 21. stoljeća, kapacitet im se više nego učetverostručio od 2000. do 2006.

81% instalirane snage otpada na SAD i Europu. Procjene su da će do 2010. biti instalirano

160 GW snage vjetroagregata s porastom od 21%godišnje“ [5]

Iz priloženog članka možemo vidjeti da pomoću vjetroelektrana možemo dobiti veliku

snagu , ali isto tako ta snaga ovisi o uloženoj snazi, tj. snazi kojom vjetar djeluje na

vjetroelektranu. U našim mjerenjima uložena snaga bila je vrlo mala pa su zato i dobivena

snaga i korisnost vrlo mali, ali bez obzira na to iz dobivenih podataka možemo vidjeti kako se

korisnost mijenjala s obzirom na parametre. Pa tako, ako je uložena snaga veća, onda je i

dobivena snaga veća. U svim mjerenjima sušilo za kosu snage 1500 W dobili smo veći napon

i jakost struje pri istim uvjetima za oba sušila.


22

4.2. Ovisnost korisnosti o udaljenosti izvora od dinama

Napravile smo mjerenja za dvije različite udaljenosti te se iz dobivenih rezultata

može vidjeti da korisnost opada s povećanjem udaljenost. Tome je razlog jače raspršenje

struje vjetra na većim udaljenostima. Raspršenjem struje vjetra smanjuje se horizontalna

komponenta brzine pa usporedno s time i korisnost.

Iz priloženog možemo zaključiti da bi korisnost vjetroagregata bila veća ukoliko bi

se oni nalazili na direktnome strujanju zraka, te da ovisno o mjestu postavljanja treba uzeti u

obzir gibanje zračnih masa. Vjetroagregati bi bili korisniji kada bi imali mogućnost okretanja

glave s lopaticama jer bi tada mogli slijediti promjene strujanja zračnih masa koja se razlikuju

uz obalu i u planinama.

4.3. Ovisnost korisnosti o kutu strujanja zraka

Snaga, pa time i sama korisnost, najveće su kod horizontalnog djelovanja vjetra.

Naime, na lopatice uvijek djeluje samo horizontalna komponenta brzine. Kako postoje zračna

strujanja različitih smjerova ni jedno strujanje nije u potpunosti horizontalno što bi nam

dopustilo da u potpunosti iskoristimo snagu vjetra. Rezultati naših mjerenja to su također

pokazali.

Pokusom smo pokazale da dobivena snaga zaista ovisi o horizontalnoj komponenti

brzine i da je snaga proporcionalna s kubom brzine. Računski rezultati veoma se dobro

poklapaju s onim eksperimentalnim za male udaljenosti i kuteve do 400. Kako se kut

povećavao tako se povećavala i udaljenost izvora struje zraka od horizontalne osi rotacije

lopatica i zbog toga je djelovanje bilo manje. Kod veće udaljenosti zbog raspršenja stuje

vjetra rezultati odstupaju od onih računskih.

Iz navedenog zaključujemo da je dobivena snaga najveća ako struja vjetra djeluje

po 0° s obzirom na os rotacije. Iskoristivost vjetroturbina veća je ako je glava s lopaticama

pokretna te se može usmjeriti direktno u struju vjetra.


23

4.4. Ovisnost korisnosti o udaljenosti prepreke

Vjetroelektrane najčešće se grade na povišenim područjima zbog veće brzine, pa time

i snage vjetra u višim dijelovima atmosfere, ali također i zbog toga što na višim dijelovima

nema prepreka koje bi smanjivale brzinu pa time i snagu vjetra.

Turbulencija je nepravilno vrtložno gibanje koje se pojavljuje u fluidima kad struje

pored čvrstih predmeta. U našim mjerenjima, u slučaju kad je prepreka direktno iza lopatice

zrak struji kroz lopatice te se odbija od prepreka, tj. dolazi do turbulencije koja u potpunosti

sprječava okretanje lopatica. Kako se udaljenost prepreke povećava, turbulencija je slabija te

se lopatice brže okreću. Kada je prepreka na određenoj udaljenosti, u našem slučaju to su bile

male udaljenosti od 15 cm i 20 cm, turbulencija je toliko malena da ju možemo zanemariti jer

ne utječe na okretanje lopatica.

Dakle, zaključujemo da bilo kakvi dijelovi sustava smješteni iza samih lopatica utječu

na njezin rad. Da bi se njihov utjecaj smanjio oni moraju biti ili aerodinamičnog oblika ili

smješteni vertikalno na stupu kao kod vertikalnih turbina.


24

5. Zaključak

Zbog sve veće važnosti vjetroenergije i vjetroturbina u današnjem svijetu, ovim radom

željele smo odrediti koji čimbenici te na koji način i koliko utječu na korisnost vjetroturbina.

U našim mjerenjima mijenjale smo uloženu snagu, kut strujanja zraka te smo istražile na koji

način prepreke iza lopatica utječu na korisnost.

Nakon što smo spojile dinamo, voltmetar i ampermetar u strujni krug, napravile smo

dvije serije mjerenja. U prvoj seriji mijenjale smo kut puhanja, tj. kut djelovanja vjetra te

udaljenost dinama od sušila za kosu, a u drugoj seriji istraživale smo koliko prepreke iza

dinama s lopaticama utječu na korisnost.

Hipoteze koje smo postavile prije provođenja pokusa bile su slijedeće: djelovanjem

sušila za kosu veće snage korisnost će biti veća, udaljavanjem dinama od izvora snaga će biti

manja, povećanjem kuta smanjuje se korisnost te prepreke iza lopatica također smanjuju

dobivenu snagu.

Iz dobivenih rezultata možemo vidjeti da se većina naših hipoteza pokazala točnima.

Kada je uložena snaga bila veća, veća je bila i dobivena snaga, ali zbog nepraktičnosti opreme

obje vrijednosti bile su vrlo male.

Udaljimo li dinamo od izvora strujanja zraka dolazi do jačeg raspršenja struje vjetra te

se smanjuje horizontalna komponenta brzine pa usporedno s time i snaga i korisnost.

Na lopatice uvijek djeluje samo horizontalna komponenta brzine. Kako postoje zračna

strujanja različitih smjerova ni jedno strujanje nije u potpunosti horizontalno što bi nam

dopustilo da u potpunosti iskoristimo snagu vjetra što su pokazala i naša mjerenja.

Vjetroagregati bi bili korisniji kada bi imali mogućnost okretanja glave s lopaticama jer bi

tada mogli slijediti promjene strujanja zračnih masa koja se razlikuju uz obalu i u planinama.

Dakle, povećanjem kuta korisnost se smanjuje.

Prepreke iza lopatica utječu na korisnost. Ako se prepreka nalazi direktno iz lopatica

one se ne okreću zbog turbulencija. Turbulencija se smanjuje s udaljavanjem prepreke te

korisnost raste. Zaključujemo da bilo kakvi dijelovi sustava smješteni iza samih lopatica

utječu na njezin rad. Da bi se njihov utjecaj smanjio oni moraju biti ili aerodinamičnog oblika

ili smješteni vertikalno na stupu kao kod vertikalnih turbina.


25

6. Literatura

1. Korisnost

Rikard Podhorsky, Tehnička enciklopedija, Zagreb

2. Snaga, napon i jakost struje

V. Paar, V. Šips, Fizika 2, Školska knjiga, Zagreb, 2009.

3. Jednadžba kontinuiteta i Beroullijeva jednadžba

J. Labor, Fizika 1, Alfa, Zagreb, 2011.

4. Vjetroturbine

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroturbine

5. Dijelovi vjetroturbine

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroagregat

6. Budućnost obnovljive energije

http://novaenergija.hr/

7. V. Paar, Energetska kriza, Gdje (ni)je izlaz, Školska knjiga, Zagreb

8. P. Kulišić, Novi izvori energije i energija vjetra

9. Ideja za rad

http://www.all-science-fair-projects.com/project1393_29_1.html

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroturbine

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroagregat

http://novaenergija.hr/

http://www.all-science-fair-projects.com/project1393_29_1.html

Documents

KORISNOST VJETROENERGIJE - eduidea.org · Dinamo pokreće snaga sušila za kosu, koje u ovome slučaju predstavlja vjetar, te nastaje električna energija. Mjerimo napon i jakost