Modeliranje Stohastičnosti kombinacije različitih ... · PDF fileZadatak je ovog rada bio analizirati kako kombinacija različitih obnovljivih izvora na različitim lokacijama utječe

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 153

Modeliranje stohastičnosti kombinacije različitih obnovljivih izvora

Janko Poturica

Zagreb, srpanj 2009.

i

ii

Sažetak

Obnovljivi izvori energije prema svojim su prirodnim obilježjima nestalni i

nepredvidivi. Takva prirodna obilježja ograničavaju mogućnost njihovog prihvata u

elektroenergetski sustav. Uzrokuju poteškoće u reguliranju i planiranju rada

elektroenergetskog sustava.

Zadatak je ovog rada bio analizirati kako kombinacija različitih obnovljivih izvora

na različitim lokacijama utječe na ukupno smanjenje stohastičnosti. Ideja je da

elektroenergetski sustav sve obnovljive izvore na svim lokacijama “gleda” kao

jednu virtualnu proizvodnu jedinicu.

Da bi se to istražilo, napravljen je model jednog sustava obnovljivih izvora

energije u programskom paketu MATLAB. U njemu je simulirana proizvodnja

električne energije iz nekoliko obnovljivih izvora energije (Sunce, vjetar, voda) u

satnoj rezoluciji kroz vremensko razdoblje od jedne godine.

Izvođenjem simulacije dobivena je dovoljno velika količina podataka na temelju

koje su se mogli izvući zaključci do kojih se u praksi može doći tek nakon

višegodišnjih mjerenja.

Nakon analize podataka može se zaključiti da se početna pretpostavka

pokazala ispravnom. Kombiniranjem različitih obnovljivih izvora može se postići

smanjenje ukupne stohastičnosti, odnosno povećanje predvidljivosti proizvodnje

energije iz obnovljivih izvora, a time i povećanje stabilnosti samog

elektroenergetskog sustava.

iii

SADRŽAJ

1. UVOD ......................................................................................................................................... 1

2. KARAKTERISTIKE OBNOVLJIVIH IZVORA ...................................................................................... 2

2.1. ENERGIJA VJETRA I VJETROELEKTRANE ............................................................................................... 10

2.1.1. Snaga i energija vjetra i vjetroagregata ......................................................................... 11

2.1.2. Krivulja snage ................................................................................................................. 13

2.1.3. Raspodjela brzina i smjera vjetra ................................................................................... 14

2.1.4. Podjela vjetroelektrana .................................................................................................. 18

2.1.5. Osnovni djelovi vjetroelektrane ...................................................................................... 19

2.1.6. Vjetroelektrane i stabilnost EES-a .................................................................................. 21

2.2. ENERGIJA SUNČEVA ZRAČENJA I FN ELEKTRANE .................................................................................. 22

2.2.1. Potencijal Sunčeva zračenja ........................................................................................... 22

2.2.2. Fotonaponske ćelije ........................................................................................................ 26

2.3. ENERGIJA VODE I MALE HIDROELEKTRANE .......................................................................................... 30

2.3.1. Male hidroelektrane ....................................................................................................... 32

3. STOHASTIČKA PRIRODA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE .......................................................... 39

3.1. UTJECAJ VJETROELEKTRANA NA EES ................................................................................................. 39

3.2. PROMJENJIVI OBNOVLJIVI IZVORI („VAR-RE“) ..................................................................................... 42

4. MODEL SUSTAVA U MATLABU .................................................................................................. 46

4.1. PROGRAMSKI PAKET MATLAB ....................................................................................................... 46

4.2. OPIS MODELA .............................................................................................................................. 47

4.2.1. Opće blok sheme ............................................................................................................ 47

4.2.2. Model stohastičnosti solarnog ozračenja i FN elektrane ............................................... 49

4.2.3. Model stohastičnosti brzine vjetra i vjetroelektrane ...................................................... 50

4.2.4. Model protoka vode ....................................................................................................... 50

4.3. PRIKAZ REZULTATA DOBIVENIH SIMULACIJOM ..................................................................................... 51

4.3.1. Stohastičnost snage na satnoj razini kroz jednu godinu ................................................ 51

4.3.2. Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje .......................................................... 53

4.3.3. Variranje snage kroz razne vremenske periode ............................................................. 56

5. ZAKLJUČAK ............................................................................................................................... 62

6. LITERATURA .............................................................................................................................. 63

7. DODATAK ................................................................................................................................. 64

7.1. SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_KNIN.M ..................................................................................... 64

iv

7.2. SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_OSIJEK.M ................................................................................... 66

7.3. SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_SPLIT.M ..................................................................................... 68

7.4. SADRŽAJ DATOTEKE EXTRATERRESTRIAL.M ......................................................................................... 70

7.5. SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_DUBROVNIK.M ................................................................ 70

7.6. SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_KNIN.M ......................................................................... 72

7.7. SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_OSIJEK.M ....................................................................... 74

7.8. SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_SATNA.M .................................................................................... 76

7.9. SADRŽAJ DATOTEKE SIMULACIJA.M ................................................................................................... 76

7.10. SADRŽAJ DATOTEKE VJETROELEKTRANA1.M ........................................................................................ 76

7.11. SADRŽAJ DATOTEKE VJETROELEKTRANA2.M ........................................................................................ 76

v

Popis oznaka i kratica

OIE obnovljivi izvori energije eng. engleski EES Elektroenergetski sustav Kt indeks prozračnosti β upadni kut Sunčevog zračenja H gustoća solarne energije FN fotonaponski el. en. električna energija MHE mala hidroelektrana HE hidroenergije, hidroelektrana VE vjetroelektrana Var-RE variable renewable energy

vi

Popis tablica

Tablica 1 Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3.] ...................... 2Tablica 2 Pretežno neispunjena poželjna svojstva nekonvencionanih izvora [3.] ................... 4

Popis slika

Slika 1 Usporedba troškova izgradnje pojedinih energetskih tehnologija [4.] ..................................... 8

Slika 2 Usporedba troškova proizvodnje električne energije [4.] ........................................................ 9

Slika 3 Udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne energije 2004. godine [3.] ... 10

Slika 4 Ovisnost snage vjetra o brzini vjetra [4.] ............................................................................... 13

Slika 5 Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [11.] ............................................................ 14

Slika 6 Postavljanje turbina s obzirom na tok vjetra [3.] ................................................................... 16

Slika 7 Normalizirani histogram brzine vjetra na dvije različite lokacije: Atlantski ocean (66oN 4o W,

tamnoplavo) i sjeverna Njemačka (52oN 11oE, svjetlosmeđe). Maksimalna vjerojatnost

odgovarajuće Weibullove razdiobe prikazana je punom (crvenom) linijom. (a) linearna skala (b)

polulogaritamska skala [9.] ............................................................................................................ 17

Slika 8 Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [11.] .................................................................. 19

Slika 9 Prosječna dnevna ozračenost na ravnu površinu [kWh/m2] [3.] ............................................ 23

Slika 10 Ukupna godišnja ozračenost [kWh/m2] za površinu pod optimalnim kutom [3.] ................... 24

Slika 11 Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Sunčeva zračenja tijekom dana [3.] ......... 24

Slika 12 Spektar Sunčeva zračenja na ulasku u atmosferu i na površini Zemlje [3.] ............................. 25

Slika 13 Teorijska efikasnost za razne poluvodičke materijale i prosječne uvjete [3.] .......................... 27

Slika 14 Kako radi solarna ćelija [10.] ................................................................................................. 28

Slika 15 I-U karakteristika za Si FN ćeliju [3.] ...................................................................................... 29

Slika 16 Podudarnost Sunčeve energije i potreba za el. en. tijekom dana [3.] ..................................... 29

Slika 17 Krivulja protoka kroz godinu [3.] ........................................................................................... 31

Slika 18 Moguće izvedbe malih HE ..................................................................................................... 33

Slika 19 Područje primjene različitih vrsta turbina (prema protoku i padu) [3.] ................................... 35

Slika 20 Promjena stupnja djelovanja turbine u ovisnosti o protoku vode [3.] .................................... 35

Slika 21 Danska – primjer odstupanja plana proizvodnje vjetroelektrana od realizacije [6.] ................ 40

Slika 22 Krivulja trajanja proizvodnje vjetroelektrana i raspoloživosti konvencionalnih

elektrana(Vattenfall – Njemačka) [6.] ............................................................................................ 42

Slika 23 Efekt zaglađivanja kombiniranjem vjetroelektrana na različitim lokacijama [5.] .................... 45

Slika 24 Mjesečni faktori opterećenja za vjetrelektrane i solarne panele (2005. godina) [5.] ............... 45

Slika 25 Blokovska shema kompletnog modela .................................................................................. 47

Slika 26 Opća blok shema modela za Sunce ....................................................................................... 48

vii

Slika 27 Opća blok shema modela za vjetar ....................................................................................... 48

Slika 28 Blok shema stohastičnosti solarnog ozračenja i jednostavni model FN elektrane ................... 49

Slika 29 Blok shema FN elektrane ...................................................................................................... 49

Slika 30 Blok shema stohastičnosti brzine vjetra i jednostavni model vjetroelektrane ........................ 50

Slika 31 Blok shema stohastičnosti protoka vode kroz jednu godinu i jednostavan model male

hidroelektrane .............................................................................................................................. 50

Slika 32 Prikaz proizvodnje električne snage male hidroelektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu

godinu .......................................................................................................................................... 51

Slika 33 Prikaz proizvodnje električne snage FN elektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu . 52

Slika 34 Prikaz proizvodnje električne snage vjetroelektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu

52

Slika 35 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jednu

godinu .......................................................................................................................................... 53

Slika 36 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jednu godinu .................. 53

Slika 37 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jedan

mjesec .......................................................................................................................................... 54

Slika 38 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jedan mjesec .................. 54

Slika 39 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jedan dan

55

Slika 40 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jedan dan ....................... 55

Slika 41 Srednja satna snaga FN elektrane (interval od 8 dana) .......................................................... 56

Slika 42 Variranje snage FN elektrane ................................................................................................ 57

Slika 43 Variranje snage vjetroelektrane ............................................................................................ 58

Slika 44 Variranje snage male hidoelektrane ..................................................................................... 59

Slika 45 Usporedba proizvodnje el. en. jedne i svih VE ....................................................................... 60

Slika 46 Usporedba proizvodnje el. en. iz jedne FN elektrane i svih OIE zajedno ................................. 61

Diplomski rad Janko Poturica

1

1. Uvod U današnjem modernom svijetu energija iz obnovljivih izvora zauzima posebno

mjesto, jer donosi obećanje o ostvarivosti ciljeva održivog razvoja. Nove

tehnologije omogućavaju nam iskorištavanje novih, obnovljivih izvora energije

(OIE) za proizvodnju električne energije, a time i odmak od sveprisutnih obrazaca

ovisnosti o fosilnim gorivima. Srednje i dugoročno gledano, za očekivati je da će

obnovljivi izvori energije biti ekonomski konkurentni konvencionalnim izvorima

energije. Teorijski, ali i tehnički iskoristivi prirodni energetski potencijali obnovljivih

izvora ogromni su u usporedbi s ukupnom svjetskom potrošnjom energije. Ipak,

njihovo iskorištavanje u budućnosti prije svega će ovisiti o ekonomskim

karakteristikama energetskih tehnologija.

Nastojimo postati svjesni činjenice o značenju energije i važnosti njenog

racionalnoge korištenja. Svjetski trendovi zaliha fosilnih goriva imaju strogo

padajuću dinamiku i očekuje se skoro njihovo potpuno iscrpljivanje. Fosilna goriva

koja danas predstavljaju dominantni energent imaju negativan utjecaj na okoliš.

Svakodnevno se diljem svijeta iz naftno – petrokemijskih postrojenja i energetskih

procesnih postrojenja emitiraju velike količine stakleničkih plinova, ugljik-dioksida,

oksidi dušika, ugljika i sumpora te odgovarajuće količine sumporovodika,

amonijaka i ostalih kiselih plinova. Uz plinove prisutne su i male količine lebdećih

čestica koje imaju kancerogeno djelovanje i žive koja također ima toksično

djelovanje na ljudski organizam. Ne manje važan efekt je i termičko opterećenje

okoliša koje ponajprije utječe na čitav niz klimatskih promjena i inicira proces

globalnog zagrijavanja na našem planetu. Svjesni smo činjenice da će nafta i

naftni derivati biti dominantan pokretač svjetskog energetskog i gospodarskog

rasta do krajnje eksploatacije i posljednjih zaliha fosilnih goriva, no nameće se i

pitanje što nakon iscrpljivanja posljednje kapi nafte i zemnog plina i kako sačuvati

okoliš u što boljem stanju za buduće generacije. Odgovor valja potražiti u

obnovljivim izvorima energije. Dobro nam je poznato da je danas trenutna situacija

na energetskom planu takva da su fosilna goriva još uvijek dominantan izvor

energije i energenata na svjetskom tržištu, a obnovljivi izvori energije mogu u tom

slučaju poslužiti kao alternativa za pokrivanje vršnih opterećenja u energetskom

sustavu.


2

2. Karakteristike obnovljivih izvora Svojstva nekonvencionalnih izvora energije ne možemo promatrati izdvojeno od

općenito znanih svojstava konvencionalnih izvora, tek uspoređivanjem s tim

svojstvima možemo utemeljeno donositi kvalifikative nekonvencionalnih izvora.

Neka svojstva nekonvencionalnih izvora su poželjna, a neka nepoželjna. U tablici

1 iznose se neka važnija opća i pojedinačna svojstva, ali u kojima pretežu poželjna

svojstva. Zatamnjenja pojedinih polja u tablici znače ispunjenje i neispunjenje

poželjnih svojstava:

Tablica 1 Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3.]

Značenje kolona u tablici je:

MHE - korištenje vodnih snaga u malim hidroelektranama Su-T - korištenje Sunčeva zračenja toplinskim kolektorima Su-E - korištenje Sunčeva zračenja fotoelektričnim ćelijama Vj. - korištenje energije vjetra vjetroelektranama Bio. - korištenje biomase i otpada Geo. - korištenje geotermalne energije

Obnovljivost pojedinog izvora energije najlakše pojmimo ako kažemo da je

obnovljiv izvor onaj čiji se prosječni dotok svake godine ponavlja, bez smanjenja –

barem za ljudsko poimanje vremena. U tom pogledu, svi promatrani


3

nekonvencionalni izvori su obnovljivi. Geotermalnoj energiji izvor su energetski

procesi u Zemljinoj nutrini koji će prema ljudskom poimanju vremena trajati

praktički do u nedostižnu budućnost. U pogledu ogrjevnog drveta, istaknimo da je

uvjet obnovljivosti neprekidno pošumljavanje prostora barem toliko da godišnji

prinos bude jednak godišnjem iskorištenju drvne mase.

Općenito, nekonvencionalni izvori imaju ogroman potencijal – što je poželjno

svojstvo. Sa Sunca na tlo Hrvatske dostruji približno 500 puta više energije nego li

je godišnja hrvatska potrošnja svih oblika energije! Ipak, male hidroelektrane

predstavljaju ograničeni potencijal, kojega naprosto nema na znatnom dijelu

ogromnih prostranstava globusa. Biomase predstavljaju velik ali ipak znatno manji

potencijal od energije Sunčeva zračenja. Geotermalna energija ima pri današnjem

načinu korištenja ograničeni potencijal, ali prikriveni potencijal je ogroman, ako

dođe do prihvatljivog korištenja topline Zemljine unutrašnjosti s velikih dubina.

Ima li se na umu energija potrebna za proizvodnju opreme i materijala koje

treba ugraditi u postrojenja za korištenje nekonvencionalnih izvora, a ne samo toj

energiji odgovarajući novac, onda izlazi da pojedini izvor mora neprekidno raditi

nekoliko godina, da bi tek tada postao netto-proizvođač energije. A kako za

pojedine oblike energije treba mnogo takvog materijala (temelji i nosači fotoćelija i

kolektora, same fotoćelije i kolektori, visoki betonski ili čelični stupovi

vjetrogeneratora) to se energija za njihovu proizvodnju ne smije zanemariti.

Naglašeni utrošak energije je pri proizvodnji fotoćelija. Kod većine

nekonvencionalnih izvora nema utroška energije prilikom pridobivanja izvornog

oblika (kao što postoji značajan utrošak energije pri eksploataciji ugljenokopa), niti

utroška energije za transport izvornog oblika, jer je transport u pravilu nemoguć.

Treba naprosto postrojenja za pretvorbu nekonvencionalnog izvora u povoljniji

oblik izložiti djelovanju tog nekonvencionalnog izvora. Jedino se kod ogrjevnog

drveta, biomase i otpada javljaju ti utrošci energije (koji mogu biti toliko značajni da

cijela stvar postane neracionalna), primjerice za sječu drvne mase, za

pošumljavanje i uzgoj šume, za transport od mjesta sječe do mjesta korištenja te

za pripremu drveta za korištenje. Slično je s biomasom i otpadom, jedino tu može

izostati utrošak pri uzgoju jer se uzgoj odvija neovisno od eventualnog

energetskog korištenja, primjerice slama nastaje kao rezultat poljoprivredne

proizvodnje pšenice te će ili strunuti ili se energetski iskoristiti. Lokalno


4

opterećenje okoline emisijom štetnih tvari ili bukom na mjestu pretvorbe

nekonvencionalnog oblika energije u iskoristljiviji oblik općenito je maleno ili ga

uopće nema. Ali korištenje vjetra izaziva buku, a sagorijevanje biomase izaziva

emisiju plinova eventualno manje štetnih od konvencionalnih goriva jer praktički

nema sumpora (kao u ugljenu ili nafti). Ipak je emisija iz tih postrojenja nešto veća

nego li iz konvencionalnih postrojenja, jer radi se o manjem stupnju djelovanja pri

pretvorbi energije i manjim jedinicama. Emisija kod korištenja otpadaka može biti i

opasna ako se prethodno iz otpadaka (smeća) ne izdvoje evidentno štetni sastojci.

Najznačajnije praktično poželjno svojstvo nekonvencionalnih izvora energije je

mogućnost posvemašnje diverzificirane primjene. Praktički, svi izvori

nekonvencionalne energije – dakako ako se raspoloživi na promatranom mjestu –

mogu se koristiti u malome, u vlastitoj režiji, djelomice ili potpuno u samogradnji –

time se trošak rada kod instaliranja, pogona i održavanja praktički dade izbjeći ili

barem prikriti («radim za sebe, u slobodno vrijeme – dakle besplatno»). Konačno,

o kumulativnoj CO2 neutralnosti nekonvencionalnih izvora energije. Kumulativnoj,

znači promatranoj u ukupnom lancu – od pridobivanja energije, izrade i montaže

pogonskih uređaja, do korištenja i zbrinjavanja nakon korištenja. Iako se često

govori o CO2 neutralnosti apsolutno svih nekonvencionalnih izvora, najčešće se

misli na tu neutralnost prilikom pretvorbe nekonvencionalnog oblika u iskoristljiviji

oblik i tada je takvo gledanje točno. (Za biomasu, to je dakako ispunjeno samo

ukoliko je godišnje iskorištavanje mase jednako ili manje od godišnjeg prirasta

nove mase. Tada će emisija CO2 pri korištenju te biomase biti jednaka apsorpciji

CO2 prilikom fotosinteze te biomase.) Međutim, ako se ima na umu proizvodnja

materijala za izgradnju fotoćelija, a donekle i kolektora, onda izlazi da je primjena

Sunčevog zračenja kumulativno «kvazi-CO2-neutralna», a emisija ostalih

postrojenja podjednaka kumulativnoj emisiji CO2 iz konvencionalnih postrojenja.

U tablici 2 daje se pregled pretežno neispunjenih poželjnih svojstava

nekonvencionalnih izvora energije.

Tablica 2 Pretežno neispunjena poželjna svojstva nekonvencionanih izvora [3.]


5

Površinska distribucija (površinska raspodjela) Sunčeva zračenja po Zemlji

najpravednija je od svih primarnih oblika energije, donekle biomase i otpada

(otpada ima svugdje gdje ima aktivnosti ljudi, a tu je potrebna i energija, nema ga

tamo gdje nema ikakve ljudske aktivnosti pak tamo nema niti potrebe za

energijom). Ostali nekonvencionalni oblici energije nisu ravnomjerno raspoređeni

po Zemljinu globusu.

Površinska gustoća mala je za Sunčevo zračenje, još manja za biomase i

otpad, te nešto veća za vjetar (tamo gdje ga uopće ima raspoloživog za

energetsko korištenje), jedino je kod malih hidroelektrana i kod toplih izvora

površinska gustoća primjereno visoka. Na jedan četvorni metar na našoj

geografskoj širini dostruji godišnje približno 1000 kilovatsati Sunčeva zračenja, a

ako uzgojimo pšenicu na tom četvornom metru, slama će imati energetski sadržaj

od samo 2 kilovatsata. Gdje je to usporedbi s naftnom bušotinom s godišnjim

iscrpkom od recimo 100 tisuća tona čiji je energetski sadržaj otprilike 1 milijarda

kilovatsati, a zauzima površinu od par stotina četvornih metara!

Općenito, izvorno se ne daju transportirati gotovo svi nekonvencionalni oblici

energije, kao niti uskladištiti u izvornom obliku. Moraju se trošiti na mjestu i u ritmu


6

svoga nastanka. Jedino se ogrjevno drvo, te biomasa i otpad daju transportirati na

razumno veliku udaljenost (jer bi pretjerana udaljenost tražila više energije za

transport od energetskog sadržaja tvari koja se prevozi, te bi to bilo nerazumno) i

svakako se daju uskladištiti i koristiti u ritmu potreba.

Oscilacija prirodnog dotoka velika je kod svih nekonvencionalnih oblika

energije, jedino geotermalna energija ne poznaje oscilaciju, ravnomjerno dotječe iz

svog izvora. Donekle, oscilacija dotoka ogrjevnog drveta manja je uzevši u obzir i

mogućnost njegova uskladištenja, oscilacija se dade kompenzirati. Biomase

sazrijevaju praktički trenutno i onda se to ponavlja tek – u pravilu – za godinu

dana. Vjetar ima oscilaciju od nula do preko sto posto, jer pri olujnom vjetru mora

se obustaviti korištenje vjetrogeneratora, kao i pri vrlo malim brzinama vjetra.

Kako je snaga vjetroturbine proporcionalna brzini vjetra na treću potenciju, to i

mala promjena brzine predstavlja znatniju promjenu snage. Udvostručenje brzine

vjetra vodi uosmerostručenju snage! Sunčevo zračenje jednako tako predstavlja

izvor s oscilacijom 0-100%, jer ga noću uopće nema. Male HE također mogu biti

na takvim vodotocima, koji u određenim prilikama znaju posve presušiti. Trajanje

iskorištenja instalirane snage, dakle omjer godišnje proizvedene energije i

instalirane snage, malo je kod svih izvora čije su prirodne oscilacije velike, jer su

samo mali dio godišnjeg vremena u punom pogonu. Za sve oblike energije čije je

trajanje godišnjeg iskorištenja malo mora se osigurati akumulacija energije, pak je

onda koristiti iz akumulatora ako je dotok malen ili posve izostao a potražnja

postoji. Ali, akumulacija praktički dolazi u obzir kod toplinskog korištenja Sunčeva

zračenja (akumulator je dobro toplinski izoliran bojler) ili akumulacija manje

količine električne energije u električnom akumulatoru kod fotonaponskog

korištenja Sunčeva zračenja.

Veću količinu električne energije ne dade se ekonomično akumulirati u

akumulatorima jer bi oni bili velikih masa i time preskupi, tako da se praktički kod

svih drugih obnovljivih izvora poseže za elektroenergetskim sustavom kao

rezervnim rješenjem ili dizel-generatorom. Ogrjevno drvo, biomasa i otpaci te

geotermalna energija ne traže takvu rezervu.

Potrebna rezerva u konvencionalnim postrojenjima može biti znatna, praktički

može doći do udvostučenja instalacije na nacionalnoj razini. S jedne strane


7

instaliramo postrojenja na nekonvencionalni izvor, a s druge strane isto toliku

konvencionalnu rezervu, koja će, k tome, biti slabije iskorištena jer neće raditi u

razdobljima kada je nekonvencionalni izvor raspoloživ. Regulacijska svojstva takve

rezerve moraju biti iznimno visoka jer je za dio nekonvencionalnih izvora

karakteristična njihova brza, a nepredvidljiva promjena. Prijenosna električna

mreža koja povezuje područja gdje su takvi nekonvencionalni izvori s područjima u

kojima je konvencionalna rezerva također mora biti pojačana. U Njemačkoj, gdje je

trenutno instalirano preko 20 gigavata vjetroelektrana u pogonu (najviše u svijetu),

moraju za svaki megavat u vjetroelektranama držati u rezervi još 0,85 megavata u

konvencionalnim elektranama.

Zauzimanje prostora na mjestu pretvorbe primarnog oblika energije u

iskoristljiviji oblik veliko je pri korištenju svih nekonvencionalnih oblika, kod kojih je

površinska gustoća mala. Za fotonaponsko korištenje Sunčeva zračenja to je

izrazito naglašeno, a kod korištenja vjetra i kolektorskog korištenja Sunčeva

zračenja nešto manje. Ogrjevno drvo te biomasa i otpaci traže nešto više prostora

od onoga kojeg bi tražila konvencionalna termoelektrana jednake snage, uz nešto

veći skladišni prostor. Ogrjevno drvo dade se i neposredno koristiti – u štednjaku,

peći za zagrijavanje prostora ili sanitarne vode – pak onda traži samo prostor za

uskladištenje. Geotermalna energija, ukoliko se koristi neposredno za

zagrijavanje, troši najmanje prostora – jednostavno se cijev zabije u tlo i razvede

po kućama.

Stupanj djelovanja pri pretvorbi u koristan oblik općenito je malen ili manji nego

li kod konvencionalnih izvora energije. Osobito je to naglašeno pri fotonaponskom

korištenju Sunčeva zračenja kod kojega je prosječni stupanj djelovanja samo oko

10%, dakle za jedan kilovatsat dobiven iz sunčanih ćelija treba izložiti toliko

površine da bude osunčana s deset kilovatsati. Veći je kod malih hidroelektrana,

toplinskog korištenja Sunčeva zračenja kolektorima i neposrednog toplinskog

iskorištavanja geotermalne energije.

Suvremeni energetski pristup zalaže se za primjenu kogeneracije – dakle

spregnutu proizvodnju toplinske i električne energije, što je više moguće, jer se

time postiže veće iskorištenje primarnog oblika energije. Moguća je samo kod

nekonvencionalnih izvora upotrebljenih kao gorivo u termoelektrama-toplanama ili

ako se geotermalna energija koristi za pogon takve elektrane, dakle mora se raditi


8

o vrlo vrućem izvoru (kakvih ima na Islandu). Također, u blizini postrojenja za

pretvorbu mora biti primjereno velik toplinski konzum, inače se nema kamo

isporučivati proizvedena toplina.

Troškovi pogona i održavanja postoje kod svih izvora. Neki se mogu ne iskazati,

ako su radovi izvedeni u vlastitoj režiji, ali oni teoretski postoje. Podmazivanje,

zaštita od korozije, elementarno čišćenje, redoviti periodički remonti... samo su

neki od primjera troškova pogona i održavanja koji se ne daju izbjeći ako se hoće

ostvariti poželjna životna dob pojedinog uređaja za prihvat i pretvorbu

nekonvencionalnog oblika energije.

Energetski objekti općenito imaju relativno visoku cijenu gradnje u odnosu na

objekte koji se koriste za stanovanje ili kao poslovni prostori, zbog svoje specifične

namjene i visokih zahtjeva sigurnosti. Međutim, cijena gradnje nije jedini trošak

vezan za gradnju obnovljivih izvora energije. Pojedinosti navodimo u nastavku.

Slika 1 Usporedba troškova izgradnje pojedinih energetskih tehnologija [4.]

Visoka cijena gradnje: kod izgradnje objekata obnovljivih izvora energije veće

snage, trošak izgradnje po kW je manji, nego kod izgradnje objekata manjih

snaga.


9

Najskuplje tehnologije po kW su za obnovljive izvore energije koji koriste valove

i plimu i oseku, zbog specifičnosti lokacije (sve je smješteno u vodi), potom

fotonaponske sustave zbog složenosti izrade solarnih panela (zahtijeva se visoka

čistoća sirovine za izradu, posebni uvjeti vezani za temperaturu, vlagu i slično) te

geotermalne elektrane zbog dubokih bušotina.

Usporedbe radi, najskuplja konvencionalna tehnologija po kW instalirane snage

je nuklearna tehnologija, zbog iznimno visokih zahtjeva sigurnosti.

Slika 2 Usporedba troškova proizvodnje električne energije [4.]

Cijena gradnje ne uključuje cijenu sirovine (goriva) koje se koristi za proizvodnju

električne energije, kao ni troškove rada i održavanja postrojenja, a one su

iznimno važne u ukupnom formiranju cijene proizvodnje električne energije iz

nekog postrojenja. Cijena proizvodnje uključuje sve te čimbenike, kao i cijenu

gradnje postrojenja i obično se izražava u valuti po kWh (primjerice, kn/kWh).

Tako je nuklearna elektrana najskuplja pri gradnji, ali ima najnižu cijenu

proizvodnje električne energije, jer koristi najjeftinije gorivo i proizvodi veliku

količinu električne energije pa je, prema tomu, cijena po kWh manja. Kod

obnovljivih izvora energije, izvor može biti i besplatan, ali visoki troškovi gradnje i


10

mali broj godišnjih sati rada uzrok su visoke cijene električne energije iz takvih

izvora.

Na slici 3 prikazan je udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji

električne energije. Iz dijagrama je vidljivo da se trenutno oko dvije trećine

električne energije dobija iz fosilnih goriva (ugljena 40 %, prirodnog plina 20 % i

nafte 7 %), dok su od ostalih izvora značajnije zastupljeni samo nuklearna i

hidroenergija ( s udjelima od 16 %) i to uglavnom zbog konvencionalnih velikih

hidroelektrana. Svi ostali, tj. nekonvencionalni izvori energije (isključujući

hidroelektrane), usprkos njihovom značajnom poticanju i razvoju u posljednje

vrijeme, u svjetskoj prizvodnji

električne energije sudjeluju ukupno samo s 2 %, od čega daleko najviše

biomasa (62%), potom energija vjetra (22%) i geotermalna energija (15%). Izravno

korištenje energije sunčevog zračenja, kao plime i oseke u usporedbi s ostalim

oblicima obnovljivih izvora gotovo je zanemarivo u ovom trenutku, ali ipak treba

naglasiti da ulažu veliki znanstveno-istraživački napori kako bi se ubrazo

tehnološki razvoj fotonaponskih ćelija s ciljem smanjenja investicijskih troškova i

njihove značajnije uporabe.

Slika 3 Udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne

energije 2004. godine [3.] 2.1. Energija vjetra i vjetroelektrane

Sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce prema Zemlji zrači 1015 kWh

po četvornome metru. Oko 1 do 2 posto energije koja dolazi od sunca pretvara se


11

u energiju vjetra. To je primjerice od 50 do 100 puta više od energije pretvorene u

biomasu od svih biljaka na Zemlji. Zbog zemljine rotacije, svaka kretnja na

sjevernoj polutki je usmjerena prema desno. Ta pojava iskrivljena sile je poznata

kao Coriolisova sila. Na sjevernoj polutki vjetar ima smjer rotacije obrnutu smjeru

kazaljke na satu kako se približava području niskog tlaka. Na južnoj polutki vjetar

ima smjer rotacije u smjeru kazaljke na satu oko područja niskog tlaka. Vjetro-

turbina dobiva ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na

elise rotora. Količina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji

čini rotor u vrtnji, brzini vjetra i gustoći zraka. Pri normalnom atmosferskom tlaku

pri temperaturi od 15°C zrak teži otprilike 1.225 kg/m3, ali se povećanjem vlažnosti

i gustoća povećava. Također vrijedi da je zrak gušći kada je hladniji nego kad je

topliji. Na visokim nadmorskim visinama tlak zraka je niži, pa je zrak rjeđi.

Vjetroturbina iskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar dođe do elisa rotora.

To znači da se ne može iskoristiti sva energiju iz vjetra.

2.1.1. Snaga i energija vjetra i vjetroagregata Energija vjetra je kinetička energija ovisna o kvadratu brzine vjetra:

Maksimalna teorijska energija vjetra računa se nadalje kao:

gdje je: ρ – gustoća zraka (približno 1,25 kg/m3);

A – površina rotora vjetroelektrane (volumen V = A·v)

v – brzina vjetra

Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra ovisi o brzini vjetra na treću

potenciju. Ukupna kinetička energija zraka ne može se sva iskoristiti, jer zrak mora

dalje strujati da bi načinio mjesta onome koji dolazi, pa je moguće iskoristiti samo

energiju koja je proporcionalna razlici brzina vjetra na treću potenciju:


12

Maksimalnu snaga koja se može dobiti pogonom pomoću vjetroturbine iz

konstrukcijskih razloga iznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalne

moguće snage vjetra. Uzmemo li u obzir i maksimalni stupanj djelovanja zračne

turbine je 0.65, te stupanj djelovanja generatora 0.8, za maksimalnu energiju

vjetroelektrane vrijedi:

Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kinetičke energije vjetra za

proizvodnju električne energije u vjetroelektranama. Često se za proračun energije

umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine:

S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost

za ocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra je

jako promjenjiva, pa je stoga potrebno mjeriti brzinu vjetra kako bi se mogle

odrediti krivulje frekvencija (statistika vjetra). Brzina vjetra se povećava sa visinom

iznad tla. Može se računati da je omjer brzina razmjeran petom korijenu iz omjera

visina nad zemljom. Na slici 4 prikazana je ovisnost maksimalne i teorijski

iskoristive snagu vjetra, kao i one na osovini vjetroturbine i priključcima generatora

u ovisnosti o brzini vjetra.


13

Slika 4 Ovisnost snage vjetra o brzini vjetra [4.]

2.1.2. Krivulja snage Graf koji nam pokazuje koliko će turbina proizvesti električne energije na

različitim brzinama vjetra je krivulja snage. Vjetroturbine su dizajnirane tako da

počnu raditi pri brzini vjetra između 3 do 5 metara po sekundi. Tu pojavu nazivamo

brzina uključenja vjetra. Turbina se programira tako da prestane raditi pri velikoj

brzini vjetra, pri otprilike 25m/s, da se turbina ili okolina turbine ne bi oštetila.

Prestanak brzine vjetra nazivamo brzinom isključenja vjetra.


14

Slika 5 Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [11.]

Problem krivulje snage je u tome što nam govori koliko snage će proizvesti

vjetroturbina pri prosječnoj brzini vjetra. Obujam energije vjetra se mjenja sa

brzinom vjetra. Koeficijent snage govori koliko se energije vjetra pretvori u

električnu energiju. Efikasnost turbina je malo veća od 20%, ipak ona se mijenja

sa brzinom vjetra. Za ukupnu količinu energije koju zračna turbina pretvara u

električnu energiju brzina vjetra je vrlo bitna. Energija vjetra odgovara prosječnoj

brzini vjetra na treću potenciju, što znači da ako je brzina vjetra dvostruko veća,

dobiva se 8 puta više energije.

2.1.3. Raspodjela brzina i smjera vjetra Prikaz informacije o raspodjeli brzina i smjerova vjetrova, na osnovi

meteoroloških promatranja brzina i smjerova naziva se ruža vjetrova. Ruža

vjetrova daje nam informaciju o relativnoj brzini vjetrova iz različitih smjerova, tj.

svaki od podataka (frekvencija, prosječna brzina vjetra, prosječni kub brzine vjetra)

je pomnožen brojem koji jamči da se najveća kriška točno podudara sa radijusom

vanjskog kruga u dijagramu. Na velikim visinama od oko 1 km, površina zemlje ne

utječe previše na vjetar, dok u nižim slojevima atmosfere trenje o površinu zemlje

jako utječe na brzinu vjetra. Za veća nepravilnosti terena, vjetar je više usporen.


15

Primjerice šume i veliki gradovi, logično će više usporiti vjetar, dok će velike

betonske površine na aerodromima tek neznatno utjecati na brzinu vjetra. Vodene

površine su još više uglađenije od betonskih imaju još manji utjecaj, dok visoka

trava i grmlje imaju znatan utjecaj na brzinu vjetra. Dobra lokacija za zračne

turbine je duž obale. Pretpostavka da bi se postigao bolji efekt postavljanjem

turbina na sam rub litice nije točna, jer litica stvara turbulenciju i usporava vjetar

čak i prije nego što dolazi do same litice, te znatno smanjuje životni vijek turbine

zbog jačeg trošenja uslijed turbulencije. Puno povoljnije bilo bi kada bi litica bila

zaobljena prema moru, jer bi u tom slučaju došlo do efekta ubrzanja vjetra.

Zbog stalnog variranja brzine vjetra, količina energije stalno se mijenja.

Promjena ovisi o vremenskim prilikama, o uvjetima na tlu i preprekama. Izlazna

energija vjetroturbine ovisi o variranju vjetra, iako su najveće varijacije do neke

mjere kompenzirane zbog tromosti rotora turbine. Na većini mjesta na svijetu

danju je vjetrovitije nego noću. Vjetar je mnogo turbulentniji danju i češće mijenja

smjer. Veća proizvodnja danju je prednost jer je i potrošnja danju veća. Snažne

oluje često su popraćene čestim udarima vjetra koji naglo mijenjaju smjer i brzinu

vjetra. U područjima sa nejednakim izgledom terena, i iza prepreka poput zgrada,

dolazi do turbulencije sa vrlo nepravilnim tokovima vjetra i vrtlozima. Turbulencija

smanjuje mogućnost iskorištavanja energije vjetra, te uzrokuje veće trošenje

turbina. Površine mora i jezera su glatke pri konstantnoj brzini vjetra, nepravilnost

površine je vrlo mala. Povećanjem brzine vjetra dio energije vjetra se iskorištava

na podizanje valova što čini površinu nepravilnom. Pošto je nepravilnost na

morskoj površini vrlo mala, brzina vjetra se previše ne mijenja pa visina osovine

turbine ne mora biti visoka kao na kopnu. Najekonomičnija visina osovine turbine

smještene na površini mora je 0,75 puta promjer rotora. Tornjevi turbina obično se

prave dovoljno visoki da bi izbjegli turbulencije od vjetra blizu tla. Vjetar na moru je

manje turbulentan nego na kopnu, zato turbine na moru imaju veći životni vijek od

onih na kopnu.

Svaka vjetroturbina usporava vjetar iza sebe nakon što iz njega izvuče energiju

i pretvori je u električnu. Iz tog razloga bi turbine trebalo smjestiti što je moguće

dalje jednu od druge. Iskoristivost zemljišta i cijena spajanja turbina na električnu

mrežu, traže da ih smjestimo što bliže jednu drugoj. Vjetroturbine su udaljene

između 5 do 9 dužina promjera rotora u smjeru dolaska vjetra i između 3 do 5


16

dužina promjera rotora u smjeru okomitom na smjer vjetra. Gubitak energije zbog

zavjetrine koje stvaraju jedna drugoj iznosi negdje oko 5 posto. Na vjetrovitoj strani

zgrada ili planina, zrak se kompresira i njegova se brzina između prepreka znatno

povećava. Ta je pojava znana kao „efekt tunela“. Tunel bi trebao biti što pravilniji.

Slika 6 Postavljanje turbina s obzirom na tok vjetra [3.]

Meteorološki podaci, proračunati za posljednjih 30 godina najbolji su vodič pri

izboru lokacije za vjetroturbinu, ali potrebno je biti oprezan zbog toga što ti podaci

nisu prikupljeni baš na toj točnoj lokaciji. Ako u području već postoje turbine,

njihovi rezultati proizvodnje daju najbolji uvid u osobine vjetra. Velike turbine se

spajaju na električnu mrežu. Kod manjih projekata pazi se da vjetroturbine

postavimo dovoljno blizu srednjenaponskih 10 do 35 kV dalekovoda da troškovi

proširenja električne mreže ne budu previsoki. Generatori u velikim modernim


17

zračnim turbinama najčešće proizvode struju pri naponu od 690 V. Transformator

smješten uz turbinu ili u samom tornju turbine pretvara energiju na viši naponski

nivo (obično 10-35 kV). Ako je više turbina već spojeno na mrežu, trebalo bi

povećati presjek kabela. Projektanti vjetro-elektrana moraju poznavati informaciju

promjene brzine vjetra, time smanjuju troškove izgradnje i sama elektrana ima

veću korisnost. Razdioba brzine vjetra na tipičnom položaju dobija se mjerenjem,

a matematički opisuje Weibullovom razdiobom.

Weibullova razdioba je najšire prihvaćeni model za određivanje vjerojatnosti

pojave vjetra određene brzine je dvoparametarska Weibullova razdioba.

gdje s0 i k označavaju parametar razmjera odnosno oblika. Rayleighova

razdioba (koja se također može koristiti za modeliranje brzine vjetra) je specijalan

slučaj Weibullove razdiobe sa k = 2, dok k = 1 daje jednostavnu eksponencijalnu

razdiobu. Weibullova funkcija gustoće razdiobe je najpopularniji model za

određivanje distribucije kvarova. U kontekstu histograma brzina vjetra, radije je

možemo razmotriti kao generalizaciju Rayleighove razdiobe s kojom dobivamo

povećanu fleksibilnost da se bolje može prilagoditi empirijskim podacima.

Karakteristike Weibullove razdiobe su detaljno istražene i brojne studije pokazuju

da je vrlo dobra za modeliranje brzine vjetra na nekoliko lokacija.

Slika 7 Normalizirani histogram brzine vjetra na dvije različite lokacije:

Atlantski ocean (66oN 4o W, tamnoplavo) i sjeverna Njemačka (52oN 11oE,

svjetlosmeđe). Maksimalna vjerojatnost odgovarajuće Weibullove razdiobe


18

prikazana je punom (crvenom) linijom. (a) linearna skala (b) polulogaritamska

skala [9.]

Primjeri aproksimacije stvarnih izmjerenih podataka Weibullovom razdiobom su

na slici 7 gdje su lokacije odabrane tako da ilustriraju posebno dobre i loše

aproksimacije. Općenito, Weibullova funkcija gustoće razdiobe je relativno dobar

model za oceane i mora, pa ipak, histogrami za velika kopnena područja

aproksimiraju se s relativno velikom pogreškom. Slika 7 pokazuje da ni srednje

brzine vjetra niti rep sa velikom brzinama vjetra nisu dobro aproksimirani

Weibullovom funkcijom. U praksi je posebno problematična netočnost

aproksimacije velikih brzina vjetra jer je tipična brzina (“cut in” brzina) vjetra ispod

koje turbine ne rade 3-5 m/s i zbog toga je adekvatna aproksimacija repa koji

sadrži velike brzine vjetra ključna za predviđanje proizvodnje.

2.1.4. Podjela vjetroelektrana Općenito postoje dva tipa vjetroelektrana: s okomitim i s vodoravnim rotorom.

Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rjeđe koriste. Većina vjetroturbina sa

vodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomoću elektromotora i prijenosa

drži turbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine

mogu biti okrugli čelični, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za

male zračne turbine. Velike zračne turbine se izvode sa okruglim čeličnim

tornjevima, koji se proizvode u dijelovima od 20 – 30 metara koji se spajaju na

mjestu postavljanja turbine. Promjer tornja se povećava prema temelju, da bi

povećali čvrstoću i uštedili na materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem

čeličnih profila. Osnovna prednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola

manje materijala a postiže se ista čvrstoća. S obzirom na mjesto postavljanja

vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljaju na kopnu i one na morskoj

pučini. S obzirom na snagu uobičajena je podjela na male (1 do 30 kW), srednje i

velike (30 do 1500 kW), te one na pučini (>1500 kW).

Male se koriste obično na dalekim izoliranim mjestima, pri čemu postoji velika

raznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obično rade na mreži,

kao samostalne ili u grupi (vjetroparkovi). One instalirane snage veće od 650 kW

danas su su komercijalne i proizvode se u velikim serijama. Vjetroelektrane na


19

pučini mogu imati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u

razvoju, a glavna zapreka je velika cijena postolja.

2.1.5. Osnovni djelovi vjetroelektrane

Slika 8 Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [11.]

Lopatice (eng. blades) - većina vjetroturbina ima sustav s dvije ili tri lopatice. S

obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao

aerodinamičnim kočnicama) ili s krilcima. Obje izvedbe su ujedno sekundarni

kočni sustavi, koji u slučaju otkaza primarnog kočnog sustava (mehanička

kočnica) stvaraju moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom

površinom (eng. spoiler), te na taj način ograničavaju brzinu vrtnje.

Rotor - sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glava (eng. hub) i lopatice.

Kočnica (eng. brake) - kada generator ispadne iz mreže, odnosno brzina naleta

vjetra prijeđe maksimalnu vrijednost (isključnu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do

izrazitog dinamičkog opterećenja mora postojati kočni sustav kako bi rasteretio

prijenosnik snage, odnosno zaustavio rotor. Osim toga, bitno je reći da je također

zadatak ovog sustava održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno

osigurati sustav čije je djelovanje dinamički uravnoteženo. Disk kočnica je


20

najčešća izvedba kočnog sustava (kojom se na suvremenim strojevima upravlja

mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnoj osovini prije prijenosnika ili na

brzookretnoj osovini generatora.

Prijenosnik snage (eng. gear box) - prijenosnik vjetroturbine spaja sporookretnu

s brzookretnom osovinom i povećava brzinu vrtnje s oko 30 – 60 o/min na oko

1200 – 1500 o/min tj. na brzinu vrtnje, za većinu generatora, nužnu za stvaranje

električne energije. Prijenosnik je u većini slučajeva multiplikator i može biti

različitih izvedbi. Hlađenje prijenosnika se najčešće vrši zrakom, a podmazivanje

sintetičkim uljem. Prilikom analiziranja načina na koji se vrtnja prenosi s

vjetroturbinskog dijela na električni generator, naročitu važnost zauzimaju

materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prijenosni omjer. Prijenosnik je

skup i težak dio vjetroturbine pa zbog toga inženjeri istražuju mogućnost izravnog

pogona generatora bez prijenosnika.

Generator - turbinski dio vjetroelektrane s rotorom, kočnicama i prijenosnikom

snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, čija je osnovna funkcija pogon

generatora. Za pravilno i sigurno funkcioniranje čitavog vjetroturbinsko -

generatorskog sustava, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: visok

stupanj iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja, izdržljivost

rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih

sustava, izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim

opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju

generatora. Uzimajući u obzir uvjete povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost

na krute čestice, povišenu temperaturu i slične uvjete, pred generatore se također

postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su

kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora.

Upravljački i nadzorni sustav (eng. controller) - kao što samo ime kaže, ovaj

mikroprocesorski upravljan sustav je u osnovi zadužen za cjelokupno upravljanje i

nadziranje rada vjetroturbinsko-generatorskog sustava. Ako ovakav sustav nije u

cijelosti smješten na vjetroturbinskoj jedinici (kao što može biti slučaj), već je

jednim dijelom na nekom udaljenijem mjestu onda sustav zahtjeva i posebnu

telekomunikacijsku opremu.


21

Oprema za zakretanje (eng. yaw gear) - služi za zakretanje turbinsko-

generatorskog sustava. Nalazi se ispod kućišta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko

pužnog prijenosa (omjera reda veličine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom,

učvršćenim na stupu, izravnava se os osovine rotora s pravcem vjetra. Zakretanje

zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje

zakretanje kućišta zbog naleta vjetra. Zakretanje kućišta regulira sustav koji je

izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset

minuta dogodi se zakretanje kućišta).

Gondola (eng. nacelle) - kućište s jedne strane štiti generatorski sustav sa svim

komponentama od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke dotičnog

sustava.

Stup (eng. tower) - može biti izveden kao cjevasti, konusni, teleskopski,

rešetkasti, učvršćeni ili povezani. Danas se najčešće koristi cjevasta konstrukcija,

a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke čvrstoće karakterizira i veća

otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti,

a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i

montažu.

2.1.6. Vjetroelektrane i stabilnost EES-a Priključenje vjetroelektrana na elektroenergetsku mrežu je značajan problem

obzirom na to da vjetroelektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sustava i

kvalitetu električne energije u mreži. Kriteriji priključenja se definiraju u obliku

Mrežnih pravila za vjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se Mrežna pravila

ne izrađuju na način da isključe ili diskriminiraju određenu vrstu generatora,

njihove su odredbe obično definirane imajući u vidu konvencionalne

termoelektrane i hidroelektrane. Vjetroturbinski generatori se znatno razlikuju od

sinkronih generatora zbog čega se uobičajeno izrađuju dvije vrste Mrežnih pravila

za vjetroelektrane; jedna se vrsta odnosi na njihovo priključenje na prijenosni

sustav (nazivni napon ≥ 110 kV), a druga na distribucijski sustav (nazivni napon ≤

35 kV).

Sposobnost održavanja stanja pogonske ravnoteže pri normalnim uvjetima i

sposobnost postizanja prihvatljivog stanja ravnoteže pri pogonskim uvjetima nakon

pojave poremećaja, može se definirati kao stabilnost elektroenergetskog sustava.


22

Pod pojmom stabilnost podrazumijeva se iznos napona, kut, frekvencija, koji mogu

biti promijenjeni (poremećeni) uslijed priključenja vjetroelektrana na električnu

mrežu. Najčešća vrsta priključka vjetroelektrana je na distribucijsku mrežu.

Današnji distribucijski sustavi se izvode na način da omoguće prihvat snage iz

prijenosne mreže, koju će zatim razdijeliti potrošačima tako da se tokovi djelatne i

jalove snage uvijek kreću u smjeru od više prema nižoj naponskoj razini.

Distribucijska mreža može biti aktivne ili pasivne naravi. Kod mreže pasivne naravi

misli se na napajanje potrošača, dok aktivna podrazumijeva tokove snaga i

napone koji su određeni na osnovi kako opterećenja, tako i proizvodnje. Dakle,

distribuirana proizvodnja uzrokuje promjene tokova djelatne i jalove snage, te

stvara značajne tehničke i ekonomske posljedice po EES. Kako je mreža do sad

bila pasivne naravi, te je gotovo uvijek zadržavala stabilnost uz stabilnu prijenosnu

mrežu, problem stabilnosti nije ulazio u analizu distribucijskih mreža. Isto tako pri

procjeni iskoristivosti proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora,

stabilnost se u većini zemalja rijetko uzima u obzir i analizira. Međutim, s

očekivanim povećanjem prodiranja obnovljivih izvora te njihovim doprinosom

sigurnosti mreže, predviđa se da će se takav pristup stabilnosti promijeniti s

posebnim naglaskom na analizu stabilnosti kuta i napona. Stabilnost frekvencije

pojavljuje se kao problem u izoliranim sustavima, kao što su oni na udaljenim

otocima. Ako postoji povećana integriranost vjetroelektrana i EES-a, u slučaju

brzih promjena vjetra i vrlo visokih brzina vjetra, može doći do iznenadnih gubitaka

proizvodnje, odnosno do odstupanja frekvencije i dinamički nestabilnih stanja.

2.2. Energija Sunčeva zračenja i FN elektrane

Energija Sunca osnovni je pokretač svih klimatskih i životnih ciklusa na Zemlji.

Stoga je Sunce predstavljalo centar pravjerovanja brojnih civilizacija. Danas Sunce

doživljavamo kao izvor ugode i kao enormni neiskorišteni potencijal za

podmirivanje energetskih potreba uz minimalan utjecaj na globalno zagrijavanje.

2.2.1. Potencijal Sunčeva zračenja Energija Sunčeva zračenja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okreće oko

svoje osi i oko Sunca. Posljedično imamo dnevne i sezonske mijene snage

Sunčeva zračenja koje stiže do površine Zemlje. Snaga Sunčeva zračenja na

ulazu u Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 1370 W/m2


23

(uslijed blage ekscentričnosti putanje Zemlje oko Sunca i različite udaljenosto

tijekom godine vrijednost solarne konstante varira ±3,5%. To se može zanemariti

prema ostalim varijabilnim utjecajima). Do površine Zemlje stiže otprilike pola.

Snaga koju stvarno na površini imamo značajno ovisi o prilikama u atmosferi i o

oblacima. Za grubu ocjenu prosječne snage Sunčeva zračenja na površini zemlje

tijekom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro 200 W/m2.

Za neku određenu lokaciju potencijal Sunčeva zračenja se određuje mjerenjem i

analitički. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Analitički pristup daje

zadovoljavajuće rezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozračnosti (Kt – određuje

koliko zračenja dođe do površine). Piranometrom (termičkim ili poluvodičkim) se

mjeri globalna (ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozračenost na horizontalnu

površinu (gustoća energije - H Wh/m2). Daljnja analitička procjena je nužna zbog

toga što su rezultati mjerenja najčešće dostupni samo za ukupnu ozračenost i jer

se konverzija Sunčeva zračenja odvija pod određenim kutom (β) u odnosu na

horizontalnu površinu, a difuzno i direktno zračenje također ovise o tom kutu i o

indeksu prozračnosti. Dodatno treba voditi računa i o reflektiranoj komponenti koja

ovisi o direktnoj komponenti, kut β i specifičnoj konfiguraciji terena.

Slika 9 Prosječna dnevna ozračenost na ravnu površinu [kWh/m2] [3.]


24

Slika 10 Ukupna godišnja ozračenost [kWh/m2] za površinu pod optimalnim

kutom [3.]

Spektar svjetlosti koja obasjava FN ćeliju ovisi o debljini i sastavu atmosfere

kroz koju prolazi. Slika 11 ilustrira utjecaj stanja u atmosferi (smog i oblaci) na

intenzitet.

Slika 11 Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Sunčeva zračenja

tijekom dana [3.]


25

Ovisno o dobu dana, zemljopisnoj širini i godišnjem dobu svjetlost do neke

točke na površini Zemlje putuje kroz deblji ili tanji sloj atmosfere. Koliki je taj put u

odnosu na najkraći izražava se kao omjer mase zraka. Slika 12 prikazuje spektar

Sunčeva zračenja na ulazu u atmosferu i na tlu nakon direktnog prolaza.

Slika 12 Spektar Sunčeva zračenja na ulasku u atmosferu i na površini

Zemlje [3.]

Za procjenu potencijala korištenja Sunčeva zračenja i preliminarne analize

primjene dovoljni su i ovako relativno grubi podaci. Ograničenje za korištenje

Sunčeve energije u podnebljima poput našega sigurno nije primarno u dostupnim

podacima o potencijalu. Vodeća Europska zemlja u korištenju Solarne energije je

Njemačka gdje je godišnja prosječna ozračenost na optimalnu površinu ispod

1000 kWh/m2.


26

2.2.2. Fotonaponske ćelije Pojavu da svjetlost određene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink

ili natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ove

kvantnomehaničke pojave, kojom se može proizvoditi električnu energiju, dao je

Einstein 1905. Prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava opisani

efekt, ostvarena je 1954. u Bell Labs.

Prema podacima za 2006. u svijetu ima 8400 MWe instalirane snage

fotonaponskih ćelija. EU ima instalirano preko 40% ukupnog svjetskog kapaciteta,

a preko 90% toga je instalirano u Njemačkoj.

Fotonaponsko korištenje Sunčeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom

od 40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastući novi izvor. Ovako veliki rast

predstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr.

silicija i indija). Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankog-

filma, uz solidan stupanj djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da će

se potrebe za osnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati.

Fotoefekt kojim se može proizvoditi električna energije nastaje kada foton

dovoljne energije pogodi elektron u neutralnom p-n poluvodičkom spoju. Poluvodič

p-tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna

elektrona) dopira 3 - valentnim elementom, npr. borom, a n-tip ima slobodne

šupljine (manjak elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim elementom,

npr. fosforom. Na spoju ova dva tipa poluvodiča, rekombinacijom elektrona i

šupljina, nastaje neutralno područje sa električnim poljem. Da bi foton u sudaru

prebacio elektron kroz to polje treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju. To

praktično znači da svi fotoni koji imaju energiju manju od potrebne ne mogu

ostvariti fotoefekt, a svi elektroni koji imaju veću energiju od potrebne ostvaruju

izbacivanje samo jednog elektrona. Različiti materijali imaju određeni iznos

energije praga ili zabranjenog pojasa.


27

Slika 13 Teorijska efikasnost za razne poluvodičke materijale i prosječne

uvjete [3.]

Teorijska iskoristivost Sunčeve svjetlosti za proizvodnju električne energije u

fotonaponskoj ćeliji sa jednim p-n spojem ograničena je energijom praga kristala i

nizom efekata gdje se gubi energija (npr. zagrijavanje i parazitne struje ovisno o

temperaturi). Od teorijskog maksimuma za silicij od 28% na 0 oC u laboratoriju je

ostvareno 25%. Praktično se može postići stupanj djelovanja i preko 50%

kombiniranjem više p-n spojeva zajedno i drugim naprednim rješenjima (npr.

kvantne točke i udubljenja) koja iskorištavaju potpunije spektar Sunčeva zračenja.

Napon i maksimalna efikasnost na fotonaponskoj ćeliji ovise o energiji praga

poluvodiča (slika 13).


28

Slika 14 Kako radi solarna ćelija [10.]

Strujno naponska karakteristika FN ćelije je slična onoj poluvodičke diode, ali

kao izvor el. en. Za praktične primjene dobro je gledati I-U karakteristiku na nivou

modula u koji se FN ćelije spajaju. Način povezivanja FN ćelija u module ovisi o

željenom izlaznom naponu i snazi koje se želi postići. Slika 15 prikazuje I-U

karakteristiku za Si FN ćeliju.

Praktične izvedbe FN ćelija karakterizira napon otvorenog kruga, struja kratkog

spoja te stupanj djelovanja. Kod instalacije FN modula treba paziti na to da stupanj

djelovanja FN ćelije pada sa porastom temperature (skoro 0,5% za +1 oC).

Važna je činjenica da izgled karakteristike FN diode određuju unutrašnji otpori i

da se maksimalna snaga na trošilu postiže samo u jednoj točki.


29

Slika 15 I-U karakteristika za Si FN ćeliju [3.]

Slika 16 Podudarnost Sunčeve energije i potreba za el. en. tijekom dana [3.]


30

Nazivna snaga

Fotonaponski sustavi se označavaju prema vršnoj snazi (peak kilowatts, kwp).

To je količina električne snage koja bi trebao isporučiti novi, čisti sustav kad je

Sunce direktno iznad glave u vedrom, čistom danu. Sa sigurnošću možemo

zaključiti da stvarno proizvedena snaga nikad neće dostići tu vrijednost. Snaga

sustava će biti manja zbog kuta Sunaca, atmosferskih uvjeta, prašine u zraku i na

samoj površini, i na kraju zbog zamora materijala. Osim toga, u usporedbi sa

konvencionalnim sustavima, fotonaponski sustavi mogu generirati snagu samo

tijekom dana.

Efikasnost ćelija

Efikasnost fotonaponskog sustava je postotak sunčeve energije koja padne na

fotonaponski panel koji se pretvori u električni energiju. Tablice efikasnosti rade se

prema laboratorijskim mjerenjima gdje se koriste manje ćelije. Manja ćelija ima niži

unutarnji otpor i zbog toga će biti efikasnija nego veće ćelije koje se koriste u

praksi. Dodatno, fotonaponski paneli se rade tako da se brojne ćelije serijski spoje

da bi davale neki praktični napon. Zbog unutrašnjeg otpora svake ćelije ukupni

otpor se poveća i efikasnost padne na 70% vrijednosti samostalne ćelije.

Efikasnost je veća na nižim temperaturama, a u laboratorijima se radi na nižim

temperaturama nego u praksi.

Efikasnost pretvorbe

Najefikasniji FN moduli su izgrađeni od monokristalnog silicija, koji daje

efikasnost do 15%, ali je i najskuplji za proizvodnju. Polikristaln silicij je jeftiniji, ali

ima i manju efikasnost. Najmanji korisnost imaju ćelije koje koriste amorfni silicij,

ali su zato najjeftinije.

2.3. Energija vode i male hidroelektrane

Energija položaja vode obnovljiva je zahvaljujući Sunčevoj energiji koja

neprestano održava hidrološki ciklus. Uobičajeno je različito vrednovanje velikih i

malih hidroelektrana kada je riječ o utjecaju na okoliš. Premda sveobuhvatna

istraživanja nisu dostupna uvriježen je pogled da se korištenje energije položaja

vode u malim postrojenjima smatra ekološki prihvatljivijim. No, i za velika


31

postrojenja se smatra da je njihov višestruki negativni utjecaj na okoliš

nadomještava doprinos smanjenju emisije stakleničkog plina CO2. Ovo poglavlje u

nastavku opisuje prirodu i resurse energije položaja vode kako u svijetu tako i u

Republici Hrvatskoj. Opisano je stanje i trend korištenja malih hidroelektrane

(MHE). Potom su iznesene glavne značajke za MHE. Na kraju je dan opis češće

korištenih vodnih turbina i generatora s napomenama o načinu priključivanja MHE

na el. en. mrežu. Količina vode i iskoristiv pad određuju potencijal za korištenje

energije položaja vode. Padaline i tlo (konfiguracija i sastav) određuju obje

značajke. Uobičajeno je za neki vodotok prikazivati srednju vrijednost protoka u

ovisnosti o nadmorskoj visini (tzv. Q-H dijagram).

Za neku konkretnu lokaciju od značaja je poznavati vjerojatno trajanje

određenog protoka vode i iskoristivi pad. Krivulja trajanja protoka nastaje iz

mjerenja ili iz procjene. Samo dugotrajna mjerenja protoka mogu dati pouzdane

podatke zbog velike varijabilnosti uslijed uobičajenih klimatskih varijacija. Slika 3

ilustrira krivulju protoka i krivulju trajanja protoka.

Slika 17 Krivulja protoka kroz godinu [3.]


32

Poznavanjem ili procjenom trajanja protoka i iskoristivih padova moguće je

procijeniti hidroenergetske resurse. Uobičajeno se HE resursi dijele na ukupni

(teorijski), tehnički i ekonomski iskoristive. Tehnički potencijal je nekoliko puta (npr.

3x) manji od ukupnog i nešto veći (npr. 30%) od ekonomskog. Konačnu

iskoristivost određuju ekološki, ekonomski i društveni faktori zbog kojih danas

gotovo da više i nema daljnjeg korištenja HE u velikim postrojenjima razvijenih

zemalja.

Slika 17 ilustrira veliku varijabilnost protoka rijeke tijekom godine i još veću kroz

više godina. Ovisno o vremenu topljenja snijega kod nižih planinskih područja

vršni protok se pojavljuje tijekom proljeća, a kod viših tijekom ljeta. Varijabilnost

protoka ima značajan utjecaj na mogućnost proizvodnje el. en. i ekonomičnost

postrojenja. Posebno kada je mogućnost akumuliranja vode mala kao kod MHE.

2.3.1. Male hidroelektrane Mala HE može sadržavati sve elemente koje ima veliko postrojenje. Razlika je

najveća u znatno manjoj potrebi za ekstenzivnim hidrološkim i topološkim

studijama te u relativno malom obimu potrebnih građevinskih radova. Ovo

posebice vrijedi za male protočne HE, ali značajno je i kod rješenja s

akumulacijom.

Razlog navedenih razlika dijelom je u manjem korištenju protoka, a dijelom i u

mogućnosti primjene inovativnih fleksibilnih rješenja. Primjerice dovodni kanal se

može probušiti kroz zemlju, a prepreka u vodotoku može biti gumena i adaptivna

za razne protoke. Slika 18 ilustrira raznolikost mogućnosti izvedbi malih HE.


33

Slika 18 Moguće izvedbe malih HE

Za sve izvedbe potrebni su zahvat, dovod, postrojenje i odvod. Ovisno o

specifičnosti izvedbe potrebna je pregrada (brana), vodna komora, tlačni cjevovod,

zaštita od hidrauličkog udara te zaustavni ventili. Postrojenje se uvijek sastoji od

turbine, generatora el. en., rasklopnog postrojenja te sustava kontrole, zaštite i

nadzora cijele MHE.

Pregrada ili brana za MHE se najčešće izvodi tako da osigura minimalni utjecaj

na tok vode i život u njoj. Zanimljiva su tzv. kombinirana rješenja od gume i sl. gdje

se veličina pregrade mijenja količinom napuhanog zraka ili vode. Sva rješenja

brana trebaju imati posebno izvedene mogućnosti reguliranja preljeva i čišćenja

nakupina sitnih i krupnih naslaga na rešetkama kod zahvata vode. Kod izvedbi

gdje se ne održava konstantan pad pregrade se mogu izvesti bez pokretnih

dijelova.

MHE mogu biti izvedene (ovisno o padu) kao nisko (do 20 m), visoko (preko

100 m) i srednje tlačne (između). Prema tome kako su postavljene u odnosu na


34

riječni tok MHE mogu biti protočne i derivacijske. Ova podjela je identična kao i za

velike HE.

Turbina i generator predstavljaju dvije najvažnije aktivne komponente HE.

Principi djelovanja i izbor turbine i generatora slični su kao i za velike HE.

Značajna je razlika u tom što se za MHE turbine i generatori ne proizvode

posebno za svaku izvedbu. Za MHE postoji veliki izbor gotovih vrsta i veličina

turbina i generatora.

Turbina

Voda u pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehaničku energiju na osovinu.

Ovisno o uvjetima koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj različitih

izvedbi da bi se postigla efikasnija pretvorba energije. Najpoznatije turbine kod

velikih postrojenja su Pelton, Francis i Kaplan. Za mala postrojenja postoji veliki

broj dodatnih izvedbi od kojih je poznatija Michel-Banki (s poprečnim tokom).

Turbine za MHE se rade serijski, a postoje i primjene s pumpama zbog

ekonomičnosti. Razlika turbina u principu djelovanja odražava se na optimalni

raspon protoka i padova za stupanj djelovanja. Slika 19 prikazuje područje

primjene različitih vrsta turbina prema protoku i padu. Uočljivo je da poznate vrste

turbina pokrivaju područje primjene za velika i mala postrojenja. Turbine s

poprečnim protokom i Turgo pokrivaju područje padova i protoka za male HE (isto

vrijedi i za veliki broj različitih vrsta turbina koje nisu prikazane na slici).

Vidljivo je da se područja primjene uvelike preklapaju te se odluka o izboru

temelji na ekonomskim i drugim tehničkim parametrima. Svaka turbina ima

maksimalan stupanj djelovanja pri instaliranom protoku (ili u blizini). Ovisno o vrsti

turbine stupanj djelovanja se manje ili više smanjuje sa smanjivanjem protoka

vode.


35

Slika 19 Područje primjene različitih vrsta turbina (prema protoku i padu) [3.]

Slika 20 Promjena stupnja djelovanja turbine u ovisnosti o protoku vode [3.]


36

Slika 20 prikazuje promjenu stupnja djelovanja za odabrane turbine. Vidljivo je

da Kaplan i Pelton turbine imaju stupanj djelovanja koji je dobar i stabilan u

velikom rasponu protoka. Ovakva karakteristika ima svoju cijenu.

Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode (akcija energije položaja

vode pretvorena u konetičku energiju) pri približno atmosferskom tlaku. Kod

izvedbi s više mlazova situacija s tlakovima je nešto složenija. Male Pelton turbine

mogu raditi ekonomično već i s protocima od 30 l/s uz pad od 20 m. Da bi se

smanjilo aksijalne sile kod većine modernijih izvedbi lopatice turbine su oblikovane

tako da razdvajaju mlaz. Za optimiranje efikasnosti i osiguravanje slobodnog

otjecanja vode nakon lopatica potrebno je osigurati ispunjavanje Masonyieva

kriterija da omjer promjera lopatica (D) bude 10 puta veći od promjera mlaza. Kod

promjene opterećenja ili potrebe za naglim zaustavljanjem turbine potrebno je

zaustaviti ili preusmjeriti mlaz od lopatica. Promjena smjera mlaza vode je bolje

rješenje jer naglo zaustavljanje protoka može izazvati tzv. vodni udar. Ponekad se

primjenjuje i protumlaz kao vodna kočnica. Jednostavnost izvedbe i pristupa

osigurava lagano održavanje Pelton turbine.

Francis turbina se može instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna

izvedba ima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja

jer zahtijeva veći prostor, ima veću ukupnu masu postrojenja i dodatno je složenija

za održavanje. Francis turbina ima niz nedostataka u odnosu na Pelton izvedbu:

osjetljivija je na problem kavitacije i na nečistoće u vodi; efikasnost značajno

opada kod manjeg protoka od nazivnog (ovisno o izvedbi već kod 50%

instaliranog protoka pada blizu 0,6); pogon nije stabilan kod protoka manjeg od

40% instaliranoga; brzo zatvaranje protoka izaziva veći vodni udar te je potrebno

bolje dimenzionirati dovodnu cijev; kompleksnija izvedba i kontrola zahtijevju

složeno održavanje. Prednost Francis turbine u odnosu na Pelton je u

iskorištavanju kompletnog pada. Iskustveni podaci o brzini okretanja Francis

turbine za padove od 10 do 50 m su između 900 i 1200 min-1, a za veće padove i

do 1500 min-1.

Kaplan turbina se koristi za male padove ili za protočne HE. Prednost Kaplan

turbine prema drugim sličnim izvedbama za male padove (npr. bulb, propeler, S i

Straflo) je u manjoj cijeni i u pozicioniranju elektromehaničkog dijela izvan vode

(lakše održavanje i sigurnije kod poplavljanja). Utjecaj na okoliš izvedbi s Kaplan


37

turbinom je manji zbog nepostojanja akumulacije i manjeg zauzimanja prostora.

Ovisno o protoku (reguliran ili varijabilan) postoje izvedbe sa fiksnim i pomičnim

krilcima lopatica rotora (veća efikasnost). Dvostruka regulacija osigurava dobar

stupanj djelovanja za veliki rasopn protoka (do 30% instaliranog protoka).

Michel-Banki turbina (crossflow – poprečna; s radialnim potiskom) za razliku od

ostalih ima primjenu samo kod MHE (do 0,8 MW). Kod primjene protoci se kreću

između 25 i 700 l/s. Rotor se dijeli na 26 do 30 pregrada ovisno o promjeru (od 0,2

do 0,6 m). Turbina se instalira sa slobodnim otjecanjem vode ili sa nastavkom

(difuzor) za korištenje cijelog pada. Posebnost podjele rotora na 1/3 i 2/3 za

efikasnije korištenje manjih protoka od nazivnoga je već prije spomenuta (slika na

prethodnim stranicama). Varijabilni kapacitet protoka osigurava rad i na 20%

instaliranog protoka. Ovo je važno za veliki broj potencijalnih lokacija za vrlo male

HE s jako promjenjivim protokom. Dodatna prednost Michel-Banki turbine je brzo

sastavljanje, manji zahtjevi na izvedbu postrojenja (građevinski radovi) i lagan

pristup svim dijelovima za održavanje.

Vodno kolo povezano je s najstarijim načinom korištenja energije položaja vode.

Zanimljivo je da i danas vodno kolo ima veliki broj prednosti kod vrlo malih HE.

Najprije vrlo je veliki broj lokacija koje imaju relativno mali pad i umjerenu snagu

(<5 m, do 75 kW). Potom, vodno kolo predstavlja dobar kompromis između

proizvodnje i očuvanja okoliša. Pogon je neometan prljavštinama u vodi. Tijekom

rada se ostvaruje samoregulacija momenta promjenom količine zahvaćene

količine vode. Nedostatak vodnog kola je mala kutna brzina (do 8 min-1) koja

zahtjeva multiplikator brzine (prijenos ili remen) prema generatoru (~1:20) što

izaziva dodatne gubitke. Pokraj toga potreba za reguliranjem brzine komplicira

veliku jednostavnost izvedbu. Vodna kola se mogu koristiti za izvedbe koje imaju

pad do 10 m i protoke do 2 m3/s.

Vodne pumpe kao turbine za vrlo male HE dosta se često primjenjuju. Osnovni

razlog tome je u činjenici da su vrlo jeftine (masovna proizvodnja) i lako se

nabavljaju s velikim varijacijama karakteristika. Njihov nedostatak je u manjoj

efikasnosti i većoj osjetljivosti na kavitaciju i radni raspon. Glavni problem

predstavlja nemogućnost kontrole protoka. Primjena je stoga najjednostavnija s

konstantnim protokom. Uvjete promjenjivog protoka je moguće rješavati na

različite načine, npr.: dodatna manja pumpa, ili elektronska kontrola (tereta).


38

Generator

Rješenja MHE za samostalni rad moraju imati sinkroni generator što poskupljuje

izvedbu. Male HE koje su priključene na mrežu najčešće koriste jednostavni

asinkroni generator. Izvedbe vrlo malih snaga (ispod 100 kVA) se priključuju na

niskonaponsku mrežu (0,4 kV), a za veće snage se radi priključak na

srednjenaponsku mrežu (10/20 kV). Potrebno je osigurati faktor snage iznad 0,9.

Treba voditi računa o strujama kratkog spoja, prenaponskoj zaštiti, zaštiti od

napona dodira i ponovnom automatskom uključivanju. Sve izvedbe trebaju imati

nadstrujnu, podnaponsku i zaštitu od kratkog spoja. Za snage iznad 0,25 MVA

treba dodati i zaštite generatora od zemnog spoja i povratne snage (sinkroni

generator). Mjerenje el. en. (radne i jalove u oba smjera) i brojnih drugih veličina

obvezno je i potrebno za dobar i autonoman rad male HE.

Kod dimenzioniranja male HE (posebice turbine i generatora) važno je paziti na

ekonomičan odabir. To je moguće napraviti samo kada se poznaje krivulja trajanja

iskoristivog protoka, krivulju ovisnosti pada o protoku, gubitke na dovodu u funkciji

protoka, ovisnost efikasnosti turbine o protoku, obim građevinskih radova,

mogućnost iskorištavanja proizvedene el. en. (otočni rad ili ograničenje

povezanosti sa mrežom). Investicijski troškovi ovise o lokaciji i nazivnoj snazi: za

snage ispod 200 kW iznose oko 9000€/kW, a za snage oko 1 MW oko 5000€/kW.

Kod obnavljanja i moderniziranja cijene su višestruko niže.

Dobrim rješenjima MHE mogu dijelom smanjiti potrebu za fosilnim gorivima, a

integriranim pristupom pomoći kod navodnjavanja i zaštite od poplava. Male HE

mogu pozitivno djelovati na sigurnost i pouzdanost opskrbe el. en. u radu na

mreži. Slabe naponske prilike se mogu poboljšati na krajevima mreže. Moguć je i

negativan utjecaj na kvalitetu napona (izobličenja). Malim HE je moguće riješiti

napajanje udaljenih lokacija od mreže. Problem predstavlja varijabilnost dostupnih

protoka jer su akumulacije vrlo male ili ih uopće nema. Ukupno MHE ne

predstavljaju veliki potencijal, ali to je obnovljiv potencijal, moguće je koristiti

vlastita rješenja i dijelom smanjiti ovisnost o uvozu el. en.


39

3. Stohastička priroda obnovljivih izvora energije Obnovljivi izvori energije prema svojim su prirodnim obilježjima nestalni i

nepredvidivi. Primjerice, ne može se sa potpunom sigurnošću kratkoročno

predvidjeti intenzitet vjetra ili Sunčevog zračenja ili se ne može predvidjeti hoće li

pasti dovoljno kiše za dotok rijeka dovoljan za proizvodnju u hidroelektranama i

slično. Nestalna prirodna obilježja obnovljivih izvora energije ograničavaju

mogućnost njihovog prihvata u elektroenergetski sustav. Proizvodnja električne

energije iz obnovljivih izvora energije jako varira tijekom dana i teško je planirati

kada će elektrana raditi (i s kojom snagom) ili biti zaustavljena. Zbog toga, u mreži

uvijek mora postojati dovoljna pričuva trenutačno raspoložive instalirane snage

koja može pokriti nedostatak koji nastaje kada pojedini obnovljivi izvor ne radi

(primjerice, vjetroelektrana ne radi kada nema vjetra). Nadalje, elektroenergetska

mreža na određenoj lokaciji može primiti samo određenu količinu električne

energije bez opasnosti od preopterećenja i narušavanja stabilnosti ustava.

Najveće poteškoće s prihvatom u mrežu elektroenergetskog sustava javljaju se

kod vjetroelektrana i stoga se on ograničava na razinu snage, prihvatljivu za

električnu mrežu te siguran i stabilan rad cijelog sustava.

3.1. Utjecaj vjetroelektrana na EES

Utjecaj rada vjetroelektrana na EES možemo promatrati na tri razine: Utjecaj na okolnu prijenosnu i/ili distribucijsku mrežu - povećava se opterećenje

okolne mreže (struja, napon), povećavaju se statičke varijacije napona (specifično

za „slabije“ distribucijske mreže), dolazi do dinamičkih promjena napona, flikera i

javljaju se viši harmonici, promijenjeni zahtjevi na sustava zaštite okolne mreže itd.

Sustavni utjecaj na prijenosnu mrežu - utječe na dinamičku stabilnost,

održavanje frekvencije (posebno pri poremećajima), naponsku stabilnost itd.

Utjecaj na planiranje i vođenje EES-a - nije moguće dugoročno planirati

proizvodnju, ograničene su mogućnosti katkoročnog planiranja proizvodnje,

zahtjevi za dodatnom balansnom energijom (energijom odstupanja – razlika

planirane i realizirane potrošnje i proizvodnje električne energije na npr. satnoj

razini).


40

Potrebni su dodatni kapaciteti za regulaciju radne snage i frekvencije.

Nemoguća je garancije snage itd.

Varijabilnost rada vjetroelektrana prisutna je na svim vremenskim razinama, a

ista se može ublažiti samo u slučaju dobre prostorne disperzije.

Predvidivost proizvodnje na dnevnoj razini u rijetkim slučajevima iznosi i do

90%, ali ipak rijetko iznad 50%. Na mjesečnoj, a pogotovo godišnjoj razini,

predvidivost proizvodnje vjetroelektrana po planskim intervalima (npr. mjesečna

proizvodnja u slučaju godišnjeg plana) je gotovo zanemariva. Zbog toga je nužna

odgovarajuća podrška odnosno rezerva u klasičnim elektranama. Za ilustraciju je

na slici prikazana usporedba tromjesečne i trodnevne prognoze s ostvarenim

vrijednostima proizvodnje vjetroelektrana u Danskoj, kao zemlji s najvećim

udjelom proizvodnje vjetroelektrana u ukupnoj proizvodnji električne energije.

Slika 21 Danska – primjer odstupanja plana proizvodnje vjetroelektrana od

realizacije [6.]


41

Vjetroelektrane praktički ne mogu sudjelovati u primarnoj i sekundarnoj

regulaciji snage/frekvencije, te dodatno utječu na ukupnu regulacijsku grešku, što

zahtijeva dodatnu hladnu i rotirajuću rezervu u EES-u. Značaj ovakvog utjecaja

ovisi o ukupnom udjelu vjetrelektrana u EES-u i samoj strukturi EES-a.

Dosadašnja istraživanja ipak pokazuju kako varijacije proizvodnje vjetroelektrana

na razini 1-3 minute ipak nisu značajne i ne predstavljaju veći problem u vođenju

EES-a. To će zasigurno vrijediti i u Hrvatskoj, budući da visoki udio akumulacijskih

hidroelektrana može bez problema pokriti vjetroelektrane čak i u slučaju njihove

veće penetracije u EES Hrvatske. Međutim, to u određenoj mjeri može utjecati na

ekonomičnost rada hidroelektrana.

Među najvećim nedostacima vjetroelektrana u tržišnom okruženju spada

problem energije odstupanja (balansne energije). Radi se o energiji koja nastaje

kao razlika planirane i ostvarene proizvodnje/potrošnje na razini 15-60 minuta, a

koja se regulira na način da određene elektrane moraju povećavati ili smanjivati

svoju planiranu proizvodnju. Takva regulacija se naplaćuje od proizvođača i

potrošača koji su uzrokovali odstupanje, putem tržišnih mehanizama ili po

reguliranim tarifama. Odstupanje proizvodnje vjetroelektrana od planirane

proizvodnje na satnoj razini je redovito vrlo veliko, što može uzrokovati dodatne

troškove reda veličine 10-30% ukoliko bi se odstupanje stvarno naplaćivalo od

vjetroelektrana. Djelomično rješenje ovog problema se može potražiti u

međusobnom povezivanju svih proizvođača električne energije iz vjetroelektrana

(tzv. „balansna grupa“), budući da se u tom slučaju ukupna pogreška u relativnim

iznosima smanjuje.

Rezerva snage kod intermitentnih izvora kao što su vjetroelektrane trajno će

ostati kao problem koji nije moguće riješiti. Prema strogim kriterijima sigurnosti,

vjetroelektrane ne bi uopće trebalo uzimati u obzir po pitanju rezerve snage u

EES-u.


42

Slika 22 Krivulja trajanja proizvodnje vjetroelektrana i raspoloživosti

konvencionalnih elektrana(Vattenfall – Njemačka) [6.]

U proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora imamo pouzdane i

promjenjive tipove tehnologija.

Pouzdane tehnologije su one u koje se, bez obzira na stanje zaliha ili tehnički

kvar, možemo pouzdati da će nam isporučiti električnu energiju kad nam je

potrebna. To se odnosi na akumuliranu hidroenergiju, biomasu, geotermalnu

energiju i u manjoj mjeri na tehnologiju koncentriranja solarne energije.

3.2. Promjenjivi obnovljivi izvori („var-RE“)

Var-RE postrojenja se oslanjaju na resurse koji fluktuiraju na vremenskoj razini

nekoliko sekundi do par dana i ne uključuju nikakav oblik integriranog spremnika.

Takve tehnologije uključuju direktnu energiju vjetra, energiju valova i plime,

protočnu energiju rijeka i solarnu energiju kod fotonaponskih panela. Proizvodnja

takvih postrojenja varira ovisno o količni dostupnog resursa (vjetra, oblačnosti,


43

kiše, valova itd.). Takve tehnologije se često nazivaju intermitentnim

(isprekidanim), ali takav naziv nije ispravan. Ukupna proizvodnja na razini cijelog

sustava na pada sa pune snage na nulu i obratno nego određenim gradijentom

raste i pada kako se vrijeme mijenja.

Promjenjivost i povremeni prekidi opskrbe su realnost elektroenergetskih

sustava. Ispadi elektrana ili prijenosnih vodova, suše (utječu posebno na

hidroelektrane, ali ponekad čak i na „nuklearke“). Potrebe za električnom

energijom, koje se temelje na ponavljajućim obrascima društvenog ponašanja,

mogu biti relativno lake za predvidjeti, ali neočekivana vršna opterećenja se uvijek

mogu pojaviti (nagli porast ili pad temperature ili neki drugi razlog).

Meteorološka predviđanja, iako se polako poboljšavaju, i dalje su do određene

mjere nepouzdana, i to je razlog zabrinutosti povezan sa sposobnošću

elektroenergetskog sustava da uravnoteži opskrbu i potražnju kod visokih udjela

var-RE izvora i da održi siguran i stabilan rad sustava. U tom smislu, izazov kod

promijenjivih izvora nije toliko njihovo variranje, nego više predvidljivost.

Povezanost između potražnje i opskrbe iz var-RE

Često se bez rezerve uzima da povećanje proizvodnje iz var-RE izvora nužno

dovodi do dodatnog opterećenja u smislu uravnoteživanja ponude i potražnje. To

nije uvijek slučaj: ako se proizvodnja povećava u isto vrijeme kada raste i

potražnja, kao što je slučaj sa fotonaponskim ćelijama i klima uređajima u vrućim

zemljama, proizvodnja iz fotonaponskih sustava će unijeti malo neravnoteže, ali će

smanjiti razinu potražnje radeći kao „vršna“ elektrana. To može biti posebno važno

na razini distribucije gdje proizvodnja iz fotonaponskih sustava može biti locirana

na mjestu potrošnje (npr. solarne ćelije integrirane na uredske zgrade).

Faktori koji imaju efekt smanjivanja promjenjivosti (variranja)

Prije diskusije o mjerama koje se mogu poduzeti da se poveća fleksibilnost

elektroenergetskog sustava i tako omogući veći udio varirajućih obnovljivih izvora,

važno je razmotriti kako sama promjenjivost može biti smanjena do određene

razine – reduciranje ekstremno visokih i niskih vrijednosti. Jedna metoda je

kombiniranje različitih tehnologija na način da ukupna proizvodnja na točki

prihvata u mrežu bude relativno glatka. To može biti korisno u manjim sustavima

koji nisu sposobni apsorbirati velike fluktuacije.


44

Udruživanje proizvodnih postrojenja na razini elektroenergetskog sustava

neupitno smanjuju promjenjivost. Ako se kombinirana proizvodnja mnogih var-RE

elektrana, koje se baziraju na različitim resursima i, što je važnije, raspršene su na

širokom prostoru, gleda kao proizvodnja jedne jedinice – njezina promjenjivost

prema elektroenergetskom sustavu je manja nego promjenjivost individualnih

elektrana. Iako vremenske fronte mogu biti na razini kontinenta, statistički – što je

veća udaljenost između dva generatora to će njihova proizvodnja biti manje

međusobno povezana. Taj efekt je posebno važan na razini sata.

Efekt izglađivanja je manje naglašen na nekopnenim postrojenjima: velike

oceanske fronte se rastežu stotinama kilometra, pa je potrebno jako široko

rasporediti postrojenja da bi se smanjila povezanost njihove proizvodnje.

Slika 23 ilustrira efekt zaglađivanja zbog prostornog rasporeda vjetroelektrana

u Njemačkoj. Pokazuje variranje normalizirane snage koju proizvedu A) jedna

turbina B) grupa vjetroelektrana i C) sve vjetroelektrane u Njemačkoj u vremenu

od 10 dana.

Udruživanje proizvodnje električne energije iz različitih tehnologija

Proizvodnja iz različitih varirajućih obnovljivih izvora se također može gledati

udruženo na razini elektroenergetskog sustava. Slika 24 pokazuje inverznu

korelaciju (povezanost) sezonskih faktora opterećenja (omjer stvarno isporučene

snage i maksimalne potencijalne snage postrojenja) vjetra i solarnih panela za

2005. godinu u Njemačkoj - više vjetra u zimi i više sunca ljeti. Da bi takav

raspored postrojenja imao efekt zaglađivanja, proizvodnja postrojenja mora biti

istog reda veličine.


45

Slika 23 Efekt zaglađivanja kombiniranjem vjetroelektrana na različitim

lokacijama [5.]

Slika 24 Mjesečni faktori opterećenja za vjetrelektrane i solarne panele (2005.

godina) [5.]


46

4. Model sustava u MATLABU

4.1. Programski paket MATLAB

MATLAB je složeni programski sustav i viši programski jezik za razna tehnička izračunavanja. Integrira računanje, vizualizaciju i programiranje u korisnički orijentiranom okruženju, u kojem se problemi i rješenja iskazuju u uobičajenoj matematičkoj notaciji.

Tipične primjene MATLAB-a su: numerička i simbolička izračunavanja, razvoj algoritama, akvizicija podataka, modeliranje i simulacija sustava, eksperimentiranja sa sustavima u stvarnome vremenu, analiza, obradba i vizualizacija podataka, znanstveno-inženjerska grafika, razvoj aplikacija, uključujući i razvoj grafičkih korisničkih sučelja.

MATLAB je interaktivni programski sustav kojemu je osnovni podatkovni element polje. Polju nije potrebno zadavati dimenziju pa se razni algoritmi, osobito oni koji zahtijevaju operacije s matricama i vektorima, programiraju neusporedivo brže u MATLAB-u nego u neinteraktivnim skalarnim programskim jezicima, kao što su C ili Fortran.

Ime MATLAB je akronim za matrix laboratory, jer je MATLAB izvorno bio pisan s idejom jednostavnog pristupa matričnim programskim paketima razvijenim u okvirima projekata LINPACK i EISPACK. Današnji MATLAB uključuje LAPACK i BLAS biblioteke koje sadrže najmodernije algoritme matričnih proračunavanja.

Na razvoj MATLAB-a od početaka prije dvadesetak godina pa sve do danas značajno su utjecali i mnogobrojni korisnici. Tako da je MATLAB na sveučilištima postao gotovo nezamjenljivi programski alat za izvođenje nastave na mnogobrojnim kolegijima iz prirodoslovnih i tehničkih znanstvenih disciplina. U industriji je MATLAB postao najzastupljeniji programski alat za visoko-učinkovita istraživanja i razvoj.

Osim ovoga temeljnoga programskog okruženja, MATLAB se sastoji i od velikoga broja dodatnih funkcija razvrstanih u tzv. "toolboxove" (engl. toolboxes), koji su organizirani prema području primjene. Primjerice, postoje "toolboxovi" za obradbu signala, upravljanje sustavima, neuronske mreže, neizrazitu logiku, wavelete, komunikacije, simboličku matematiku, statistiku itd. Ova široka lepeza "toolboxova" u velikoj mjeri doprinosi velikoj rasprostranjenosti i popularnosti MATLAB-a jer omogućuje korisnicima brzo učenje i primjenu specijaliziranih znanja iz odredjenog područja.


47

4.2. Opis modela

4.2.1. Opće blok sheme Zadatak je bio modelirati stohastičnost nekoliko obnovljivih izvora energije na

različitim lokacijama. Bloka shema modela prikazana je na slici 25. Sastoji se od

tri modula: solarno ozračenje, vjetar, vodotok. Za Sunce i vjetar su kompletno

simulirane po tri lokacije za svaki izvor dok je za vodotok zbog složenosti uzeti

stvarni podaci od jedne lokacije.

output 7

lika

output 6

wind _os

output 5

wind _knin

output 4

wind _st

output 3

solarno _os

output 2

solarno _knin

output 1

solarno _du

Vjetar

Out1

Out2

Out3

Solarno zracenje

Out1

Out2

Out3

Protok vode

Out1

PV elektrana Dubrovnik

PV elektrana Knin

PV elektrana Osijek

Vjetroelektrana Split

Vjetroelektrana Knin

Vjetroelektrana Osijek

Mala hidroelektrana Lika

Slika 25 Blokovska shema kompletnog modela


48

Na nekoliko lokacija simulirali smo stohastičnost proizvodnje snage električne

energije na satnoj frekvenciji (vjetar, solarno) i dnevnoj frekvenciji (protok vode).

Lokacije s kojih su uzeti višegodišnji mjereni podaci za solarnu energiju su

Dubrovnik, Knin i Osijek, podaci za vjetar su uzeti s lokacija u okolici Splita, Knina

i Osijeka, dok je protok od jedne ličke rijeke.

Datoteke u koje se spremaju rezultati simulacije su: solarno_du, solarno_knin,

solarno_os, wind_st, wind_knin, wind_os i lika.

Out 33

Out 22

Out11

Solarno Osijek

Out1

Solarno Knin

Out1

Solarno Dubrovnik

Out1

Slika 26 Opća blok shema modela za Sunce

Out33

Out 22

Out11

Vjetar Split

Out1

Vjetar Osijek

Out1

Vjetar Knin

Out1

Slika 27 Opća blok shema modela za vjetar


49

4.2.2. Model stohastičnosti solarnog ozračenja i FN elektrane

Out11

prozracnost _satna

MATLABFunction

prozracnost _dnevna

MATLABFunction

model FN sustava

In1 Out1

ekstrateresticko ozracenje

MATLABFunction

Saturation 2

Saturation 1

Saturation

Product

Geo . sirina

43

Clock3

Clock1

Clock

Add

Slika 28 Blok shema stohastičnosti solarnog ozračenja i jednostavni model

FN elektrane

Funkcije prozracnost_dnevna i prozracnost_satna generiraju indeks

prozračnosti koji ustvari određuje količinu sunčevog zračenja koje dospije na

površinu. To je stohastički dio modela jer faktor prozračnosti ovisi o brojnim

utjecajima, prije svega oblačnosti. Sadržaji datoteka s programskim kodom nalaze

se u Dodatku.

Deterministički dio modela se odnosi na odnos položaja Sunca i Zemlje kroz

godinu. Taj odnos je u ovom kontekstu određen ekstraterestičkim ozračenjem.

Ekstraterestičko ozračenje ovisi o danu u godini i o geografskoj širini. Generiranje

ekstraterestičkog ozračenja kroz godinu opisano je funkcijom

ekstratersticko_ozracenje (kod se nalazi u Dodatku).

Out 11

to kW

-K-

module efficiency

-K-

Saturation 3 A [m2]

-K-In11

Slika 29 Blok shema FN elektrane


50

Jednostavan model FN elektrane je prikazan blok shemom na slici 29. Blok

Saturation 3 označava nazivnu snagu (maksimalnu) 1 m2 solarnih ćelija. Blok

module efficiency je efiksnost cijelog sustava (odnosno koliko se dozračene

energije pretvori u električnu energiju). Imamo još i modul A [m2] (ukupna površina

solarnih ćelija) i modul koji pretvara snagu iz vata u kilovate.

4.2.3. Model stohastičnosti brzine vjetra i vjetroelektrane

Out11

brzina vjetra

MATLABFunction

Modelvjetroelektrane

MATLABFunction

Cut outClock

Slika 30 Blok shema stohastičnosti brzine vjetra i jednostavni model

vjetroelektrane

Blok shema se sastoji od bloka koji modelira brzinu vjetra kroz godinu (kod

funkcije je u Dodatku), bloka koji sadrži cut out brzinu vjetroturbine i blok u kojem

se na jednostavan način modelira vjetroelektrana (ulaz je brzina vjetra, a izlaz

generirana el. snaga).

4.2.4. Model protoka vode

Out11

netto pad

-K-

korisnost generatora

-K-

korisnist turbine u ovisnosti o protoku

f(u)

g force

-K-

Protok rijeke

Out1

Out2

Product

Slika 31 Blok shema stohastičnosti protoka vode kroz jednu godinu i

jednostavan model male hidroelektrane

Blok shema se sastoji od bloka koji sadrži protok vode kroz jednu godinu. Mala

hidroelektrana je pojednostavljeno modelirana.


51

4.3. Prikaz rezultata dobivenih simulacijom

4.3.1. Stohastičnost snage na satnoj razini kroz jednu godinu

Slika 32 Prikaz proizvodnje električne snage male hidroelektrane (1500 kw)

na razni sata kroz jednu godinu


52

Slika 33 Prikaz proizvodnje električne snage FN elektrane (1500 kw) na razni

sata kroz jednu godinu

Slika 34 Prikaz proizvodnje električne snage vjetroelektrane (1500 kw) na

razni sata kroz jednu godinu


53

4.3.2. Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje

Slika 35 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim

elektranama kroz jednu godinu

Slika 36 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz

jednu godinu


54


elektranama kroz jedan mjesec


jedan mjesec


55


elektranama kroz jedan dan


jedan dan


56

4.3.3. Variranje snage kroz razne vremenske periode

Slika 41 Srednja satna snaga FN elektrane (interval od 8 dana)

Dani sa nižom proizvodnjom su oblačni. Dnevna krivulja uglavnom prati krivulju

ekstraterestičkog ozračenja s manjim odstupanjima faktora prozračnosti. Naravno,

tijekom noći nema proizvodnje električne energije.


57

Slika 42 Variranje snage FN elektrane

Prikaz variranja snage FN elektrane kroz jedan dan (prosjek na razini sata),

kroz jedan mjesec (prosjek na razini dana) i kroz jednu godinu (prosjek na razini

polumjesečnog intervala).


58

Slika 43 Variranje snage vjetroelektrane

Prikaz variranja snage vjetroelektrane kroz jedan dan (prosjek na razini sata),

kroz jedan mjesec (prosjek na razini dana) i kroz jednu godinu (prosjek na razini

polumjesečnog intervala).

Vidi se da se odstupanje smanjuje što se kroz duži vremenski period promatra

prosječna proizvodnja.


59

Slika 44 Variranje snage male hidoelektrane

Prikaz variranja snage male hidroelektrane kroz jedan dan (prosjek na razini

sata), kroz jedan mjesec (prosjek na razini dana) i kroz jednu godinu (prosjek na

razini polumjesečnog intervala).

Za razliku od Sunca i vjetra, protok više varira sezonski, dok je tijekom kraćih

perioda relativno stabilan.


60

Slika 45 Usporedba proizvodnje el. en. jedne i svih VE

Iz prikaza je vidljivo da se stohastičnost smanjuje što se više (neovisnih)

proizvodnih postrojenja uzima u obzir.


61

Slika 46 Usporedba proizvodnje el. en. iz jedne FN elektrane i svih OIE

zajedno

Iz prikaza je vidljivo da je puno manja stohastičnost što je veći broj različitih

izvora uključeno u sustav. Primjetan je veći utjecaj FN elektrana, ali to nije

problem jer se noću kad nema Sunca ionako troši mnogo manje el. energije.


62

5. Zaključak Nakon provedene simulacije i stvaranja zadovoljavajućeg skupa podataka

provedena je analiza proizvodnje električne energije na razini jedne godine,

jednog mjeseca i jednog dana.

Pretpostavka s kojom smo krenuli u analizu je bila sljedeća: ako se kombinirana

proizvodnja mnogih OIE-elektrana, koje se baziraju na različitim resursima i, što je

još važnije, koje su raspršene na širokom prostoru, gleda kao proizvodnja jedne

jedinice – onda je njena promjenjivost (stohastičnost) prema elektroenergetskom

sustavu mnogo manja nego promjenjivost individualnih elektrana i proizvodnja je

ujednačenija.

Iz grafičkih prikaza vidljivo je da je pretpostavka točna jer je stohastičnost svih

elektrana zajedno manja od stohastičnosti proizvodnje pojedinih elektrana.

Nameće se zaključak da s povećanjem broja nezavisnih postrojenja (dakle

geografski dovoljno udaljenih) i kombiniranjem različitih obnovljivih izvora raste

stabilnost njihove zbirne proizvodnje.

Drugi zaključak koji se može izvesti iz prikazanih rezultata simulacije je vezan

za vremensku ovisnost variranja proizvodnje: što se proizvodnja promatra kroz

duži vremenski rok to je promjenjivost manja. Tako imamo da je najveća

promjenjivost na razini dana, a praktički zanemariva na razini godine, što se i

podudara sa očekivanjima.

Za pretpostaviti je da će kombinacija različitih obnovljivih izvora koji su dobro

prostorno razmješteni omogućiti veću stabilnost proizvodnje energije iz obnovljivih

izvora, a time omogućiti smanjivanje potrebne rotirajuće i hladne rezervne snage u

sustavu.


63

6. Literatura 1. World wind energy report 2008.[brošura], World Wind Energy Association,

February 2009. URL: www.wwindea.org [30.09.2009.]

2. Suad Haličević, Vesna Bukarica, Elena Boškov, Brošura o tehnologijama za uporabu obnovljivih izvora energije [brošura] Sveučilište u Ljubljani, Elektrotehnički fakultet URL: http://www.vbpc-res.org/files/brosura1/Brochure1_CRO.pdf [30.09.2009.]

3. Damir Šljivac, Zdenko Šimić, Obnovljivi izvori energije – vrste, potencijal, tehnologije [publikacija u sklopu projekta AWERES (AWareness and Education in Renewable Energy Sources)] URL: http://www.aweres.net/Preuzmi/Obnovljivi%20izvori%20energije_dio%20I.pdf [30.09.2009.]

4. URL: http://www.hep.hr/oie/oie/ [30.09.2009.] 5. Empowering Variable Renewables, International Energy Agency, 2008.

URL: http://www.iea.org/g8/2008/Empowering_Variable_Renewables.pdf [30.09.2009.]

6. Ranko Goić, Marko Lovrić, Uklapanje vjetroelektrana u EES Hrvatske i ekonomska valorizacija električne energije proizvedene u vjetroelektranama [članak] URL: http://bib.irb.hr/prikazi-rad?&rad=245711 [30.09.2009.]

7. Zdenko Šimić, Obnovljivi izvori energije – male hidroelektrane, Zagreb, travanj, 2008.

8. Jayanta Deb Mondol, Yigzaw G. Yohanis, Brian Norton, Solar radiation modelling for the simulation of photovoltaic systems [članak], lipanj, 2007. URL: www.sciencedirect.com

9. Péter Kiss, Imre M. Jánosi, Comprehensive empirical analysis of ERA-40 surface wind speed distribution over Europe [članak], veljača, 2008. URL: www.sciencedirect.com

10. Thomas Penick, Bill Louk, Photovoltaic Power Generation [članak], prosinac, 1998. URL: http://www.teicontrols.com/notes/TechCommunicationsEE333T/FinalReport-PhotovoltaicPowerGeneration.pdf [30.09.2009.]

11. Nijaz Dizdarević, Matislav Majstrović, Srđan Žutobradić, Pogon vjetroelektrana [članak], 2003. URL: http://www.eihp.hr/~ndizdar/CIGRE2003_02.pdf [30.09.2009.]

12. HOMER - software za optimiziranje i analizu sustava baziranih na obnovljivim izvorima energije, http://www.homerenergy.com/ [30.09.2009.]

http://www.wwindea.org/�

http://www.vbpc-res.org/files/brosura1/Brochure1_CRO.pdf�

http://www.aweres.net/Preuzmi/Obnovljivi%20izvori%20energije_dio%20I.pdf�

http://www.aweres.net/Preuzmi/Obnovljivi%20izvori%20energije_dio%20I.pdf�

http://www.hep.hr/oie/oie/�

http://www.iea.org/g8/2008/Empowering_Variable_Renewables.pdf�

http://bib.irb.hr/prikazi-rad?&rad=245711�

http://www.sciencedirect.com/�

http://www.sciencedirect.com/�

http://www.teicontrols.com/notes/TechCommunicationsEE333T/FinalReport-PhotovoltaicPowerGeneration.pdf�

http://www.teicontrols.com/notes/TechCommunicationsEE333T/FinalReport-PhotovoltaicPowerGeneration.pdf�

http://www.eihp.hr/~ndizdar/CIGRE2003_02.pdf�

http://www.homerenergy.com/�


64

7. Dodatak

7.1. Sadržaj datoteke brzina_vjetra_knin.m % funkcija koja opisuje variranje brzine vjetra kroz godinu % za generiranje brzine se koristi dvoparametarska Weibullova razdioba % generiraju se srednje satne vrijednosti % parametri Weibullove razdiobe aproskimiraju stvarnu razdiobu brzina % vjetra kroz mjesec i računaju se iz izmjerenih podataka od više godina % oba parametra se još dodatno variraju da bi se modelirala raznolikost % vjetra function brzina_vjetra = f(u); var_scale = 10; %za koliko posto variramo scale faktor na razini mjeseca var_shape = 20; %za koliko posto variramo shape faktor na razini mjeseca %matrica koja sadrži prosječne scale i shape parametre za svaki mjesec parametar = [3.424,4.257,2.996,3.303,2.682,3.063,2.452,2.452,2.697,1.999,2.953,4.017; 1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03,1.03]; %prvi redak matrice predstavlja parametar scale za svaki mjesec % drugi redak predstavlja parametar shape za svaki mjesec %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (u >= 0 && u < 744); %sijecanj if (u==0); parametar(1,1) = normrnd(parametar(1,1),parametar(1,1)/var_scale); %variramo scale faktor parametar(2,1) = normrnd(parametar(2,1),parametar(2,1)/var_shape); %variramo shape faktor end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,1),parametar(2,1)); elseif (u >= 744 && u < 1416); %veljaca if (u == 744); parametar(1,2) = normrnd(parametar(1,2),parametar(1,2)/var_scale); parametar(2,2) = normrnd(parametar(2,2),parametar(2,2)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,2),parametar(2,2)); elseif (u >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (u == 1416); parametar(1,3) = normrnd(parametar(1,3),parametar(1,3)/var_scale); parametar(2,3) = normrnd(parametar(2,3),parametar(2,3)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,3),parametar(2,3)); elseif (u >= 2160 && u < 2880); %travanj if (u == 2160); parametar(1,4) = normrnd(parametar(1,4),parametar(1,4)/var_scale); parametar(2,4) = normrnd(parametar(2,4),parametar(2,4)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,4),parametar(2,4)); elseif (u >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (u == 2880); parametar(1,5) = normrnd(parametar(1,5),parametar(1,5)/var_scale); parametar(2,5) = normrnd(parametar(2,5),parametar(2,5)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,5),parametar(2,5)); elseif (u >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (u == 3624); parametar(1,6) = normrnd(parametar(1,6),parametar(1,6)/var_scale);


65

parametar(2,6) = normrnd(parametar(2,6),parametar(2,6)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,6),parametar(2,6)); elseif (u >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (u == 4344); parametar(1,7) = normrnd(parametar(1,7),parametar(1,7)/var_scale); parametar(2,7) = normrnd(parametar(2,7),parametar(2,7)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,7),parametar(2,7)); elseif (u >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (u == 5088); parametar(1,8) = normrnd(parametar(1,8),parametar(1,8)/var_scale); parametar(2,8) = normrnd(parametar(2,8),parametar(2,8)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,8),parametar(2,8)); elseif (u >= 5832 && u < 6552); %rujan if (u == 5832); parametar(1,9) = normrnd(parametar(1,9),parametar(1,9)/var_scale); parametar(2,9) = normrnd(parametar(2,9),parametar(2,9)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,9),parametar(2,9)); elseif (u >= 6552 && u < 7296); %listopad if (u == 6552); parametar(1,10) = normrnd(parametar(1,10),parametar(1,10)/var_scale); parametar(2,10) = normrnd(parametar(2,10),parametar(2,10)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,10),parametar(2,10)); elseif (u >= 7296 && u < 8016); %studeni if (u == 7296); parametar(1,11) = normrnd(parametar(1,11),parametar(1,11)/var_scale); parametar(2,11) = normrnd(parametar(2,11),parametar(2,11)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,11),parametar(2,11)); else %prosinac if (u == 8016); parametar(1,12) = normrnd(parametar(1,12),parametar(1,12)/var_scale); parametar(2,12) = normrnd(parametar(2,12),parametar(2,12)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,12),parametar(2,12)); end


66

7.2. Sadržaj datoteke brzina_vjetra_osijek.m %funkcija koja opisuje variranje brzine vjetra kroz godinu %za generiranje brzine se koristi dvoparametarska Weibullova razdioba % generiraju se srednje satne vrijednosti % parametri Weibullove razdiobe aproskimiraju stvarnu razdiobu brzina % vjetra kroz mjesec i računaju se iz izmjerenih podataka od više godina % oba parametra se još dodatno variraju da bi se modelirala raznolikost % vjetra function brzina_vjetra = f(u); var_scale = 10; %za koliko posto variramo scale faktor na razini mjeseca var_shape = 20; %za koliko posto variramo shape faktor na razini mjeseca %matrica koja sadrži prosječne scale i shape parametre za svaki mjesec parametar = [2.442,2.609,2.542,2.576,2.219,2.144,2.001,2.044,2.310,2.351,2.526,2.266; 2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15,2.15]; %prvi redak matrice predstavlja parametar scale za svaki mjesec % drugi redak predstavlja parametar shape za svaki mjesec %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (u >= 0 && u < 744); %sijecanj if (u==0); parametar(1,1) = normrnd(parametar(1,1),parametar(1,1)/var_scale); %variramo scale faktor parametar(2,1) = normrnd(parametar(2,1),parametar(2,1)/var_shape); %variramo shape faktor end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,1),parametar(2,1)); elseif (u >= 744 && u < 1416); %veljaca if (u == 744); parametar(1,2) = normrnd(parametar(1,2),parametar(1,2)/var_scale); parametar(2,2) = normrnd(parametar(2,2),parametar(2,2)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,2),parametar(2,2)); elseif (u >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (u == 1416); parametar(1,3) = normrnd(parametar(1,3),parametar(1,3)/var_scale); parametar(2,3) = normrnd(parametar(2,3),parametar(2,3)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,3),parametar(2,3)); elseif (u >= 2160 && u < 2880); %travanj if (u == 2160); parametar(1,4) = normrnd(parametar(1,4),parametar(1,4)/var_scale); parametar(2,4) = normrnd(parametar(2,4),parametar(2,4)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,4),parametar(2,4)); elseif (u >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (u == 2880); parametar(1,5) = normrnd(parametar(1,5),parametar(1,5)/var_scale);


67

parametar(2,5) = normrnd(parametar(2,5),parametar(2,5)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,5),parametar(2,5)); elseif (u >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (u == 3624); parametar(1,6) = normrnd(parametar(1,6),parametar(1,6)/var_scale); parametar(2,6) = normrnd(parametar(2,6),parametar(2,6)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,6),parametar(2,6)); elseif (u >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (u == 4344); parametar(1,7) = normrnd(parametar(1,7),parametar(1,7)/var_scale); parametar(2,7) = normrnd(parametar(2,7),parametar(2,7)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,7),parametar(2,7)); elseif (u >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (u == 5088); parametar(1,8) = normrnd(parametar(1,8),parametar(1,8)/var_scale); parametar(2,8) = normrnd(parametar(2,8),parametar(2,8)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,8),parametar(2,8)); elseif (u >= 5832 && u < 6552); %rujan if (u == 5832); parametar(1,9) = normrnd(parametar(1,9),parametar(1,9)/var_scale); parametar(2,9) = normrnd(parametar(2,9),parametar(2,9)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,9),parametar(2,9)); elseif (u >= 6552 && u < 7296); %listopad if (u == 6552); parametar(1,10) = normrnd(parametar(1,10),parametar(1,10)/var_scale); parametar(2,10) = normrnd(parametar(2,10),parametar(2,10)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,10),parametar(2,10)); elseif (u >= 7296 && u < 8016); %studeni if (u == 7296); parametar(1,11) = normrnd(parametar(1,11),parametar(1,11)/var_scale); parametar(2,11) = normrnd(parametar(2,11),parametar(2,11)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,11),parametar(2,11)); else %prosinac if (u == 8016); parametar(1,12) = normrnd(parametar(1,12),parametar(1,12)/var_scale); parametar(2,12) = normrnd(parametar(2,12),parametar(2,12)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,12),parametar(2,12)); end


68

7.3. Sadržaj datoteke brzina_vjetra_split.m %funkcija koja opisuje variranje brzine vjetra kroz godinu %za generiranje brzine se koristi dvoparametarska Weibullova razdioba % generiraju se srednje satne vrijednosti % parametri Weibullove razdiobe aproskimiraju stvarnu razdiobu brzina % vjetra kroz mjesec i računaju se iz izmjerenih podataka od više godina % oba parametra se još dodatno variraju da bi se modelirala raznolikost % vjetra function brzina_vjetra = f(u); var_scale = 10; %za koliko posto variramo scale faktor na razini mjeseca var_shape = 20; %za koliko posto variramo shape faktor na razini mjeseca %matrica koja sadrži prosječne scale i shape parametre za svaki mjesec parametar = [5.185,5.198,5.102,4.287,3.224,4.082,3.652,3.076,3.712,4.199,3.397,4.265; 1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35,1.35]; %prvi redak matrice predstavlja parametar scale za svaki mjesec % drugi redak predstavlja parametar shape za svaki mjesec %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (u >= 0 && u < 744); %sijecanj if (u==0); parametar(1,1) = normrnd(parametar(1,1),parametar(1,1)/var_scale); %variramo scale faktor parametar(2,1) = normrnd(parametar(2,1),parametar(2,1)/var_shape); %variramo shape faktor end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,1),parametar(2,1)); elseif (u >= 744 && u < 1416); %veljaca if (u == 744); parametar(1,2) = normrnd(parametar(1,2),parametar(1,2)/var_scale); parametar(2,2) = normrnd(parametar(2,2),parametar(2,2)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,2),parametar(2,2)); elseif (u >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (u == 1416); parametar(1,3) = normrnd(parametar(1,3),parametar(1,3)/var_scale); parametar(2,3) = normrnd(parametar(2,3),parametar(2,3)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,3),parametar(2,3)); elseif (u >= 2160 && u < 2880); %travanj if (u == 2160); parametar(1,4) = normrnd(parametar(1,4),parametar(1,4)/var_scale); parametar(2,4) = normrnd(parametar(2,4),parametar(2,4)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,4),parametar(2,4)); elseif (u >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (u == 2880); parametar(1,5) = normrnd(parametar(1,5),parametar(1,5)/var_scale);


69

parametar(2,5) = normrnd(parametar(2,5),parametar(2,5)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,5),parametar(2,5)); elseif (u >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (u == 3624); parametar(1,6) = normrnd(parametar(1,6),parametar(1,6)/var_scale); parametar(2,6) = normrnd(parametar(2,6),parametar(2,6)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,6),parametar(2,6)); elseif (u >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (u == 4344); parametar(1,7) = normrnd(parametar(1,7),parametar(1,7)/var_scale); parametar(2,7) = normrnd(parametar(2,7),parametar(2,7)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,7),parametar(2,7)); elseif (u >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (u == 5088); parametar(1,8) = normrnd(parametar(1,8),parametar(1,8)/var_scale); parametar(2,8) = normrnd(parametar(2,8),parametar(2,8)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,8),parametar(2,8)); elseif (u >= 5832 && u < 6552); %rujan if (u == 5832); parametar(1,9) = normrnd(parametar(1,9),parametar(1,9)/var_scale); parametar(2,9) = normrnd(parametar(2,9),parametar(2,9)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,9),parametar(2,9)); elseif (u >= 6552 && u < 7296); %listopad if (u == 6552); parametar(1,10) = normrnd(parametar(1,10),parametar(1,10)/var_scale); parametar(2,10) = normrnd(parametar(2,10),parametar(2,10)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,10),parametar(2,10)); elseif (u >= 7296 && u < 8016); %studeni if (u == 7296); parametar(1,11) = normrnd(parametar(1,11),parametar(1,11)/var_scale); parametar(2,11) = normrnd(parametar(2,11),parametar(2,11)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,11),parametar(2,11)); else %prosinac if (u == 8016); parametar(1,12) = normrnd(parametar(1,12),parametar(1,12)/var_scale); parametar(2,12) = normrnd(parametar(2,12),parametar(2,12)/var_shape); end brzina_vjetra = wblrnd(parametar(1,12),parametar(2,12)); end


70

7.4. Sadržaj datoteke extraterrestrial.m

%funkcija koja racuna ekstrateresticko ozracenje %definiranje funkcije function extraterrestrial = f(u); %definiranje varijabli time = u(1); %vrijeme simulacije fi_deg = u(2); %geo. sirina u stupnjevima pi = 3.14159265; fi = (pi/180)*fi_deg; %pretvaranje stupnjeva u radijane dan = time/24; E_nula = 1353; %solarna konstanta omega_deg = 15*(time - 12); %satni kut omega = (pi/180)*omega_deg; delta = 0.409*sin(2*pi*((284+dan)/365)); %deklinacija E_nula_dnevno = E_nula*(1+0.033*cos((2*pi*dan)/365)); %izraz koji opisuje promjenu solarne konstante tijekom godine extraterrestrial = E_nula_dnevno*(sin(fi)* sin(delta)+cos(delta)*cos(fi)*cos(omega));

%ekstrateresticko ozracenje %iznad neke lokacije u nekom danu godine

7.5. Sadržaj datoteke prozracnost_dnevna_dubrovnik.m %generiranje globalnih faktora prozracnosti (na razini nekoliko dana) function prozracnost_dnevna = f(u); vrijeme = u; global PROMJENA; global CLEARNESS; clearness_ulaz = [0.173,0.251,0.367,0.467,0.622,0.736,0.751,0.610,0.439,0.274,0.172,0.143; 0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25]; %prvi redak matrice su srednje mjesecne vrijednosti faktora prozracnosti %drugi redak je standardno odstupanje faktora prozracnosti od srednjih %vrijednosti %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (vrijeme >= 0 && u < 744); %sijecanj if (vrijeme == 0); PROMJENA = 0; end if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,1),clearness_ulaz(2,1)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 744 && u < 1416); %veljaca if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,2),clearness_ulaz(2,2)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,3),clearness_ulaz(2,3));


71

PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2160 && u < 2880); %travanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,4),clearness_ulaz(2,4)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,5),clearness_ulaz(2,5)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,6),clearness_ulaz(2,6)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,7),clearness_ulaz(2,7)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,8),clearness_ulaz(2,8)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5832 && u < 6552); %rujan if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,9),clearness_ulaz(2,9)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 6552 && u < 7296); %listopad if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,10),clearness_ulaz(2,10)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 7296 && u < 8016); %studeni if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,11),clearness_ulaz(2,11)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end else %prosinac if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,12),clearness_ulaz(2,12)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end end prozracnost_dnevna = CLEARNESS;


72

7.6. Sadržaj datoteke prozracnost_dnevna_knin.m %generiranje globalnih faktora prozracnosti (na razini nekoliko dana) function prozracnost_dnevna = f(u); vrijeme = u; global PROMJENA; global CLEARNESS; clearness_ulaz = [0.130,0.202,0.305,0.398,0.537,0.631,0.659,0.535,0.376,0.228,0.136,0.109; 0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25]; %prvi redak matrice su srednje mjesecne vrijednosti faktora prozracnosti %drugi redak je standardno odstupanje faktora prozracnosti od srednjih %vrijednosti %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (vrijeme >= 0 && u < 744); %sijecanj if (vrijeme == 0); PROMJENA = 0; end if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,1),clearness_ulaz(2,1)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 744 && u < 1416); %veljaca if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,2),clearness_ulaz(2,2)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,3),clearness_ulaz(2,3)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2160 && u < 2880); %travanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,4),clearness_ulaz(2,4)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,5),clearness_ulaz(2,5)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,6),clearness_ulaz(2,6)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,7),clearness_ulaz(2,7)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end


73

elseif (vrijeme >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,8),clearness_ulaz(2,8)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5832 && u < 6552); %rujan if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,9),clearness_ulaz(2,9)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 6552 && u < 7296); %listopad if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,10),clearness_ulaz(2,10)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 7296 && u < 8016); %studeni if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,11),clearness_ulaz(2,11)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end else %prosinac if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,12),clearness_ulaz(2,12)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end end prozracnost_dnevna = CLEARNESS;


74

7.7. Sadržaj datoteke prozracnost_dnevna_osijek.m %generiranje globalnih faktora prozracnosti (na razini nekoliko dana) function prozracnost_dnevna = f(u); vrijeme = u; global PROMJENA; global CLEARNESS; clearness_ulaz = [0.139,0.219,0.322,0.419,0.552,0.623,0.630,0.532,0.373,0.243,0.142,0.113; 0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25,0.25]; %prvi redak matrice su srednje mjesecne vrijednosti faktora prozracnosti %drugi redak je standardno odstupanje faktora prozracnosti od srednjih %vrijednosti %pojedine mjesece odredujemo preko sati %npr. travanj odreduju sati iz intervala (2160, 2879) if (vrijeme >= 0 && u < 744); %sijecanj if (vrijeme == 0); PROMJENA = 0; end if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,1),clearness_ulaz(2,1)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 744 && u < 1416); %veljaca if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,2),clearness_ulaz(2,2)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 1416 && u < 2160); %ozujak if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,3),clearness_ulaz(2,3)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2160 && u < 2880); %travanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,4),clearness_ulaz(2,4)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 2880 && u < 3624); %svibanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,5),clearness_ulaz(2,5)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 3624 && u < 4344); %lipanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,6),clearness_ulaz(2,6)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 4344 && u < 5088); %srpanj if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,7),clearness_ulaz(2,7));


75

PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5088 && u < 5832); %kolovoz if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,8),clearness_ulaz(2,8)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 5832 && u < 6552); %rujan if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,9),clearness_ulaz(2,9)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 6552 && u < 7296); %listopad if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,10),clearness_ulaz(2,10)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end elseif (vrijeme >= 7296 && u < 8016); %studeni if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,11),clearness_ulaz(2,11)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end else %prosinac if (vrijeme == PROMJENA); CLEARNESS = normrnd(clearness_ulaz(1,12),clearness_ulaz(2,12)); PROMJENA = vrijeme + ceil(wblrnd(48,3)); %funkcija koja generira nakon koliko sati se znacajnije promjeni faktor prozracnosti end end prozracnost_dnevna = CLEARNESS;


76

7.8. Sadržaj datoteke prozracnost_satna.m %funkcija koja generira promjenu faktora prozracnosti na razini sata function prozracnost_satna = f(u); prozracnost_satna = normrnd(0,0.05);

7.9. Sadržaj datoteke simulacija.m %skripta koja izvrti simulaciju xy puta i nakon svake simulacije rezultate %sprema u odgovarajucu datoteku (matricu podataka) sprintf('\n\n********SIMULACIJA POKRENUTA************') for i = 1:100; sim variranje; rez_solarno_du(i,1:8761) = solarno_du; rez_solarno_knin(i,1:8761) = solarno_knin; rez_solarno_os(i,1:8761) = solarno_os; rez_wind_os(i,1:8761) = wind_os; rez_wind_knin(i,1:8761) = wind_knin; rez_wind_st(i,1:8761) = wind_st; rez_lika(i,1:8761) = lika; end

7.10. Sadržaj datoteke vjetroelektrana1.m %kakakteristika brzina vjetra - izlazna el. snaga vjetroelektrane function brzina_vjetra_snaga = f(u); brzina = u; if (u < 3.5); snaga = 0; elseif (u >= 3.5 && u < 14); snaga = 107*brzina; else snaga = 1500; end brzina_vjetra_snaga = snaga;

7.11. Sadržaj datoteke vjetroelektrana2.m %kakakteristika brzina vjetra - izlazna el. snaga vjetroelektrane function brzina_vjetra_snaga = f(u); brzina = u; if (u < 3.5); snaga = 0; elseif (u > 3.5 && u < 11.5); snaga = 130.43*brzina; else snaga = 1500; end brzina_vjetra_snaga = snaga;

Documents

Modeliranje Stohastičnosti kombinacije različitih ... · PDF fileZadatak je ovog rada bio analizirati kako kombinacija različitih obnovljivih izvora na različitim lokacijama utječe