OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE - · PDF fileOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE Priručnik izradili: prof.dr.sc.Damir Šljivac,dipl.ing. Danijel Topić,dipl.ing. Elektrotehnička i prometna škola

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Priručnik izradili: prof.dr.sc.Damir Šljivac,dipl.ing.

Danijel Topić,dipl.ing.

Elektrotehnička i prometna škola Osijek

Osijek, ožujak 2013.

Ovaj projekt financira EU – IPA IV – Razvoj ljudskih

potencijala- Program Europske unije za

Hrvatsku

Nositelj projekta

Elektrotehnička i prometna škola Osijek

Istarska 3, 31000 Osijek

Partner

Strojarska tehnička škola Osijek Istarska 3, 31000 Osijek

Partner

Udruga za zaštitu prirode i okoliša

ZELENI OSIJEK Opatijska 26 f, 31 000 Osijek

Izrada ove publikacije omogućena je uz potporu Europske unije. Za sadrţaj publikacije odgovoran je samo njezin autor, a isti se sadrţaj ni na koji naĉin ne moţe uzmati kao odraz stavova Europske unije.

Sadržaj

1 OSNOVE KARAKTERISTIKE I REGULATIVA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE .................................................................................................................. 2

1.1 Potreba za obnovljivim izvorima energije ...................................................... 2

1.2 Podjela izvora energije .................................................................................. 3

1.2.1 Svojstva obnovljivih izvora energije ........................................................ 4

1.3 Zakonska regulativa o OIE ............................................................................ 4

1.3.1 Direktive EU o OIE .................................................................................. 4

1.3.2 Zakonska regulativa OIE u Hrvatskoj i tarifni sustav ............................... 6

2 ELEKTRANE NA BIOMASU I BIOPLIN ............................................................... 8

2.1 Vrste i osnovne znaĉajke biomase [18] ........................................................ 8

2.1.1 Drvna biomasa ........................................................................................ 9

2.1.2 Nedrvna biomasa .................................................................................. 10

2.1.3 Bioplin ................................................................................................... 11

2.1.4 Alkoholna goriva (etanol) ...................................................................... 12

2.1.5 Biodizel ................................................................................................. 12

2.1.6 Energija otpada ..................................................................................... 13

2.1.7 Termiĉka obrada otpada ....................................................................... 13

2.1.8 Deponijski plin ....................................................................................... 14

2.2 Procesi i tehnologije proizvodnje elektriĉne energije iz biomase ................. 14

2.2.1 Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase .................. 15

2.2.2 Kogeneracija [18] .................................................................................. 15

3 VJETROELEKTRANE ....................................................................................... 19

3.1 Energija vjetra.............................................................................................. 19

3.1.1 Snaga i energija vjetra i vjetroelektrane ................................................ 19

3.1.2 Razdiobe brzine vjetra .......................................................................... 21

3.2 Krivulja snage vjetroelektrane ..................................................................... 22

3.3 Podjela vjetroelektrana i dijelovi vjetroelektrana .......................................... 23

3.3.1 Podjela vjetroelektrana ......................................................................... 23

3.3.2 Osnovni dijelovi vjetroelektrana ............................................................ 24

3.4 Generatori u vjetroelektranama ................................................................... 26

3.4.1 Izbor generatora za vjetroelektranu ...................................................... 27

Modernizacija školskih kurikuluma u skladu s promjenjivim potrebama tržišta rada/gospodarstva

ZELENE VJEŠTINE ZA ELEKTROTEHNIKU I STROJARSTVO

1

Ovaj projekt financira EUIPA IV -Razvoj ljudskih potencijala – Program Europske unije za Hrvatsku

3.4.2 Naĉin prikljuĉenja vjetroelektrana na mreţu.......................................... 28

3.5 Kriteriji prikljuĉenja vjetroelektrane na mreţu .............................................. 29

4 MALE HIDROELEKTRANE ............................................................................... 31

4.1 Energija vode .............................................................................................. 31

4.2 Turbina i generator male HE ....................................................................... 33

4.2.1 Turbina .................................................................................................. 33

4.2.2 Generator .............................................................................................. 37

4.3 Osnovni dijelovi mHE .................................................................................. 37

4.4 Izvedbe malih hidroelektrana ....................................................................... 37

4.5 Projektiranje malih HE ................................................................................. 40

5 GEOTERMALNA ENERGIJA ............................................................................ 42

5.1 Porijeklo i priroda geotermalne energije ...................................................... 42

5.2 Geotermalni resursi ..................................................................................... 42

5.3 Direktno korištenje geotermalne energije za grijanje ................................... 43

5.3.1 Toplinske pumpe ................................................................................... 44

5.4 Korištenje geotermalne energije za proizvodnju elektriĉne energije ............ 46

6 ENERGIJA SUNCA ........................................................................................... 49

6.1 Potencijal Sunĉeva zraĉenja ....................................................................... 49

6.2 Toplinska primjena ...................................................................................... 50

6.2.1 Pasivna arhitektura ............................................................................... 50

6.2.2 Toplinski kolektori ................................................................................. 50

6.2.3 HlaĊenje ................................................................................................ 52

6.3 Proizvodnje elektriĉne energije iz Sunĉevog zraĉenja ................................. 52

6.3.1 Solarne termoelektrane ......................................................................... 52

6.3.2 Fotonaponske ćelije .............................................................................. 55

6.3.3 Fotonaponski modul i nizovi .................................................................. 58

6.3.4 Fotonaponski sustavi ............................................................................ 62



2


1 OSNOVE KARAKTERISTIKE I REGULATIVA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE

1.1 Potreba za obnovljivim izvorima energije

Suvremeni elektroenergetski sustavi uglavnom su razvijeni tijekom posljednjih 50 godina. Razvoj je slijedio ideju vodilju prema kojoj su veliki središnji generatori preko transformatora injektirali elektriĉnu snagu u visokonaponsku prijenosnu mreţu. Zatim je prijenosni sustav korišten za transport snage, ĉesto i na velikim udaljenostima. Na kraju, snaga je iz prijenosnog sustava preko serije distribucijskih transformatora usmjeravana kroz srednjenaponsku i niskonaponsku distribucijsku mreţu prema potrošaĉima na niţem naponu.

MeĊutim, odnedavna se ponovno pojavilo znaĉajno zanimanje za prikljuĉenjem proizvodnih objekata na distribucijsku mreţu. Ova je namjera poznata kao distribuirana proizvodnja elektriĉne energije (eng. distributed or dispersed or embedded generation) [1].

Konvencionalni ustroj suvremenih elektroenergetskih sustava nudi veliki broj prednosti. Veće proizvodne jedinice mogu biti uĉinkovitije te su u pogonu s relativno manjim brojem pogonskog osoblja. Povezane visokonaponske prijenosne mreţe omogućuju minimiziranje zahtjeva za snagom priĉuve generatora. Veliki iznosi snage mogu biti prenijeti na velikim udaljenostima uz ograniĉene gubitke. Distribucijske mreţe mogu se u tom sluĉaju projektirati za jednosmjerne tokove snaga i dimenzionirati samo za potrebe potrošaĉkih opterećenja.

U posljednjih nekoliko godina pojavilo se više utjecaja ĉije je kombiniranje dovelo do povećanog zanimanja za distribuiranu proizvodnju iz obnovljivih izvora energije (OIE) (smanjenje emisije CO2, programi energetske uĉinkovitosti ili racionalnog korištenja energije, deregulacija i natjecanje, diversifikacija energetskih izvora, zahtjevi za samoodrţivosti nacionalnih energetskih sustava…). Utjecaj na okoliš jedan je od znaĉajnih faktora u razmatranju prikljuĉenja novih proizvodnih objekata na mreţu.

Stvaraju se programi iskorištavanja obnovljivih izvora koji ukljuĉuju vjetroelektrane, male hidroelektrane, fotonaponske izvore, zemni plin, energiju iz otpada te iz biomase. Kogeneracijske sheme koriste otpadnu toplinu termalnih proizvodnih objekata bilo za industrijske procese ili grijanje te su vrlo dobar naĉin povećanja ukupne energetske uĉinkovitosti. Obnovljivi izvori imaju znatno manju energetsku vrijednost u usporedbi s fosilnim gorivima zbog ĉega su njihove elektrane manje veliĉine te geografski široko raspodijeljene i prikljuĉuju se uglavnom na distribucijsku mreţu.

S jedne se strane nalaze inţenjeri motivirani iskustvenim spoznajama o sloţenosti pogona elektroenergetskog sustava koji iskazuju zabrinutost u pogledu elementarne ostvarivosti masovnog uvoĊenja nereguliranih i neupravljivih generatora u elektroenergetsko, a posebice distribucijsku mreţu. S druge se pak strane nalaze entuzijastiĉni zagovaraĉi izvora obnovljive energije poput vjetroelektrana i kogeneracije elektriĉne i toplinske energije (eng. combined heat and power, CHP)



3


koji vjeruju da takve proizvodne jedinice nuţno treba uvoditi u pogon kako bi se ispunili domaći i meĊunarodni zahtjevi za smanjenjem emisije CO2.

Štoviše, obnovljivi izvori povećavaju samoodrţivost elektroenergetskog sustava u sluĉajevima eventualne energetske krize u proizvodnji elektriĉne energije koja je danas ovisna o isporuci ugljena, plina i nafte.

Slika 1. „Tri vala“ fosilnih godina i potreba za obnovljivim izvorima energije

1.2 Podjela izvora energije

Osnovni izvori energije koji se nalaze u prirodi su: energija Sunca, energija Zemlje i energija gravitacije.S obzirom na vremensku mogućnost njihovog iscrpljivanja prirodni (primarni) oblici energije dijele se na [2]:

a) neobnovljivi oblici energije

Fosilna goriva (ugljen, nafta, zemni plin, uljni škriljevci)

Nuklearna goriva

Unutarnja toplina Zemlje (geotermalna energija)

b) OBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE

Vodne snage, (energija vodotokova, morskih struja i valova, plime i oseke)

Biomasa (i bioplin, ukljuĉujući i drvo i otpatke)

Energija Sunĉeva zraĉenja

Energija vjetra.



4


1.2.1 Svojstva obnovljivih izvora energije

Svojstva nekonvencionalnih izvora energije ne moţemo promatrati izdvojeno od općenito znanih svojstava konvencionalnih izvora, tek usporeĊivanjem s tim svojstvima moţemo utemeljeno donositi kvalifikative nekonvencionalnih izvora. Neka svojstva nekonvencionalnih izvora su poţeljna a neka nepoţeljna. Na slici 2 prikazana su preteţno ispunjena poţeljna svojstva OIE.

Slika 2. Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3]

1.3 Zakonska regulativa o OIE

1.3.1 Direktive EU o OIE

2001. godine Europska unija usvojila je Direktivu o obnovljivim izvorima (2001/77/EC) koja predstavlja obvezu za zakonodavstva zemalja-ĉlanica EU, u smislu povećanja udjela obnovljivih izvora u proizvodnji elektriĉne energije. U ukupnoj proizvodnji elektriĉne energije u 1997. godini prosjeĉni udjel obnovljivih izvora bio je 13,9%, koji se mora u 2010. godini prosjeĉno podići na 22,1%. U ukupne udjele prema direktivi ukljuĉene su i velike HE, iako se radi o konvencionalnom izvoru energije!

Nova direktiva 2009/28/EC, koja je donesena 2009., za promoviranje korištenja obnovljivih izvora, ima cilj uspostaviti ukupan udio od 20 % udjela obnovljivih izvora energije u energetskoj potrošnji i minimalan udio od 10 % biogoriva u prijevozu EU do 2020. godine. Još jedan od ciljeva je usklaĊivanje nacionalnih ciljeva svih zemalja ĉlanica EU. Kao referentna godina se uzima 2007. godina.

Glavni cilj direktive 2009/28/EC je tzv 3x20 do 2020. godine:

20 % manje emisije CO2

20 % obnovljivih izvora energije

20 % veća energetska uĉinkovitost.



5


Više o samoj direktivi se moţe naći na stranicama Europske komisije: http://ec.europa.eu/climateaction/ .

U tablici 1 prikazani su usvojeni nacionalni ciljevi udjela OIE u ukupnoj energetskoj potrošnji.

Tablica 1. Usvojeni nacionalni ciljevi udjela OIE u ukupnoj energetskoj potrošnji

Zemlja Udio (%) OIE u

krajnjoj potrošnji 2005.

Udio (%) OIE u krajnjoj potrošnji

2020.

Belgija 2,2 13

Bugarska 9,4 16

Ĉeška 6,1 13

Danska 17,0 30

Njemaĉka 5,8 18

Estonija 18,0 25

Irska 3,1 16

Grĉka 6,9 18

Španjolska 8,7 20

Francuska 10,3 23

Italija 5,2 17

Cipar 2,9 13

Latvija 34,9 42

Litva 15,0 23

Luksemburg 0,9 11

MaĊarska 4,3 13

Malta 0,0 10

Nizozemska 2,4 14

Austrija 23,3 34

Poljska 7,2 15

Portugal 20,5 31

Rumunjska 17,8 24

Slovenija 16,0 25

Slovaĉka 6,7 14

Finska 28,5 38

Švedska 39,8 49

http://ec.europa.eu/climateaction/



6


Velika Britanija 1,3 15

Ukupno EU-27 8,5 20,0

1.3.2 Zakonska regulativa OIE u Hrvatskoj i tarifni sustav

Znaĉajan pomak u podruĉju obnovljivih izvora energije u Hrvatskoj se dogodio 22. oţujka 2007. kada je Vlada usvojila paket podzakonskih akata koji reguliraju to podruĉje, temeljene na dokumentima:

Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske (2002., 2008.)

Nacionalna strategija zaštite okoliša (NN 46/2002)

Nacionalni energetski programi i dr.

Poseban poloţaj OIE-a i kogeneracije definiran je i u Zakonu o energiji (NN 68/2001, 177/2004) koji eksplicitno izraţava pozitivan stav prema njima pa se u njegovom ĉlanku 14, stavku 1. izrijekom kaţe da je njihovo korištenje u interesu Hrvatske.

Prema Strategiji energetskog razvitka Hrvatske (2008.), oĉekivani instalirani kapaciteti (snage) elektrana na OIE do 2020. i 2030. prikazani su tablici 2 [4].

Tablica 2. Očekivani instalirani kapaciteti (snaga)

Nekonvencionalni IE 2020. 2030.

Elektrane na biomasu [MW] 135 420

Elektrane na komunalni otpad [MW] 35 105

Vjetroelektrane [MW] 1200 2000

Male hidroelektrane [MW] 140 250

Geotermalne elektrane [MW] 20 30

Sunĉeve elektrane [MW] 45 250

Ukupno nekonvencionalni: 1575 MW 3055 MW

2007. godine donesen je niz propisa koji se odnose na proizvodnju elektriĉne energije iz OIE. To su sljedeći propisi [12]:

Uredba o minimalnom udjelu elektriĉne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije ĉija se proizvodnja potiĉe (NN 33/07)

Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje elektriĉne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/07)

Tarifni sustav za proizvodnju elektriĉne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/07)



7


Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 67/07)

Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvoĊaĉa elektriĉne energije (NN 67/07).

Od tada su (u skladu s ovim propisima) svake godine donesene Uredbe o izmjeni Uredbe o naknadama za poticanje proizvodnje elektriĉne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 133/07, NN 155/08, NN 155/09, NN 8/11, NN 144/11) kojima se za svaku godinu definira iznos Naknade za poticanje [13].

Znaĉajnije izmjene i dopune propisa dogodile su se 2012. godine. Na dan, 6. lipnja 2012. godine došlo je do usvajanja novog Tarifnog sustava za proizvodnju elektriĉne energije iz OIE i kogeneracije (NN 63/12) kojim se uz korekciju poticajnih cijena najveća izmjena vezana uz smanjenje poticajne cijene za sve sunĉane elektrane (FN sustave ), a osobito one koje nisu integrirane u graĊevine [13].

19. srpnja 2012. doneseni su (NN 88/12):

Novi Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvoĊaĉa elektriĉne energije u kojem se uz tehniĉki znaĉajno preciznije definiranje energetskih pojmova uvodi i pojam jednostavnih graĊevina kojima se znaĉajno pojednostavljuje procedura osobito za male sunĉane elektrane

Novi Pravilnik o korištenju OIE i kogeneracije usklaĊen s novim Tarifnim sustavom

31. listopada 2012. usvojene Izmjene i dopune tarifnog sustava (NN 121/12) kojima se preciziraju odredbe vezane uz kvote za sunĉane elektrane (15 MW integrirane, 10 MW neintegrirane), doprinos lokalnoj zajednici radi ostvarivanja dodatnih poticaja i dr.



8


2 ELEKTRANE NA BIOMASU I BIOPLIN

2.1 Vrste i osnovne značajke biomase [18]

Biomasaje biorazgradivi dio proizvoda, otpada i ostataka poljoprivredne proizvodnje (biljnog i ţivotinjskog porijekla), šumarske i srodnih industrija. Energija iz biomasedolazi u ĉvrstom, tekućem (npr. biodizel, bioetanol, biometanol) i plinovitom stanju (npr. bioplin, plin iz rasplinjavanja biomase i deponijski plin).

Biomasaje obnovljivi izvor energije, a općenito se moţe podijeliti na drvnu, nedrvnu i ţivotinjski otpad, unutar ĉega se mogu razlikovati:

drvna biomasa (ostaci iz šumarstva, otpadno drvo)

drvna uzgojena biomasa (brzorastuće drveće)

nedrvna uzgojena biomasa (brzorastuće alge i trave)

ostaci i otpaci iz poljoprivrede

ţivotinjski otpad i ostaci

gradski i industrijski otpad.

Glavna prednost u korištenju biomase kao izvora energije su obilni potencijali, ne samo u tu svrhu zasaĊene biljne kulture već i otpadni materijali u poljoprivrednoj i prehrambenoj industriji.Plinovi koji nastaju korištenjem biomase mogu se takoĊer iskoristiti u proizvodnji energije. Prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je i neusporedivo manja emisija štetnih plinova i otpadnih tvari. Raĉuna se da je opterećenje atmosfere s CO2pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budući da je koliĉina emitiranog CO2 prilikom izgaranja jednaka koliĉini apsorbiranog CO2 tijekom rasta biljke (slika 3) - ukoliko su sjeĉa i prirast drvne mase u odrţivom odnosu – 1 hektar šumskih površina godišnje apsorbira jednaku koliĉinu CO2 koja se oslobaĊa izgaranjem 88 000 litara loţivog ulja ili 134 000 m3 prirodnog plina.

MeĊutim spaljivanje biomase stvaraju se i drugi zagaĊujući plinovi te otpadne vode. Samo je u velikim pogonima isplativa izgradnja ureĊaja za reciklaţu otpada, dok u manjim to nije isplativo pa se postavlja pitanje koliko je to u ekološkom smislu profitabilno. Osim toga, prikupljanje, transport i skladištenje biomase vrlo je skupo što je još jedan nedostatak ove tehnologije.

Korištenje biomase omogućava i zapošljavanje (otvaranje novih i zadrţavanje postojećih radnih mjesta), povećanje lokalne i regionalne gospodarske aktivnosti, ostvarivanje dodatnog prihoda u poljoprivredi, šumarstvu i drvnoj industriji kroz prodaju biomase-goriva (procjenjuje se da je u 2005. godini na poslovima proizvodnje biomase i njenog korištenja za energiju na podruĉju Europske unije bilo zaposleno preko pola milijuna ljudi).



9


Slika 3.Kumulativna CO2 neutralnost (ukoliko je sječa usklađena sa prirastom – ekološki prihvatljivo)

2.1.1 Drvna biomasa

Postoje razni naĉini da se iz drvne biomase dobije energija. Upotrebljava se iskljuĉivo šumska biomasa (ostaci i otpad nastali redovitim gospodarenjem šumama, prostorno i ogrjevno drvo) i biomasa iz drvne industrije (ostaci i otpad pri piljenju, brušenju, blanjanju -gorivo u vlastitim kotlovnicama, sirovina za proizvode, briketi i peleti - nastaju sabijanjem, odnosno prešanjem usitnjene drvne biomase u rasutom stanju radi transporta i automatizacije loţenja, i dr. - jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumske biomase). Pri obradi drveta gubi se oko 35 - 40% od ulazne sirovine u procesu proizvodnje, a koliĉina otpada za neke proizvode kao što su parketi iznosi i do 65%.

Biomasa se moţe izravno pretvarati u energiju jednostavnim sagorijevanjem(izgaranjem) te se tako proizvesti pregrijana vodena para za grijanje u industriji i kućanstvima ili za dobivanje elektriĉne energije u malim termoelektranama. Osnovne su znaĉajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednake kao kod svakog goriva:

kemijski sastav

ogrjevna (energetska) vrijednost

temperatura samozapaljenja

temperatura izgaranja

fizikalna svojstva koja utjeĉu na ogrjevnost (npr. gustoća, vlaţnost i dr).

Na slici 4 prikazani su naĉini iskorištavanja drvne biomase.



10


Slika 4. Načini iskorištavanja drvne biomase

2.1.2 Nedrvna biomasa

Osim ostale nedrvne biomase, u Hrvatskoj bi osobitu vaţnost mogli imati ostaci iz poljoprivrede, tj. poljoprivredna biomasa (kukuruzovina, oklasak, stabljike suncokreta, slama, ljuske, koštice višanja, ostatke pri rezidbi vinove loze i maslina, kore od jabuka...). Iskustva iz razvijenih zemalja, u Europi osobito Danske, pokazuju kako se radi o vrijednom izvoru energije koji se ne bi trebao zanemariti.

Ilustrativan je stoga sljedeći primjer. Nakon berbe kukuruza na obraĊenom zemljištu ostaje kukuruzovina, stablijika s lišćem, oklasak i komušina. Budući da je prosjeĉni odnos zrna i mase (tzv. ţetveni omjer) 53% : 47%, proizlazi kako biomase pribliţno ima koliko i zrna. Ako se razluĉe kuruzovina i oklasak, tada je njihov odnos prosjeĉno 82% :18%, odnosno na proizvedenu 1 t zrna kukuruza dobiva se i 0,89 t biomase kukuruza što ĉine 0,71 t kukuruzovine i 0,18 t oklaska. Iako je neosporno kako se nastala biomasa mora prvenstveno vraćati u zemlju, preporuĉuje se zaoravanje izmeĊu 30 i 50% te mase, što znaĉi da za energetsku primjenu ostaje najmanje 30%.

Na ogrjevne vrijednosti nedrvne biomase podjednako utjeĉu udio vlage i pepela. Udio pepela u nedrvenim biljnim ostacima moţe iznositi i do 20% pa znaĉajno utjeĉe na ogrjevnost (npr. slama-veći udio Na, Cl, K-manja temperatura taljenja pepala-taloţenje). Općenito, supstance koje ĉine pepeo nemaju nikakvu energetsku vrijednost (energetska vrijednost biljnih ostataka: 5,8 – 16,7 MJ/kg).

Osim ostataka i otpada postoji veliki broj biljnih vrsta koje je moguće uzgajati tzv. energetski nasadi sa velikim prinosima; kao što su brzorastuće drveće i kineske trske s godišnjim prinosom od 17 tona po hektaru, eukaliptus: 35 t suhe tvari, zelene alge s prinosom od 50 tona po hektaru, biljke bogate uljem ili šećerom, a u Hrvatskoj se najveći prinosi postiţu s topolama,vrbama i jablanima.



11


2.1.3 Bioplin

Bioplin je mješavina plinova koja nastaje fermentacijom biorazgradivog materijala u okruţju bez kisika. On je mješavina metana CH4 (40-75 %), ugljiĉnog dioksida CO2 (25-60 %) i otprilike 2 % ostalih plinova (vodika H2, sumporovodika H2S, ugljikovog monoksida CO). Bioplin je otprilike 20 % lakši od zraka i bez mirisa je i boje. Temperatura zapaljenja mu je izmeĊu 650 i 750 0C, a gori ĉisto plavim plamenom. Njegova kalorijska vrijednost je oko 20 MJ/Nm3 i gori sa oko 60 %-om uĉinkovitošću u konvencionalnoj bioplinskoj peći. [15]

Bioplin se dobiva iz organskih materijala. Podrijetlo sirovina moţe varirati, od stoĉnih otpadaka, ţetvenih viškova, ostataka ulja od povrća do organskih otpadaka iz kućanstava. Osim tih materijala, za proizvodnju bioplina moţe se koristiti i trava. Ali fermentacijska postrojenja za travu moraju ispunjavati više tehniĉke zahtjeve od konvencionalnih bioloških bioplinskih postrojenja, koja koriste ĉvrsto ili tekuće gnojivo.

Postoje dva osnovna tipa organske digestije (razgradnje): aerobna (uz prisustvo kisika) i anaerobna (bez prisustva kisika). Svi organski materijali, i ţivotinjski i biljni, mogu biti razgraĊeni u ova dva procesa, ali produkti će biti vrlo razliĉiti. Aerobna digestija (fermentacija) proizvodi ugljiĉni dioksid, amonijak i ostale plinove u malim koliĉinama, veliku koliĉinu topline i konaĉni proizvod koji se moţe upotrijebiti kao gnojivo. Anaerobna digestija proizvodi metan, ugljiĉni dioksid, nešto vodika i ostalih plinova u tragovima, vrlo malo topline i konaĉni proizvod sa većom koliĉinom dušika nego što se proizvodi pri aerobnoj fermentaciji. Takvo gnojivo sadrţi dušik u mineraliziranom obliku (amonijak) koje biljke mogu brţe preuzeti nego organski dušik što ga ĉini posebno pogodnim za oplemenjivanje obradivih površina. Anaerobna digestija (slika 5) se odvija samo u specifiĉnim uvjetima meĊu kojima su ulazna pH vrijednost ulazne mješavine izmeĊu 6 i 7, potrebna temperatura od 25-35 0C te odreĊeno vrijeme zadrţavanja mješavine u digestoru [15].

Slika 5. Proces anaerobne digestije [16]

Termokemijske tehnologije pretvorbe biomase u energiju, osim sagorijevanja, su još i rasplinjavanje i piroliza.



12


Rasplinjavanje se provodi na visokoj temperaturi (i do 1400˚C) uz ograniĉen dotok kisika, ĉime se povećava efikasnost proizvodnje elektriĉne energije u plinskoj turbini oko 35% (moguće i do 45%), u parnom kotlu na drva oko 20%. Glavni problem kod rasplinjavanja su plinske turbine koje su vrlo osjetljive na neĉistoće u plinu (ĉestice, para) –potrebno proĉišćavanje, a to je skupo. Sastav plina je CO, CH4 i H2, a svojstva ovise o dizajnu ureĊaja za rasplinjavanje (odozgo (protustrujno), odozdo (istostrujno) ili u sloju), temperaturi, vlaţnosti i sastavu biomase, sredstvu rasplinjavanja (zrak: 4-6 MJ/Nm3 ili kisik: 15-20 MJ/Nm3 ).

Piroliza je takoĊer termokemijski proces, s ograniĉenim dotokom kisika (druga faza sagorijevanja i rasplinjavanja), pri ĉemu dolazi do isparavanja hlapljivih sastojaka i proizvodnje tekućeg goriva (bio-ulja), pogodnije za transport i skladištenje (manji troškovi). Sloţeni je proces: vrlo promjenjiva svojstva bio-ulja ovisno o uvjetima i sirovini, ulje sliĉno nafti.Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), ali potrebna ulaganja u istraţivanje i razvoj, za sada malo primjera komercijalnih postrojenja.

2.1.4 Alkoholna goriva (etanol)

Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su: priprema sirovine, fermentacija i destilacija etanola.

Priprema sirovineje zapravo hidroliza molekula škroba enzimima u šećer koji moţe fermentirati. Uobiĉajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacijau peći s obiĉnim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkohola nakon 24 do 72 h fermentacije. Nakon toga slijedi destilacija tog alkohola u nekoliko faza ĉime se dobiva 95%-tni etanol. Za proizvodnju posve ĉistog etanola, kakav se koristi za miješanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavlja destilacija te se dobiva 99,8%-tni etanol [29].

Etanolse moţe proizvoditi od tri osnovne vrste biomase: šećera (od šećerne trske, melase), škroba (od kukuruza) i celuloze (od drva, poljoprivrednih ostataka).Sirovine bogate šećerima vrlo su pogodne za proizvodnju etanola, budući da već sadrţavaju jednostavne šećere glukozu i fruktozu koji mogu fermentirati izravno u etanol. Sirovine bogate škrobom sadrţavaju velike molekule ugljikovodika koje treba razloţiti na jednostavne šećere procesom saharifikacije. To zahtijeva još jednu fazu u procesu proizvodnje što povećava troškove. Ugljikovodici u sirovinama bogatim celulozom sastavljeni su od još većih molekula i trebaju se konvertirati u šećere koji mogu fermentirati kiselom ili enzimatskom hidrolizom. Najznaĉajnije biljne vrste koje se uzgajaju za proizvodnju etanola su šećerna trska, slatki sirak, cassava i kukuruz [29].

2.1.5 Biodizel

Biodizel je komercijalni naziv pod kojim se metil-ester, bez dodanog mineralnog dizelskog goriva, nalazi na trţištu tekućih goriva i prodaje krajnim korisnicima. Standardizirano je tekuće nemineralno gorivo, neotrovan, biorazgradivi nadomjestak za mineralno gorivo, a moţe se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog jestivog ulja ili ţivotinjske masti procesom esterifikacije, pri ĉemu kao sporedni proizvod nastaje glicerol[28].



13


Metil-ester je kemijski spoj dobiven reakcijom (esterifikacija) biljnog ulja (uljana repica, suncokret, soja, palma, ricinus itd.) ili ţivotinjske masti s metanolom u prisutnosti katalizatora.

Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela zavisi od specifiĉnih uslova i prilika u konkretnim zemljama, u Europi se za proizvodnju biodizela najviše koristi ulje uljane repice (82,8%) i ulje suncokreta (12,5%), dok se u Americi najviše koristi ulje soje, a u azijskim zemljama se koristi i palmino ulje [28].

2.1.6 Energija otpada

Ubrzani razvitak industrije, a osobito potrošaĉki organizirano društvo, uzrokovali su globalnu "ekološku" krizu, koja se u razvijenim drţavama oĉituje poglavito kao problem zbrinjavanja otpada. Nekontrolirano i neodgovorno odloţen otpad ugroţava zdravlje ljudi i okoliš, a brojni su primjeri u kojima je dokazano oštećenje zdravlja ljudi zbog neodgovornog postupanja s otpadom. Svjetska iskustva pokazuju da je problem otpada moguće riješiti samo cjelovitim sustavom gospodarenja.

Primarni cilj je zbrinjavanje gradskog otpada, a tek potom proizvodnja energije (iskorištavajući «zeleni dio» recikliranog kućnog otpada, biomasu iz parkova i vrtova, mulj iz kolektora otpadnih voda) jer su za to potrebni veliki investicijski troškovi (oko US$ 4000/kW).

2.1.7 Termička obrada otpada

Korištenje energije otpada za grijanje i/ili proizvodnju elektriĉne energije jedan je od naĉina za uĉinkovitu uporabu otpada uz, ukoliko se provodi ispravno, minimalan utjecaj na okoliš. Postupci termiĉke obrade otpada, poglavito u urbaniziranim - gusto naseljenim sredinama, omogućuju istovremeno neutraliziranje štetnih svojstava i njegovo energetsko iskorištavanje. Postoje razliĉite tehniĉke mogućnosti termiĉke obrade otpada, od kojih je sagorijevanje otpada dosad najviše korišteno. Oko potrebe i mogućnosti primjene izgaranja komunalnog otpada u Hrvatskoj i svijetu provedene su brojne rasprave.

U svijetu stalno raste broj postrojenja za termiĉku obradu otpada izgaranjem i ta se tehnologija najviše koristi upravo u razvijenim drţavama. Mogućnost kogeneracije energije otpada, u okvirima cjelovitog sustava gospodarenja energijom, obuhvaća vrednovanje deponijskog plina kod ureĊenih suvremenih deponija, bioplina kod takozvane anaerobne hladne obrade otpada i termiĉku obradu otpada pomoću razliĉitih postupaka otplinjavanja, rasplinjavanja, sagorijevanja i razliĉitih kombinacija tih postupaka. Proizvodnja energije iz otpada u svijetu nije rijetkost. Tako se danas u Švedskoj otpad energetski iskorištava u 21-om postrojenju za spaljivanje, ĉime se godišnje zbrinjava 1,7milijuna tona otpada(oko polovice ukupne koliĉine komunalnog otpada) [33].



14


2.1.8 Deponijski plin

Osim navedenog naĉina termiĉke obrade otpada, moguće je proizvoditi i bioplin iz deponijskog otpada na suvremenim ureĊenim deponijama procesom takozvane anaerobne hladne obrade otpada. U industrijskim zemljama nastaje 300-400 kg smeća godišnje po osobi.

Deponijski plin nastaje razgradnjom organskih supstanci pod utjecajem mikroorganizama u anaerobnim uvjetima. U središtu deponije nastaje nadpritisak, pa deponijski plin prelazi u plinske sonde sabirnog sustava. Prosjeĉan sastav deponijskog plina je 35-60 % metana, 37-50 % ugljen-dioksida i u manjim koliĉinama se mogu naći ugljen-monoksid, dušik, vodik-sulfid, fluor, klor, aromatiĉni ugljikovodici i drugi plinovi u tragovima. Ovaj koncept podrazumijeva postavljanje vertikalnih perforiranih cijevi u tijelo deponije (bunari, trnovi, sonde) i njihovo horizontalno povezivanje. U kompresoru deponijski plin se isisava, suši i usmjerava ka plinskom motoru. Iz sigurnosnih razloga preporuĉuje se ugradnja visokotemperaturne baklje koja preuzima viškove plina.

Deponijski plin sa prosjeĉnim sadrţajem metana od 50 % ima donju ogrjevnu vrijednost Hd=5 kWh/Nm3, što ga ĉini dobrim gorivom za pogon plinskih motora specijalno razvijenih za ovu namjenu. Plinski motor pokreće generator za proizvodnju elektriĉne energije. Putem izmjenjivaĉa topline, dobije se toplinska energija iz vode koja hladi motor i ulje za podmazivanje, kao i iz ispušnih plinova. Kod kombinirane upotrebe elektriĉne i toplinske energije postiţe se visok stupanj korisnosti ovih ureĊaja ( el = 40%, term = 43%). Ovo znaĉi da se iz 1 Nm3 deponijskog plina (uz Hd

= 5kWh/Nm3) dobije 2 kWh elektriĉne energije i 2,15 kWh toplinske energije.

Dobivena elektriĉna energija koristi se za vlastite potrebe ili se predaje u elektriĉnu mreţu. Proizvedena toplina koristi se na deponiji za proizvodnju tople vode, u staklenicima i plastenicima za proizvodnju ranog povrća i cvijeća, u industrijskim pogonima u blizini deponije, ili za grijanje stambenih zgrada kao i kod drugih potrošaĉa toplinske energije [33].

2.2 Procesi i tehnologije proizvodnje električne energije iz biomase

Osnovni procesi za proizvodnju elektriĉne energije iz biomase su [17]:

a) Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase, u modernim elektranama na ugljen trenutno je energetski najuĉinkovitiji proces (i do 45%):

b) Kogeneracija– istovremena proizvodnja toplinske i elektriĉne energije.

c) Integrirano rasplinjavanje biomase u elektranama s plinskim turbinama. Još uvijek nije komercijalno isplativo, osim za integrirani plinski kombinirani ciklus.

d) Anaerobna digestija u proizvodnji bioplina se razvije uglavnom u malim otoĉnim (“off-grid”) primjenama. U HR zbog poticaja - kao male kogeneracije na mreţi.



15


e) Biorafinerije –potencijali razvoja kombinirane isplative proizvodnje biokemikalija, elektriĉne energije i biogoriva.

2.2.1 Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase

Postoje tri naĉina istovremenog spaljivanja ugljena i drvne biomase. To su:

Izravno (u istom kotlu/loţištu) – Najjeftinije i najĉešće izvedbe.

Neizravno (prethodno isplinjavanjebiomase i izmjena topline).

Paralelno (usporedno u odvojenim kotlovima/loţištima)

Slika 6. Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase: izravno (a), neizravno (b) i paralelno (c) [17]

2.2.2 Kogeneracija [18]

Radi povećanja stupnja djelovanja koristi se kogeneracija – istovremena proizvodnja toplinske i elektriĉne energije, pri ĉemu je potreban potrošaĉ topline (npr. šumarska industrija). Male kogeneracijske elektrane su višenamjenski objekti, koji iz fosilnih goriva i biomase postupkom kogeneracije proizvode elektriĉnu i toplinsku energiju, a u odreĊenim sluĉajevima proizvodi se i hladna voda za potrebe hlaĊenja. Goriva za pogon malih kogeneracijskih elektrana su plinovita, tekuća i kruta. Odgovarajuće toplinske snage ovise o vrsti energetskog agregata i kreću se u rasponu 20-20000 kWe.

Osnovna prednost malih kogeneracijskih elektrana u odnosu na odvojenu proizvodnju elektriĉne i toplinske energije je smanjenje troškova goriva za proizvodnju navedene energije, a time i smanjenje zagaĊenja okoliša. Pri odvojenoj proizvodnji elektriĉne i toplinske energije moguće je postići ukupan stupanj djelovanja do 50 % (veliki gubici pri odvojenoj proizvodnji elektriĉne energije). U kogeneracijskim postrojenjima taj ukupan stupanj djelovanja raste i do 80 %.

Pored prednosti kogenerativne proizvodnje energije, korištenjem malih kogeneracijskih elektrana (što je osobito ĉest sluĉaj kod biomase) otpada prijenos na veće udaljenosti, jer se toplina i struja proizvode okolišno prihvatljivo u teţištima potrošnje. Toplina se predaje izravno u objektu ili u obliţnju toplinsku mreţu. Elektriĉna energija se takoĊer koristi u objektu, a višak se isporuĉuje u postojeću lokalnu niskonaponsku, ili srednjenaponsku mreţu.

a) b) c)



16


Prednost malih kogeneracijskih elektrana je i u modularnoj izvedbi, pa se veliĉina malih kogeneracijskih objekata moţe prilagoditi porastu potrošnje elektriĉne i toplinske energije stupnjevitom izgradnjom odnosno dodatnim modulima. Postojeće toplane i rezervni elektriĉni agregati mogu se dograditi, odnosno rekonstruirati u male kogeneracijske elektrane. U prednosti malih kogeneracijskih elektrana mogu se još ubrojiti relativno mala dodatna ulaganja isplativa za nekoliko godina, lokacija je redovito u okviru industrijskog ili javnog objekta što olakšava ishoĊenje dozvola i kratak rok izgradnje, te kratak rok izgradnje zbog modulne izvedbe.

MeĊutim, kogeneracija nije isplativa u svim uvjetima. Ona je isplativa za odgovarajuću kombinaciju potrošnje elektriĉne i toplinske energije. Kako je višak elektriĉne energije u svakom trenutku moguće prodati elektroenergetskom sustavu do snage 5 MWe, onda je zapravo toplinsko opterećenje determinirajuće za isplativost malih kogeneracijskih elektrana. Ako toplinsko opterećenje traje više od 3000 - 5000 sati godišnje za oĉekivati je isplativost kogeneracije.

Plinskoturbinska kogeneracija

Plinskoturbinska kogeneracija zasniva se na plinskim turbinama otvorenog ciklusa, koje u sprezi s generatorom proizvode elektriĉnu energiju. Na slici 7 prikazana je shema plinskoturbinske kogeneracije [5].

Slika 7. Plinskoturbinska kogeneracija [18]

Plinska turbina primjenjuje se kod koncipiranja malih kogeneracijskih elektrana najĉešće za veće snage, iznad 1 MWe. Plinske turbine odlikuju se: velikom uĉinkovitošću, malo zagaĊenje okoliša, velika pouzdanost, niska cijena izgradnje, potreban mali prostor, mogućnost modulne izvedbe, kratko vrijeme do pune snage. U tablici 3.4. prikazane su znaĉajke plinskoturbinskih agregata za kogeneraciju.

Termomotorna kogeneracija



17


Termomotorna kogeneracija zasnovana je na motorima s unutarnjim izgaranjem (otto i dizel), koji u sprezi s generatorima proizvode elektriĉnu energiju, a korištenjem otpadne topline ispušnih plinova i rashladne vode proizvode i toplinu u obliku vrele vode i/ili pare. Na slici 8 prikazana je shema termomotorne kogeneracije.

Termomotori se primjenjuju u širokom rasponu snaga od 10 kWe do nekoliko MWe. Temperaturna razina korisne topline za primjenu termomotora je do maksimalno 115°C, a najpovoljnije je oko 80°C. Pozitivne osobine kao na primjer: visoka uĉinkovitost (do 50 %), velika pouzdanost, lako odrţavanje, mala teţina i potrebni prostor, paketna izvedba, dobro ponašanje kod djelomiĉnih opterećenja, te kratko vrijeme do pune snage, dovele su do brzog prodora termomotora u podruĉje kogeneracije.

Termomotori za male kogeneracijske elektrane se pojavljuju u dvije osnovne izvedbe: plinski motori i dizel motori. Plinski motori najĉešće se primjenjuju za manje jedinice, a koriste sve vrste plinovitih goriva od prirodnog plina do raznih vrsta bioplina. U malim kogeneracijskim elektranama se primjenjuju dvije vrste plinskih motora: modificirani automotori i industrijski plinski motori.

Slika 8. Termomotorna kogeneracija [18]

Parnoturbinska kogeneracija

Parnoturbinska kogeneracija zasniva se na protutlaĉnim ili kondenzacijsko-oduzimnim parnim turbinama, koje u sprezi s elektriĉnim generatorom proizvode toplinsku i elektriĉnu energiju. Za proizvodnju toplinske energije koristi se toplina od kondenzacije pare, koja bi se inaĉe morala odvesti rashladnom vodom. Na slici 9 je prikazana parnoturbinska kogeneracija.



18


Slika 9. Parnoturbinska kogeneracija [18]



19


3 VJETROELEKTRANE

3.1 Energija vjetra

Sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce prema Zemlji zraĉi 1015 kWh po ĉetvornome metru. Oko 1 do 2 posto energije koja dolazi od sunca pretvara se 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 pribliţava podruĉju niskog tlaka. Na juţnoj polutki vjetar ima smjer rotacije u smjeru kazaljke na satu oko podruĉja niskog tlaka. Vjetro-turbina dobiva ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na elise rotora. Koliĉina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji ĉini rotor u vrtnji, brzini vjetra i gustoći zraka. Pri normalnom atmosferskom tlaku pri temperaturi od 15°C zrak teţi otprilike 1.225 kg/m3, ali se povećanjem vlaţnosti i gustoća povećava. TakoĊer vrijedi da je zrak gušći kada je hladniji nego kad je topliji. Na visokim nadmorskim visinama tlak zraka je niţi, pa je zrak rjeĊi. Vjetroturbina iskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar doĊe do elisa rotora. To znaĉi da se ne moţe iskoristiti sva energiju iz vjetra.

3.1.1 Snaga i energija vjetra i vjetroelektrane

Slika 10. Vjetroelektrana [8]

Energija vjetra je kinetiĉka energija ovisna o kvadratu brzine vjetra [19]:

2

2

1mvW (1)

Maksimalna teorijska energija vjetra raĉuna se nadalje kao [19]:



20


3322 625,02

1

2

1

2

1AvAvVvmvW (2)

Gdje je:

ρ – gustoća zraka (pribliţno 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 kinetiĉka energija zraka ne moţe se sva iskoristiti, jer zrak mora dalje strujati da bi naĉinio mjesta onome koji dolazi, pa je moguće iskoristiti samo energiju koja je proporcionalna razlici brzina vjetra na treću:

321 )(625,0 vvAW (3)

Maksimalnu snaga koja se moţe dobiti pogonom pomoću vjetroturbine iz konstrukcijskih razlogaiznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalne moguće snage vjetra. Uzmemo li u obzir i maksimalni stupanj djelovanja zraĉne turbine je 0.65, te stupanj djelovanja generatora 0.8, za maksimalnu energiju vjetroelektrane vrijedi:

3

3

193,0

625,08,065,027/16

vAW

vAW

(4)

Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kinetiĉke energije vjetra za proizvodnju elektriĉne energije u vjetroelektranama [19].

Ĉesto se za proraĉun energije umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine:

332 10152,0 vDW (5)

S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu vaţnost 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). Budući da je snaga vjetra, pa tako i snaga vjetroelektrane, ovisna o trećoj potenciji brzine vjetra stoga ĉak i mala promjena brzine vjetra moţe biti znaĉajna. TakoĊer s porastom visine raste i brzina vjetra. Zbog toga se vjetroturbine postavljaju na visoke stupove. Izraz koji se ĉesto koristi za opisivanje promjene brzine vjetra s promjenom visine je [8]:

(6)

Gdje je:

v – brzina vjetra [m/s] na visini H [m]

v0 – referentna brzina vjetra [m/s] na visini H0 (najĉešće je to visina od 10 m)

0o

Hv v

H



21


α – koeficijent trenja koji ovisi o površini terena na kojoj se mjeri brzina vjetra.

Osim izraza (6) koji se ĉešće koristi u SAD-u, postoji i izraz koji se ĉešće koristi u Europi [2].

(7)

Gdje je:

z - duljina hrapavosti [m]

U tablici 3 su prikazane vrijednosti koeficijenta trenja za pojedine vrste terena.

Tablica 3. Vrijednosti koeficijenta trenja za pojedine vrste terena [2]

Karakteristika terena Koeficijent trenja α Glatki ravni teren, mirna voda 0,10 Tereni visokom travom na ravnoj površini 0,15 Tereni s visokim usjevima, ţivicama i grmljem 0,20 Pošumljeni krajolici s gustim drvećem 0,25 Mali gradovi s drvećem i grmljem 0,30 Veliki gradovi s visokim zgradama 0,40

U tablici 4 su prikazane vrijednosti duljine hrapavosti za pojedine vrste terena.

Tablica 4. Vrijednosti duljine hrapavosti za pojedine vrste terena [2]

Razred hrapavosti

Opis terena Duljina hrapavosti

z (m) 0 Vodne površine 0,0002 1 Otvorene površine sa samo nekoliko manjih prepreka 0,03

2 Poljoprivredna zemljišta s preprekama udaljenim minimalno 1 km.

0,1

3 Urbana podruĉja i poljoprivredna zemljišta s puno prepreka 0,4 4 Gusta urbana ili šumovita podruĉja 0,6

3.1.2 Razdiobe brzine vjetra

Za opisivanje brzine vjetra isprobane su brojne razdiobe, no samo su dvije u uporabi za opis brzine vjetra. To su Weibullova i Rayleighova razdioba. Ove razdiobe daju slabiju procjenu na snage za manje srednje brzine vjetra. Pri većim brzinama vjetra ove dvije razdiobe daju zadovoljavajuću procjenu brzine vjetra.Rayleighova razdioba je jednostavnija jer ovisi samo o jednom parametru tj. o srednjoj brzini.

Rayleighova razdioba je predstavljena izrazom (8):

0

ln

lno

H zv v

H z



22


(8)

Gdje je:

F(v) – uĉestalost pojave povezane sa svakom brzinom vjetra

v – srednja brzina razreda Δv

Δv – širina razreda ili bin-a

va – prosjeĉna (srednja) brzina vjetra

Weibullovom funkcijom najbolje se aproksimiraju prikupljeni podatci.Funkcija daje vjerojatnost pojave pojedinih brzina vjetra tijekom nekog perioda. Weibullova razdioba je opisana s dva parametra, parametrom oblika k i parametrom mjere c. Parametar k je bezdimenzionalna veliĉina dok parametar mjere c ima jedinicu [m/s]. Weibullova razdioba je predstavljena izrazom (9):

(9)

Slika 11. Weibull-ova i Rayleigh-ova razdioba

3.2 Krivulja snage vjetroelektrane

Graf koji prikazuje ovisnost izlazne snage vjetroelektrane o brzini vjetra naziva se krivulja snage. Vjetroelektrane se ukljuĉuju pri brzinama vjetra od oko 3 do 5 [m/s] i ta brzina se naziva brzina ukljuĉenja vjetra. Brzina iskljuĉenja vjetroelektrane je oko 25 [m/s].

2

exp2 4a a

v vF v c

v v

1

expk k

k v vF v v

c c c

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Brzina vjetra m/s

Vjer

ojat

nost

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

Rayleigh

Weibull



23


Slika 12. Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [20]

S promjenom brzine vjetra mijenja se i obujam energije vjetra. Koliko se energije vjetra pretvori u elektriĉnu energiju govori nam koeficijent snage. Efikasnost turbina je malo veća od 20%, ali ipak se ona mijenja s promjenom brzine vjetra. Energija vjetra odgovaratrećoj potenciji brzine vjetra.

3.3 Podjela vjetroelektrana i dijelovi vjetroelektrana

3.3.1 Podjela vjetroelektrana

Općenito postoje dva tipa vjetroelektrana, odnosno moţe ih se podijeliti prema poloţaju osi vrtnje, a to su vjetroelektrane s okomitim i vodoravnim smjerom vrtnje. Obiĉno vjetroelektrane imaju vodoravno postavljenu os vrtnje i zbog toga se nazivaju vjetroelektrana s vodoravnim osi ili VSHO (eng. HAWT). Vjetroelektrane s okomitom rotorom manje su poznate i rjeĊe se koriste i nazivaju se vjetroelektrane s okomitom osi vrtnje ili VSVO (eng. VAWT). Na slici 13. prikazane su vjetroelektrana s okomitom i vjetroelektrana s vodoravnom osi.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Brzina vjetra [m/s]

Izla

zna

snag

a [k

W]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

Krivulja snage za VT Vestas V90 – 3,0MW

2400

2600

2800

3000



24


Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rjeĊe koriste. Većina vjetroturbina sa vodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomoću elektromotora i prijenosa drţi turbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine mogu biti okrugli ĉeliĉni, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za male zraĉne turbine. Velike zraĉne turbine se izvode sa okruglim ĉeliĉnim 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 ĉvrstoću i uštedili na materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem ĉeliĉnih profila. Osnovna prednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola manje materijala a postiţe se ista ĉvrstoća.

Slika 13. Vjetroelektrane s vodoravnim i okomitim osovinama [11]

S obzirom na mjesto postavljanja vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljaju na kopnu i one na morskoj puĉini. S obzirom na snagu uobiĉajena je podjela na male (1 do 30 kW), srednje i velike (30 do 1500 kW), te one ne puĉini (>1500 kW)

Male se koriste obiĉno na dalekim izoliranim mjestima, pri ĉemu postoji velika raznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obiĉno rade na mreţi, 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 puĉini mogu imati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u razvoju, a glavna zapreka je velika cijena postolja.

3.3.2 Osnovni dijelovi vjetroelektrana

Osnovni dijelovi vjetroelektrane prikazani su na slici 14.



25


Slika 14.Osnovni djelovi vjetroelektrane [6]

1. Vitlo

2. Spona za vitlo

3. Lopatice ili elise

4. Navoj za regulaciju kuta zakreta lopatice (pitch regulacija)

5. Glava rotora

6. Glavni navoj

7. Glavna osovina

8. Mjenjaĉka kutija

9. Diskovi koĉnice

10. Spojke

11. Servisna dizalica

12. Generator

13. Meteorološki senzori



26


14. Leţaj za zakretanje turbine

15. Prsten za zakretanje turbine

16. Toranj

17. Nosiva platforma kućišta

18. Krovna platforma

19. Uljni filter

20. Ventilator generatora

21. Hladnjak ulja

3.4 Generatori u vjetroelektranama

Budući da vjetar predstavlja izrazito promjenjivi energetski resurs koji se ne moţe uskladištiti, potrebno je utvrditi uvjete pogona sustava za pretvorbu energije vjetra u elektriĉnu energiju. Općenita shema djelovanja vjetroelektrane prikazana na slici 15 obuhvaća elemente koji se projektiraju obzirom na tri oblika energije: energiju vjetra, mehaniĉku energiju te elektriĉnu energiju.

Vjetroturbina koja moţe imati jednu ili više elisa, sluţi za transformaciju energije vjetra u mehaniĉku energiju. Ako se u obzir uzmu razina buke i vizualni efekt, izvedba s tri elise predstavlja najĉešće rješenje. Pored toga, dinamikom rotora s tri kraka je najlakše upravljati. Inercijski moment trokrakog rotora prema tornju ne mijenja se tijekom okretanja. To rezultira manjim problemima uslijed oscilacija nego kod jednokrakih i dvokrakih rotora. Uz to je i optiĉki mirniji zbog okretanja na manjoj brzini. Oko 90% vjetroturbina koje se trenutno koriste u svijetu imaju trokraki rotor.

Spoj izmeĊu vjetroturbine i elektriĉnog generatora ostvaren je pomoću mehaniĉke spojke koja uobiĉajeno u sebi ukljuĉuje mjenjaĉku kutiju s prijenosnikom pomoću kojeg se niţa brzina vrtnje rotora vjetroturbine prilagoĊava višoj brzini vrtnje rotora generatora. Da bi se kinetiĉka energija rotora uz pomoć generatora pretvorila u elektriĉnu, bila bi potrebna brzina rotora od 1 500 okretaja u minuti (rpm). Budući da se rotor okreće brzinom od 30-50 rpm, potrebna je upotreba prijenosnika. S prijenosnikom se pretvara spora rotirajuća sila (visokog okretnog momenta) u brzu rotaciju (niskog okretnog momenta) koja je potrebna za rad generatora. Postotak iskoristivosti energije je 98%, a gubitak energije koji nastaje uslijed trenja zupĉanika prijenosnika manifestira se u obliku topline i buke.



27


Slika 15. Shema djelovanja vjetroelektrane [7]

3.4.1 Izbor generatora za vjetroelektranu

U vjetroelektranama se uobiĉajeno koriste dvije vrste generator, a to su sinkroni ili asinkroni generatori. Ovisno o prikljuĉku na mreţu razlikujemo vjetroelektrane s stalnom brzinom vrtnje koje su izravno prikljuĉene na mreţu i vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje.

a) Vjetroelektrane s stalnom brzinom vrtnje

U koliko je vjetroelektrana prikljuĉena na krutu mreţu (opisuje je velika naponska i frekvencijska krutost) onda se najĉešće koriste asinkroni generatori. Njihova glavna prednost je u jednostavnoj i jeftinijo konstrukciji, dok ima je nedostatak taj što moraju imati kompenzacijske ureĊaje (kondezatorske baterije) i prikljuĉni ureĊaj (eng. soft-starter) kako bi se omogućila poĉetna sinkronizacija s mreţom.

Sinkroni generatori se najĉešće koriste kod otoĉnog pogona. Ovim generatorima potreban je uzbudni sustav i regulator brzine koji će odrţati napon i frekvenciju konstantnim. Kod vjetroelektrana nazivnih snaga većih od 500 kW treba imati sustav za regulaciju zakretanja elisa propelera, pa se spomenuti sustav ne izvodi u svim jedinicama. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji će odrţavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mreţu.

b) Vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje

Ovaj tip vjetroelektrana u koliko se spaja na mreţu zahtjeva stalnu frekvenciju pa su zbog toga potrebni pretvornici frekvencije. Stoga razlikujemo više izvedbi vjetroelektrana s promjenjivom brzinom vrtnje a to su:

Sinkroni generator s pretvaraĉem u glavnom strujnom krugu



28


Asinkroni generator s pretvaraĉem u glavnom strujnom krugu

Asinkroni generator s upravljivim promjenjivim klizanjem

Asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvaraĉkom kaskadom

3.4.2 Način priključenja vjetroelektrana na mrežu

Tablica 5. Način priključenja vjetroelektrana na mrežu [7]

ASINKRONI GENERATOR SINKRONI GENERATOR

Izravno priključenje na mrežu

s=0...0,08

Potrošaĉ induktivne jalove snage

Izravno priključenje na mrežu

Upravljiva izlazna jalova snaga

Mrežni priključak putem DC veze

Upravljiva izlazna jalova snaga uz odgovarajući pretvaraĉ

Mrežni priključak putem DC veze


Dinamički upravljivo klizanje

Mrežni priključak putem DC veze, bez mjenjačke kutije

(1 )s fn

p

f

np

0,8...1,2f

sp

0,5...1,2f

sp



29


s=0...0,1...0,3

Potrošaĉ induktivne jalove snage


Asinkroni generator s dvostranim napajanjem

Sinkroni generator s permanentim magnetima priključen putem DC veze


3.5 Kriteriji priključenja vjetroelektrane na mrežu

Prikljuĉenje vjetroelektrana na elektroenergetsku mreţu je znaĉajan problem obzirom na to da vjetroelektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sustava i kvalitetu elektriĉne energije u mreţi. Kriteriji prikljuĉenja se definiraju u obliku Mreţnih pravila za vjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se Mreţna pravila ne izraĊuju na naĉin da iskljuĉe ili diskriminiraju odreĊenu vrstu generatora, njihove su odredbe obiĉno definirane imajući u vidu konvencionalne termoelektrane i hidroelektrane. Vjetroturbinski generatori se znatno razlikuju od sinkronih generatora zbog ĉega se uobiĉajeno izraĊuju dvije vrste Mreţnih pravila za vjetroelektrane; jedna se vrsta odnosi na njihovo prikljuĉenje na prijenosni sustav (nazivni napon ≥ 110 kV), a druga na distribucijski sustav (nazivni napon ≤ 35 kV).

Postoji mnogo tehniĉkih kriterija prikljuĉenja vjetroelektrana na mreţu koji se uzimaju u obzir zbog što kvalitetnije integracije vjetroelektrana u elektroenergetski sustav, kao što su:

Iznos frekvencije, Iznos napona, Stanje u uvjetima kvara, Kvaliteta isporuĉene elektriĉne energije i

(1 )s fn

p

0,5...1,2

fs

p

0,5...1,2f

sp



30


Zahtjevi obzirom na signale, komunikacije i upravljanje.

Ovih pet glavnih kriterija se smatra kljuĉnim podruĉjima za ispravan pogon i voĊenje vjetroelektrana u pripadajućem elektroenergetskom sustavu. Detaljnije o uvjetima prikljuĉka vjetroelektrana na mreţu moţe se naći u [21].



31


4 MALE HIDROELEKTRANE

4.1 Energija vode

Energija poloţaja vode obnovljiva je zahvaljujući Sunĉevoj energiji koja neprestano odrţava hidrološki ciklus. Uobiĉajeno je razliĉito vrednovanje velikih i malih hidroelektrana kada je rijeĉ o utjecaju na okoliš. Premda sveobuhvatna istraţivanja nisu dostupna uvrijeţen je pogled da se korištenje energije poloţaja vode u malim postrojenjima smatra ekološki prihvatljivijim. No, i za velika postrojenja se smatra da je njihov višestruki negativni utjecaj na okoliš nadomještava doprinos smanjenju emisije stakleniĉkog plina CO2.

Osnovna razmatranja vezana za snagu i energiju HE se ne mijenjaju s veliĉinom postrojenja. Snaga i energija koju nosi sa sobom promjena poloţaja vodene mase moţe se izraziti preko Bernoullijeve jednadţbe za jednodimenzionalno stacionarno strujanje bez vrtloţenja ukljuĉujući trenje preko iznosa gubitaka. Ĉesto se u hidromehanici koristi Bernoullijev izraz u kome su svi elementi izraţeni preko visina [2] :

m .2

2

konsthg

ch

g

pr

(10)

Gdje je:

g

p

- visina tlaka

h – geodetska visina

2g

2c - visina brzine

hr – visina gubitaka

Praktiĉno je sve gubitke prikazati kroz gubitke visine ili stupanj djelovanja. Energija vode ovisi o promjeni poloţaja i o djelotvornosti pretvorbe. Posebno je zanimljiv izraz za energiju (i snagu) koji sadrţi protok vode. Izraz 11 prikazuje energiju promjene poloţaja vode iz kojeg se moţe odrediti raspoloţiva snaga u funkciji protoka i neto pada (visine, izraz 12) [2].

ghdtAvmghWt

0

(11)

ghQAvQghAvdt

dWP (12)

Znamo li stupanj djelovanja za neku HE pri odreĊenom protoku i neto visini moţemo izraĉunati njenu snagu [2]:



32


][81,9 kWQhQhgP uu (13)

Vaţno je naglasitiovisnost neto visineo protokuobzirom na profil ispred i iza zahvata HE te ovisno o biološkom minimumu i preljevu. Slika 16 ilustrira krivulju trajanja snage HE u ovisnosti o protoku kroz postrojenje, padu i ukupnom protoku. Slika ukljuĉuje i ovisnost stupnja djelovanja o protoku kojiodreĊuje produkt stupnjeva djelovanja vezanih za gubitke na zahvatu, dovodu i odvodu, te za gubitke u turbini. Najznaĉajniji gubitci u turbini ovise o vrsti turbine i to je u nastavku dodatno opisano. Snagu HE, kod pojedinog protoka, moguće je stoga precizno odrediti samo ako se poznaju navedene ovisnosti gubitaka o protoku. Raĉunanje ukupne energije je prema tome integral snage kroz odreĊeno vremensko razdoblje:

hdtQWt

0

81,9 (14)

Kod proraĉuna ukupne energije mogu se postavljati razliĉita pojednostavljenja, kod kojih treba uzeti u obzir da je HE uvijek dimenzionirana za neku nazivnu snagu odnosno da ima instalirani odreĊeni protok (toĉka nazivnih parametara u ilustraciji dolje). Raĉunanje snage i energije HE sa protokom koji premašuje instaliranu vrijednost daje krive rezultate.

Slika 16. Ilustracija krivulje trajanja snage u ovisnosti o protoku kroz postrojenje, padu i ukupnom protoku [11]

100 300200 365

Iskoristiv protok

Krivulja trajanja

protoka

Krivulja trajanja snage

Krivulja trajanja pada

Pro

tok

Q

Vrijeme u danima

Sna

ga P

, pad

hNazivni parametri



33


4.2 Turbina i generator male HE

Turbina i generator predstavljaju dvije najvaţnije aktivne komponente HE. Principi djelovanja i izbor turbine i generatora sliĉni su kao i za velike HE. Znaĉajna 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 veliĉina turbina i generatora.

4.2.1 Turbina

Voda u pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehaniĉku energiju na osovinu. Ovisno o uvjetima koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj razliĉitih 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 popreĉnim tokom). Turbine za MHE se rade serijski, a postoje i primjene s pumpama zbog ekonomiĉnosti.

Razlika turbina u principu djelovanja odraţava se na optimalni raspon protoka i padova za stupanj djelovanja. Slika 17 prikazuje podruĉje primjene razliĉitih vrsta turbina prema protoku i padu. Uoĉljivo je da poznate vrste turbina pokrivaju podruĉje primjene za velika i mala postrojenja. Turbine s popreĉnim protokom i Turgo pokrivaju podruĉje padova i protoka za male HE (isto vrijedi i za veliki broj razliĉitih vrsta turbina koje nisu prikazane na slici).

Slika 17. Područje primjene različitih vrsta turbina – prema protoku i padu [11]

Za velike padove najprimjerenija je Pelton turbina (kod MHE od 20 m). Kod srednje velikih padova primjerena je Francis turbina (od 3 do 600 m). Na malim padovima i za veće protoke najbolje je koristiti Kaplan turbinu (za vertikalnu izvedbu od 10 do 60



34


m, a za horizontalnu od 2 do 20 m). Turbina s popreĉnim protokom (Michel-Banki) se koristi kod padova od 1 do 200 m. Vidljivo je da se podruĉja primjene uvelike preklapaju te se odluka o izboru temelji na ekonomskim i drugim tehniĉkim 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. Slika 18 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.

Slika 18 Promjena stupnja djelovanja turbina u ovisnosti o protoku vode [11]

Brzina vrtnje turbine opĉenito je ovisna najprije o izvedbi, a potom o padu i protoku vode. Vezu izmeĊu specifiĉnog broja okretaja ns jediniĉne modelne turbine i broja okretaja turbine koja ima protok Q i pad H prikazuje izraz 15.

4/3

2/1

H

Qnns (15)

Za Pelton turbinu specifiĉni broj okretaja ide do 30, Francis ima ns od 20 do 120, kod Kaplan (vertikalne) to je od 180 do 260 i za Michel-Banki specifiĉni broj okretaja ide od 30 do 210.

Michel-Banki turbinaima posebnu izvedbu dotoka i lopatica da moţe raditi na trećini i na dvije trećine protoka s karakteristikom efikasnosti kao da radi na nazivnom protoku. Na slici 18 je to ilustrirano s Qo/3 i 2Qo/3 krivuljama efikasnosti. Time se za turbinu s popreĉnim protokom postiţe optimalan stupanj djelovanja kroz cijeli opseg protoka vode: voda ide preko cijele turbine kada je protok veći od 2/3

2Q/3

Q/3

Q



35


nazivnoga, za protoke ispod trećine nazivnog voda ide samo preko odvojenog dijela trećine presjeka turbine i na kraju za protoke izmeĊu voda se usmjerava na drugi dvotrećinski dio presjeka turbine.

Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode (akcija energije poloţaja vode pretvorena u konetiĉku energiju) pri pribliţno atmosferskom tlaku. Kod izvedbi s više mlazova situacija s tlakovima je nešto sloţenija. Male Pelton turbine mogu raditi ekonomiĉno 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 (a).

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 moţe izazvati tzv. vodni udar. Ponekad se primjenjuje i protumlaz kao vodna koĉnica.

Francis turbina se moţe instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna izvedba ima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja jer zahtijeva veći prostor, ima veću ukupnu masu postrojenjai dodatno je sloţenija za odrţavanje. Francis turbina ima niz nedostataka u odnosu na Pelton izvedbu: osjetljivija je na problem kavitacije i na neĉistoće u vodi; efikasnost znaĉajno 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 sloţeno odrţavanje. Prednost Francis turbine u odnosu na Pelton je u iskorištavanju kompletnog pada.

Iskustveni podatci o brzini okretanja Francis turbine za padove od 10 do 50 m su izmeĊu 900 i 1200 min-1, a za veće padove i do 1500 min-1.

Kaplan turbina se koristi za male padove ili za protoĉne HE. Prednost Kaplan turbine prema drugim sliĉnim izvedbama za male padove (npr. bulb, propeler, S i Straflo) je u manjoj cijeni i u pozicioniranju elektromehaniĉkog dijela izvan vode (lakše odrţavanje i sigurnije kod poplavljanja). Utjecaj na okoliš izvedbi s Kaplan turbinom je manji zbog nepostojanja akumulacije i

D

a



36


manjeg zauzimanja prostora. Ovisno o protoku (reguliran ili varijabilan) postoje izvedbe sa fiksnim i pomiĉnim krilcima lopatica rotora (veća efikasnost). Dvostruka regulacija osigurava dobar stupanj djelovanja za veliki rasopn protoka (do 30% instaliranog protoka).

Michel-Banki turbina (crossflow – popreĉna; s radialnim potiskom) za razliku od ostalih ima primjenu samo kod MHE (do 0,8 MW). Kod primjene protoci se kreću izmeĊu 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 vaţno 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 (graĊevinski radovi) i lagan pristup svim dijelovima za odrţavanje.

Vodno kolo povezano je s najstarijim naĉinom korištenja energije poloţaja 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 izmeĊu proizvodnje i oĉuvanja okoliša. Pogon je neometan prljavštinama u vodi. Tijekom rada se ostvaruje samoregulacija momenta promjenom koliĉine zahvaćene koliĉine 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.

Osnovne izvedbe vodnog kola su povezane s mjestom gdje se prihvaća voda. Kod gornjeg prihvaćanja vode pad mora biti barem jednak promjeru kola. Snaga se prema tome moţe izraziti korištenjem izraza (2.4). Stupanj djelovanja je oko 60% (dostiţe i do 80%), a pad odreĊuje razlika visine vode ispred i iza vodnog kola. Sliĉno se razmatranje moţe provesti i za izvedbe s donjim prihvatom vode. Vodna kola se mogi koristiti za izvedbe koje imaju pad do 10 m i protoke do2 m3/s.

Vodne pumpe kao turbine za vrlo male HE dosta se ĉesto primjenjuju. Osnovni razlog tome je u ĉinjenici 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 razliĉite naĉine, npr.: dodatna manja pumpa, ili elektronska kontrola (tereta).



37


4.2.2 Generator

Rješenja MHE za samostalni rad moraju imati sinkroni generator što poskupljuje izvedbu. Male HE koje su prikljuĉene na mreţu najĉešće koriste jednostavni asinkroni generator. Izvedbe vrlo malih snaga (ispod 100 kVA) se prikljuĉuju na niskonaponsku mreţu (0,4 kV), a za veće snage se radi prikljuĉak na srednjenaponsku mreţu (10/20 kV). Potrebno je osigurati faktor snage iznad 0,9. Treba voditi raĉuna o strujama kratkog spoja, prenaponskoj zaštiti, zaštiti od napona dodira i ponovnom automatskom ukljuĉivanju. 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 veliĉina obvezno je i potrebno za dobar i autonoman rad male HE.

4.3 Osnovni dijelovi mHE

Sustav (male) hidroelektrane se sastoji od svih objekata i dijelova koji sluţe za skupljanje, dovoĊenje i odvoĊenje vode, za pretvaranje mehaniĉke u elektriĉnu energiju, za transformaciju i razvod el energije. Razlikuju se sljedeći karakteristiĉni dijelovi (male) hidroelektrane:

brana ili pregrada

zahvat

dovod

vodna komora ili vodostan

tlaĉni cjevovod

strojarnica (turbina, generator...)

odvod vode.

Prema tipu hidroelektrane mogu neki od ovih dijelova potpuno izostati, a u drugim sluĉajevima moţe isti dio preuzeti više funkcija. 4.4 Izvedbe malih hidroelektrana

Razlikuju se sljedeće izvedbe mHE:

a) Niskotlaĉne mHE sa strojarnicom na dnu brane

Male hidroelektrane si ne mogu priuštiti gradnju velikih rezervoara ili akumulacija da se koriste zalihama vode kada je to najpogodnije. Cijena izgradnje relativno velike brane bi bila preskupa i ekonomski neisplativa. Ali ako je akumulacija već izgraĊena za druge svrhe, kao što su zaštita od poplave, navodnjavanje, prikupljanje vode za velike gradove, rekreacijska podruĉja i sliĉno, moguće je proizvoditi elektriĉnu



38


energiju koristeći postojeći odvod ili prirodni tok rezervoara (akumulacije). Ako brana već ima ispusni otvormoguća je izvedbaMHE prikazana na slici 19.

Slika 19. Niskotlačna MHE s korištenjem postojeće brane [22]

b) Niskotlaĉne mHE sa sifonskim dovodom

U sluĉaju da brana nije previsoka moţe se ugraditi sifonski dovod. Integralni sifonski dovod omogućuje elegantnu izvedbu postrojenja, najĉešće do visine 10 m i za postrojenja do 1000 kW, iako postoje postrojenja sa sifonskim dovodom sa instaliranom snagom do 11 MW (Švedska) i visine do 30.5 m (SAD). Turbine mogu biti smještene na vrhu brane ili na nizvodnoj strani. Na slici 20 prikazana je niskotlaĉna mHE sa sifonskim dovodom.

Slika 20. Niskotlačna mHE sa sifonskim dovodom [22]

c) MHE integrirane unutar kanala za navodnjavanje

Postoje dvije izvedbe malih hidroelektrana koje koriste kanal za navodnjavanje:

Ako je kanal dovoljno velik za smještaj zahvata, strojarnice, odvoda i boĉnog obilaza za vodu. Izvedba sa uronjenom strojarnicom opremljenom sa desnokutnom pogonskom Kaplanovom turbinom na slici 21. Da bi osigurali



39


opskrbu vode za natapanje izvedba mora sadrţavati boĉni obilaz u sluĉaju gašenja turbine. Istovremeno projektiranje i izgradnja s kanalom za natapanje.

Slika 21.Mala hidroelektrana koja koristi kanal za navodnjavanje [22]

Ako kanal već postoji, pogodna opcija prikazana je na slici. Kanal bi trebalo neznatno povećati za smještaj zahvata i preljeva. Da se širina zahvata reducira na minimum, treba ugraditi izduţeni preljev. Od zahvata se voda kroz tlaĉni cjevovod dovodi do turbine, a zatim se kroz kratki ispust vraća u kanal. Uglavnom u kanalima nema migracije riba pa su prolazi za ribe nepotrebni.

Slika 22. Mala hidroelektrana ugrađena u već postojeći kanal [22]

d) MHE ugraĊena u vodoopskrbni sustav

Voda za piće se isporuĉuje u grad transportom vode iz povišenog rezervoara kroz cjevovod pod tlakom. Uobiĉajeno, u takvim vrstama instalacije disipacija energije na niţem kraju cjevovoda, na ulasku u postrojenje za proĉišćavanje vode, se ublaţava korištenjem specijalnih ventila. Smještanjem turbine na kraj cjevovoda, da pretvori ionako izguljenu energiju u elektriĉnu, je zgodna opcija, pod uvjetom da se izbjegne vodeni udar. Da bi se osigurala trajna opskrba vodom mora biti ugraĊen sustav obilaznih ventila. U nekim vodoopskrbnim sustavima turbina ima ispust u otvoreni bazen ili jezero. Sustav za kontrolu odrţava nivo vode u bazenu. U sluĉaju mehaniĉkog zastoja ili zastoja turbine, sustav obilaznih ventila takoĊer moţe



40


odrţavati razinu vode u bazenu. U sluĉaju da glavni obilazni ventil ispadne iz pogona pojavljuje se nadtlak, te se pomoćni obilazni ventil brzo otvori. Kontrolni sustavi su još sloţeniji u sustavima gdje je izlaz iz turbine podvrgnut protutlaku vodene mreţe.

Slika 23. mHE ugrađena u vodoopskrbni sustav [22]

4.5 Projektiranje malih HE

Poznavanje i izgraĊenost prostora nuţni su kako sa stajališta mogućnosti unošenja novih zahvata, tako i sa stajališta utjecaja novog zahvata na postojeće i planirane zahvate. Podaci se nalaze u postojećim dokumentima, katastrima, kartografskim materijalima, a neke je potrebno snimiti.

Izbor odgovarajućih rješenja neposredno je ovisan o:

Svojstvima sredine u kojoj se planira gradnja male hidroelektrane (priroda, izgraĊeni prostori), kao i o

Raspoloţivosti materijala za graĊenje, mogućnosti izgradnje nosive (stabilne i ĉvrste), uporabljive i trajne graĊevine pouzdane u korištenju.

Ekološkoj prihvatljivosti. Hidrotehniĉkim zahvatima neposredno se mijenja stanje vode u prirodi što posredno djeluje na stanje okoliša manje ili više intenzivno. Rješenje koje podrţava odrţivi razvoj.

Razvojnoj i ekonomskoj prihvatljivosti. Gradnja male HE je zahvat u funkciji razvoja društva - neophodno je uskladiti rješenja s ostalim sudionicima izgradnje i korištenja raspoloţivih bogatstava, koja su i ekonomski prihvatljiva.

Nakon prikupljanja podloga i izvršenja odgovarajućih istraţnih radova, te njihove obrade, pristupa se analizi mogućnosti prirodnih vodotoka i mogućnosti iskorištenja hidroenergetskog potencijala izgraĊenih objekata na malim vodotocima. TakoĊer, prilikom projektiranja malih HE potrebno je razmoriti slijedeće [23]:

Geološke karakteristike

Hidrološki i meteorološki istraţni radovi



41


Stanje na terenu

Bruto energetski potencijal

Veliĉina izgradnje male HE

Izbor turbine i neto snaga za male HE.



42


5 GEOTERMALNAENERGIJA

5.1 Porijeklo i priroda geotermalne energije

Gravitacijska energija i zaostala toplina od formiranja Zemlje te radioaktivni raspad rezultirali su enormnom unutrašnjom kaloriĉkom energijom Zemlje. Procijenjena temperatura unutrašnje jezgre od oko 40000C, na dubini od 6370 km, postupno opada do samo nekoliko stupnjeva na površini zemlje (uz znaĉajan doprinos Sunĉeve energije). Zemljina kora debljine oko 30 km pliva na omotaĉu oko vanjske i unutrašnje jezgre. Ponašanje unutar jezgri je relevantno za magnetske polove Zemlje, a dinamika omotaĉa utjeĉe na vulkanske erupcije i velike potrese. Za korištenje geotermalne energije od vaţnosti je samo Zemljina kora i to posebno na mjestima gdje se dodiruju tzv. tektonske ploĉe. To je stoga što ne postoji tehnološka mogućnost pristupa većim dubinama. Granice tektonskih ploĉa predstavljaju mjesta velikog rizika od aktivnih vulkana, potresa i dobar potencijal za korištenje geotermalne energije [31].

Potencijal nekog podruĉja za korištenje geotermalne energije grubo se moţe ocijeniti preko temperaturnog gradijenta ispod površine zemlje. Prosjeĉan porast temperature iznosi manje od 30 stupnjeva Celzijevih na 1 km. Podruĉje sa posebno dobrim potencijalom za korištenje geotermalne energije ima porast temperature oko 100 oC na 1 km. MeĊutim, kod dobrih izvora gdje se geotermalna energija i koristi porast temperature moţe biti i viši. Temperaturni gradijent sluţi samo za pojednostavljeni prikaz jer je stvarno kretanje temperature ovisno o prirodi geotermalnog izvora i sastavu tla.

Potencijal za korištenje geotermalne energije ovisi o dubini na koju treba bušiti, sastavu tla i prisutnosti te stanju vode.

Kapacitetom unutrašnje kaloriĉke energije prednjaĉe najteţe iskoristive suhe vruće stijene. Dostupne temperature se kreĉu izmeĊu 150 i 300 oC na dubinama od 2,5 do 6 km. Najveći problem korištenju predstavlja preuzimanje toplinske energije. Da bi se preuzela toplina potrebno je dovesti medij (npr. vodu) i ostvariti kontakt sa vrućim stijenjem. Postoje razne ideje o stvaranju pukotina, ali sve je još uvijek u istraţivanju [31].

5.2 Geotermalni resursi

Korištenjem podataka dobivenih bušenjem, satelitskim snimanjem i modeliranjem moguće je procijeniti geotermalne resurse. Pri tome najvaţniji su podatci o temperaturama, koliĉini vode/pare te o sastavu tla na nekom podruĉju. Geotermalne se resurse moţe klasificirati prema temperaturi: nisko temperaturni (ispod 90 oC), visoko temperaturni (preko 150 oC), a srednje temperaturni izmeĊu. Temperature odreĊuju mogućnosti korištenja i naĉine primjene. Samo visoko temperaturni izvori se smatraju ekonomiĉnim i praktiĉnim za proizvodnju elektriĉne energije.

Procjena resursa se uobiĉajeno posebno iznosi za proizvodnju elektriĉne energije i za direktno korištenje toplinske energije. Dodatno se uzima u obzir sadašnje stanje tehnologije i predvidivo unapreĊivanje. Slike 6.3 i 6.3a koje slijede ilustriraju podloge



43


za procjenu geotermalnih resursa u Europi i Hrvatskoj. Procjene su rezultat kombiniranja podataka dobivenih stvarnim bušenjima i modeliranjem uz pretpostavke o sastavu tla

Za Republiku Hrvatsku najprije treba naglasiti da pola zemlje nema nikakav geotermalni potencijal dok pola predstavlja potencijal. Tako, dok juţni dio zemlje ima ispodprosjeĉni temperaturni gradijent (manje od 20 oC/km) na sjeveru je temperaturni gradijent iznad prosjeka (oko 50 oC/km sa varijacijama na posebnim lokacijama). Na temelju podatak iz stvarnih bušotina (oko 50 napravila INA) na dubinama od nekoliko km poznato je da potencijalni izvori imaju temperature vode od 40 do 170 oC. Prema tome se procjenjuje da je ukupni potencijal za proizvodnju elektriĉne energije skoro 50 MWe i direktno korištenje preko 800 MWt. Uz pretpostavku o faktoru opterećenja za proizvodnju el. en.od 80% to predstavlja potencijal za 0,35 TWh godišnje. Za direktno korištenje to je potencijal od oko 7 TJ godišnje. Na slici 24 prikazan je geotermalni potencijal Hrvatske [28].

Slika 24. Geotermalni potencijal u Hrvatskoj [28]

5.3 Direktno korištenje geotermalne energije za grijanje

Najjednostavniji i najperspektivniji naĉin iskorištavanja geotermalne energije predstavlja direktno korištenje toplinske energije za razliĉite namjene u turizmu, poljoprivredi, industriji i komunalnom grijanju. Direktno korištenje moţe biti samostalno ili kombinirano. Kombinirati se moţe sa drugim (konvencionalnim) naĉinima proizvodnje toplinske energije ili sa proizvodnjom el. en. iz geotermalnog izvora. Tablica ispod ilustrira neke moguće direktne primjene geotermalne energije. Dodatni primjeri za direktnu primjenu su npr.: prerada mesa (od 60 do 95 oC), proizvodnja sira (od 40 do 95 oC) i sušenje ţitarica (od 50 do 150 oC).



44


Svjetski kapaciteti za direktno korištenje geotermalne energije procjenjuju se na 15 GWt instalirane snage i 191 PJ korištene topline godišnje (2000.). EU je u 2006. direktno iskoristila skoro 90 PJ (ukljuĉujući toplinske pumpe) s 9 GWt instaliranih kapaciteta.

Direktna primjena je najveća za grijanje i odmah potom slijede kupališta, staklenici, ribogojstvo te industrija. Svaka zemlja ima svoje specifiĉnosti ovisno ne samo o geotermalnom potencijalu već i o brojnim drugim faktorima. Island je poseban primjer stoga što za ukupne potrebe primarne energije koristi oko 55% geotermalnu energiju (121 PJ, 2005.). Na prvom mjestu je grijanje (oko 60% ukupne korištene GE), a zanimljivo je korištenje za otapanje snijega i leda u naseljima.

Hrvatska najviše direktno koristi geotermalnu energiju za toplice i ljeĉilišta (oko 114 MWt instaliranih kapaciteta), a manji dio za zagrijavanje (oko 37 MWt). Potencijal je znaĉajan za povećavanje korištenja za toplice i komunalno grijanje. Veliki je potencijal za Hrvatsku primjena u poljoprivredi (proizvodnja u staklenicima), uzgoju riba te industriji (posebno prehrambenoj). Potencijalno vaţno iskustvo u ovom smjeru će predstavljati izgradnja i korištenje lokacija Velika Ciglena i Lunjkovec-Kutnjak gdje se planira, uz zdravstvenu i turistiĉku namjenu, direktno koristiti toplinu za sušare, proizvodnju povrća, uzgoj ukrasnog bilja, komunalno grijanje te jednim dijelom i proizvodnju elektriĉne energije.

5.3.1 Toplinske pumpe

Mogućnost „pumpanja“ topline iz okoline korištenjem lijevokretnog kruţnog termodinamiĉkog procesa ĉesto se primjenjuje za grijanje (i hlaĊenje) u razvijenom svijetu. Tzv. toplinske pumpe ĉesto se spominju zajedno sa geotermalnim izvorom energije. Dok se vanjska prosjeĉna mjeseĉna temperatura zraka, za naše kontinentalno podruĉje, kreĉe u rasponu od -5 do +25 oC temperatura tla ostaje pribliţno konstantna (ovisno o podneblju od 6 do 8 oC) tijekom cijele godine već na dubini od 8 do 10 m. Razlika prema zraku je iskoristiva i na dubini od 2 m gdje je godišnji raspon od 3 do 10 oC za suho tlo i par stupnjeva šire za vlaţno tlo. Takav odnos temperatura u tlu i potrebne unutrašnje temperature u kući ili zgradi predstavlja potencijal za isplativo i racionalno zagrijavanje (hlaĊenje) s koeficijentom djelovanja od 3 do 6 (omjer dobivene toplinske energije i uloţene el. en.). Ukupna djelotvornost ovisi pokraj konstantne manje razlike temperatura i o korištenoj tehnologiji a posebno o konkretnoj izvedbi (horizontalno, vertikalno, podzemne vode i drugo).

Korištenje toplinskih pumpi u razvijenom svijetu na daleko je većoj razini od situacije u Hrvatskoj. To se najprije odnosi na pojavu jeftinijih klima ureĊaja sa mogućnošću crpljenja topline iz zraka koje imaju relativno mali koeficijent djelotvornosti. No, faktor preobrazbe je konstantniji i bitno bolji kod primjena sa korištenjem toplinskog spremnika u zemlje (nekoliko metara ispod površine).

Glavni dijelovi toplinske crpke su:

Kompresor Tip i duţina cijevi kruga



45


Radni medij Isparivaĉ Kondenzator Termo ekspanzijski ventil

Horizontalni sustav s zatvorenim krugom

Ovaj se sustav primjenjuje kod objekta koji imaju potrebu za većom koliĉinom toplinske energije i na podruĉjima gdje zbog tipa tla nisu moguće postavljanje horizontalnog sustava. Za ovakav sustav potrebno je izbušiti jednu dublju bušotinu (100 m do 200 m) ili više manjih (20 m, 30 m, 50 m) koje se nakon postavljanja zaliju betonom. Poluetilenske cijevi su postavljene u obliku slova u s jakom spojnicom na dnu. Dubinska sonda je najsigurniji izvor konstantne temperature.

Slika 25. Horizontalni sustav sa zatvorenim krugom [24]

Ovaj sustav se koristi na mjestima gdje ima dovoljno prostora te je tlo pogodno za izvoĊenje graĊevinskih radova. Snop cijevi polaţe se paralelno u tlo na dubinu veću od dubine smrzavanja (oko 2 m). Nedostatak ovog sustava su velike temperaturne oscilacije tla na tako malim dubinama.

Vertikalni sustav sa zatvorenim krugom

Ovaj se sustav primjenjuje kod objekta s potrebama za velikim koliĉinama ogrjevne i rashladne energije, kad je tlo blizu površine stjenovito ili na površinski skuĉenim prostorima. Potrebno je izbušiti bušotine odreĊene dubine Svaka bušotina opremljena je jednim snopom polietilenskih cijevi spojenih na dnu „U“-spojnicom velike ĉvrstoće.



46


Slika 26. Vertikalni sustav sa zatvorenim krugom [24]

Vertikalni sustav s otvorenim krugom

Slika 27. Vertikalni sustav s otvorenim krugom [24]

Ovaj sustav je isplativ u sluĉaju izdašnih podzemnih voda. Podzemna voda se izravno crpi iz jedne bušotine te nakon što proĊe kroz sustav toplinske crpke vraĉa u drugu bušotinu koja je najmanje udaljena 15 m. Odvod se moţe provesti i u rijeku, jezero ili tlo. Prednosti ovoga sustava su niţe poĉetne investicije te dobre temperaturne osobine podzemnih voda.

5.4 Korištenje geotermalne energije za proizvodnju električne energije

Proizvodnja elektriĉne energije korištenjem geotermalnog izvora u principu je sliĉna klasiĉnoj konverziji unutrašnje kaloriĉke energije iz uobiĉajenih izvora toplinske energije (npr. ugljen). Sliĉnost prestaje kada je rijeĉ o ĉinjenici da treba otkriti dobro geotermalno nalazište i da je za to potrebno napraviti bušotinu (ili više njih) od nekoliko km. Dodatno, kod geotermalnih izvora vrlo su rijetki sa parametrima medija blizu parametara klasiĉne termoelektrane.



47


Razlikuju se ĉetiri vrste geotermalnih elektrana [31]:

Elektrane na suhu paru (rijetko)

“Flash steam”elektranesa separiranjem mokre pare(T>200oC)

Elektrane sa binarnim ciklusom (T<200oC) (u HR)

Elektrane sa separiranjem pare i binarnim ciklusom (veća uĉinkovitost)

Najkvalitetniji geotermalni izvori daju suhu paru visoke entalpije (temperature oko 240oC) na ulazu u postrojenje. Takva postrojenja se po svojoj izvedbi i snazi (reda 100 MW) ne razlikuju znaĉajno od klasiĉnih termoelektrana. Specifiĉnost su centrifugalni separator neĉistoća prije turbine i parni ejektor za uklanjanje nekondezibilnih plinova (do 10% mase; CO2, NH4 i H2S) iz kondenzatora. Za smanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je relativno visok (~135 kPa) i to, uz relativno male temperature, dodatno umanjuje termiĉki stupanj djelovanja prema klasiĉnim postrojenjima. Na svijetu ima malo primjera koji koriste izvore suhe pare (Lardarello u Italiji, Matsukawa u Japanu, Geysers u SAD i Kamojang na Javi). Cijena ovakvih postrojenja sa bušotinama dvostruko je iznad cijene konvencionalnih (oko 2000 €/kW).

Srednje dobri i najĉešće korišteni geotermalni izvori daju na izlazu mokru paru. Temperatura fluida je preko 2000C s velikim salinitetom (do 280e3 ppm). Separiranje pare se odvija u jednom, dva i rjeĊe tri stupnja. Broj stupnjeva se povećava za bolji ukupni stupanj djelovanja kod lošijih izvora. Kombinirani proces proizvoĊenje el. en. i topline se koristi umjesto trostruke separacije pare. Cijena ovakvih postrojenja otprilike je 30% veća od onih sa suhom parom. Elektrane sa mokrom parom su manjih snaga (10-50 MWe) i koriste se u SAD, Japanu, Novom Zelandu, Meksiku i na Islandu.

Slika 28. Shematski prikaz binarne geotermalne elektrane [31]

Org

ansk

i me

dij



48




49


6 ENERGIJA SUNCA

6.1 Potencijal Sunčeva zračenja

Energija Sunĉeva zraĉenja kontinuirano pristiţe na Zemlju koja se okreće oko svoje osi i oko Sunca. Posljediĉno imamo dnevne i sezonske mijene snage Sunĉeva zraĉenja koje stiţe do površine Zemlje. Snaga Sunĉeva zraĉenja na ulazu u Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 13701 W/m2. Do površine Zemlje stiţe otprilike pola. Ukupno Sunĉevo zraĉenje koje doĊe na Zemlju vrati se natrag u svemir2. Snaga koju stvarno na površini imamo znaĉajno ovisi o prilikama u atmosferi i o oblacima. Za grubu ocjenu prosjeĉne snage Sunĉeva zraĉenja na površini zemlje tijekom cijele godine se moţe uzeti vrijednost od skoro 200 W/m2 [19].

Jednostavni raĉun s površinom Zemlje okrenutom Suncu moţe ocijeniti godišnje dozraĉenu energiju. Slika sa strane usporeĊuje preko volumena kocke energiju Sunca dozraĉenu na Zemlju (1) s rezervama primarnih izvora energije i ukupnom svjetskom potrošnjom energije (7). Nedvojbeno je da se radi o enormnim koliĉinama energije mnogostruko većim od svih rezervi ugljena (4), prirodnog plina (3), nafte (5) i urana (6) zajedno. Iznos trenutno korištene Sunĉeve energije prikazuje najsitnija kocka broj 2 [34].

Za neku odreĊenu lokaciju potencijal Sunĉeva zraĉenja se odreĊuje mjerenjem i analitiĉki. Mjeriti se moţe lokalno ili satelitski. Analitiĉki pristup daje zadovoljavajuće rezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozraĉnosti (Kt– odreĊuje koliko zraĉenja doĊe do površine). Piranometrom (termiĉkim ili poluvodiĉkim) se mjeri globalna (ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozraĉenost na horizontalnu površinu (gustoća energije - H Wh/m2). Daljnja analitiĉka procjena je nuţna zbog toga što su rezultati mjerenja najĉešće dostupni samo za ukupnu ozraĉenost i jer se konverzija Sunĉeva zraĉenja odvija pod odreĊenim kutom (β) u odnosu na horizontalnu površinu, a difuzno i direktno zraĉenje takoĊer ovise o tom kutu i o indeksu prozraĉnosti. Dodatno treba voditi raĉuna i o reflektiranoj komponenti koja ovisi o direktnoj komponenti, kut β i specifiĉnoj konfiguraciji terena.

1 Uslijed blage ekscentriĉnosti putanje Zemlje oko Sunca i razliĉite udaljenosto tijekom godine vrijednost Solarne konstante varira ±3,5%. To se moţe zanemariti prema ostalim varijabilnim utjecajima.

2Na putu do površine Zemlje oko 30% direktno se odbija natrag u svemir (od atmosfere 6%, od oblaka

20% i od zemlje 4%), oko 19 % apsorbira se u atmosferi (oblaci 3%, atmosfera iznad 16%), a ostatak upije kopno i more. Iz zemlje i oceana sve se vraća natrag: zagrijavanjem zraka 7%, isparivanjem vode 23% i infracrvenim zraĉenjem 21%. Uz prethodne izmjene u oblacima i atmosferi Zemlju na kraju napušta infracrvenim zraĉenjem 70% Sunĉeve energije.



50


6.2 Toplinska primjena

Pod toplinskim korištenjem Sunĉeva zraĉenja podrazumijeva se direktna primjena za zagrijavanje objekata, grijanje vode ili u novije vrijeme korištenje u rashladnim ureĊajima. Toplinska primjena se dijeli još na pasivnu i aktivnu.

6.2.1 Pasivna arhitektura

Najstariji oblik korištenja energije Sunĉeva zraĉenja je u pasivnoj arhitekturi. Pasivna gradnja ponajprije znaĉi da se stambene cjeline i objekti grade tako da se ĉim više zagrijavaju kada je tijekom godine hladno i da se što manje zagrijavaju kada je toplije godišnje doba. Ovo je moguće postići zahvaljujući ĉinjenici da je kut (deklinacija) pod kojim se Sunce, u krajevima sjeverno od ekvatora, nalazi tijekom ljeta veći od onoga preko zime. Pasivno rješenje predstavlja nadstrešnica na juţnom dijelu nastambe. Ljudi ovo koriste već više od dva milenija. Pasivna gradnja dodatno moţe biti u dobroj izolaciji objekta; zidovima i podovima koji imaju dodatnu masu za akumuliranje topline (akumulacija preko dana za noćne potrebe); odgovarajućom izvedbom prozora; dodatnim izvorom svjetla iz posebnih kanala. Postoje i rješenja koja strogo gledano nisu pasivna gdje se moţe npr. pomicati pokrov ili dio fasade. Kontrolirana ventilacija takoĊer doprinosi uĉinkovitosti i komforu.

Pretpostavka pasivnoj gradnji je znaĉajna juţna površina i da nema zasjenjivanja okolnih objekata. Dodatno treba planirati ureĊenje oko objekta raslinjem za stvaranje sjene zelenilom preko ljeta i osiguravanjem zaklona od vjetra preko zime.

6.2.2 Toplinski kolektori

Korištenje energije Sunca preko toplinskih kolektora malo je sloţenije od pasivnih rješenja ali zato sigurno najisplativije. Rješenja mogu biti sa i bez aktivnih komponenti te mogu koristiti zrak ili vodu kao radni medij. Dalje se mogu razlikovati po temperaturi koju postiţe radni medij, tako imamo: nisko, srednje i visoko temperaturne primjene.

Najjednostavnija nisko temperaturna rješenja se koriste za grijanje bazena ili industrijskih objekata. Izvode se sa cijevima bez pokrova ili sa fasadama koje imaju zraĉne prolaze. Najbolji su za temperature do 10 oC iznad okolišne (slika 29).



51


www.re-solutions.org NREL

Slika 29. Nisko temperaturni kolektori za grijanje vode u bazenima i za grijanje prostora [25, 26]

Nešto sloţeniji srednje temperaturni kolektori imaju pokrov od stakla te posebne premaze koji pospješuju apsorpciju uz minimalnu emisiju. Koriste se za grijanje objekata i tople vode. Najbolji stupanj djelovanja imaju za temperature medija do 50 oC iznad okolišne.

Slika 30. Srednje temperaturni solarni kolektori

Visoko temperaturni kolektori su najsloţeniji jer zahtijevaju vakumirane staklene cijevi i dobru izolaciju. Prednost im je što omogućavaju postizanje temperatura iznad 50 oC, a u posebnim izvedbama i preko 100 oC. Slika 31 prikazuje presjek vakumirane cijevi visoko temperaturnog kolektora.

http://www.re-solutions.org/



52


Slika 31. Presjek evakuirane staklene cijevi visoko temperaturnog kolektora [27]

6.2.3 Hlađenje

Sve su brojniji projekti koji demonstriraju direktnu primjenu Solarne energije za hlaĊenje. Za kompletnu dostatnost se razmatraju kombinirana rješenja sa bojlerima na biomasu. Stanje razvoja je pred uvoĊenjem na trţište i znaĉajno smanjenje cijene se oĉekuje u idućim godinama. Vaţnost primjene Solarne energije za hlaĊenje je u sve većim potrebama za elektriĉnom energijom u ljetnim mjesecima i maksimalnom poklapanju sa njenom dostupnosti.

Solarno hlaĊenje radi tako da zamjenjuje kompresor, pogonjen el. en., procesom koji koristi medij za preuzimanje topline s vrlo niskom toĉkom kljuĉanja (ispod 0 oC). UreĊaj se sastoji od bojlera, kondenzatora, evaporatora i absorbera. Moţe se koristiti amonijak pod tlakom tako da je tekuć na sobnoj temperaturi, a potrebni su još vodik i voda. Razvijaju se i rješenja s litij bromidom i vodom.

HlaĊenje bez korištenja mehaniĉke energije poznato je još od poĉetka prošlog stoljeća kada je bilo popularno jer el. en. nije bila dovoljno dostupna za razliku od izvora ostatne topline. Ovakav naĉin rashlaĊivanja se izvodi na apsorpcijski i adsorpcijki naĉin.

6.3 Proizvodnje električne energije iz Sunčevog zračenja

6.3.1 Solarne termoelektrane

TE na Sunĉevu energiju se ne razlikuju u osnovi od ostalih TE u dijelu koji pretvara toplinsku energiju u elektriĉnu. Uvijek se primjenjuje toplinski kruţni proces koji preko turbine ili nekog drugog toplinskog stroja pretvara toplinsku energiju u mehaniĉku i elektriĉnu preko generatora. Tri su razliĉita rješenja Solarnih termoelektrana relevantna prema iskustvu i potencijalu za ekonomiĉnu primjenu:

Paraboliĉna protoĉna solarna TE

Solarni toranj

Paraboliĉni tanjur

Selektivni absorber

Staklena vakumirana cijev

kondezer, izmjenjivač topline

radni medij



53


Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu Sunĉevog zraĉenja i za dostatnu uĉinkovitost moraju pratiti kretanje Sunca. Pored navedenih rješenja zanimljivojespomenuti i tzv. Solarni dimnjak koji se bazirana solarnim kolektorima i zraĉnim turboagregatima (zasada manji potencijal).

Parabolična protočna solarna termoelektrana

Rješenje solarne termoelektrane (STE) s poljem cijevi u fokusu polja linearnih paraboliĉnih koncentratora ima najveći potencijal za posve komercijalno korištenje. Kumulativno iskustvo i ukupne probne instalacije daleko premašuju sva ostala rješenja solarnih TE. Veliko iskustvo sa ovim rješenjem dolazi od 354 MWe instalacija u Mojave pustinji u Kaliforniji još prije 20 godina ĉini paraboliĉne protoĉe STE najrazvijenijom tehnologijom. Relativni zastoj u aktivnostima se mijenja u zadnje vrijeme izgradnjom postrojenja u Španjolskoj, Izraelu i drugdje, ali uz zastoje i nejasnu kratkoroĉnu budućnost.

Koncentracijom Sunĉeva zraĉenja od 75x postiţu se temperature radnog medija i do 400 oC. Ukupna efikasnost ovisi o specifiĉnoj izvedbi, ali se kreće oko 12%.

Solarni koncentratori mogu pratiti Sunce samo u jednoj osi i to je obiĉno istok-zapad. Kao kruţni proces se uobiĉajeno koristi Rankineov direktni ili posredni. UsklaĊivanje dostupnosti energije Sunca i potrošnje se rješava toplinskim spremnicima velikog kapaciteta (otopljene soli). Optimalna snaga postrojenja se raĉuna na oko 200 MWe (najviše zbog površine) [30].

Slika 32 prikazuje ilustraciju sheme jednog rješenja cijele paraboliĉne protoĉne STE [27].

Slika 32. Shema primjera izvedbe parabolične protočne Solarne TE [27]

Solarna TE – izvedba s solarnim tornjem (središnjim prijemnikom)

polje solarnih kolektora

spremnici

hladni

topli

dogrijaĉ

pregrijaĉ

isparivaĉ

kondenzator

meĊupregrijaĉ

rashladni toranj

turbina generator

napojna crpka

crpka



54


Rješenje STE sa centralnim tornjem prema kome su usmjerena reflektirajuća zrcala vrlo je sliĉno rješeno u ostatku postrojenja paraboliĉnoj protoĉnoj izvedbi. Tehnologija sa centralnim tornjem je nešto slabije razvijena. Ovdje se postiţu koncentracije Sunĉevih zraka do 800x i temperature u tornju do 560oC (istopljena dušiĉna sol, organske kapljevine ili zrak). Optimalna snaga se procjenjuje u rasponu od 100 do 100 MWe. Potrebno je oko 20 m2 površine za 1 kWe [30].

Slika 33. ilustrira pilot postrojenja STE sa solarnim tornjem [32].

Slika 33. Solarni toranj 11 MWe (Španjolska, 600 ogledala) i Solar II 10 MWe California (2000 ogledala, 100 m toranj, 40 M$)

Solarna TE s paraboličnim tanjurom

Najmanje razvijena od tri opisane STE je izvedba sa paraboliĉnim tanjurima (slika 34). Ove STE najmanje izgledaju kao uobiĉajene termoelektrane jer jedna jedinica ima snagu od 10 do 25 kWe. Kompletan toplinski stroj i generator se nalaze smješteni u fokusu tanjura promjera oko 10 m. Uobiĉajena izvedba je sa Stirlingovim toplinskim strojem (postoje izvedbe sa mikroturbinama i Braytonovim kruţnim procesom). Stirlingov motor ima prednost zbog efikasnosti (i preko 40%), ali problem predstavlja pouzdanost. Ukupna efikasnost koja se postiţe iznosi 22% što je bolje od ostalih izvedbi STE Sunĉeva svjetlost se koncentrira više od 3000x što predstavlja izazov kod realizacije (skupo). STE sa paraboliĉnim tanjurom karakterizira velika gustoća snage (oko 55 kW/l). Medij u toplinskom stroju postiţe temperature od preko 750 oC [30].



55


Slika 34. Solarna TE s paraboličnim tanjurom [32]

6.3.2 Fotonaponske ćelije

Pojavu da svjetlost odreĊene valne duţine kada obasjava neki metal (npr. cink ili natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ove kvantnomehaniĉke pojave, kojom se moţe proizvoditi elektriĉnu energiju, dao je Einstein 1905. Prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava opisani efekt, ostvarena je 1954. u Bell Labs.

Prema podatcima za 2011. u svijetu ima 70GWe instalirane snage fotonaponskih ćelija (izvor: REN21 Renewable 2012 Global Status Report)

Fotonaponsko korištenje Sunĉeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom od 40% godišnje predstavlja trenutno najbrţe rastući novi izvor. Ovako veliki rast predstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr. silicija i indija).

Razvoj i pojavljivanje na trţištu 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.

Fotonaponska ćelija je poluvodiĉki element koji omogućuje izravnu pretvorbu

svjetlosti u elektriĉnu energiju na osnovi fotonaponskog efekta. Fotonaponske ćelije

se mogu prikazati pomoću ekvivalentnog sklopa koji je prikazan na slici 35.



56


Slika 35. Ekvivalentni sklop fotonaponske ćelije [8]

Struja takvog kruga, odnosno fotonaponske ćelije odreĊena je sljedećim izrazom:

(16)

Ukoliko se zanemari serijski i paralelni otpor tada vrijedi [8]:

(17)

Gdje je:

I – struja ekvivalentnog sklopa prema slici 35.

Ifs – fotostruja

Id – struja diode

Ip – struja kroz paralelni otpor,

U – napon

Rp – paralelni otpor FN ćelije

I0 – struja zasićenja

e – elementarni naboj, e=1,602176462∙10-19 As

Rs – serijski otpor FN ćelije

m – parametar FN ćelije, m=1

strujni izvor

diodaparalelni otpor RP

serijski otpor RS

otpor vanjskog kruga

(otpor trošila) R

Ifs Id

I

( )

0 1se U IR

mkTfs d p fs

p

UI I I I I I e

R

( )

0 1se U IR

mkTfsI I I e



57


k – Boltzmanova konstanta, k=1,3806∙10-23 J/K

T – apsolutna temperatura

Strujno naponske karakteristike fotonaponske ćelije su prikazane na slici 36.

Slika 36. Strujno – naponska karakteristika fotonaponske ćelije [8]

Fotonaponska ćelija se moţe opisati s ĉetiri bitna parametra:

Struja kratkog spoja IKS – struja pri kratko spojenim stezaljkama fotonaponske ćelije. Tada je napon U=0, a struja kratkog spojka je jednaka fotostruji, IKS= Ifs.

Napon praznog hoda UPH – Napon otvorenih stezaljki fotonaponske ćelije koji je jednak [8]:

(18)

Stupanj korisnog djelovanja fotonaponske ćelije ηFNC – omjer elektriĉne snage

koju moţe ostvariti FN ćelija i snage Sunĉevog zraĉenja na njezinu površinu i

jednak je [8]:

(19)

I [A]

U [V]

Toĉka maksimalne

snage (MPP)

IMPP

UMPP

PMPP=IMPP∙ UMPP

IKS

UPH

0

ln 1KSPH

k T IU

e I

100 100PH KSMPPFNC

FNC

U JPF

G A G



58


Gdje je:

G – snaga Sunĉevog zraĉenja [W/m2]

A – površina FN ćelije [m2]

JKS – gustoća struje kratkog spoja [A/m2]

Faktor punjenja F – omjer maksimalne snage FN ćelije i umnoška struje

kratkog spoja i napona praznog hoda i jednak je [8]:

(20)

Vrijednosti faktora punjenja F se kreću u rasponu od 0,7 do 0,9.

6.3.3 Fotonaponski modul i nizovi

Budući da jedna ćelija daje napon od samo oko 0,5 V, zbog toga je rijetka uporaba samo jedne ćelije. Zbog toga se kao osnovni blok kod fotonaponskih sustava koristi FN modul koji je se sastoji od više spojenih ćelija te postavljenih u kućište otporno na vremenske prilike. Tipiĉni FN modul sastoji se od 36 ćelija te ima izlazni napon od 12 V. Nadalje se više FN modula spaja u seriju ili paralelu da bi se dobio veći napon, odnosno veća struja te tada ĉine fotonaponski niz ili string.

Od ćelije do modula

Slika 37. FN ćelija, modul i niz [11]

Na slici 38 prikazan je I – U karakteristika tipiĉnog FN modula.

MPP MPP MPP

PH KS PH KS

P U IF

U I U I

Ćelija Modul Niz



59


Slika 38. I – U karakteristika tipičnog FN modula [8]

Na slici 39 prikazana je sloţena ekvivalentna shema fotonaponske ćelije ukljuĉujući paralelni i serijski otpor.

Slika 39. Složena ekvivalentna shema fotonaponske ćelije uključujući paralelni i serijski otpor [8]

Struja fotonaponske ćelije prema slici 10 opisana je izrazom (21) [8]:

(21)

IKS

Napon (V)

Str

uja

(A)

4 ćelije

Dodavanje ćelija u seriju

2 V

0.5 V za svaku ćeliju 18 V

36 ćeija X 0.5 V=18 V

36 ćelija

strujni izvor

diodaparalelni otpor RP

serijski otpor RS

IKSId

I

I

I

U +

-

U +

-

Ud

FN ćelija

( )

0 1se U IR

skTKS

p

U IRI I I e

R



60


Strujno naponska karakteristika fotonaponske ćelije prema slici 39 i izrazu (21) prikazana je na slici 40.

Slika 40. Strujno naponska karakteristika FN ćelije uključujući paralelni i serijski otpor [8]

Za temperaturu od 250C izraz (8) poprima sljedeći oblik [8]:

(22)

Ukoliko je:

(23)

tada se dobije sljedeći izraz (uz pretpostavku da je temperatura 250C):

(24)

Konaĉno se dobije da napon jedne ćelije prema izrazu (10) iznosi:

(25)

Napon modula je jednak:

(26)

Gdje je n broj ćelija spojenih u seriju.

Od modula do niza

Moduli se spajaju u seriju ukoliko se ţeli postići veća vrijednost izlaznog napona, a u paralelu ukoliko se ţeli postići veća vrijednost struje. Nizovi se uglavnom sastoje od kombinacije.

Napon (V)

0,3 0,6

Str

uja

(A)

2.0

4.0RP=∞; RS=0

ΔU=IRS

RS≠0

38,90

11sU IR

KS sp

I I I e U IRR

d sU U I R

38,90 1dU d

KSp

UI I I e

R

d sU U I R

mod d sU n U I R



61


Ukoliko se moduli spajaju u seriju, I – U karakteristike se jednostavno dodaju duţ naponske osi kako je to prikazano na slici 7.

Slika 41. I – U karakteristika serijski spojenih FN modula [8]

Ukupna I – U karakteristika jednostavno je jednaka zbroju pojedinaĉnih karakteristika.Ukoliko se moduli spajaju u paralelu, napon I – U karakteristike jednak je za sve module, dok se struje jednostavno zbrajaju kako je prikazano na slici 42.

Slika 42. I – U karakteristika paralelno spojenih FN modula [8]

I – U karakteristika kombinirano spojenih FN modula prikazan je slikom 43.

U1 +

Napon (V)

Str

uja

(A)

1 modul 2 modula 3 modula

- U2 +- U3 +-

U=U1 +U2+U3

+

-

I

U

Napon (V)

Str

uja

(A)

1 modul

2 modula

3 modulaI=I1 +I2+I3

I1 I2 I3

+

-



62


Slika 43. I – U karakteristika kombinirano spojenih FN modula [8]

6.3.4 Fotonaponski sustavi

Pod pojmom fotonaponski sustav podrazumijevaju se svi ureĊaji, oprema i jedinice koje ĉine FN instalaciju koja je potrebna za njegov ispravan rad [9]. U pogledu spoja na mreţu postoje dvije vrste FN sustava:

Umreţeni (sustavi spojeni na mreţu)

Autonomni (samostalni sustavi bez spoja na mreţu)

Fotonaponski sustav koji je spojen na mreţu prikazan je na slici 44.

U1 +

Napon (V)

Str

uja

(A)

- U2 +- U3 +-

U=U1 +U2+U3

U1 +- U2 +- U3 +-

I

+

U=U1 +U2+U3

U1

+-

U2

+

- U3

+

-



63


Slika 44. Fotonaponski sustav spojen na mrežu [8]

Na slici 45 prikazana je druga vrsta FN sustava, samostalni sustav. To je sustav u kojemu je FN sustav jedini izvor energije, odnosno nema spoja na mreţu.

Slika 45. Samostalni fotonaponski sustav (bez spoja na mrežu) [8]

Nositelji normizacije na podruĉju fotonaponskih sustava su IEC i IEEE-SA, a kljuĉne norme na podruĉju fotonaponskih sustava su [9]:

IEC 61730 (HRN EN 61 730: 2008) - Photovoltaic Module Safety – Sigurnosni zahtjevi za fotonaponske module

Generator(opcionalno)

AC potrošaĉi

FN niz (string)

Izmjenjivaĉ/punjaĉ

baterije

Regulator punjenja/kontrolna ploĉa

DC potrošaĉi



64


IEC 61215 (HRN EN 61 215: 2008) -Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules – Design qualification and type approval – FN moduli od kristalnog silicija za zemaljske primjene – Ocjenjivanje konstrukcije i potvrda tipa

IEC 61646 (HRN EN 61 646: 2008) - Thin-film terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval – tankoslojni FN moduli za zemaljske primjene - Ocjenjivanje konstrukcije i potvrda tipa

Norma HRN EN 61 730: 2008 opisuje temeljne konstrukcijske zahtjeve za fotonaponske module. Njihov cilj je osigurati siguran mehaniĉki i elektriĉni rad tijekom predviĊenog ţivotnog vijeka. Norma HRN EN 61 215: 2008i norma HRN EN 61 646: 2008 opisuje tip modula i zajedno sa normom HRN EN 61 730: 2008 definira temeljne zahtjeve na konstrukciju fotonaponskih modula.

IEEE SCC21 je razvio niz normi, smjernica i preporuka u svezi funkcionalnih i pogonskih zahtjeva za rad fotonaponskih sustava i opreme [9]:

IEEE 1262 Recommended Practice for Qualification of Photovoltaic (PV) Modules

IEEE 1374 Guide for Terrestrial Photovoltaic Power System Safety

IEEE 928 Recommended Criteria for Terrestrial Photovoltaic Power System.

Iz popisa normi za fotonaponske instalacije moţe se zakljuĉiti da se u njima pruţaju brojne informacije, upute i smjernice za pojedine dijelove ili daju primjeri primjene FN sustava. Ne postoji jedinstveni dokument kojim bi se obuhvatili razliĉiti zahtjevi za FN instalacije, sigurnosne upute, smjernice za odabir osnovnih dijelova itd. Većina meĊunarodnih normi na podruĉju fotonaponskih sustava su prihvaćene kao hrvatske norme, ali u izvorniku (na engleskom jeziku)[9].

I za zaštitu FN sustava od kratkog spoja se koriste osiguraĉi. Ipak, iskustvo je pokazalo da osiguraĉi koji su se do sada koristili sa svojim svojstvima ne mogu u cijelosti zadovoljiti zahtjeve za suvremenom zaštitom u takvim sustavima. U fotonaponskim instalacijama ne moţe doći do iznimno velikih struja kratkog spoja zbog ĉega se zahtijevaju, odnosno predviĊena su razna ispitivanja isklopne moći. U sluĉaju ispada nekog FN modula rastalni osiguraĉ ga mora isklopiti ĉime se onemogućava da se energija iz cijelog sustava raspodijeli po njemu. Zbog toga su za fotonaponske sustave potrebni osiguraĉi koji imaju razmjerno male radne struje te koji odgovaraju raznim drugim parametrima (IEC 60 269 - 2). Prema tome najvaţnije znaĉajke rastalnih osiguraĉa za FN sustave su: [9]

Nova oznaka vremenske karakteristike struje: gPV

Donja jakost struje (''non – fusing''): Inf=1,13∙In

Gornja jakost struje (''fusing''): If=1,45∙In

Rastalni ulošci s karakteristikom gPV moraju biti ispitani na tzv. temperaturnom ciklusu.



65


Rastalni ulošci s karakteristikom gPV moraju biti ispitani i na cikliĉkom strujnom opterećenju, pri ĉemu broj ciklusa ispitivanja iznosi 3000.

Pretpostavljajući Sunĉevo zraĉenje od 1200 W/m2 i temperaturu okoline od 450C prema IEC 60 269-6 za nazivnu struju osiguraĉa FN niza se moţe uzeti [10]:

(12)

1,4n KSI I



66


Literatura:

[1] Jenkins, N., Allan, R., Crossley, P., Kirschen, D., Strbac, G., "Embedded generation", The Institution of Electrical Engineers, London, 2000.

[2] Lajos Jozsa: Energetski procesi i elektrane, udţbenik ETF Osijek, 2006. godine

[3] Marijan Kalea: Nekonvencionalni izvori energije, predavanje, ETF Osijek, 2006. godine

[4] Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske,2008. (»Narodne novine«, br. 68/01., 177/04., 76/07. i 152/08.)

[5] V. Potoĉnik, Z. Komeriĉki, M. Magdić, Mali termoenergetski objekti, II savjetovanje hrvatskog komiteta CIGRE, Šibenik – Primošten, 1995.

[6] S. Kneţević, "Tehnologije vjetroelektrana trendovi u svijetu u primjena u Hrvatskoj", HEP - Obnovljivi izvori energije

[7] Dizdarević, N., Majstorović, M., Ţutobradić, S., "Pogon vjetroelektrana", HK CIGRE, Cavtat, 2003., C6-23

[8] ''Renewable and Efficient Electric Power Systems'' Gilbert M. Masters, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2004, USA.

[9] ''Osnove primjene fotonaponskih sustava'' Boris Labudović, Energetika

Marketing d.o.o., Grafika Hrašće, Zagreb 2011.

[10] Short circuit protection in PV systems: Requirements for photovoltaic fuses. http://www.siba-fuses.com (veljaĉa 2013.)

[11] Damir Šljivac, Zdenko Šimić: Obnovljivi izvori energije s osvrtom na

gospodarenje'' Hrvatska komora arhitekata i inţenjera u graditeljstvu, Osijek,

oţujak 2008.

[12] Igor Raguzin, Domagoj Validţić,Ivan Kezele: „Novi propisi za obnovljive

izvore energije“, ĉasopis EGE, 2/2007.

[13] Hrvatski opetaror trţišta energije – Obnovljivi izvori energije i kogeneracija, www.hrote.hr (veljaĉa 2013.)

[14] Biomasa kao obnovljivi izvor energije, Radna skupina za biomasu, Ministarstva poljoprivrede, šumarstva i vodnog gospodarstva teMinistarstva

gospodarstva, rada i poduzetništva, ISBN: 953-6474-49-2

[15] M., Kaltschmitt:„Evaluierung der Möglichkeit zur Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz“, Institut für Energetik und Umwelt, Projektnummer 323 20002, 2005.

[16] Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Köttner, Tobias Finsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen: “Bioplin priruĉnik“, Biogas for

Eastern Europe IEE projekt, 2008.

[17] IEA Energy Technology Essentials: Biomass for Power Generation and CHP, 2007. www.iea.org (veljaĉa 2013.)

http://www.siba-fuses.com/

http://www.hrote.hr/

http://www.iea.org/



67


[18] V. Potoĉnik, Z. Komeriĉki, M. Magdić: “Mali termoenergetski objekti“, II savjetovanje hrvatskog komiteta CIGRE, Šibenik – Primošten, 1995.

[19] Boţidar Udoviĉić: Energetika, Školska knjiga, Zagreb, 1993.

[20] Krivulja snage vjetroelektrane www.vestas.com (veljaĉa 2013.) [21] HEP Operator prijenosnog sustava: Dodatni tehniĉki uvjeti za prikljuĉak i

pogon vjetroelektrana na prijenosnoj mreţi http://www.hep.hr/ops/usluge/ sustav/uvjetiVE.pdf (veljaĉa 2013.)

[22] European Small Hydropower Association – ESHA, Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant, ESHA, 2004. (www.esha.be)

[23] Bobrowicz,Wladyslaw.“Small Hydro Power-Investor Guide“, Koncern

Energetyczny Koncern Energetyczny SA,2006.

[24] Perko, Jurica; Dugeĉ, Vjekoslav; Topić, Danijel; Šljivac, Damir; Kovaĉ, Zoran:

„Calculation and Design of the Heat Pumps“ // Proceedings of The 3rd

International Youth Conference on Energetics 2011 / Leiria, 2011.

[25] Nisko temperaturni kolektori: www.re-solutions.org (veljaĉa 2013)

[26] National Renewable Energy Laboratory www.nrel.gov (veljaĉa 2013.)

[27] Visoko temperaturni kolektori i paraboliĉne protoĉne solarne

termoelektrane:www.volker-quaschning.de/articles (veljaĉa 2013.)

[28] Energetski institut Hrvoje Poţar, http://www.eihp.hr, (svibanj 2012.)

[29] D. Kralik:“ Biomasa – energije iz poljoprivrede“, predavanja, Poljoprivredni

fakultet Osijek, http://www.pfos.hr/~dkralik/Predavanja_PDF/Biomasa.pdf, (svibanj 2012.)

[30] M. Kaltschmitt, W. Streicher, A.Wiese. „Renewable Energy“, Springer, Berlin,

2007.

[31] Geothermal Energy Association: http://geo-energy.org (veljaĉa 2013.)

[32] An Industry Report on Solar Thermal Energy: http://www.solar-thermal.com/ (veljaĉa 2013.)

[33] G. Pichler: Obnovljivi izvori energije www.greenenergy.hu/ime/publikacio/ phare/Pichler.htm (travanj 2006.)

[34] Solar Book, On-line Solar Study Reference, http://www.solarbook.ie/ (veljaĉa

2013.)

http://www.vestas.com/

http://www.hep.hr/ops/usluge/%20sustav/uvjetiVE.pdf



http://www.esha.be/

http://www.re-solutions.org/

http://www.volker-quaschning.de/articles

http://www.eihp.hr/

http://www.pfos.hr/~dkralik/Predavanja_PDF/Biomasa.pdf

http://www.solar-thermal.com/

http://www.greenenergy.hu/ime/publikacio/%20phare/Pichler.htm



http://www.solarbook.ie/

Documents

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE - · PDF fileOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE Priručnik izradili: prof.dr.sc.Damir Šljivac,dipl.ing. Danijel Topić,dipl.ing. Elektrotehnička i prometna škola