OBRATOVALNE KARAKTERISTIKE MODELA VETRNE TURBINE · približno 23 m/s. Na enofazni generator, na katerem je vetrnica smo priklapljali električne upore različnih vrednosti in s tem

OBRATOVALNE KARAKTERISTIKE MODELA VETRNE

TURBINE

Diplomsko delo

Študent: Kristjan HOSTNIK

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo

Mentor: Doc. dr. Ignacijo BILUŠ

Somentor: Asist. dr. Luka LEŠNIK

Maribor, september 2016

- II -

- III -

I Z J A V A

Podpisani Kristjan Hostnik, izjavljam, da:

je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

da je predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli

izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

da so rezultati korektno navedeni,

da nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

da soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor, 15.9.2016 Podpis: ________________________

- IV -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc dr. Ignaciju Bilušu in

somentorju dr. Luki Lešniku za pomoč in vodenje pri

opravljanju diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi g. Mariu Vetrihu za izdatno pomoč

pri opravljanju meritev.

Posebna zahvala velja tudi staršem, ki so mi študij

omogočili.

- V -

OBRATOVALNE KARAKTERISTIKE MODELA VETRNE TURBINE

Ključne besede: Obnovljivi viri energije, energija vetra, vetrna turbina, oblikovanje lopatice,

meritve, rezultati.

UDK: 621.548.4(043.2)

POVZETEK

Diplomsko delo zajema izdelavo 3D modela vetrne turbine, premera rotorja 260 milimetrov v

CAD programu, katerega smo izdelali s postopkom selektivnega laserskega sintranja. S fizičnim

modelom smo opravljali meritve na testni progi v Laboratoriju za turbinske stroje na Fakulteti

za strojništvo v Mariboru. Cilj diplome je bil prikaz obratovalnih karakteristik trikrake vetrne

turbine v primerjavi s trikrakim propelerjem. Najbolj nas je zanimala odvisnost med izkoristkom

rotorja in koeficientom moči. Primerjava rezultatov meritev kaže, da so obratovalne

karakteristike obeh rotorjev zelo podobne.

- VI -

OPERATING CHARACTERISTICS OF WIND TURBINE MODEL

Key words: Renewable energy, wind energy, wind turbine, blade design, measurements,

results .

UDK: 621.548.4(043.2)

ABSTRACT

The thesis includes production of 3D model of wind turbine rotor, with diameter of 260

millimeters in CAD software package, which was produced by selective laser sintering

process. The physical measurements were performed on the track at the Laboratory for

turbomachinery used at the Faculty of Mechanical Engineering in Maribor. The objective

degree was to obtain the operating characteristics of a three blade wind turbine in

comparison with three blade propeller of RC plane. Mostly we were interested in the

correlation between the efficiency of the rotor and power coefficient. The results of

comparison shows that both operating characteristics of the two rotors are very similar.

- VII -

KAZALO

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

2 ENERGETSKI VIRI ........................................................................................................ 2

2.1 Področja skupne porabe energije ..................................................................................... 2

2.2 Tradicionalni viri energije ............................................................................................... 5

2.3 Alternativni – obnovljivi viri energije ............................................................................. 6

3 VETRNA ENERGIJA ...................................................................................................... 8

3.1 Nastanek vetrov ............................................................................................................... 8

3.2 Izkoriščanje vetrne energije v Sloveniji ........................................................................ 10

3.3 Ekonomsko socialni vidiki v Sloveniji .......................................................................... 13

3.4 Okoljski vidiki za Slovenijo .......................................................................................... 14

3.5 Faktorji, ki vplivajo na hitrost zračnih mas ................................................................... 16

3.6 Pretvorba vetrne energije ............................................................................................... 19

3.7 Pretvorba električne energije ......................................................................................... 20

3.8 Dejanska moč vetrne turbine ......................................................................................... 22

3.9 Hitrostno število ............................................................................................................ 25

3.10 Obratovalne karakteristike vetrnih turbin .................................................................... 25

4 IZBIRA LOKACIJE ZA POSTAVITEV VETRNE TURBINE ................................ 27

4.1 Vetrne rože ..................................................................................................................... 27

5 VETRNE TURBINE ....................................................................................................... 29

5.1 Delitev vetrnih turbin .................................................................................................... 30

5.2 Posebni tipi rotorjev ...................................................................................................... 32

6 MODELIRANJE LOPATICE IN ROTORJA TURBINE .......................................... 34

6.1 Izračun Reynoldsovega števila in določitev profila lopatice .......................................... 35

6.2 Računanje obodne hitrosti od korena lopatice proti njenemu vrhu ................................ 36

6.3 Profili lopatice na različnih premerih ............................................................................. 38

7 MERITVE ........................................................................................................................ 40

7.1 Opis merilne proge ......................................................................................................... 40

- VIII -

7.2 Izsledki meritev .............................................................................................................. 41

7.3 Slučajni pogrešek ............................................................................................................ 57

8 SKLEP .............................................................................................................................. 60

9 ZAKLJUČEK .................................................................................................................. 61

10 VIRI .................................................................................................................................. 62

- IX -

KAZALO TABEL

Tabela 1: Tehnične specifikacije načrtovanih vetrnih turbin [7] .............................................. 11

Tabela 2: Vzroki za smrt ptic v ZDA [8].................................................................................. 16

Tabela 3: Hitrost vetra v testnem kanalu v odvisnosti od vrtljajev elektro motorja ................. 42

Tabela 4: Vhodni in izhodni podatki za meritev na trikraki vetrnici........................................ 47

Tabela 5: Ključni izračunani parametri za karakteristiko trikrake vetrnice ............................. 49

Tabela 6: Vhodni in izhodni podatki za meritev na trikrakem propelerju................................ 53

Tabela 7: Ključni izračunani parametri za karakteristiko trikrakega propelerja ...................... 55

Tabela 8: Parameter t Studentove porazdelitve [22] ................................................................ 58

- X -

UPORABLJENI SIMBOLI

𝑃𝑚𝑒ℎ mehanska moč

n število obratov

𝑀𝑚𝑒ℎ mehanski moment

𝑘𝑚 navorna konstanta

ø magnetni pretok

𝑘𝑢 električna konstanta

𝑘𝑚𝑜𝑡 konstanta elektromotorja

𝐶𝐿 koeficient aerodinamičnega vzgona

𝐶𝐷 koeficient aerodinamičnega upora

𝐹𝐿 sila aerodinamičnega vzgona

𝐹𝐷 sila aerodinamičnega upora

𝑐∞ hitrost natekanja zraka

c dolžina tetive lopatice

l dolžina krila, oziroma lopatice rotorja

𝛿 napadni kot

�⃑⃑⃑� vektor relativne hitrosti

�⃑⃑� vektor obodne hitrosti

λ izkoristek vetrne turbine

𝐶𝑝 koeficient moči

T moment, ki deluje na gred turbine

Re Reynoldsovo število

u obodna hitrost rotorja turbine

D premer rotorja turbine

𝑣0 hitrost vetra na neki višini

𝑣 hitrost vetra na višini h

H višina rotorja

∝ eksponent porazdelitve vetra

𝑝(𝑣) Rayleighova porazdelitev hitrosti vetra

�̅� dejanska povprečna hitrost, ki poganja vetrnico

- XI -

𝑃𝑛 nazivna moč vetrnice

𝐶𝐹 konstanta, ki je odvisna od izkoristka vetrnice

𝐼𝐶𝐶 cena ene vetrnice

𝑃𝑡𝑜𝑡 moč vetra

�̇� masni pretok

𝑣𝑖 hitrost vetra

𝜌 gostota zraka

𝜂𝑚𝑎𝑥 koeficient moči oz. Betzov količnik

𝑃𝑒𝑙 električna moč

𝑈𝑖 inducirana napetost na kotvah rotorja električnega generatorja

𝐼 električni tok

𝑈𝑖𝑧𝑚 izmenična napetost

𝑅𝐴 notranja električna upornost generatorja

- XII -

UPORABLJENE KRATICE

AOA Angle of Attack,

NACA National Advisory Committee for Aeronautics,

SLS Selektivno lasersko sintranje.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

Diplomska naloga obravnava vetrno energijo in pridobivanje električne energije s pomočjo

vetrnih elektrarn. Kot vemo, predstavlja iz leta v leto povečana poraba energije vedno večji

problem. Tudi zaloge fosilnih energentov so iz leta v leto manjše, napovedi pa niso nič kaj

svetle, saj nam jih bo po pričakovanjih strokovnjakov zmanjkalo v naslednjih nekaj desetletjih.

Potrebno je torej razmišljati v smeri obnovljivih virov energije in eden izmed teh, ki je po

prepričanju mnogih tudi najbolj okolju prijazen in ekonomsko sprejemljiv, je energija vetra. V

sklopu diplomske naloge smo se ukvarjali s pomanjšanim modelom vetrnice, ki je bil

zmodeliran s pomočjo računalniškega paketa SolidWorks in izdelan s postopkom selektivnega

laserskega sintranja. Na merilni progi (v zračnem kanalu) laboratorija za turbinske stroje,

Katedre za energetsko, procesno in okoljsko inženirstvo na Fakulteti za strojništvo v Mariboru

smo opravljali meritve.

Vetrnico premera 260 mm smo namestili na gred majhnega električnega enosmernega

elektromotorja, ki lahko deluje tudi kot generator. S standardnim trofaznim elektromotorjem na

koncu merilne proge, ki poganja ventilator, smo ustvarjali zračni tok, ter s tem vetrove do

približno 23 m/s. Na enofazni generator, na katerem je vetrnica smo priklapljali električne upore

različnih vrednosti in s tem spreminjali električno breme, ki je vetrnico zaviralo. Kot rezultat

smo želeli dobiti karakteristično krivuljo moči vetrnice v odvisnosti od vrtilne frekvence

rotorja. Krivulja koeficienta moči naj bi do neke vrednosti naraščala, potem pa pričela padati,

torej pričakovali smo prevoj. Največjo omejitev je predstavljalo območje vrtljajev trofaznega

elektromotorja, ki se lahko vrti do 2000 obratov na minuto, ter enofaznega elektromotorčka,

katerega območje sega do 1500 vrtljajev v minuti. Velik izziv je predstavljala tudi aerodinamika

rotorja, saj je ta bistveno manjših gabaritov kot realni rotorji. Posledica majhnih dimenzij je

tudi zelo nizko Reynoldsovo število, zato je bilo potrebno izbrati primeren profil rotorja in

njegov napadni kot. Na znanje je potrebno vzeti tudi vetrovne pogoje na testni progi, ki so

praktično stalni in jih s hitrostjo vrtenja ventilatorja lahko reguliramo, v naravi pa se ti

spreminjajo iz trenutka v trenutek.


- 2 -

2 ENERGETSKI VIRI

Živimo v času, kjer si življenja brez električne energije preprosto ne znamo več predstavljati,

virov iz katerih tovrstno energijo pridobivamo pa nam pričenja primanjkovati. Največji delež v

svetovni rabi energetskih virov še vedno zavzemajo fosilni energenti, katerih razpoložljivost ni

odvisna zgolj od njihove dostopnosti, temveč tudi od družbeno političnih razmer na območjih

njihovih nahajališč. Po mnogih znanstvenih raziskavah naj bi zaloge fosilnih goriv kot sta nafta,

in zemeljski plin zadostovale za največ še nekaj desetletij, zato je pomembno vztrajati z

obširnimi raziskavami na področju obnovljivih virov energije, ki ne zagotavljajo le

prijaznejšega odnosa do okolja, temveč tudi avtonomnost.

Glavni vir energije za današnjo družbo še zmeraj predstavlja nafta, ki se uporablja ne le

za pogonske agregate in ogrevanje, temveč tudi v vseh panogah industrije, kmetijstva in

pridelave hrane.

Združene države Amerike predstavljajo približno 5 % svetovne populacije, pa vendar je

znano, da za svojo industrijo in vsakdanje življenje porabijo kar četrtino svetovne proizvodnje

nafte in kar 40 % bencina. Zaradi iztrošenosti lastnih virov in rezerv, so ZDA prisiljene uvoziti

do dve tretjini nafte in bencina. Takšna odvisnost je razlog za občutljivost naftnega trga ZDA

na vsako motnjo v dobavi in dvig cen surove nafte [1].

2.1 Področja skupne porabe energije

Po svetu se energija porablja za:

promet – transport 29 %,

gospodinjstva 21 %,

trgovina 18 %,

industrija 32%.

Prvi dve področji potrošnje energije (transport in gospodinjstva), predstavljata energijo, ki jo

porabljajo posamezniki. Poraba industrijskega in trgovskega sektorja pa je v večji meri odvisna

od vladne politike in storitvenih dejavnosti [1].


- 3 -

Transportni sektor vključuje vsa vozila, ki se uporabljajo za individualno rabo ali za

transport tovora. Največ je osebnih transportnih vozil, ki jih poganja bencinsko gorivo in

predstavljajo kar 65 %. Ta transportna vozila so predvsem osebni avtomobili, ki so v večji meri

v zasebni lasti. Vozila, ki jih poganjajo dizelski agregati predstavljajo 20 % deleža porabe

energije v transportnem sektorju. Med vozila z dizelskim pogonom prištevamo težke

tovornjake, dizelske lokomotive, trgovske ladje, itd. Preostalih 15 % porabe energije pa

prištevamo letalskemu prometu [1].

Energija, ki jo porabljajo gospodinjstva se v polovični meri ali celo več namenja za

ogrevanje in ohlajanje najrazličnejših bivališč, privatnih stanovanj, vikendov in podobno (slika

2.1). Poraba energije močno zavisi tudi od klimatskih razmer okolja in krajevnih določil in

zakonov. Po energetski krizi v 70-ih letih prejšnjega stoletja, se zakonsko vzpodbuja izdelava

in uporaba grelnih in hladilnih teles s čim večjim izkoristkom. Življenjski slog današnje

zahodne družbe pa teži k vedno večjemu udobju, za ogrevanje in ohlajanje svojih bivališč smo

pripravljeni odšteti vedno več, bivalni prostori pa se tudi vedno večajo, zato ni presenetljivo,

da je potreba po energiji tudi znotraj gospodinjskega sektorja večja. Leta 1970 je povprečna

kvadratura hiše v razvitem svetu znašala 150 𝑚2, leta 2001 pa je številka narastla na 230 𝑚2.

Konec 80-ih let prejšnjega stoletja je 23 % gospodinjstev v razvitem svetu imelo centralno

klimatsko napravo, leta 2001 pa že kar 55 % [1].

Slika 2.1: poraba energije gospodinjstev v Sloveniji [2]


- 4 -

V trgovski sektor prištevamo veleblagovnice, trgovske centre, trgovine na drobno,

poslovne in vladne stavbe, šole, pošte, banke, restavracije in druga delovna mesta. Energija se

znotraj tega sektorja porablja za podobne namene kot v gospodinjstvih, le da se posamezni

deleži znatno razlikujejo. Največ energije se porablja za vzdrževanje primernih delovnih

pogojev, pod kar štejemo ogrevanje, hlajenje in prezračevanje, toda ta delež porabljene energije

je v primerjavi z gospodinjstvi bistveno manjši, okoli 30 %. Za razsvetljavo pa se porabi kar 25

% energije, kar kaže na to, da je potrebno veliko pozornosti nameniti varčnim svetilom [1].

Pod industrijski sektor štejemo proizvodne dejavnosti, katerih produkt so najrazličnejši

izdelki, ter tudi storitve. Sem prištevamo dejavnosti konstrukcijskih birojev, gospodarjenje z

vodami, rudarstvo, kmetovanje in ostalo. Zadnja tri desetletja je zaznamovalo dvigovanje

stroškov, kar je v vseh vejah industrije, ki so kot vemo veliki porabniki energije, imelo za

posledico tudi dvig učinkovitosti. Zanimivo je dejstvo, da je potreba po energiji v jeklarski in

papirni industriji padla za okoli 40 %, količina energije, ki jo porabijo naftne rafinerije,

proizvodnja aluminija in cementa, pa se je znižala za približno četrtino. Takšne padce v porabi

energije lahko v večji meri pripišemo racionalnejši rabi materialov in recikliranju odpadnih

količin. Velik vpliv na varčnejšo rabo energija pa imajo tudi regeneracijske ogrevalne opreme

[1].

Slika 2.2: Poraba energije za pridobivanje različnih materialov [3]

V industrijskem sektorju je v zadnjih letih poraba energije znatno upadla, v vseh drugih

sektorjih pa je opazen porast. Posledica tega je selitev dela za katerega so potrebne velike

količine energije v druge države sveta, predvsem v razvoju, kjer je delovna sila poceni. Po


- 5 -

navajanjih Svetovnega inštituta za naravne vire, fosilna goriva zadostujejo svetovnim potrebam

po energiji. Največji delež k svetovni oskrbi z energijo še vedno prispeva nafta s 37 %, sledi ji

premog s 25 %, ter zemeljski plin s 23 % [1].

2.2 Tradicionalni viri energije

Premoga je od vseh fosilnih goriv največ in ocenjujejo, da je njegovih zalog še za vsaj 1000

let. Skoraj 40 % vse proizvedene električne energije po svetu dajejo termoelektrarne, katerih

energent ja v večji meri ravno premog. Avstralija je največji svetovni izvoznik premoga, saj ga

nakopljejo približno tretjino. Zanimiva pa so dejstva, ki jih za javnost navaja inštitut

Worldwatch, da je premog fosilno gorivo z največjo vsebnostjo ogljika, ter da sprošča 29 %

več ogljika v atmosfero na enoto energije kot nafta in kar 80 % več kot zemeljski plin. Zaradi

uporabe premoga kot energenta se letno v atmosfero sprosti za 43 % vsega ogljika, kar znaša

približno 2,7 milijarde ton. Izpusti toplogrednih plinov in sajastih, ter prašnih delcev, ki so

posledica zgorevanja premoga in drugih fosilnih goriv, pa nimajo negativnih posledic zgolj na

naravo, temveč tudi na človekovo zdravje [1].

V naslednjih desetletjih naj bi po poročilu IEO2003 povpraševanje po zemeljskem plinu

kot osnovnem energentu naraščalo. Po nekaterih trditvah je zemeljski plin gorivo z najčistejšim

zgorevanjem, v zemljini skorji pa naj bi ga bilo ogromno. Glavna sestavina zemeljskega plina

je metan, ki je močan toplogredni plin, saj zadržuje toploto ozračju 21-krat učinkoviteje kot

ogljikov dioksid. Kljub vsemu pa nekateri znanstveniki trdijo, da bi zmanjšanje emisij

ogljikovega dioksida zaradi uporabe zemeljskega plina močno odtehtalo škodljive učinke

povečanih emisij metana [1].

Jedrska energija je ena izmed najčistejših in najvarnejših oblik energije, če se jo

proizvaja pod ustreznimi varnostnimi ukrepi. Po podatkih Australian Geographic okoli 430

jedrskih reaktorjev proizvede približno 16 % vse električne energije, k obstoječemu številu

reaktorjev pa se gradijo tudi novi, predvsem v azijskih državah. Znanstvena revija New Science

poroča, da so nekateri reaktorji v Ameriki varnostno neustrezni zaradi razpok in korozije.

Zaskrbljujoč je primer, ko se je leta 2002 reaktor v kraju Davis-Besse v Ohiu skoraj pričel taliti

zaradi korozije, kar bi lahko privedlo do katastrofe. Jedrska energija ima mnoge prednosti,

vendar je z njo potrebno ravnati skrajno previdno. Spomnimo se samo ukrajinske jedrske


- 6 -

katastrofe v Černobilu leta 1986 in leta 2011 v Fukušimi na Japonskem, katere posledice

Ukrajinsko in Japonsko prebivalstvo čuti še danes [1].

Nafte se po svetu porabi 75 milijonov sodčkov na dan (en sodček nafte predstavlja 159

litrov), vendar se ta podatek razlikuje od države do države, glede na njeno stopnjo razvitosti.

Če to številko preračunamo, dobimo podatek, da je povprečna poraba nafte za enega človeka 2

litra na dan. Zaskrbljujoče je dejstvo, da je od 2 bilijona sodčkov nafte, ki predstavljajo celotno

svetovno zalogo, bilo porabljenih že skoraj polovica. Glede na sedanjo stopnjo izkoriščanja, naj

bi zaloge nafte zadostovale le še za nekaj desetletij, največ pol stoletja. Nafta pa ni bistvena

zgolj za sodobno življenje, temveč je po izjavah Organizacije držav izvoznic nafte (OPEC) tudi

strateška pridobitev. Nafta v meddržavnih odnosih predstavlja politični nadzor, v smislu

embargov in sankcij. Samo spomnimo se poostrenih odnosov med Rusijo in Ukrajino pred

nekaj leti, ko je Rusija prekinila dobavo sicer zemeljskega plina v Zahodno Evropo [1].

2.3 Alternativni – obnovljivi viri energije

Tradicionalnih virov energije, ki so predvsem fosilnega izvora bo v relativno bližnji prihodnosti

z gotovostjo zmanjkalo, zato je nujno iskanje novih rešitev. Potrebno je najti vire, ki bodo

čistejši, varnejši, predvsem pa zanesljivejši in bodo nudili določeno stopnjo avtonomnosti. Tako

imenovanih alternativnih oziroma obnovljivih virov je precej, vendar bomo v nadaljevanju

izpostavili zgolj najpomembnejše.

Geotermična energija nekaterim državam predstavlja velik del vira energije. V 58

državah po svetu uporabljajo vročo vodo in paro, ki nastane v globinah zemljine skorje zaradi

neposredne bližine magme za ogrevanje ali proizvodnjo električne energije. Dober primer je

Islandija, ki skoraj polovico svojih potreb po energiji zadovolji z geotermično energijo. Ta

oblika energije je posledica višanja temperature v smeri proti jedru planeta, kjer ta znaša

približno 4000 ºC. Po vsakem izkopanem kilometru, se temperature dvigne za okoli 30 ºC. V

Avstraliji razmišljajo o zanimivi ideji, da bi v okolico vročih in suhih skal nekaj kilometrov pod

površjem črpali vodo, ta bi agregatno stanje spremenila v parno fazo, to pa bi vodili na parne

turbine, ki bi poganjale električne generatorje. Po mnenju strokovnjakov znanstvene revije

Australian Geographic, bi lahko več desetletij, morda celo stoletij na ta in podoben način

proizvajali energijo [1].


- 7 -

Za energijo vetra lahko skoraj z gotovostjo trdimo, da je okolju najbolj prijazna in

najmanj obremenilna oblika izkoriščanja energije. Človek že stoletja izkorišča moč vetrne

energije za pogon ladij, jadrnic, vrtenje mlinov in vodnih črpalk. Zanimanje za izkoriščanje

tovrstne energije se zavzemajo praktično vse države sveta, saj tehnično zelo dovršene vetrne

turbine ustvarjajo električno energijo, za ceno minimalnega ali praktično nobenega vpliva na

okolje. Danska je ena izmed evropskih držav, ki se močno zanaša na izkoriščanje moči vetra,

saj za to državo ta predstavlja kar 20 % proizvedene električne energije. Vetrnic niso postavili

zgolj na kopnem, temveč tudi velika vetrna polja na odprtem Severnem morju, ki to omogoča

zaradi svoje relativne plitvosti. V Evropi tem trendom sledita tudi Nemčija in Španija.

Ključnega pomena za postavitev vetrnice ali vetrnega polja, je lokacija, ki zagotavlja konstantne

zračne tokove. Tudi v Sloveniji imamo možnost koriščenja moči vetra, še posebej na vetrovnih

planotah Krasa, vendar je do tega koraka kljub že obstoječim načrtom še dolga pot, predvsem

zaradi birokracije, nasprotujejo pa tudi okoljevarstveniki iz bolj ali manj tehtnih razlogov, kot

je denimo nizkofrekvenčni hrup, svetlobna onesnaženost in ogrožanje redkih vrst ptic [1].

Z energijo vode, ki jo pridobivamo v hidroelektrarnah kjer potencialno energijo vode

pretvarjamo v kinetično, to pa na turbinah v mehansko delo, ki poganja električne generatorje,

zadovoljujemo že več kot 6 % svetovnih potreb po električni energiji. Tudi ta oblika obnovljive

energije, je okolju zelo prijazna, če odštejemo infrastrukturo, kjer imamo v mislih predvsem

mogočne jezove, za katerimi se ustvarjajo ogromna akumulacijska jezera, ki uničujejo

kmetijske površine, živalske habitate in ekosistem [1].

Sončna energija je tista, ki na našem planetu omogoča življenje in ima posreden vpliv

tudi na vse ostale naravne pojave. Smiselna je ideja, da bi to energijo pričeli koristiti za lajšanje

našega življenja, saj je na voljo velik del dneva, še posebej če je nebo jasno. V ta namen so bile

razvite fotovoltaične celice, ki pa imajo trenutno zelo slab izkoristek. Čeprav lahko rečemo, da

je energija Sonca povsem varna in zastonj, pa njena pretvorba ni tako nedolžna. Pri proizvodnji

sončnih celic se uporabljajo zelo strupene in rakotvorne snovi kot sta galijev arzenid in

kadmijev sulfid. V naravi razpadata več stoletij, zato je njuno skladiščenje in recikliranje zelo

problematično, okolju nevarno in nenazadnje tudi drago [1].


- 8 -

3 VETRNA ENERGIJA

Sonce je glavni vir energije za naš planet, zato je nič kaj presenetljivo, da sončna energija

botruje tudi nastanku vetrov. Sončno sevanje povzroča neenakomerno segrevanje Zemljinega

površja, kar ima za posledico gibanje zračnih mas [4].

3.1 Nastanek vetrov

Vetrove delimo na dve glavni skupini, lokalne in planetarne. Slednji so posledica

intenzivnejšega ogrevanja zemeljskega površja vzdolž ekvatorja napram legam v bližini

južnega in severnega pola. Ta neenakomerna porazdelitev toplote povzroča dviganje toplega in

vlažnega tropskega zraka na ekvatorju, ki se v višjih plasteh atmosfere giba proti poloma, med

tem pa se hladnejši zrak ob površju Zemlje giblje iz smeri obeh polov nazaj proti ekvatorju

(slika 3.1). Vlažen in topel tropski zrak se v višjih slojih atmosfere ohladi in se na 30º

zemljepisne širine (meja med zmernim in subtropskim pasom) prične spuščati na površino

Zemlje. Večji del se ga ob površju usmeri nazaj proti ekvatorju, manjši del pa nadaljuje pot

proti poloma in pri 60º zemljepisne širine trči ob hladne zračne mase, ki se spuščajo od obeh

polov. To ima za posledico ponoven dvig v višje sloje atmosfere, kjer se večji del teh zračnih

mas usmeri nazaj proti 30 º zemljepisne širine, del pa ga potuje naprej proti poloma, po poti se

ohlaja in se ponovno spušča proti površju. Od polov se ob površini Zemlje zračne mase ponovno

usmerijo proti ekvatorju, s čimer se cikel planetarnega kroženja zraka zaključi [4].

Na smer gibanja planetarnih vetrov ne vpliva zgolj neenakomerno segrevanje

zemeljskega površja, temveč tudi Coriolisov pospešek, ki je posledica vrtenja Zemlje. Toplejši

zrak, ki se v višjih slojih atmosfere premika proti poloma, se giba v smeri proti vzhodu (na

severni in južni polobli). V tem primeru govorimo o prevladujočem zahodniku. Hladnejši zrak,

ki se ob površju Zemlje odmika od polov proti ekvatorju, pa se zaradi Coriolisovega pospeška

usmeri proti zahodu in povzroči nastanek polarnega severovzhodnika in severovzhodnih

pasatnih vetrov v subtropskem pasu severne poloble (slika 3.1). Na južni polobli pa se razvijeta

polarni jugovzhodnik in jugovzhodni pasat [4].


- 9 -

Slika 3.1: Planetarno kroženje vetrov [5]

Gibanje zračnih mas in nastanek planetarni vetrov (zahodni vetrovi pri gibanju v smeri

proti poloma in vzhodnik pri gibanju od polov proti ekvatorju), ki so posledica rotacije Zemlje,

se odražajo pri nastanku vrtincev ob polnjenju področij nizkega tlaka. Na severni polobli imajo

ti vrtinci, tako imenovani cikloni protiurno smer vrtenja, na južni polobli pa se v vrtijo v smeri

urinega kazalca. Nagib Zemljine osi, ki znaša 23° 26’ 21,44” [6] ima vpliv na nastanek letnih

časov in s tem neenakomerno stopnjo ogrevanja površja v času enega leta, kar ima za posledico

večje ali manjše odmike od prej opisanih smeri gibanja zračnih mas [4].

Vzrok nastanka lokalnih vetrov je delovanje dveh mehanizmov. Prvi je posledica

razlike akumuliranja toplote kopenskih in vodnih površin. Na kopnem se sončno sevanje skoraj

v celoti pretvori v senzibilno toploto, zaradi tega se temperatura Zemljinega površja hitro

dvigne, v primeru vodnih površin, pa se del absorbirane toplote porablja za uparjanje vode, del

pa se je akumulira v globljih vodnih slojih. Temperatura kopenskih površin se zato povzpne

nad temperaturo vodnih površin, kar ima za posledico intenzivnejše segrevanje zraka nad

kopnim, ki se zaradi zmanjšane gostote dviga, nadomešča pa ga hladnejši zrak z morja. Tako

nastane t.i. zmorec, ki ga na Jadranu imenujejo maestral. Ponoči, pa se smer vetra obrne, saj v

primeru jasnega neba kopno oddaja toploto v vesolje v obliki sevanja. Velike vodne površine,

pa delujejo kot toplotni rezervoar zaradi lastnosti vode, ki je zaradi visoke specifične toplote v


- 10 -

primerjavi z zrakom zmožna akumulirati velike količine toplote (kar je glavni razlog, da je

obmorska klima pozimi milejša kot globje na celini). Zrak nad morjem je posledično ponoči

toplejši, zato se dviga, nadomešča pa ga hladnejši zrak s kopnega. Tako nastane veter kopnik,

ki ga imenujejo tudi burin [4].

Drugi mehanizem nastanka lokalnih vetrov je topografija oziroma razgibanost Zemljine

površine, kjer imamo v mislih predvsem gore, hribe in kotanje. Zrak nad pobočjem se čez dan

veliko intenzivneje segreje, ponoči pa ohladi v primerjavi z zrakom v dolinah, kar povzroči

gibanje toplega zraka čez dan po pobočju navzgor gornik, ter gibanje hladnejšega zraka ponoči

po pobočju navzdol dolnik [4].

Stroka ocenjuje, da se približno 2% vse sončne energije pretvori v kinetično v atmosferi,

od tega pa se je kar 30% pojavlja nižje od 1000 metrov nadmorske višine, kar je idealno za

izkoriščane tovrstne energije na vetrnih turbinah. Čeprav je posledica sončnega sevanja, ki je

ciklično, predvidljivo, v nekaterih delih sveta pa celo stalno, pa je vetrna oblika energije z

izjemo nekaterih redkih območij nestalna in slabše predvidljiva. Kljub vsemu, pa na območjih

z bolj ali manj stalnimi vetrovi predstavlja pomemben vir obnovljive energije [4].

3.2 Izkoriščanje vetrne energije v Sloveniji

V Sloveniji se na letni ravni pridela 13 TWh električne energije, od tega 20 % pripada republiki

Hrvaški, saj je njihove polovice električne energije pridelane v nuklearki Krško. Nekaj

električne energije tudi uvozimo, ta odvisnost pa narašča s stopnjo povečevanja porabe, zato v

Sloveniji nujno potrebujemo tudi druge vire energije [7].

V Elektro Primorska so se odločili, da bodo začeli izkoriščati električni potencial

primorskih pokrajin. Prioritetna je izraba vetrne energije, kasneje pa tudi sončne. Vrsto let so

opravljali meritve vetrnega potenciala na hribih in grebenih in dobili obetajoče podatke, ki so

skladni tudi s podatki meritev, ki jih je opravil Meteorološki zavod Slovenije. V načrtu je bilo

150 vetrnic na treh lokacijah: Volovje reber, Vremščica in Selivec. Več o tehničnih

specifikacijah vetrnic najdemo v spodnji tabeli (tabela 1) [7].


- 11 -

Tabela 1: Tehnične specifikacije načrtovanih vetrnih turbin [7]

VE Volovje

reber

VE Vremščica VE Selivec

Število vetrnih turbin 47 45 58

Model vetrne energije (kW) G52-850 GE 1,5s GE 1,5s

Proizvajalec Gamesa Eolica GE Wind Energy GE Wind Energy

Moč vetrne turbine (kW) 850 1500 1500

Moč vetrne elektrarne (MW) 40 67,5 87

Nazivna hitrost vetra (m/s) 14 12 12

Višina stolpa vetrne turbine (m) 55 80 80

Teža stolpa vetrne turbine (t) 57 110 110

Premerja rotorja vetrne turbine

(m) 52 70,5 70,5

Površina rotorja vetrne turbine

(𝑚2) 2124 3904 3904

Teža rotorja z elisami (t) 10 29,7 29,7

Teža generatorja z ohišjem (t) 23 49 49

Skupna višina vetrne turbine (m) 81 115 115

Dimenzije temelja vetrne turbine

(m) 12·12·1,2 13·13·1,5 13·13·1,5

Najprej se bomo osredotočili na Volovje reber, saj je po mnenju strokovnjakov energetike

to primerno področje za postavitev vetrnih elektrarn, po mnenju okoljevarstvenikov pa ravno

najbolj sporen. Na tem kraju je letna izmerjena hitrost vetra na višini 15 m enaka 7,39 m/s. Ker

bo višina rotorja vetrnice bistveno višje od 15 metrov, je smiselno sklepati, da se bo hitrost

vetra na tej višini zagotovo povečala. To poviševanje hitrosti vetra z višino nam podaja enačba

3.1, oziroma graf na sliki 3.2 [7].


- 12 -

(𝑣

𝑣0) = (

ℎ

10)𝛼

, (3.1)

𝑣0[𝑚/𝑠] - hitrost vetra na višini 15 metrov,

𝑣 [𝑚/𝑠] - hitrost vetra na višini ℎ,

ℎ [𝑚] - višina osi rotorja,

𝛼 [/] - eksponent porazdelitve, ki je odvisen od topografije pokrajine.

Slika 3.2: Spreminjanje hitrost vetra z višino [7]

Iz tabele 1 lahko razberemo, da višina na kateri bo os vetrnice načrtovane za Volovji

reber znaša 55m. Dejansko povprečno hitrost vetra, ki bo poganjala vetrnico tako izračunamo

z izrazom 3.2:

�̅� = (ℎ

10)𝛼

· 𝑣0, (3.2)

�̅� [𝑚/𝑠] - dejanska povprečna hitrost vetra, ki bo poganjala vetrnico,

pri tem zanemarimo, da se gostota zraka z višino zmanjšuje, saj je razlika v gostoti na 55 metrih

neznatna [7].

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12

Viš

ina

(m)

Hitrost vetra (m/s)


- 13 -

Po formuli 3.3 izračunamo Rayleighovo porazdelitev za hitrost vetra od 0 do 25 m/s (slika

3.3):

𝑝(𝑣) =𝜋∙𝑣

2∙𝑣2̅̅̅̅∙ 𝑒−

𝜋

4∙(

𝑣

�̅�)2

. (3.3)

Dobljen rezultat množimo s številom ur v letu in dobimo koliko ur v letu bo pihal veter z

določeno hitrostjo [7].

Slika 3.3: Graf karakteristike vetrnice, ki je načrtovana za Volovje reber [7]

Nato glede na karakteristiko vetrne turbine izračunamo še električno energijo, ki jo daje pri

danih hitrostnih pogojih vetra. Ko te energije seštejemo, dobimo koliko MWh električne

energije letno, bi dala ena vetrnica predvidena za Volovje reber, slika 3.3.

3.3 Ekonomsko socialni vidiki v Sloveniji

Težko je oceniti ali se postavitev vetrne elektrarne splača ali ne. Cena električne energije

pridobljene z vetrno elektrarno je preračunana in že dalj časa znana, ter znaša 0,06 EUR/kWh.

Ocenjena proizvodna vrednost električne energije iz vetrne elektrarne pa je 0,045 EUR/kWh,

torej bi investitor Elektro Primorska iz vsake prodane kilovatne ure električne energije zaslužil

0,015 EUR. Na letni ravni bi to pomenilo dobra dva milijona evrov čistega dobička samo iz

elektrarne Volovje reber. Veliko je bilo govora o tem ali se to izplača, saj je tovrstna električna

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25 30Mo

č ve

tra

v o

dvi

sno

sti o

d h

itro

sti

vetr

a(k

W)

Hitrost vetra (m/s)


- 14 -

energija skoraj trikrat dražja v primerjavi s tisto, ki jo pridobivamo v termoelektrarnah in

hidroelektrarnah. V primerjavi z drugimi evropskimi državami je cena električne energije

pridobljene v naših vetrnih elektrarnah dokaj sprejemljiva, saj je z 0,06 EUR/kWh najnižja. Na

primer Francija ima ceno 0,07 EUR/kWh, Nemčija 0,09 EUR/kWh , Italija pa celo 0,12

EUR/kWh. Vetrne elektrarne so iz ekonomskega vidika naložba namenjena dobičku, še posebej

če vemo v kolikšnem času se bo investitorjem naložba povrnila. To izračunamo po spodnji

enačbi 3.4:

Za 𝐶𝐹 = 0,3 ,

𝐶𝐶 =𝐼𝐶𝐶

𝑃𝑛∙𝐶𝐹∙8766 ℎ∙0,06 𝐸𝑈𝑅/𝑘𝑊ℎ=

1001502,253 𝐸𝑈𝑅

850 𝑘𝑊∙0,3∙8766 ℎ∙0,06 𝐸𝑈𝑅/𝑘𝑊ℎ= 7,46 𝑙𝑒𝑡𝑎 , (3.4)

in za 𝐶𝐹 = 0,5 ,

𝐶𝐶 =1001502,253 𝐸𝑈𝑅

850 𝑘𝑊∙0,5∙8766 ℎ∙0,06 𝐸𝑈𝑅/𝑘𝑊ℎ= 4,48 leta , (3.5)

𝐼𝐶𝐶 [𝐸𝑈𝑅] - cena ene vetrnice,

𝐶𝐶 [𝑙𝑒𝑡𝑎] - čas povrnitve naložbe,

𝑃𝑛 [𝑘𝑊] - nazivna moč vetrnice,

𝐶𝐹 [/] - konstanta, ki je odvisna od izkoristka vetrnice.

Oba rezultata sta izračunana za najbolj pesimistično in najbolj optimistično napoved hitrostnih

karakteristik vetra. V obeh primerih pa se bo naložba povrnila relativno hitro [7].

3.4 Okoljski vidiki za Slovenijo

Večina naravovarstvenikov se strinja, da je pridobivanje električne energije s pomočjo vetrnih

elektrarn okolju še najbolj prijazno. Ko so postavljene, delujejo brez vpliva na okolico, ne

proizvajajo smeti ali izpuščajo strupenih plinov, nizkofrekvenčni hrup pa je že tudi skoraj

popolnoma odpravljen. Jabolko spora tega smelega projekta je ravno umestitev tovrstnih

tehnoloških naprav v prostor, saj so najboljše lokacije s stališča ugodnih vetrovnih razmer tudi

biološko najbolj bogate in raznolike, zato prihaja do nesporazumov med investitorji in

naravovarstveniki [7].


- 15 -

Tipičen primer je Volovje reber, slika 3.4, greben golega Krasa, s svojo značilno floro in

favno. Problem, ki ga je izpostavil dr. Trontelj pa je nevarnost, ki jo tovrstne naprave

predstavljajo za tam živeče ptice, kot sta orel kačar in beloglavi jastreb, ki sta že tako ogrožena

vrsta pri nas. Po njegovem mnenju je velika možnost trkov ptic z lopaticami vetrnice, na račun

postavitve vetrnic pa bi naj bil zmanjšan tudi življenjski prostor ptic. Seveda se poraja vprašanje

kje potemtakem je primeren kraj za postavitev vetrnih elektrarn, da bi obe strani sklenili

kompromis. Naravovarstveniki se sicer strinjajo z gradnjo vetrnih polj Vremščica in Selivec,

veliko drugih lokacij pa investitorjem praktično več ne preostane, saj je 35,5 % Slovenije

zaščiten krajinski park Natura 2000 (od tega je kar 65 % Primorske, ki pa je kot vemo vetrovno

najbolj idealna za tovrsten projekt) [7].

Slika 3.4: Zračni posnetek Volovje reber za katerega je načrtovano vetrno polje [7]

Zanimiva je raziskava, ki so jo naredili v ZDA in Kanadi. Ta nam daje konkretne številke,

koliko ptic pogine zaradi trkov z vetrnimi turbinami, v primerjavi z drugimi vzroki za njihovo

smrt. Letno bi naj zaradi vetrnih elektrarn poginilo med 214 000 in 368 000 ptic, kar je

zanemarljivo v primerjavi s 6,8 milijoni, ki so posledica trkov z radijskimi stolpi in 1,4 do 3,7

milijarde, ki jih pobijejo domače ali divje mačke. Namen vetrnih elektrarn je zmanjšanje

uporabe fosilnih goriv in posledic, ki jih povzroča njihovo zgorevanje. Podnebne spremembe

ne vplivajo samo na okolje, temveč tudi na vsa v njem živeča živa bitja, tudi ptice. Zaradi

tovrstnih vplivov so v ZDA resno ogrožene nekatere vrste ptic, med katerimi je tudi zaščiten

gologlavi orel [8]. V tabeli 2 lahko vidimo tudi ostale vzroke za smrt ptic v ZDA, v primerjavi

z vetrnimi elektrarnami.


- 16 -

Tabela 2: Vzroki za smrt ptic v ZDA [8]

VZROKI OCENJENO ŠTEVILO LETNO

UBITIH PTIC V ZDA

Divje in domače mačke Med 1400 in 3700 milijonov

Okna 599 milijonov

Avtomobili 200 milijonov

Visokonapetostni električni vodi 25 milijonov

Komunikacijski in radijski stolpi 6,6 milijonov

Pesticidi 2,7 milijonov

Vetrne elektrarne 0,2 do 0,4 milijona

3.5 Faktorji, ki vplivajo na hitrost zračnih mas

Pred postavitvijo vetrnice ali polja več le-teh, je najbolj pomembno proučiti lastnosti terena, za

katerega je gradnja planirana. Topografske konfiguracije pokrajine močno vplivajo na možnost

izkoriščanja vetrnega potenciala in jih je pogosto možno s pridom izkoristit.

Efekt lijaka je pojav zožitve pretočnega prereza in deluje na principu Venturijevega

efekta, slika 3.5. Ko zračne mase trčijo v svoji smeri na vzporedne ovire (gore, hribi, griči) in

nadaljujejo svojo pot med temi ovirami, se pretočni prerez v smeri vetra zmanjša, njegova

hitrost pa bistveno naraste (lahko tudi za 50%). Takšne lokacije je smiselno izkoristiti za

postavitev vetrnih turbin. Podobne efekte lahko opazimo na morju v kanalih ob hribovitih ali

goratih otokih. Pojav je tem ugodnejši, čim bolj gladke so stene lijaka. Neravnine in poraščenost

z gozdnimi površinami povzroča turbulence, kar izniči ugodne učinke. Dodatna slabost je

frekventno spreminjajoča se smer vetra [4].


- 17 -

Slika 3.5: Efekt lijaka [4]

Efekt hriba je izkoriščanje lokalnega povečanja tlaka na privetrni strani in lokalno

znižanje tlaka na zavetrni strani hriba, slika 3.6. Tlačno razliko med privetrno in zavetrno

stranjo lahko vetrnica s pridom izkoristi. To je glaven razlog zakaj je postavitev vetrnih turbin

na gorskih grebenih zelo pogosta. Ponovno pa ima pomemben vpliv oblika terena. Prestrma

pobočja povzročajo močne turbulence, kar ima za posledico izničenje ugodnega učinka [4].

Slika 3.6: Efekt hriba [4]

Efekt brazde je slabost gradnje večje skupine vetrnic na eni lokaciji, ki jo imenujemo

tudi vetrno polje. Takšen način postavitve vetrnic zmanjša stroške gradnje in potrebne

infrastrukture, ter poveča izkoristek prostora. Slaba stran tega, pa je nastanek brazde v zračnem


- 18 -

toku za turbino, kar neugodno vpliva na delovanje turbin, ki v smeri vetra sledijo. Primer brazde

vidimo na sliki 3.7, kjer vidimo, da turbino zapušča močno turbulenten tok, katerega kinetična

energija je manjša, saj se je del na rotorju vetrnice pretvoril v mehansko. Zmanjšana hitrost

vetra in turbulenca, pa imata močan vpliv na znižanje izkoristka in moči vetrnic, ki sledijo. Iz

tega razloga, so turbine na vetrnem polju med seboj razmaknjene za vsaj tri premere rotorja, v

prevladujoči smeri vetra pa še bolj [4].

Slika 3.7: Efekt brazde [4]

Iz energetskega vidika bi bilo najbolj ugodno, če bi vetrnice v prevladujoči smeri vetra postavili

čimbolj narazen. Ker to iz stališča izkoristka prostora in možnosti priključitve vetrnic na

električno omrežje ne bi bilo sprejemljivo, se v praksi sprejme kompromis. Vetrna polja se tako

gradijo z razmikom, ki znaša 5 do 9 premerov rotorja v prevladujoči smeri vetra in 3 do 5

premerov rotorja v smeri pravokotno na smer vetra. Takšno razporeditev vetrnic prikazuje slika

3.8. Turbine so v prevladujoči smeri vetra med seboj oddaljene za 7-kratno razdaljo premera

rotorja, pravokotno na smer vetra pa razdalja znaša 4 premere rotorja. Pri takšni postavitvi so

izgube zaradi medsebojnega vpliva vetrnic približno 5 % [4].


- 19 -

Slika 3.8: Konfiguracija polja vetrnic [4]

3.6 Pretvorba vetrne energije

Moč toka zračne mase zapišemo kot produkt masnega pretoka in specifične kinetične energije,

kot je zapisano v enačbi 3.6:

𝑃𝑡𝑜𝑡 = �̇� ∙𝑣𝑖

2

2 , (3.6)

𝑃𝑡𝑜𝑡 [𝑊] - moč vetra,

𝑚 ̇ [𝑘𝑔 𝑠⁄ ] - masni pretok,

𝑣𝑖[𝑚 𝑠⁄ ] - hitrost vetra.

Masni pretok skozi opazovan prerez A je podan z enačbo:

�̇� = 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣𝑖 , (3.7)

𝜌 [𝑘𝑔 𝑚3⁄ ] - gostota zraka (približno 1,2 [𝑘𝑔 𝑚3⁄ ]),

𝐴 [𝑚2] - površina, ki jo oriše vrh lopatice rotorja oz. površina opazovanega prereza.

Tako lahko moč zračnega toka, ki vstopa v opazovan prerez s hitrostjo 𝑣𝑖 zapišemo kot:

𝑷𝒕𝒐𝒕 =𝟏

𝟐∙ 𝝆 ∙ 𝑨 ∙ 𝒗𝒊

𝟑 . (3.8)

Iz enačbe 3.8 opazimo, da moč toka zračne mase narašča s tretjo potenco hitrosti in da je

sorazmerna gostoti zraka ter površini opazovanega prerez. Odvisnost prikazuje slika 3.9 [4].


- 20 -

Slika 3.9: Moč vetra v odvisnosti od hitrosti vetra in površine opazovanega prereza pri tlaku

1013 mbar in temperaturi 15ºC [4]

3.7 Pretvorba električne energije

Električno moč 𝑃𝑒𝑙 izračunamo z izrazom 3.9 [9]:

𝑃𝑒𝑙 = 𝑈𝑖 ∙ 𝐼 , (3.9)

𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - električna moč,

𝑈𝑖 [𝑉] - inducirana napetost na kotvah rotorja generatorja,

𝐼 [𝐴] - električni tok.

Inducirana napetost 𝑈𝑖 je nekoliko večja od izmerjene, ker pride do majhnega padca

zaradi upornosti generatorja in priključnih kablov (𝑅𝐴).

Slika 3.10: Električna upornost generatorja/elektromotorja [9]


- 21 -

Inducirano napetost 𝑈𝑖 izračunamo kot [9]:

𝑈𝑖 = 𝑈𝑖𝑧𝑚 + 𝐼𝐴 ∙ 𝑅𝐴 , (3.10)

𝑈𝑖𝑧𝑚 [𝑉] - izmerjena napetost,

𝐼𝐴 [𝐴] - izmerjen električni tok iz generatorja,

𝑅𝐴 [Ω] - notranja električna upornost generatorja (elektromotorja) in priključnih kablov.

Mehansko moč 𝑃𝑚𝑒ℎ izračunamo z izrazom 3.11 [9]:

𝑃𝑚𝑒ℎ = 𝜔 ∙ 𝑀𝑚𝑒ℎ , (3.11)

𝑃𝑚𝑒ℎ = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛 ∙ 𝑀𝑚𝑒ℎ , (3.12)

𝑀𝑚𝑒ℎ = 𝑘𝑚 ∙ ∅ ∙ 𝐼𝐴 , (3.13)

𝑃𝑚𝑒ℎ [𝑊] - mehanska moč,

𝑛 [𝑚𝑖𝑛1] - število vrtljajev rotorja generatorja,

𝑀𝑚𝑒ℎ [𝑁𝑚] - mehanski moment,

𝑘𝑚 [𝑁𝑚 𝐴⁄ ] - navorna konstanta,

∅ [𝑉𝑠 𝑜𝑧. 𝑊𝑏 − 𝑊𝑒𝑏𝑒𝑟] - magnetni pretok.

Električni moment 𝑀𝑒𝑙 zapišemo kot:

𝑀𝑒𝑙 = 𝑘𝑢 ∙ ∅ ∙ 𝐼𝐴 , (3.14)

𝑀𝑒𝑙 = 𝑘𝑚𝑜𝑡 ∙ 𝐼𝐴 , (3.15)

𝑀𝑒𝑙 [𝑁𝑚] - električni moment,

𝑘𝑢 [𝑉 ∙ 𝑠 𝑟𝑎𝑑⁄ ] - električna konstanta,

𝑘𝑚𝑜𝑡 [𝑉 ∙ 𝑠] - konstanta elektro motorja.

Izraz 𝑘𝑚𝑜𝑡 = 𝑘𝑢 ∙ ∅ dobimo tako, da generator (kot motor) poganjamo v prostem teku (brez

obremenitve) z znano napetostjo in izmerimo število vrtljajev [9].


- 22 -

3.8 Dejanska moč vetrne turbine

Način pretvorbe kinetične energije zračnih mas v mehansko delo na rotorju vetrne turbine je

najenostavneje pojasniti s teorijo obtekanja osamljenega profila lopatice. Sprememba gibalne

količine je vzrok za nastanek tlačne razlike in nastanek sile vzgona. Kot posledica trenja in

razlike tlakov pa je nastanek sile upora. Sili navadno predstavimo s koeficientoma vzgona 𝐶𝐿

in upora 𝐶𝐷:

𝐶𝐿 =𝐹𝐿

1

2∙𝑐∞

2 ∙𝜌∙𝑐∙𝑙 , (3.16)

in

𝐶𝐷 =𝐹𝐷

1

2∙𝑐∞

2 ∙𝜌∙𝑐∙𝑙 , (3.17)

𝐹𝐿 [𝑁] - sila aerodinamičnega vzgona,

𝐹𝐷[𝑁] - sila aerodinamičnega upora,

𝑐∞2 [𝑚 𝑠⁄ ] - hitrost natekanja,

𝑐 [𝑚] - dolžina tetive profila,

𝑙 [𝑚] - dolžina krila, oziroma lopatice rotorja.

Oba koeficienta sta močno odvisna od pogojev obtekanja profila, ki jih v prvi vrsti določa

napadni kot 𝛿. Ta odvisnost je prikazana na sliki 3.11 [4].

Slika 3.11: Obtekanje osamljenega profila [4]


- 23 -

Razmere obtekanja profila lopatice so odvisne od hitrosti vetra in obodne hitrosti lopatice

na mestu opazovanja. Tako je hitrost natekanja 𝑐∞ enaka relativni hitrosti 𝑤, ki je enaka razliki

vektorjev hitrosti vetra in obodne hitrosti 𝑢:

�⃑⃑⃑� = 𝒗𝒂⃑⃑ ⃑⃑ − �⃑⃑� , (3.18)

�⃑⃑⃑� [𝑚 𝑠⁄ ] - vektor relativne hitrosti,

𝒗𝒂⃑⃑ ⃑⃑ [𝑚 𝑠⁄ ] -hitrost vetra,

�⃑⃑� [𝑚 𝒔⁄ ] - vektor obodne hitrosti.

Hitrost vetra tik pred lopatico vetrnice je, kot smo že povedali manjša od dejanske hitrosti vetra

in je enaka 𝑣𝑎 ≈ 𝑣𝑡. Kot med relativno in obodno hitrostjo (slika 3.13) imenujemo relativni kot,

ter ga označimo z 𝛽. V tem primeru je napadni kot 𝛿 med tetivo profila in relativno hitrostjo.

Razliko med kotoma 𝛽 in 𝛿, ki meri kot med tetivo profila in obodno smerjo, pa imenujemo

nastavni kot. Označujemo ga z 𝜀. Določajo ga geometrijske razmere [4].

Slika 3.12: Koeficient vzgona in upora v odvisnosti od nastavnega kota [4]

Komponenta rezultante sile 𝐹𝑟𝑒𝑧 je sila, ki poganja rotor v obodni smeri. Izračunamo jo

kot razliko obodnih komponent sile vzgona in upora:

𝐹𝑟𝑒𝑧 = 𝐹𝐿 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛽 − 𝐹𝐷 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛽 . (3.19)

Produkt obodne sile in ročice (razdalja od osi rotorja do prijemališča obodne sile), pa je enak

navoru oz. momentu, ki deluje na os vetrnice [4].


- 24 -

Slika 3.13: Obtekanje profila lopatice vetrne turbine s pripadajočimi vektorji hitrosti in sil, ki

delujejo nanjo [4]

Pogoji natekanja profila lopatice, pa niso enaki po celotni dolžini lopatice. Obodna hitrost

rotorja 𝑢 se namreč povečuje z večanjem razdalje od osi vrtenja, zato se logično spreminja tudi

relativna hitrost obtekanja profila 𝑤, prilagajati pa se ji mora tudi naklon profila oz. nastavni

kot 𝜀, z namenom, da ostaja napadni kot 𝛿 optimalen. S tem razlogom so lopatice po dolžini

uvite, slika 3.14. Največji možni teoretični izkoristek tako velja le ob idealnih pogojih obtekanja

lopatice, ki pa v realnosti niso nikoli izpolnjeni [4].

Slika 3.14: Shematičen prikaz spremembe razmer natekanja vzdolž lopatice vetrne turbine [4]


- 25 -

3.9 Hitrostno število

Hitrostno število nam podaja razmerje obodne hitrosti vrha lopatice in hitrosti vetra. Zapišemo

ga z izrazom 3.20:

𝜆 =𝑢

𝑣𝑡=

2∙𝜋∙𝑛∙𝑅

𝑣𝑡, (3.20)

𝜆 [/] - izkoristek vetrne turbine,

𝑛 [𝑠−1] - število vrtljajev rotorja vetrnice,

𝑅 [𝑚] - polmer rotorja vetrnice.

𝐶𝑝 =𝑃𝑒𝑙

𝑃𝑡𝑜𝑡 , (3.21)

𝐶𝑝 [/] - koeficient moči,

𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - izhodna moč električnega generatorja,

𝑃𝑡𝑜𝑡 [𝑊] - moč vetra.

Pri obravnavi idealne propelerske turbine lahko opazimo močno odvisnost izkoristka

(koeficienta moči) od hitrostnega števila. Najvišji izkoristki so pri vrednostih nad 5, medtem

ko v primeru hitrostnega števila nižjega od 2, izkoristek tudi v primeru idealne izvedbe

drastično pade. V primeru realnih vetrnih turbin je odvisnost izkoristka od hitrostnega števila

še očitnejša. Opazimo lahko, da se največji izkoristek navadno pojavlja le znotraj ozkega

okvirja optimalnega razmerja med obodno hitrostjo vrha lopatice in hitrostjo vetra. Izkoristki

dejanskih vetrnic tako ne presegajo 50 % in se navadno gibljejo med 30-40 %. Moč vetrne

turbine lahko tako zapišemo kot [4]:

𝑃 = 𝜂 ∙ 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝜂 ∙1

2∙ 𝐴 ∙ 𝑣𝑖

3 . (3.22)

3.10 Obratovalne karakteristike vetrnih turbin

Pogoste spremembe moči vetrne turbine zaradi spreminjajočih se hitrosti vetra v proizvodnji

električne energije niso zaželene, saj povzročajo nihanja v električnem omrežju in oscilacije

mehanskih napetosti. Posledično so iz takšnih, predvsem pa ekonomskih vidikov izkoriščenosti

opreme vetrne turbine projektirane za moči obratovanja nižje od maksimalno dosegljivih. V


- 26 -

dejanski uporabi so zato turbine in generatorji manjših moči, ki pri hitrostih vetra nad nazivno

vrednostjo ne uspejo predelati celotne razpoložljive energije vetra, vendar pa delujejo večji del

časa v področju konstantne nazivne moči, kar je zelo pomembno s stališča zanesljivosti

obratovanja. Takšnemu načinu obratovanja pravimo znižana kapaciteta in ga prikazuje slika

3.15. Črtkana linija prikazuje klasično karakteristiko vetrne turbine, pri kateri moč narašča s

tretjo potenco hitrosti vetra. V področju nizkih moči je ta karakteristika odrezana (pod startno

vrednostjo hitrosti vetra turbina ne obratuje), nato sledi klasični karakteristiki do nazivne moči,

nad to vrednost pa se ne povzpne, temveč ostane kljub povečevanju hitrosti vetra konstantna,

kar se doseže s spreminjanjem kota lopatic. Ko je največja dopustna hitrost vetra presežena, se

turbina zaustavi. Zagonska hitrost je navadno 4 𝑚 𝑠⁄ , hitrost izklopa 25 𝑚 𝑠⁄ , nazivna hitrost

pa je pogojena vetrovnim razmeram [4].

Slika 3.15: Karakteristika delovanja vetrne turbine z znižano kapaciteto [4]


- 27 -

4 IZBIRA LOKACIJE ZA POSTAVITEV VETRNE TURBINE

Lokacijo predvideno za postavitev elektrarne je potrebno pazljivo izbrati, ter smiselno oceniti

razpoložljivost vetrne energije na tem območju. Pri tem se sklicujemo na rezultate obsežnih in

dolgotrajnih meritev lokalnih hitrosti vetra [4].

4.1 Vetrne rože

Je prikaz podatkov o razporeditvi hitrosti vetra in hitrosti spreminjanja smeri vetra. Vetrne rože

so izdelane na osnovi meteoroloških opazovanj hitrosti in smeri vetra [4]. Na slikah 4.1 in 4.2

je primer vetrne rože za Letališče Edvarda Rusjana v Mariboru in Novo Gorico. Vetrni roži

prikazujeta pogostost vetra po smereh za omenjena kraja, na osnovi polurnih meritev

povprečnih hitrosti, ki sta jih izmerili samodejni meteorološki postaji na višini 10 metrov od

tal. Vetrni roži se močno razlikujeta, saj na porazdelitev vetra in njegovo hitrost močno vpliva

topografija površja.

Slika 4.1: Vetrna roža za Letališče Edvarda Rusjana Maribor [10]


- 28 -

Slika 4.2: Vetrna roža za Novo Gorico [11]


- 29 -

5 VETRNE TURBINE

Vetrna turbina je energetski stroj, ki kinetično energijo vetra pretvarja v mehansko delo. V

primeru, da se pretvorjeno mehansko delo uporablja za mletje ali črpanje, takšnemu stroju

pravimo mlin na veter (slika 5.1). Danes pa tovrstne stroje navadno povezujemo s pretvorbo

mehanske energije v električno (slika 5.2). Proizvodnja modernih vetrnih turbin se je pričela po

t.i. energetski krizi leta 1973. V več industrijsko razvitih državah po svetu so se vlade odločile

vložiti denar v razvoj vetrnih turbin, moči nekaj megavatov. Istočasno se je nekaj privatnih

podjetij odločilo za samostojen vstop na energetski trg z razvojem vetrnic manjših moči,

namenjenih komercialni rabi [12].

Slika 5.1: Mlin na veter [13]

Slika 5.2: Vetrna turbina za proizvodnjo električne energije [14]


- 30 -

5.1 Delitev vetrnih turbin

Obstaja več vrst vetrnih turbine, zato ji delimo glede na:

a. Glede na delovanje sile vetra na lopatice rotorja:

naprave, ki delujejo na principu dinamičnega vzgona,

naprave, ki delujejo na principu aerodinamičnega upora.

Naprave z nizko vrtilno frekvenco rotorja navadno delujejo na principu sile zračnega

upora (Savoniusov rotor, skodelični tip rotorja-anemometri). Njihova hitrost vrtenja je manjša

od hitrosti vetra, na pogonsko gred pa delujejo z znatnim momentom. Vetrne turbine tega tipa

se ne uporabljajo za proizvodnjo električne energije, so pa zaradi preprostejše izvedbe uporabne

za črpanje vode in vetrne mline [15].

Vetrne turbine modernega tipa, pa delujejo predvsem na efektu dinamičnega vzgona, ki

je posledica spremembe gibalne količine med spodnjim in zgornjim robom lopatice. Tovrstne

naprave se vrtijo s hitrostjo enako ali celo višjo od hitrosti vetra. V primerjavi s turbinami, ki

delujejo na principu aerodinamičnega upora, imajo te vetrnice zaradi boljšega izkoristka 𝐶𝑝

nekajkrat višjo moč, posledično pa na pogonsko gred delujejo z manjšim momentom [15].

b. Glede na postavitev osi vrtenja rotorja:

vertikalne,

horizontalne.

Prednost strojev z vertikalno osjo je njihova neodvisnost od smeri vetra; pa tudi težek

strojni del z generatorjem in mehanskim prenosnikom se nahaja na tleh. Najbolj znan primer

vetrne turbine z vertikalno osjo vrtenja je Darrieus-ov rotor. Tovrstne vetrnice pa imajo tudi

svojo pomanjkljivost, saj se zaradi pulzirajočega navora ne morejo zagnati same. Iz takšnih

razlogov se v komercialni rabi raje poslužujemo tipa vetrnic s horizontalno osjo vrtenja rotorja.

Navadno so v uporabi vetrnice z dvema ali tremi lopaticami, katerih vrtenje je posledica

delovanja dinamičnega vzgona, ki deluje na lopatice rotorja. Rotor vetrnice in ohišje z

generatorjem ter mehanskim prenosnikom sta postavljena na visok steber, na katerem se lahko


- 31 -

gibata za kot 360º v horizontalni smeri. Za ustrezno usmerjenost rotorja (pravokotno na smer

vetra) skrbi regulacija in naprave, ki neprestano merijo smer in hitrost vetra [15].

c. Glede na način obratovanja:

Vetrne turbine s konstantno hitrostjo vrtenja,

Vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja.

Za preprostejše aplikacije, kot je črpanje vode, mletje in polnjenje akumulatorskih baterij

je dovoljena uporaba vetrnic s spremenljivo hitrostjo vrtenja. Če pa se te uporabljajo za

proizvodnjo električne energije, ki se oddaja v omrežje, je nujna uporaba pretvornika s

širokopasovnim vhodom. Za tovrstne namene so najpogosteje uporabljene vetrnice s

konstantno hitrostjo vrtenja, saj ta omogoča uporabo preprostih generatorjev, katerih hitrost je

usklajena s frekvenco električnega omrežja [15].

d. Glede na hitrost vrtenja rotorja:

Počasi tekoče vetrnice imajo rotor z 8 ali več lopaticami (slika 5.3). Navadno se jih

uporablja za domačo oskrbo, kot je poganjanje vodnih črpalk, polnjenje električnih

akumulatorjev ali poganjanje mehanskih mlinov. Tovrsten tip vetrnic ima velik vrtilni moment

že pri nizkih hitrostih vetra. Uporabljajo se v Avstraliji in v Severni Ameriki. [16].

Slika 5.3: Ameriški tip vetrnice [16]


- 32 -

Hitro tekoče vetrnice imajo rotor z eno, dvema ali tremi lopaticami. Za ta tip vetrnice je

značilno, da za začetek delovanja potrebujejo določeno minimalno hitrost vetra, ki mora znašati

več kot 4 m/s. Pri nizkih hitrostih vetra imajo zato nizek vrtilni moment in moč. Vetrnice s samo

eno lopatico služijo kot prototipne izvedbe za raziskovalne namene, saj so v primerjavi z rotorji,

ki imajo dve ali tri lopatice bistveno hrupnejši, iz vetra pa pridobijo približno za 10% manj

energije. Za pridobivanje električne energije se danes največ uporabljajo vetrnice z dvema ali

tremi lopaticami. Iz stališča konstrukcijske trdnosti in zanesljivosti so v prednosti rotorji s tremi

lopaticami, saj so tudi manj hrupni in vizualno manj moteči [16].

5.2 Posebni tipi rotorjev

Savoniusov rotor (slika 5.4) je preprosta vetrnica z vertikalno usmerjeno osjo vrtenja

rotorja. Sestavljata jo dva enaka polkrožna valja, ki sta drug proti drugemu zamaknjena.

Rotor tega tipa za vrtenje izkorišča razliko v sili upora vetra na konkavni in konveksni

strani polkrožnega valja. Težava tovrstnega tipa vetrne turbine je hrup, ki ga povzroča

med obratovanjem in nizek koeficient moči [16].

Slika 5.4: Savoniusov rotor [18]

Windside rotor (slika 5.5) je sodobnejša izvedba Savoniusovega rotorja. S pomočjo

spiralnih polvaljev izkorišča Magnusov efekt. Ta se pojavi če vrteč valj postavimo

prečno na tok vetra. Efekt s pomočjo spiralnih polvaljev v katere se veter upira, pride

še bolj do izraza. Turbine tega tipa pričnejo obrativati že pri nizkih hitrostih vetra (2-3

m/s), so tudi tišje od klasične izvedbe Savoniusovega rotorja, ter delujejo do hitrosti

vetra 60 m/s [16].


- 33 -

Slika 5.5: Windside rotor [19]

Darreiusov rotor (slika 5.6) je najbolj razširjen tip vetrne turbine z navpično osjo

vrtenja rotorja. Rotor ima običajno dve ukrivljeni in vertikalno postavljeni lopatici.

Zaradi ukrivljenosti lopatic je obremenitev na rotor, ki je posledica centrifugalne sile,

zmanjšana. Lopatica rotorja seka zračni tok dvakrat. Enkrat pred osjo vrtenja – upwind,

in drugič za osjo vrtenja – downwind. Koeficient moči je posledično večji, celo v

primerjavi s hitro vrtečimi turbinami z horizontalno osjo vrtenja rotorja in znaša 0,42

(medtem, ko je pri turbinah s horizontalno osjo vrtenja rotorja približno 0,40). Takšne

vrednosti koeficienta moči se dosežejo celo pri nižjem hitrostnem številu λ, ki znaša od

3 do 6. Darreiusova turbina deluje neodvisno od smeri vetra, vendar ima to slabo

lastnost, da se ne more zagnati sama. Potreben je zaganjalnik, ki rotor zažene. S tem

namenom je navadno dograjen Savoniusov rotor, ki se zažene samostojno [16]

Slika 5.6: Darreiusov rotor [20]


- 34 -

6 MODELIRANJE LOPATICE IN ROTORJA TURBINE

Rotor turbine smo zmodelirali v programskem paketu SolidWorks. Največji izziv je bila

določitev primerne geometrije lopatice in njenega profila. Odločili smo se za koncept turbine s

trikrakim rotorjem, saj so ti v komercialni rabi najbolj pogosti. Dimenzije lopatic, kot je dolžina

tetive 𝑐 smo izbrali izkustveno, saj smo pri predhodnem rotorju na sliki 6.1, ki je imel dolžino

tetive na vrhu lopatice zgolj nekaj milimetrov ugotovili, da se pri višjih hitrostih vetra v testnem

kanalu, vrh lopatice preveč zvija. Vzrok za to je bil material, ki se uporablja za postopek SLS,

kateri ni nudil dovolj togosti pri tako tankem profilu lopatice. Ta rotor se je vrtel tudi z bistveno

nižjimi obrati, saj ozke in tanke lopatice niso nudile dovolj aerodinamičnega upora v primerjavi

z ustreznim rotorjem, na katerem so bile opravljene meritve.

Slika 6.1: Neustrezna vetrnica

Na sliki 6.2 je za meritve ustrezen rotor, premera 260 milimetrov, kateremu se dolžina

tetive profila 𝑐 proti vrhu lopatice zmanjša iz 20 milimetrov pri korenu lopatice, na 16

milimetrov pri njenem vrhu.


- 35 -

Slika 6.2: Za meritve primerna vetrnica

6.1 Izračun Reynoldsovega števila in določitev profila lopatice

Reynoldsovo število, je brezdimenzijsko število, s katerim v mehaniki tekočini opisujemo način

toka. Definiramo ga kot kvocient med zmnožkom hitrosti toka in karakteristične dimenzije, ki

je v našem primeru dolžina tetive, katero označimo s c (ang. chord line), ter kinematično

viskoznostjo ν.

Podatki:

- 𝑣 = 16 𝑚/𝑠 , povprečna hitrost vetra v kanalu testne proge,

- 𝜈 = 15,7𝑚𝑚2 𝑠⁄ = 15,7 ∙ 10−6 𝑚2 𝑠⁄ , kinematična viskoznost zraka pri 20 ºC,

- 𝑐 = 20𝑚𝑚 = 0,02𝑚 , najdaljša dolžina tetive profila lopatice.

𝐈𝐳𝐫𝐚č𝐮𝐧:

𝑅𝑒 =𝑣∙𝑙

𝜈=

𝑣∙𝑐

𝜈=

16∙0,02

15,7∙10−6≈ 2 ∙ 104 , (6.1)

𝑅𝑒 [/] - Reynoldsovo (brezdimenzijsko) število,


- 36 -

𝑣 [𝑚/𝑠] - hitrost toka tekočine,

𝑙 = 𝑐 [𝑚] - karakteristična dimenzija, oziroma dolžina tetive profila lopatice,

𝜈 [𝑚2/𝑠] - kinematična viskoznost.

Glede na rezultat izračuna Reynoldsovega števila, ki nam podaja tokovni režim čez profil

lopatice, je bilo potrebno izbrati ustrezen profil, s primernim napadnim kotom δ (AOA – Angle

Of Attack). Odločili smo se za standard NACA (National Advisory Committee for

Aeronautics), ki podaja aerodinamične karakteristike posameznih lopatic ali kril. NACA

standard podaja analitično izračunane koordinate na sprednji in zadnji strani profila lopatice in

s tem podaja njegovo zakrivljenost. Iz izbrane literature [21] smo poiskali primeren profil

lopatice, kot prikazuje slika 6.4. Odločili smo se za profil NACA 4412, saj zajema vrednosti

Reynoldsovega števila med 20 000 in 250 000, slika 6.3. Primeren napadni kot δ (AOA) za ta

profil znaša 16 º.

Slika 6.3: Iz leve proti desni; leto raziskovanja, znanstvenik, laboratorij, območje

Reynoldsovega števila in oznaka profila lopatice [21]

Slika 6.4: Profil lopatice NACA 4412

6.2 Računanje obodne hitrosti od korena lopatice proti njenemu vrhu

Logično je, da se obodna hitrost od korena lopatice proti njenemu vrhu veča, kar je posledica

večanja radija. Zaradi tega, je potrebno izračunati obodne hitrosti na posameznih odsekih krila


- 37 -

(na različnih polmerih rotorja), saj lahko samo na ta način narišemo trikotnike hitrosti. Ker

želimo po celotni dolžini lopatice zagotoviti konstanten napadni kot 𝛿, moramo temu primerno

prilagajati nastavni kot 𝜀. Obodne hitrosti na različnih premerih rotorja izračunamo z izrazom

6.2:

𝑢 = 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑛 , (6.2)

𝑢 [𝑚/𝑠] - obodna hitrost rotorja,

𝐷 [𝑚] - premer rotorja,

𝑛 [𝑠−1] - vrtljaji rotorja na sekundo.

Najprej je potrebno izračunati obodno hitrost lopatice na njenem vrhu. To izračunamo z

izrazom 6.3:

𝜆 =𝑢

𝑣 → 𝑢 = 𝜆 ∙ 𝑣 = 6 ∙ 16 = 96 𝑚/𝑠 , (6.3)

𝜆 [/] - koeficient obodne hitrosti rotorja in hitrosti vetra, ki za trikrako vetrnico znaša 6,


𝑣 [𝑚/𝑠] - hitrost vetra.

Za izračun obodnih hitrosti na posameznem premeru rotorja potrebujemo tudi njegovo

število vrtljajev n. Izračunamo jih z izpeljavo izraza 6.2:

𝑢 = 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑛 → 𝑛 =𝑢

𝜋∙𝐷=

96

𝜋∙0,26= 117,52 𝑠−1 ≈ 7051 𝑣𝑟𝑡/𝑚𝑖𝑛 . (6.4)

Sedaj lahko s pomočjo izraza 6.2 izračunamo obodno hitrost pri posameznem premeru

(polmeru) rotorja vetrnice:

- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟏 = 𝟔𝟎 𝒎𝒎 :

𝑢1 = 𝜋 ∙ 𝐷1 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,06 ∙ 117,52 ≈ 22 𝑚/𝑠 (6.5)

- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟐 = 𝟏𝟎𝟎 𝒎𝒎 :

𝑢2 = 𝜋 ∙ 𝐷2 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,1 ∙ 117,52 ≈ 37 𝑚/𝑠 (6.6)


- 38 -

- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟑 = 𝟏𝟓𝟎 𝒎𝒎 :

𝑢3 = 𝜋 ∙ 𝐷3 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,15 ∙ 117,52 ≈ 55 𝑚/𝑠 (6.7)

- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟒 = 𝟐𝟎𝟎 𝒎𝒎 :

𝑢4 = 𝜋 ∙ 𝐷4 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,2 ∙ 117,52 ≈ 74 𝑚/𝑠 (6.8)

- Obodna hitrost pri premeru 𝑫𝟓 = 𝟐𝟔𝟎 𝒎𝒎 :

𝑢5 = 𝜋 ∙ 𝐷5 ∙ 𝑛 = 𝜋 ∙ 0,26 ∙ 117,52 ≈ 96 𝑚/𝑠 (6.9)

6.3 Profili lopatice na različnih premerih

Lopatica rotorja se proti svojemu vrhu stanjša za 4 milimetre in sicer iz 20 na 16 milimetrov.

Iz slike 6.5 je razvidno, da se spreminja tudi nastavni kot 𝜀, z namenom ohranitve konstantnega

napadnega kota δ, ki po vsej dolžini lopatice znaša 16 º glede na relativno hitrost 𝑣𝑟𝑒𝑙.


- 39 -

Slika 6.5: Profili lopatice od premera 𝐷1 do 𝐷5, katerih dolžina tetive profila c se od premera

𝐷1 do 𝐷5 zmanjša iz 20 mm na 16 mm


- 40 -

7 MERITVE

Meritve na modelu vetrne turbine so jedro tega diplomskega dela, zato bomo nekaj besed

namenili tudi napravi, na kateri so meritve bile opravljene.

7.1 Opis merilne proge

Na začetku zračnega kanala je nameščen elektromotor, ki preko merilne gredi poganja

ventilator. Ta aksialno skozi PVC cev notranjega premera 288 mm sesa zrak in s tem ustvarja

zračni tok. V sredino PVC cevi je nameščen enosmerni generator, ki se ga lahko uporablja tudi

kot elektromotor. Na gred enosmernega generatorja smo namestili trikrako vetrnico, ki smo jo

predhodno zmodelirali v programu Solid Works in izdelali s SLS postopkom, slika 7.1.

Slika 7.1: Rotor trikrake vetrnice na katerem smo opravljali meritve, vpet na enosmerni

električni generator


- 41 -

Slika 7.2: Merilna proga (zračni kanal) [9]

Vir električne energije je enosmerni precizijski generator tipa Escap 28D2R (slika 7.3) z

dvojnim vležajenjem, katerega specifikacije so:

- največja napetost: 12 V,

- zagonski moment: 96 mNm ,

- največji dovoljeni trajni tok: 1,5 A (moč: 15W) ,

- priključen upor: 2,75 Ω ,

- konstanta vrtilnega momenta: 20 mN/A.

Slika 7.3: Enosmerni generator (elektromotor) [9]

7.2 Izsledki meritev

Meritve smo opravljali pri različnih električnih upornostih vezanih na enosmerni električni

generator in s tem spreminjali breme, ter vetrnico različno zavirali. Najprej smo naredili meritve

pri upornosti 4,7 Ω , vendar smo ugotovili, da ja krivulja pri vrednostih 2,2 Ω električne

upornosti bolj zvezna, ter z lepšim prevojem. Dobljene rezultate meritev in krivulje smo


- 42 -

primerjali z meritvami, ki smo jih opravili na trikrakem propelerju, pri istih električnih

upornostih. Meritve na vetrnici in propelerju so bile opravljene pri naslednjih vrednostih hitrosti

vetra in obratih trofaznega elektromotorja, tabela 3:

Tabela 3: Hitrost vetra v testnem kanalu v odvisnosti od vrtljajev elektro motorja

Vrtljaji EM [𝒎𝒊𝒏−𝟏] Hitrosti vetra [𝒎/𝒔]

180 2,27

200 2,45

300 3,82

400 5,13

500 6,71

600 7,79

700 9,23

800 10,51

900 11,95

1000 13,05

1100 14,54

1200 16,06

1300 17,40

1400 18,42

1500 20,07

1600 21,26

1700 23,06


- 43 -

Slika 7.4: Hitrost vetra v testnem kanalu v odvisnosti od vrtljajev elektromotorja

Izsledke meritev smo zajemali s programskim paketom LabVIEW 2012 in A/D merilno

kartico modela NI PCI 6036E (slika 7.5), ki je vgrajena v osebni računalnik.

Slika 7.5: A/D pretvornik NI PCI 6036E [9]

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

hit

rost

vet

ra (

m/s

)

vrtljaji EM (1/min)


- 44 -

Osebni računalnik je preko kabla povezan s priključnim poljem NI BNC-2110, slika 7.6 [9].

Slika 7.6: Priključno polje NI BNC-2110 [9]

Virtualni inštrument, na katerem smo opazovali spremembo vrtljajev pogonskega

trofaznega elektromotorja, vetrnice na generatorju, ter napetosti in tokov, ki jih generator

proizvaja, je bil že izdelan in je prikazan na sliki 7.7.

Slika 7.7: Virtualni inštrument [9]


- 45 -

Na sliki 7.8 je prikazana natančna shema virtualnega inštrumenta izdelanega v programu

LabVIEW.

Slika 7.8: Shema virtualnega inštrumenta [9]

Na sliki 7.7 lahko vidimo, da se na levi strani virtualnega inštrumenta (''NASTAVI'')

nastavljajo vhodni podatki, oziroma vrtljaji trofaznega elektromotorja, ki poganja ventilator

testne proge. Na desni strani inštrumenta (''MERI''), pa odčitavamo izhodne podatke, kot so

vrtljaji vetrnice, električna napetost in tok, ki ju proizvaja enosmerni generator. Vhodne

veličine, oziroma vrtljaje pogonskega trofaznega elektromotorja smo nastavljali s frekvenčnim

regulatorjem, s pomočjo precizijskega gumba, slika 7.9.

Slika 7.9: Frekvenčni regulator [9]


- 46 -

Meritve na trikraki vetrnici, pri pogojih:

- barometrski tlak: 993,6 mbar ,

- temperatura laboratorija: 23,0 ºC ,

- električna upornost vezana na enofazni generator: 2,2 Ω ,

- gostota 𝜌: 1,1690 𝑘𝑔 𝑚3⁄ .

V tabeli 4 imamo združene vse vhodne in izhodne podatke meritev, ki so bili opravljani

na trikraki vetrnici pri zgoraj opisanih pogojih. Vrtljaje trofaznega elektromotorja, ki poganja

ventilator testne proge, smo nastavljali s precizijskim gumbom frekvenčnega regulatorja,

katerega številsko območje sega do 1000. S sondo anemometra smo merili hitrosti vetra v cevi,

za pripadajoče vrtljaje pogonskega elektromotorja. S pomočjo virtualnega inštrumenta (slika

7.7) izdelanega v programu LabVIEW smo odčitavali izhodne parametre, kot so električna

napetost, električni tok, in vrtljaje vetrnice. Izhodno moč električnega generatorja 𝑃𝑒𝑙 pa smo

izračunali po naslednjem izrazu:

𝑃𝑒𝑙 = 𝑈 ∙ 𝐼 , (7.1)

𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - izhodna električna moč generatorja,

𝑈 [𝑉] - električna napetost,

𝐼 [𝐴] - električni tok.


- 47 -

Tabela 4: Vhodni in izhodni podatki za meritev na trikraki vetrnici

Vrtljaji EM

[𝟏/𝒎𝒊𝒏]

Število

potenciometra v [𝒎/𝒔]

El.

napetost

[𝑽]

El. tok

[𝒎𝑨]

Obrati

vetrnice

[𝟏/𝒎𝒊𝒏]

𝑃𝑒𝑙 [𝑊]

180 86 2,27 0,038 12,100 54 0,000

200 92 2,45 0,052 26,300 102 0,001

300 149 3,82 0,161 75,662 235 0,012

400 199 5,13 0,301 137,803 428 0,041

500 255 6,71 0,451 222,000 647 0,100

600 307 7,79 0,594 266,988 842 0,159

700 360 9,23 0,741 336,921 1054 0,250

800 413 10,51 0,884 403,346 1252 0,357

900 464 11,95 1,034 463,224 1430 0,479

1000 518 13,05 1,177 529,948 1633 0,624

1100 570 14,54 1,335 605,464 1846 0,808

1200 622 16,06 1,487 676,276 2052 1,006

1300 672 17,40 1,657 751,057 2276 1,245

1400 724 18,42 1,837 839,433 2501 1,542

1500 770 20,07 2,017 926,545 2703 1,869

1600 816 21,26 2,182 993,569 2904 2,168

1700 863 23,06 2,365 1073,718 3118 2,539


- 48 -

V tabeli 5 imamo združene vse podatke, ki so ključni za izdelavo grafov karakterističnih krivulj

trikrake vetrnice. Te smo izračunali s pomočjo izhodnih parametrov meritev iz tabele 4. Za

izračun smo uporabili naslednje izraze:

Obodna hitrost 𝑢:

𝑢 = 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑛 , (7.2)


𝐷 [𝑚] - premer rotorja propelerja, ki znaša 0,260 m,

𝑛 [1/𝑠] - vrtljaji rotorja vetrnice.

Hitrostno število 𝜆:

𝜆 =𝑢

𝑣 , (7.3)

𝜆 [/] - hitrostno število,



Moč vetra 𝑃𝑡𝑜𝑡:

𝑃𝑡𝑜𝑡 =𝟏

𝟐∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣3 , (7.4)

𝑃𝑡𝑜𝑡[𝑊] - moč vetra

𝜌 [𝑘𝑔 𝑚3⁄ ] - gostota zraka pri dani temperaturi,

𝐴 [𝑚2] - površina, ki jo oriše vrh lopatice rotorja,


Koeficient moči 𝐶𝑝:

𝐶𝑝 =𝑃𝑒𝑙

𝑃𝑡𝑜𝑡 , (7.5)

𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - izhodna moč električnega generatorja,


- 49 -

𝑃𝑡𝑜𝑡 [𝑊] - moč vetra.

Tabela 5: Ključni izračunani parametri za karakteristiko trikrake vetrnice

Obodna hitrost 𝒖 [𝒎/

𝒔]

Hitrostno število

𝝀

Moč vetra 𝑷𝒕𝒐𝒕 [𝑾] Koeficient moči 𝑪𝒑

0,7351 0,3238 0,3630 0,0013

1,3886 0,5668 0,4564 0,0030

3,1992 0,8375 1,7299 0,0070

5,8266 1,1358 4,1897 0,0099

8,8080 1,3127 9,3757 0,0107

11,4626 1,4715 14,6706 0,0108

14,3487 1,5546 24,4029 0,0102

17,0442 1,6217 36,0283 0,0099

19,4674 1,6291 52,9590 0,0090

22,2310 1,7035 68,9711 0,0090

25,1306 1,7284 95,3957 0,0085

27,9350 1,7394 128,5501 0,0078

30,9845 1,7807 163,4871 0,0076

34,0475 1,8484 193,9566 0,0080

36,7975 1,8335 250,8869 0,0074

39,5338 1,8595 298,2123 0,0073

42,4471 1,8407 380,5517 0,0067


- 50 -

Na sliki 7.10 je graf, ki prikazuje odvisnost naraščanja moči vetra 𝑃𝑡𝑜𝑡 od naraščanja

hitrosti vetra 𝑣 za trikrako vetrnico.

Slika 7.10: Graf naraščanja moči vetra 𝑃𝑡𝑜𝑡 v odvisnosti od naraščanja hitrosti vetra 𝑣 za

trikrako vetrnico

Moč vetra 𝑃𝑡𝑜𝑡 narašča po enačbi 3.8 iz poglavja 3 in sicer s tretjo potenco hitrostjo vetra 𝑣

𝑃𝑡𝑜𝑡 =1

2∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣𝑖

3 . (7.6)

-50,0000

0,0000

50,0000

100,0000

150,0000

200,0000

250,0000

300,0000

350,0000

400,0000

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Pto

t(W

)

v (m/s)


- 51 -

Slika 7.11 prikazuje graf naraščanja električne moči enosmernega generatorja 𝑃𝑒𝑙 v odvisnosti

od naraščanja hitrosti vetra 𝑣 za primer vetrnice.

Slika 7.11: Graf naraščanja električne moči enosmernega generatorja 𝑃𝑒𝑙 v odvisnosti od

naraščanja hitrosti vetra 𝑣 za trikrako vetrnico

Na sliki 7.12 je prikazan graf koeficienta moči 𝐶𝑝 v odvisnosti od hitrostnega števila 𝜆, za

meritve opravljene na trikraki vetrnici.

Slika 7.12: Graf odvisnosti koeficienta moči 𝐶𝑝 v odvisnosti od hitrostnega števila 𝜆 za

trikrako vetrnico

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

P el(W

)

v (m/s)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Cp

λ


- 52 -

Meritve na trikrakem propelerju, pri pogojih:

- barometrski tlak: 993,6 mbar ,

- temperatura laboratorija: 23,0 ºC ,

- električna upornost vezana na enofazni generator: 2,2 Ω,

- gostota 𝜌: 1,1690 𝑘𝑔 𝑚3⁄ .

V tabeli 6 imamo združene vse vhodne in izhodne podatke meritev, ki so bili opravljani

na trikrakem propelerju pri pogojih opisanih zgoraj. Vrtljaje trofaznega elektromotorja, ki

poganja ventilator testne proge, smo nastavljali z precizijskim gumbom frekvenčnega

regulatorja, katerega številsko območje sega do 1000. S sondo anemometra smo merili hitrosti

vetra v cevi, za pripadajoče vrtljaje pogonskega elektromotorja. S pomočjo virtualnega

inštrumenta (slika 7.7) izdelanega v programu LabVIEW smo odčitavali izhodne parametre,

kot so električna napetost, električni tok, in vrtljaje vetrnice. Izhodno moč električnega

generatorja 𝑃𝑒𝑙 smo izračunali po naslednjem izrazu:

𝑃𝑒𝑙 = 𝑈 ∙ 𝐼 , (7.7)

𝑃𝑒𝑙 [𝑊] - izhodna

Documents

OBRATOVALNE KARAKTERISTIKE MODELA VETRNE TURBINE · približno 23 m/s. Na enofazni generator, na katerem je vetrnica smo priklapljali električne upore različnih vrednosti in s tem