close

Enter

Log in using OpenID

2 Povijesni razvoj vjetrenjača 2.1 Vjetrenjače s

embedDownload
Katedra za turbostrojeve
1 POGLAVLJE:
Uvod u energiju vjetra
Pripremio: Prof.dr.sc. Zvonimir Guzović
Zagreb, 2010.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
y U povijesti industrijskog razvoja, zlatno doba “teške industrije” pripada
y
y
y
y
davnoj prošlosti;
Danas živimo u doba informatičkih tehnologija, u kojima je stupanj
tehnološkog razvoja ekstremno brz;
Iako stope rast kompjuterske industrije čine klasične industrije
zastarjelim, danas postoji jedna suvremena strojogradnja čija je stopa
rasta kroz posljednja tri desetljeća usporediv s informatičkim sektorom:
to su vjetroelektrane;
Nagli porast veličine i jedinične snage komercijalno proizvedenih
vjetroturbina između 1980. i 2002. je prikazan na sl. 1.1;
Sl. 1.2 prikazuje porast instalirane snage vjetroelektrana u istom
razdoblju.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
Sl. 1.1 Porast veličine i jedinične snage komercijalno proizvedenih
vjetroturbina između 1980. i 2002.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
Sl. 1.2 Porast instalirane snage vjetroelektrana između 1980. i 2002.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
• U vrlo kratkom vremenu, razvijena je profesionalna i pouzdana
energetska tehnologija;
• Stopa rasta instalirane snage i porast jedinične snage vjetroturbina su
izvanredni: u 2001. godini najveće komercijalne vjetroturbine imale su
snagu od 2,5 MW, te promjer od 80 metara, danas 130 metara;
• Dok primjeri koji slijede sažimaju najvažnije događaje u bližoj
povijesti globalnog razvoja korištenja energije vjetra, u poglavlju 1.3 bit
će dana detaljnija analiza.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
Danska
• Renesansa energije vjetra započela je u Danskoj 1980. god.;
• Povodom naftnih kriza 1973. i 1978. god., male kompanije - uglavnom
proizvođači strojeva i opreme za ruralne potrebe su razvili prvu
generaciju vjetroturbina za komercijalnu upotrebu;
• Te su vjetroturbine imale rotor promjera od 10 do 15 metara, te
električni generator snage od 30 do 55 kW (sl. 1.1);
• Električna energija koja nije potrošena od strane vlasnika
vjetroturbine direktno se predavala u gradsku mrežu;
• Promjene u energetskoj politici koje su tada nastupile, garantirale su
vlasnicima vjetroturbina dobru i fiksnu otkupnu cijenu za višak
električne energije;
• Ove su promjene stvorile tržište za obnovljive izvore energije;
• U 2001. god. 17% korištene električne energije u Danskoj je dobiveno
pomoću vjetroturbina.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
Sjedinjene Američke Države
• Bum korištenja energije vjetra u SAD-u započeo je također 1980./81.
god. u Kaliforniji - rezultirao je ukupnom instaliranom snagom od 1600
MW do 1987. god.;
• Kalifornijske vjetrolelektrane je činio veliki broja vjetroturbina malih
jediničnih snaga (35 do 75 kW) koje su bile proizvedene u SAD-u ili
uvezene iz Danske;
• Isto kao i u Danskoj, nagli porast cijena nafte u 70.-tima je uzrokovao
naklonost vlade obnovljivim izvorima energije, uključujući solarnu,
geotermalnu i energiju vjetra;
• Ovaj pozitivan trend je zaustavljen kada je demokratski guverner
Kalifornije, Jerry Brown, izgubio većinu nad republikancima 1987. god.
Kako je naftna kriza jenjavala, novi je guverner promijenio energetske
zakone u prilog "najjeftinijoj ponudi". Termoelektrane na naftu, ponovo
su postale dominantna tehnologija za proizvodnju energije;
• Unatoč tome, 2001. god., počinje se vraćati korištenje energija vjetra u
SAD, te je u kratkom periodu instalirano novih 1635 MW.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
Njemačka
• Njemačka nije doživjela nagli porast korištenja energije vjetra sve do
1991. god.;
• Te je godine zakon “Electricity Feed Law” (EFL) – uvođenje “feed in
tarifa”, garantirao kako pristup električnoj mreži, tako i dobru i fiksnu
otkupnu cijenu proizvođačima električne energije dobivene iz energije
vjetra;
• Tijekom sljedećih osam godina, kapacitet je povećan za novih 3000
MW. Do 1998. god., obalne provincije Niedersachsen i SchleswigHolstein podmirivale
su oko 7% svojih potreba za električnom
energijom iz energije vjetra;
• “The Renewable Energy Law” (“REL”) (“Zakon o obnovljivim izvorima
energije”), koji je stupio na snagu u travnju 2000. god. i zamijenio EFL,
poticao je gradnju vjetroelektrana na kopnu (“on-shore”), ali je
sadržavao temeljnu regulativu za gradnju “off-shore” elektrana;
• U skladu s novim zakonom, 2001. god. dosegnut je rekordan broj
novoinstaliranih vjetroturbina, ukupne snage od 2659 MW.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
Španjolska
• U proteklih nekoliko godina, broj vjetroturbina u Španjolskoj je naglo
porastao;
• 1998 god. instalirani kapacitet je iznosio 834 MW;
• Samo tri godine kasnije, instalirani kapacitet je porastao na 3337 MW;
• Španjolska se smatra jednim od najbrže rastućih tržišta vjetroturbina
u Europi.
1 Uvod u energiju vjetra
1.1 Energija vjetra u prvom desetljeću 21. stoljeća
Indija
• Indija doživljava bum korištenja energije vjetra nakon 1993. god.;
• Iako do 1990. praktički nije ni bilo vjetroturbina u pogonu, do 1994. je
instalirano 200 MW;
• Do 1998. god. taj se broj povećao na 1000 MW, a 2001. god.
instalirana snaga vjetroturbina u Indiji je iznosila 1435 MW;
• Ovaj napredak uvjetovan je ogromnom potrebom Indije za
električnom energijom. Vlada i industrija žele upotrebom vjetroturbina
zaustaviti česte prekide u industrijskoj proizvodnji uzrokovane
nedostatkom električne energije.
Kina
• Kapacitet vjetroelektrana u Kini, 2001. god. iznosio je oko 404 MW, a
veliki dio bio je u sklopu farmi vjetroturbina;
• Na pašnjacima sjevernog dijela zemlje (unutarnja Mongolija), oko
150.000 vjetrom pokretanih punjača baterija je korišteno od strane
nomada. Te vjetroturbine su u prosjeku kapaciteta od 100 W.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
y Kako je potreba za energijom, posebno električnom, dramatično
porasla u proteklih 100 godina (sl. 1.3), postalo je važno voditi računa
o utjecaju proizvodnje energije na okoliš;
y U prošlosti su, visoki životni standard te moderni način života
("lifestyle“) , bili temeljeni na povećanoj potrošnji energije;
y Danas, statistike visoko razvijenih država pokazuju da se životni
standard može povisiti nezavisno o potrošnji električne energije - ako
su poduzete mjere energetske efikasnosti.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
Sl. 1.3 Porast stanovništva svijeta i potrošnje električne energije
(1950. god. = 100%; stanovništvo = 2,55x109; godišnja potrošnja
električne energije = 1,2x1012 kWh)
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
y U 1999. god. ukupna potreba za električnom energijom bila je oko
14,746x109 kWh;
y Ova je potreba zadovoljavana uglavnom iz termoelektrana na fosilna
goriva i nuklearnih elektrana (sl. 1.4);
y Obnovljivi izvori energije, osim hidro energije s udjelom od 18%,
zastupljeni su samo s 2%.
Sl. 1.4 Udio pojedinih izvora u ukupnoj proizvodnji
električne energije u 1999. god.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
y Veliki porast u potrebi za električnom energijom strogo je
uvjetovan predviđanjima na globalnom energetskom tržištu;
y Koristeći statističke podatke iz 1996. god., sl. 1.5 prikazuje kako
države s ekspandirajućom populacijom i galopirajućom
ekonomijom imaju enormni porast potrošnje električne energije;
y Međutim, visoko industrijski razvijene zemlje počele su
ograničavati potrošnju električne energije, i to bez pada životnog
standarda, poticanjem energetske efikasnosti i energetski
efikasnih tehnologija.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
Država
Populacija
Potrošnja el.
energije
Godišnja
potrošnja po
stanovniku
Stopa rasta
stanovništva
1996
1996
1996
1996
Stopa rasta
potrošnje
električne
energije
1985-1995
Miliona
TWh/god.
kWh/stan.
%
%
Njemačka
82
534
6.528
0,1
0,0
SAD
274
3.463
12.771
0,8
2,6
Kina
1.256
999
822
0,9
5,7
Indija
982
359
420
1,6
7,9
Sl. 1.5 Potrošnja električne energije u pojedinim zemljama
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
y Zadovoljavajući
rastućoj potrebi za električnom energijom,
istovremeno je važno voditi računa o utjecaju na okoliš različitih
tehnologija za energetske pretvorbe, sl. 1.6;
y Nastavak pridobivanja električne energije na sadašnji način bez
smanjivanja uporabe fosilnih goriva a povećanja obnovljivih izvora
energije doprinosi daljnjem globalnom zatopljenju, te u konačnici
vodi do klimatske katastrofe;
y Povećano oslanjanje na električnu energiju pridobivenu iz vjetra,
vode i sunca smanjiti će mogućnost ekoloških katastrofa zbog toga
što obnovljivi izvori energije ne emitiraju stakleničke plinove, te
očito ne proizvode nuklearni otpad.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
Izvor
energije
Ugljen
Nafta
Plin
Nuklearni
CO2
SO2
NOX
Pepeo
Nuklearni
otpad
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
mg/kWh
977
5-9
3-6
25
-
(977)
(0,8)
(0,8)
(0,1)
730
1-12
2-5
(730)
(0,8)
(0,8)
419
0,05
2-4
(419)
(0,01)
(0,7)
(0,01)
-
-
-
-
(0,1)
-
4
Sl. 1.6 Usporedba utjecaja na okoliš različitih fosilnih
goriva i nuklearnog goriva: vrijednosti u zagradama ()
su dobivene korištenjem suvremenih metoda filtracije
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
y Nadalje, korištenje energije vjetra ne iziskuje pretjerano
korištenje zemljišta, što može biti značajno za prenaseljena
područja sjeverne Europe;
y Sl. 1.7 pokazuje usporedbu potreba za zemljištem kod
korištenja energije vjetra (proizvedena snaga po m2) u
usporedbi s ostalim tipovima elektrana
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
Sl. 1.7 Električna snaga proizvedena po m2 korištenog zemljišta
u različitim elektranama
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
y Nadalje, postoji još prednosti obnovljivih izvora energije, osim
činjenice da ne emitiraju stakleničke plinove te da manje intenzivno
zauzimaju zemljište od postrojenja na fosilna goriva;
y Nakon nekoliko mjeseci u pogonu, elektrane na obnovljive
energetske izvore su sposobne proizvesti dovoljno energije da
povrate količinu energije utrošene u njihovu izradu. To je tzv.
amortizacijska energija i prikazana je na sl. 1.8.
Solarna
elektrana
Vjetroelektrana
Amortizacija energije
(mjeseci)
4,5 m/s
5,5 m/s
6,5 m/s
6-20
4-13
2-8
Hidroelektrana
velika
51-93
5-6
mala
8-9
mikro
9-11
Sl. 1.8 Amortizacija energije različitih obnovljivih izvora energije
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
y Pozitivni ekonomski učinci povezani sa decentraliziranom dobavom
energije (npr. porast zapošljavanja), pridonose mogućnosti održivog
razvoja koji jača lokalnu ekonomiju.
y U
usporedbi s opskrbom energije baziranoj na velikim i
centraliziranim konvencionalnim elektranama, decentralizirana
opskrba energije osigurava stabilnu lokalnu zaposlenost, i to zbog:
¾ radnih mjesta povezanih s planiranjem i izgradnjom elektrane;
¾ potrebnih znanja i vještina (npr. montaža solarnih termo ili
fotonaponskih kolektora);
¾ većeg broja zaposlenih po kWh kod pogona i održavanja (O&M)
postrojenja.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
• Na sl. 1.9 prikazana je prosječna cijena proizvodnje električne
energije u novoizgrađenim elektranama;
• Ukupna cijena varira od 0,036 €/kWh za električnu energiju dobivenu
iz termoelektrana na plin, do 0,057 €/kWh za onu iz nuklearnih i
vjetroelektrana.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
Sl. 1.9 Raspodjela troškova za različite izvore energije
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
• Za različite načine proizvodnje električne energije, ukupni trošak se
dijeli na tri kategorije:
¾ kapitalni (investicijski) troškovi - ukupna investicija, uključujući
uvjete financiranja (kamate i period povrata);
¾ troškovi pogona i održavanja (O&M trošak);
¾ trošak goriva.
• Iako su investicijski troškovi za termoelektrane na fosilna goriva niži
od onih za nuklearne ili vjetroelektrane, troškovi goriva su puno veći.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
y Kyoto Protokol je prvi pokušaj ograničenja emisije ugljikovog
dioksida kroz međunarodni sporazum;
y Energija vjetra, te ostali obnovljivi izvori energije, omogućuju
zadovoljavanje povećanim potreba za električnom energijom bez
ugrožavanja okoliša i pridonošenja klimatskim katastrofama;
y Sl. 10 prikazuje scenarij, izrađen od strane Shell-a, za postizanje
održivijeg snabdijevanja energijom.
1 Uvod u energiju vjetra
1.2 Potreba za električnom energijom
Sl. 1.10 Scenarij za postizanje budućih globalnih zahtjeva za energijom
1 Uvod u energiju vjetra
1.3 Energetska politika i državni instrumenti
• Kada se analiziraju tržišta energije vjetra, mogu se identificirati dva
osnovna tipa tržišta:
¾ ona u kojima je potpora vlade motivirana brigom za okoliš,
¾ te ona u kojima je potpora vlade bazirana na potrebi za energijom (sl.
1.11).
tržište potaknuto ekologijom
tržište potaknuto energijom
•Nema potrebe za dodatnim kapacitetom
•Financijski u mogućnosti investirati
•Energija iz vjetra malim dijelom doprinosi
ukupnoj opskrbi el. energijom
•Želja i obveza za smanjenjem CO2
•Tržište energijom vjetra nije značajno ovisno
o globalnim promjenama u cijeni goriva
•Potreba za dodatnom energijom - manjak
kapaciteta
•Manjak strane valute
•Ovisnost o uvozu fosilnih goriva
•Umjeren do visok ekonomski razvoj
•Potreba za lokalnom proizvodnjom
•Jako ovisno o globalnim promjenama u cijeni
goriva
Sl. 1.11 Tipična tržišta za energiju vjetra
1 Uvod u energiju vjetra
1.3 Energetska politika i državni instrumenti
• U cilju otvaranja tržišta za obnovljive izvore energije, potreban je
određeni politički okvir. Sljedeći popis prikazuje državne instrumente
koji se tipično koriste za poticanje korištenja obnovljivih izvora
energije:
¾ državni fondovi za istraživanje i razvoj (R&D);
¾ državni fondovi za demonstracijske projekte;
¾ direktna potpora investicijskih troškova (% ukupnih troškova ili iznos
po instaliranom kW);
¾ garantirane poticajne cijene za električnu energiju iz vjetroturbina
(iznos po isporučenom kW)
¾ financijski podsticaji - posebni krediti, povoljne kamate, itd.;
¾ porezni podsticaji tj. povoljna deprecijacija;
¾ ostali podsticaji.
1 Uvod u energiju vjetra
1.3 Energetska politika i državni instrumenti
• Analiza razvoja različitih tržišta pokazuje da prikladna kombinacija
nekoliko političkih instrumenata direktno utječe na rast tih tržišta;
• Osnova rasta tržišta energije vjetra je sigurnost kod planiranja
projekta, koja omogućuje investitoru računanje profita za čitav životni
vijek vjetroelektrane - npr. 20 godina;
• Sl. 1.12 uspoređuje politike europskih vlada za energiju vjetra;
• Neke države garantiraju fiksnu cijenu otkupa energije proizvedene
ponoću vjetra, poput Njemačke putem "Renewable Energy Feed-In
Tariffs" (REFITs), dok druge države provode sistem ponude s
ograničenom godišnjom kvotom za nove kapacitete koji će biti
izgrađeni;
• Očito, države s garantiranom cijenom po kW sistema (Njemačka,
Španjolska) potiču svoja tržišta puno bolje od onih s fiksnom
godišnjom kvotom.
1 Uvod u energiju vjetra
1.3 Energetska politika i državni instrumenti
Država
Tržište s
garantiranom
cijenom
Njemačka
Španjolska
Ukupno
Tržište
regulirano
kvotom
UK
Irska
Ukupno
Instaliran
kapacitet
(2001)
MW
Nove
instalacije
(2001)
MW
Stopa rasta
(2001)
%
Udio na
europskom
tržištu
%
8.754
3.337
2.659
802
44,4
31,6
50,0
19,0
12.091
3.467
40,1
69,0
474
125
65
6
15,9
5,0
2,7
0,7
599
71
13,4
3,4
Sl. 1.12 Pregled vladinih instrumenata i njihovog učinka na nekoliko
europskih tržišta energijom vjetra
1 Uvod u energiju vjetra
1.3 Energetska politika i državni instrumenti
Sl. 1.13 prikazuje sumarno broj instaliranih vjetroturbina u Europi na
kraju 2001. god.
Sl. 1.13 Instaliran kapaciteti za iskorištavanje energije vjetra
u Europi na kraju 2001. god.
1 Uvod u energiju vjetra
1.3 Energetska politika i državni instrumenti
• Liberizacija europskog energetskog tržišta u budućnosti će utjecati
na razvoj obnovljivih izvora energije;
• Samo to neće imati pozitivan efekt na okoliš ako se neće kombinirati
s penalizacijom proizvodnje nuklearnog otpada ili emisije CO2;
• Ovo se može provesti uvođenjem poreza na energiju dobivenu
konvencionalnim putem;
• Takav bi porez omogućio obnovljivim izvorima energije
kompetitivnost bez korištenja subvencija.
1 Uvod u energiju vjetra
1.4 Tehnološki razvoj
y Sljedeći parovi riječi sumiraju konstrukciju vjetroturbina tokom
zadnja tri desetljeća:
rotor s 3 lopatice
konstantna brzina
vrtnje
kontrola vrtnje oblikom
lopatica
indukcijski generator
(asinkroni)
reduktor
lopatice od
stakloplastike
rotor s 2 lopatice
promjenjiva brzina vrtnje
kontrola vrtnje promjenom
kuta lopatica
sinkroni generator
direktni prijenos
metalne, drvene lopatice
direktan spoj na mrežu
ac-dc-ac pretvarač
hidrauličko pokretanje
električno pokretanje
1 Uvod u energiju vjetra
1.4 Tehnološki razvoj
y U 80-tima, vjetroturbine s pasivnom regulacijom vrtnje (tj. oblikom
lopatica), tzv. stall-controlled, koje su bile spojene na mrežu preko
indukcijskog generatora, dominirale su među komercijalnim
vjetroturbinama, sl. 1.14;
y Brzina vrtnje ove "klasičnih Danske konstrukcije" vjetroturbina
držana je skoro konstantnom pošto je turbina direktno spojena na
mrežu preko generatora;
y Također, pošto ovakve vjetroturbine reguliraju brzinu vrtnje oblikom
lopatica (koje pri postizanju optimalne brzine prestaju ubrzavati) nije potrebna regulacija promjenom kuta lopatica.
y Prilikom zaustavljanja turbine vrhovi lopatica služe za usporavanje.
1 Uvod u energiju vjetra
1.4 Tehnološki razvoj
Sl. 1.14 Osnovna konstrukcija danske vjetroturbine s
indukcijskim generatorom i konstantnom brzinom vrtnje
(tzv. stall-controlled)
1 Uvod u energiju vjetra
1.4 Tehnološki razvoj
y U 90-tima, i to uglavnom u Njemačkoj, došlo je do razvoja velikih
vjetroturbina s promjenjivom brzinom vrtnje;
y Lopatice se zakreću kako bi se spriječila prekomjerna brzina vrtnje,
tzv. pitch-controlled vjetroturbine;
y Ili veliki sinkroni generator - često direktno spojen na rotor (bez
reduktora) - proizvodi električnu energiju promjenjive frekvencije (50
ili 60 Hz) preko ac-dc-ac pretvarača, ili se koristi dvostruko napajani
pogonjen preko reduktora indukcijski generator.
1 Uvod u energiju vjetra
1.4 Tehnološki razvoj
Sl. 1.15 Vjetroturbina sa sinkronim generatorom i
konstantnom brzinom vrtnje (tzv. pitch-controlled)
1 Uvod u energiju vjetra
1.4 Tehnološki razvoj
y Danski princip s konstantnom brzinom vrtnje vrlo je jednostavan i
robustan;
y Turbine s promjenjivom brzinom vrtnje su fleksibilnije kod
adaptacije na mrežu, ali iziskuju sofisticiraniju tehnologiju
regulaciju brzine vrtnje;
y Oba se principa jednako koriste kod velikih vjetroturbina s
promjerima rotora do 70 metara i više;
y S ovim tipovima turbina, mali ali inovativni proizvođači su korak po
korak uspjeli u izgradnji vjetroturbina takovih veličina koje prije 30
godina niti velike industrije u SAD-u (Mod1, Mod2 turbines) i
Njemačkoj (Growian) nisu uspjeli realizirati.
1 Uvod u energiju vjetra
1.4 Tehnološki razvoj
y Tzv. off-shore vjetroturbine su važan daljnji korak u iskorištavanju
energije vjetra - prednosti povoljnijeg režima vjetra na moru a
eliminira se i problem vezane s korištenjem zemljišta, sl. 1.16;
y Ulažu se veliki napori u razvoj pogodnih i jeftinih platformi za “offshore” vjetroelektrane.
Sl. 1.16 “Off-shore” vjetroturbine, Vindeby, Danska (1991.)
1 Uvod u energiju vjetra
1.4 Tehnološki razvoj
[email protected]
Katedra za turbostrojeve
Katedra za turbostrojeve
2 POGLAVLJE:
Povijesni razvoj vjetrenjača
Pripremio: Prof.dr.sc. Zvonimir Guzović
Zagreb, 2010.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
y Prema povjesničarima, prvi strojevi koji su koristili energiju vjetra
nalazili su se na Orijentu;
y Hammurabi navodi da su 1700. god.pr.Kr. vjetrenjače korištene za
navodnjavanje ravnica Mezopotamije;
y Postoje pisani dokazi prilično rane upotrebe energije vjetra i u
Afganistanu: dokumenti iz 700 godine potvrđuju kako je graditelj
mlina tamo bila visoko poštovana profesija;
y Čak i danas, ruševine vjetrenjača koje su radile tokom niza stoljeća,
mogu se pronaći u Iranu i Afganistanu, sl. 2.1.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
Sl. 2.1 Vjetrenjača s vertikalnom osi vrtnje u Afganistanu,
1977. izvršena konzervacija
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
y Najstarije svjetske vjetrenjače imale su vertikalnu os vrtnje;
y Pletene prostirke bile su pričvršćene za osovinu;
y Prostirke su uzrokovale otpor strujanju vjetra, te su bile njime
pokretane;
y Kod perzijskih vjetrenjača, prekrivanjem polovice rotora zidom
stvarana je asimetričnost;
y Na taj način sila koja djeluju na polovicu rotora pokreće rotor, dok
je spriječen nepovoljan utjecaj vjetra na polovicu rotora koja se
kreće ususret vjetru, sl. 2.2.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
Sl. 2.2 Perzijska vjetrenjača
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
y Kod kineskih vjetrenjača, koje također datiraju od davnina, slična
asimetrija je napravljena s platnenim “jedrima” koja bi rotirala
suprotno od smjera vjetra prilikom vraćanja u početnu poziciju, tj.
prilikom gibanja u suprotnom smjeru od vjetra, sl. 2. 2;
y Ovakve kineske vjetrenjače datiraju od otprilike oko 1000. god.;
y Slično kao i perzijske, kineske vjetrenjače imaju vertikalnu os
vrtnje i koriste pletene prostirke kao "jedra“;
y Međutim, razlikuju se od perzijskih u toliko što su u mogućnosti
iskoristiti glavnu prednost vjetrenjača s vertikalnom osi vrtnje, a to
je korištenje energije vjetra bez obzira na njegov smjer.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
Sl. 2.3 Kineska vjetrenjača s rotirajućim “jedrima”
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
y Jednostavnost ovakve konstrukcije vidi se na sl. 2.4.a koja
prikazuje kasniju verziju vjetrenjače - mlina s vertikalnom osi vrtnje
i rotirajućim jedrima;
y Mlinski kamen može direktno biti pričvršćen na vertikalnu osovinu
bez preusmjeravanja kružnog gibanja i sustava međuzupčanika (sl.
2.4.a), ili se kružno gibanje (uz promjenu brzine vrtnje), prenosi od
glavne osovine na druge dvije na kojima su pričvršćeni mlinski
kameni (sl.2.4.b);
y Novije vjetrenjače – mlinovi s horizontalnom osi vrtnje, kao što su
brzohodne
nizozemske,
zahtijevaju
puno
kompliciraniju
konstrukciju ne samo zbog potrebe preusmjeravanja kružnog
gibanja iz horizontalnog u vertikalni smjer, već i kompliciranijeg
uležištenja brže i teže horizontalne osovine
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
Sl. 2.4 Kasnije konstrukcije vjetrenjača s vertikalnom osi vrtnje:
s lopaticama koje se zakreću (lijevo) i s lopaticama koje koriste sile
otpora strujanju vjetra, Italija, oko 1600 god.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
• Jednostavnost konstrukcije vjetrenjača s vertikalnom osi vrtnje je
značajna za Savoniusov rotor iz 1924. god. (sl. 2.5.a) te Darriesov rotor
iz 1929. god. (sl. 2.4.b);
• Ali isto kao kasnije “zapadne” verzije s vertikalnom osi vrtnje koriste
– djelomično ili isključivo – silu uzgona za pogon.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.1 Vjetrenjače s vertikalnom osi vrtnje
Sl. 2.5 Savonius-ov rotor (a) i Darrieus-ov rotor (b)
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
y Na Zapadu je razvijen tip vjetrenjača različit od onog razvijenog na
Orijentu, s horizontalnom osi vrtnje, no puno kasnije;
y Njihova najznačajnija karakteristika je rotor s horizontalnom osi čije
lopatice rotiraju u ravnini okomitoj na smjer strujanja vjetra, upravo
kao propeler aviona;
y Prvi teorijski opisi sile uzgona na lopatice koje presijecaju struju
vjetra, tj. pokretačke sile vjetrenjača s horizontalnom osi, datiraju sa
samog početka prošlog stoljeća;
y U ranijim stoljećima je postojala ideja da kolo (rotor) zahvaća struju
zraka kao vijak.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
• Najstarija konstrukcija uzgonskom
silom
pokretanog
uređaja
s
horizontalnom osi vrtnje je stupna
vjetrenjača;
• Njena slika je pronađena u knjigama
za molitvu u Engleskoj iz 1100 god.
(sl. 2.6);
• Istovremeno je pronađen pisani
zapis i u pravnim dokumentima
francuskog grada Arles (u regiji
Provence na jugoistoku Francuske).
Sl. 2.6 Crtež stupne
vjetrenjače iz Engleske u
knjizi za molitve iz 12.
stoljeća
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
y Kao najvažniji pogonski stroj, uz vodeničko kolo, širila se od
y
y
y
y
Engleske i Francuske preko Nizozemske, Njemačke (1200. god.) i
Poljske do Rusije (1300. god);
Među povjesničarima je osporavano tko ju je izumio i od kuda je
došla;
Međutim, postoji opća suglasnost (različita od prijašnjih teorija)
oko toga da križari nisu naišli na vjetrenjače u Siriji, nego su ih
upravo oni tamo donijeli;
Stupna vjetrenjača se sastoji od kvadratne konstrukcije koja se
može rotirati oko svoje središnje osi kroz koju prolazi vertikalni
stup (sl. 2.7);
Koristeći polugu za okretanje, cijela se konstrukcija zajedno s
rotorom može okretati prema vjetru.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Sl. 2.7 Konstrukcija stupne
vjetrenjače: 1 - zupčasto kolo;
2 - osovina dizalice za vreće;
3 - ručna dizalica; 4 - osovina
s rotorom; 5 - zupčanik; 6 držač; 7 - lijevak za punjenje;
8 - mlinski kameni; 9 poprečna greda; 10 - kočiona
poluga; 11 - kočiono uže; 12 uže za upravljanje dizalicom;
13 - spremište brašna; 14 krunski ležaj; 15 - poluga za
okretanje; 16 - centralni stup;
17 - dizalica za vreće; 18 i 19
- oslonac; 20 - temelji
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
• Glavna osovina s rotorom, skoro je horizontalna. Zupčasto kolo preko
zupčanika pogoni vertikalnu osovinu s mlinskim kamenom;
• Tek od 1800. god. na dalje, stupne vjetrenjače su imale dva zupčasta
kola kako bi se omogućilo paralelno mljevenje s dva mlinska kamena;
• Upotreba stupnih vjetrenjača bila je ograničena na mljevenje.
• U Nizozemskoj, već 1400. god., postojao je snažan ekonomski interes
za proširenje obradivih površina isušivanjem vodenih površina, te je
došlo do prvih pokušaja korištenja energije vjetra za pokretanje pumpi;
• Za tu svrhu stupna vjetrenjača je trebala biti preinačena;
• Pogonska sila vjetra trebala je biti dovedena do pumpe koja je pak
bila smještena ispod vjetrenjače;
• Rezultat je vjetrenjača za pumpanje vode koja je prvi puta korištena
nakon 300 godina nakon prve pojave stupnih vjetrenjača.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Sl. 2.8 Konstrukcija vjetrenjače za crpljenje vode
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
• Dio vjetrenjače koji se okreće sadrži samo sustav prijenosa;
• Kolo za pumpanje vode nalazi se ispod rotirajućeg dijela u konusnom
kućištu;
• Glavna osovina mora prolaziti kroz šuplji stup (sl. 2.8) – remek djelo
tadašnjih drvodjelaca;
• Kasnije je ista konstrukcija primijenjena kod mlinova za kukuruz,
zbog toga što se na ovaj način mljevenje moglo odvijati prizemno;
• Stoga težak teret, kao npr. mlinski kameni i vreće žita, nisu trebali biti
transportirani do prostorije u pokretnom dijelu vjetrenjače.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
y U južnoj Europi, stupne vjetrenjače nisu stekle popularnost;
y Ondje je bila rasprostranjena je drugačija vrsta mlina: vjetrenjača –
y
y
y
y
toranj;
Puno ranije takovi tip vjetrenjača se koristio za navodnjavanje;
Prvi dokumentirani trag o ovom tipu vjetrenjača datira iz 1200. god.;
Glavna osobina starije mediteranske verzije je cilindričan oblik
zgrade, prvobitno fiksan slamnati krov (kupola), te rotor koji se
sastoji od osam ili više lopatica (jedra), sl. 2.9;
Kasnije verzije, uglavnom u južnoj Francuskoj, imale su rotirajuću
drvenu kupolu i drveni rotor s četiri lopatice.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Slika 2.9 Mediteranska vjetrenjača-toranj s jedrima –
rana verzija ovakvih vjetrenjača
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
y Rotirajuća kupola glavna je karakteristika i nizozemskih vjetrenjača
za crpljenje vode koje su ušle u upotrebu oko 1500. god.;
y Daljnjim razvojem ovih vjetrenjača teška kamena konstrukcija
osmerokutnog
tornja
zamijenjena
je
lakšom
drvenom
konstrukcijom, sl. 2.10;
y U Nizozemskoj, često su razne vjetrenjače povezane, uglavnom za
odvodnjavanje, dok se u ostatku Europe uglavnom koriste kao
mlinovi.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Slika 2.10 Konstrukcija
nizozemske drvene
vjetrenjače u obliku
toranja: 1 rotor na repu; 2
zupčasto kolo; 3 zupčanik
za okretanje kupole; 4
ležajevi; 5 zupčanik; 6
glavna osovina; 7 dizalica
za vreće; 8 zupčanik; 9
osovina mlinskog kamena;
10 dizalica mlinskog
kamena; 11 mlinski kamen;
12 lanac kočnice; 13
regulacija kamena; 14
vodilica brašna
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
• S desetcima tisuća sagrađenih nizozemskih vjetrenjača, upotreba
energije vjetra doživljava svoj vrhunac u Nizozemskoj u 17. i 18.
stoljeću;
• Velik broj vjetrenjača doveo je do standardizacije njihove
konstrukcije, što je bilo neobično za to doba;
• Čak kod posebnih verzija kao što su vjetrenjače s galerijima sa
svojom višekatnom konstrukcijom (sl. 2.11), prepoznatljiv je
osnovni princip nizozemske vjetrenjače;
• Donekle egzotična Paltrock vjetrenjača iz 17. stoljeća, prikazuje
kako se cijela vjetrenjača može okretati u cilju što boljeg
iskorištenja energije vjetra;
• U ovom slučaju cijela vjetrenjača je oslonjena na ležaju (kao što je
kupola kod ranije opisanih nizozemskih vjetrenjača).
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Sl. 2.11 Konstrukcija vjetrenjače s galerijama,
tj. na više katova
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
y Zadnji tip povijesnih vjetrenjača je američka (tzv. farmerska)
y
y
y
y
y
vjetrenjača;
Razvijena je sredinom 1800.-tih godina;
Američke vjetrenjače na farmama u Sjevernoj Americi su uglavnom
korištene za dobavu pitke vode;
Glavne karakteristike ovih vjetrenjača su rotor s promjerom tri do
pet metara, koji se sastoji od oko dvadeset metalnih lopatica i visok
rešetkasti toranj;
Za pumpanje vode s velikih dubina, ovakva vjetrenjača i dan danas
ostaje "moderan" sustav;
Deseci tisuća ovakvih vjetrenjača se bez većih promjena koriste
diljem Australije, Argentine i SAD-a.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Sl. 2.12 Američka “farmerska”
vjetrenjača za pumpanje vode
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
2.2.2 Tehnološke inovacije
• Za razliku od modernih vjetrenjača, one stare morale su konstantno
biti pod nadzorom mlinara;
• On nije samo mljeo žito, već se brinuo i o stalnom i sigurnom radu
vjetrenjače;
• Uglavnom su postojale dvije zadaće mlinara bitne za pogon mlina:
¾ usmjeravanje rotora prema vjetru uz promjenu tkanina na lopaticama
shodno uvjetima vjetra,
¾ te zaustavljanje vjetrenjače u slučaju oluje;
• Kod američkih vjetrenjača nije više bilo potrebe za “strojarem”.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
• Mlinar ili magarac vukli su polugu za okretanje i tako okretali
vjetrenjaču prema vjetru;
• Kasnije su na poluge za okretanje pričvršćivana vitla;
• Na ovaj način poluga se mogla privlačiti klinovima koji su bili
smješteni oko vjetrenjače (sl. 2.8);
• Još kasnije, vitlo je okretao repni rotor smješten pod pravim kutom u
odnosu na glavni rotor (iz razloga da "ulovi" vjetar kada on promjeni
smjer puhanja, te pokrene vitlo);
• Ovakav mehanizam je bio najjednostavniji za upotrebu kod
nizozemskih vjetrenjača-tornjeva, zbog toga što se repni rotor mogao
montirati direktno na kupolu (sl. 2.14).
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Sl. 2.13 Povijesni pregled razvoja vjetrenjača s horizontalnom osi
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
• Puno teži zadatak mlinara bila je “regulacija” snage mlina u odnosu na
trenutne uvjete vjetra;
• To se radilo na način da se prilagođava površina platna koja prekriva drvenu
konstrukciju lopatica rotora;
• Međutim, do problema je dolazilo kada bi mlinar podcijenio snagu vjetra. Tada
je trebalo što prije zaustaviti vjetrenjaču kako bi se platno dodatno uvilo. Za to je
služila kočnica na zupčastom kolu. Kočnicu su činili drveni blokovi koji su
upirali u zupčasto kolo. Posljedica kočenja bila je toplina nastala uslijed trenja,
te su mnogi mlinovi izgorjeli zbog toga što su mlinari prekasno započeli
kočenje.
• Lopatice s konopima reguliranim platnenim pokrovom (od 1600-te) značajno su
pomogle u radu mlinara zbog toga što su se mogle regulirati jednostavnim
podizanjem ili spuštanjem poluge (sl. 2.14). Čak i u slučaju oluje, vjetrenjača se i
dalje može lako zaustaviti, jer se platna mogu kompletno uviti iz unutrašnjosti
mlina. Na taj način vjetar jednostavno samo prolazi kroz drvenu konstrukciju
lopatica.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Sl. 2.14 Upravljački mehanizam velikog mlina za mljevenje kukuruza s
repnim rotorom za usmjeravanje u smjer vjetra i konopima reguliranima
platnenim pokrovima lopatica
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
• Veliko otkriće u pogledu iskoristivosti vjetrenjača bilo je uvijanje
lopatica;
• 1759. god. John Smeaton, koji je radio na toj inovaciji, prezentirao je
rezultate svog istraživanja društvu Royal Society u Londonu;
• Koristeći spretno koncipiranu testnu aparaturu (sl. 2.15), koja je bila
nadomjestak za današnje moderne zračne tunele, ispitao je deset
glavnih pravila za kojima se temeljila gradnja vjetrenjača, te ih
unaprijedio;
• Predložio je uvijanje lopatica u odnosu na ravninu rotacije i to za 18° u
korijenu i 7° pri vrhu lopatica;
• Također je primijetio da povećanje površine lopatice iznad određene
vrijednosti neće povećati snagu;
• Smeaton je odredio snagu i odnos obodne brzine vrha lopatice i
brzine vjetra za engleske i nizozemske vjetrenjače njegovog doba.
Odnos obodne brzine vrha lopatice i vjetra u to je doba varirao između
2,2 i 4,3.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
Sl. 2.15 Smeaton-ova testna aparatura za mjerenje
karakteristika rotora vjetrenjače
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
• Samo 150 godina kasnije, Danac P. La Cour je koristio sličan
sistematski pristup poboljšanju vjetrenjača;
• Na kraju 19. stoljeća, razvio je La Cour-lopaticu na svojoj
eksperimentalnoj stanici;
• On je bio prvi koji je na sistematski način koristio energiju vjetra za
generiranje električne energije.
• Tijekom 1900.-tih, razvoj američke farmerske vjetrenjače označio je
početak potpuno novog razdoblja u primjeni energije vjetra;
• Američka farmska vjetrenjača, ne samo da se serijski proizvodila i
bila kompletno izrađena od metala, nego je ujedno bila i prva samoregulirajuća vjetrenjača, koja je mogla biti bez nadzora;
• Za usmjeravanje vjetrenjače prema vjetru, te kontrolu protiv prebrze
vrtnje u slučaju oluje, koristio se sofisticirani sistem lopatica.
• Na taj način vjetrenjače su mogle funkcionirati autonomno na
golemim pašnjacima.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
2.2.3 Početak i kraj ere korištenja energije vjetra na Zapadu
Od 12. pa do početka 19. stoljeća, energija vjetra i vode bili su jedini
relevantni izvori mehaničke energije.
Postoji sljedeće zapažanje (Braudel):
"U 11., 12., i 13. stoljeću, Zapad je doživio svoju prvu tehničku
revoluciju. Revolucija se odnosi na sve promjene uzrokovane
povećanim brojem vjetrenjača i vodenica. Iako je izlazna snaga ovih
"primarnih pogona" bila prilično ograničena (između 2 do 5 KS za
vodenicu, 5 do maksimalno 10 KS za vjetrenjaču), uzevši u obzir vrlo
slabu svjetsku opskrbu energijom, ovo predstavlja dramatičan porast
energije i presudno je za prvu fazu razvoja Europe."
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.2 Vjetrenjače s horizontalnom osi vrtnje
U 1800.-tima, parni strojevi i motori sa unutarnjim izgaranjem počeli su
zamjenjivati vjetroturbine i mlinice.
Međutim, zabilježen je relativno spor razvoj druge tehničke revolucije
u području pogonskih strojeva. Prema popisu u Njemačkoj 1895. god.
stanje je bilo sljedeće:
18 362 vjetrenjača;
54 529 vodenica – mlinice;
58 530 parnih strojeva, i
21 350 motora s unutarnjim izgaranjem.
Znači 130 godina nakon pronalaska parnog stroja polovicu pogonskih
jedinica još uvijek čine tradicionalne vjetrenjače i vodenice!
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
2.3.1 Snaga vjetra
Snaga vjetra, koji struji brzinom v kroz površinu A je
(2.1)
Proporcionalna je gustoći vjetra ρ, površini A, te trećoj potenciji
brzine v. Snaga Pvjetra može se zamisliti kao kinetička energija
(2.2)
zraka mase m koji struji kroz površinu A u određenom vremenu.
Kako je maseni protok
(2.3)
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
proporcionalan brzini (sl. 2.16), snaga (energija u jedinici vremena)
iznosi:
(2.4)
Slika 2.16 Maseni protok kroz površinu A
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
• Smanjenjem brzine zračne mase, snaga vjetra se pretvara u
mehaničku energiju rotora;
• Nažalost, cjelokupna kinetička energija vjetra ne može se u
potpunosti pretvoriti u mehaničku pomoću vjetroturbine;
• U tom bi se slučaju sav protok vjetra koji prolazi kroz površinu rotora
A trebao u potpunosti zaustaviti, a to bi uzrokovalo problem samom
protoku zraka;
• Ako zrak struji kroz površinu rotora A bez ikakovog smanjenja brzine,
ne može doći do pretvorbe energije iz vjetra;
• Između ta dva ekstrema, mora postojati optimum korištenja snage
vjetra smanjenjem brzine.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
• 1926. god., Betz i Glauert su ustanovili da se vjetroturbinom
maksimum snage pretvara ako se brzina vjetra v1 reducira na v3=1/3v1
daleko iza rotora.
• Stoga, brzina u ravnini rotora iznosi v2=2/3 v1 (sl. 2.17). U ovom
teorijskom slučaju snaga iznosi
(2.5)
gdje je cp,Betz koeficijent snage i iznosi cp,Betz=16/27=0,59.
• Čak i pod pretpostavkom idealne pretvorbe energije, bez gubitaka,
samo 59 posto snage vjetra može biti iskorišteno.
• Stvarni koeficijenti snage cp su niži. Vjetroturbine na principu sile
otpora imaju cp ispod 0,2. One na principu uzgonske sile s dobrim
oblikom lopatice mogu doseći cp do 0,5.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Sl. 2.17 Širenje strujnica kao rezultat smanjenja brzine
zraka koji struji kroz rotor vjetroturbine
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
2.3.2. Uređaji na principu otpora
y Uređaji na principu otpora iskorištavaju silu koja djeluje na
površinu okomitu na smjer strujanja vjetra (sl. 2.16), a naziva se
sila otpora:
y Sila otpora proporcionalna je površini a na koju djeluje, gustoći
zraka ρ, kvadratu brzine vjetra v.
y Koeficijent otpora cD je konstanta koja opisuje aerodinamiku
tijela: što je manji cD, manja je i sila otpora (sl. 2.18).
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
cD
Tijelo
1.11
okrugla ploča
1.10
četverokutna ploča
0.34
polu-sfera (otvorena pozadina)
1.33
polu-sfera (otvorena prednja
strana)
Sl. 2.18 Primjena sile otpora kao pogonske sile
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Okretni moment, brzina vrtnje i snaga ranih perzijskih (ili kineskih)
vjetrenjača s vertikalnom osi, koje su funkcionirale na principu
sile otpora, mogu se jednostavno odrediti koristeći pojednostavljenje
da je okretni moment zamjenskog sustava (sl. 2.19.b) jednak onom
stvarnog sustava (sl. 2.19.a).
Sl. 2.19 Princip rada perzijske vjetrenjače (a); pojednostavljeni model (b)
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Ovdje, brzina vjetra na lopatici iznosi w=v-u, tj. razlika je brzine vjetra v
i obodne brzine površine djelovanja u=ωRM na srednjem polumjeru RM.
Prema tome izraz za silu otpora je:
(2.7)
Iz ovoga dobivamo srednju vrijednost pogonske snage (stvarna snaga
se lagano povećava i smanjuje, tj. pulzira):
(2.8)
Pogonska sila je (kao i snaga sadržana u vjetru) proporcionalna je
površini djelovanja a i brzini vjetra v3. Izraz u vitičastoj zagradi jednak
je koeficijentu snage cP (aerodinamska iskoristivost). Iz njega
dobivano dio ukupne energije vjetra koja se pretvara u mehaničku.
Ovaj koeficijent mora biti manji od maksimalnog cP.Betz=0,59 kojeg je
odredio Betz.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Koeficijent snage ovisi o omjeru obodne brzine vrha lopatice u=ωRM i
brzine vjetra v i naziva se omjer brzina λ=u/v.
Dijagram cP(λ)=cP(ωRM/v) prikazuje koliki dio snage vjetra av3ρ/2 može
biti iskorišten pri danoj brzini vjetra v, ovisno o obodnoj brzini vrha
lopatice u odn. kutnoj brzini ω. Sl. 2.20 prikazuje takav dijagram za
pravokutnu ploču kao nastrujnu površinu (cD=1,1, vidi tablicu na sl.
2.18). Pri potpunom mirovanju (λ=0), ništa od energije vjetra se ne
transformira u mehaničku energiju. Isto tako ništa se ne transformira
pri λ=1, kada se nastrujna površina pomiče pri brzini vrha lopatice
jednakoj brzini vjetra. Između tih krajnosti, koeficijent snage doseže
svoj optimum od cP.max≈0,16 pri λopt≈ 0,33. Stoga, samo 16% energije
vjetra može biti transformirano u mehaničku energiju.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Sl. 2.20 Koeficijent snage kao funkcija omjera obodne brzine vrha
lopatice i brzine vjetra (ωRM/v) za perzijsku vjetrenjaču
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Za anemometar kao na sl. 2.21, veličina pretvorene energije je još
manja: u ovom slučaju pojavljuju se dodatni gubici, zbog toga što se
svaka lopatica na povratku mora gibati suprotno od smjera strujanja
vjetra w=v+u (sl. 2.21).
Aerodinamička iskoristivost anemometra biti će procijenjena
primjenom istih pojednostavljenja. Pomoću izraza za pogonsku silu
otpora:
(2.9)
i za kočionu silu otpora
(2.10)
dobivamo snagu
(2.11)
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Sl. 2.21 Anemometar (a) i zamjenski model (b)
Ponovo, u vitičastim zagradama sadržan je koeficijent snage cP(λ) s
maksimumom cP.max≈0,08 (λopt=0,16) koji je čak i niži od perzijskih
vjetrenjača (Sl. 2.22). Stoga se ovakve naprave ne koriste za
pretvorbu energije vjetra. One se koriste u modu relativnog mirovanja
kao mjerni instrumenti brzine vjetra, npr. anemometar.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Sl.2.22 Koeficijent snage kao funkcija omjera brzina na vrhu lopatice za
anemometar (aproksimacija)
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Omjer brzina na vrhu lopatice u stanju relativnog mirovanja λidle=0,34
uz λ= ωRM/v=2πRMn/v daje neposredno ”kalibracijski faktor” između
brzine vrtnje n brzine vjetra v:
⎛ RM
v = ω ⎜⎜
⎝ λidle
⎞
⎛ RM
⎟⎟ = 2π ⎜⎜
⎠
⎝ λidle
⎞
⎟⎟n
⎠
(2.12)
Procijenjena vrijednost λidle=0,34 dobro se slaže s rezultatima
mjerenja.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
2.3.3 Uređaji na principu sile uzgona
Kod mnogih tijela kao što su aerodinamski profili ili poprečna ploča,
sila koja je rezultat djelovanjem vjetra na ta tijela, ima osim
komponente sile otpora D (koja djeluje u smjeru strujanja vjetra) i
komponentu sile okomitu na smjer strujanja vjetra (sl. 2.23): silu
uzgona L
(2.13)
Slično kao i sila otpora, sila uzgona je proporcionalna površini a=cb
te dinamičkom tlaku v2ρ/2.
Sila uzgona aerodinamičkog profila djeluje na približno ¼ duljine
tetive mjereno od ulaznog brida, ako je napadni kut α mali. Sl. 2.23
prikazuje da pri malim napadnim kutevima α (do oko α=10°) koeficijent
uzgona cL, a time i sila uzgona, su direktno proporcionalni kutu α:
(2.14)
uz
za
α<0,1745 (10°)
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Za idealno tanku, beskonačne širine pravokutnu ploču, cL'= 2π.
Stvarne vrijednosti su nešto niže, cL'= ≈5,5. Također tu je prisutna i
sila otpora D. Međutim, ona je kod dobrih aerodinamskih profila te uz
umjerene napadne kuteve jako mala (cD/cL=1/20 do 1/100). Samo
preko kuteva većih od α=15°, značajno se povećava (sl. 2.23).
Sl. 2.23 Sila uzgona L i sila otpora D aerodinamskog profila te
pripadajući koeficijenti cL i cD kao funkcija napadnog kuta α
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Naprave na principu sile uzgona koriste silu uzgona kao pogonsku
silu. Kako bi se ih jasno razlikovalo od uređaja na principu sile otpora
o kojima je prethodno bilo riječi, osnovni princip biti će objašnjen
koristeći primjer Darrieus rotora. Iako se radi o uređaju na principu
uzgona, koristi vertikalnu os vrtnje, koja je zapravo tipična za uređaje
na principu sile otpora (sl. 2.24, sl. 2.5.b).
Sl. 2.24 Princip rada Darrieusova rotora
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Omjer brzina na vrha lopatica, tj. omjer obodne brzine vrha lopatice i
brzine vjetra, kod Darrieusova rotora je malo veći nego kod ranije
spomenutih uređaja na principu sile otpora (s λmax=1 kao maksimum).
Sila uzgona L je višestruko veća od sile otpora te je stoga relevantna
pogonska sila rotora. Po definiciji, ona je okomita na smjer strujanja
vjetra koji presijecaju lopatice rotora, te preko kraka h realizira željeni
okretni moment.
Svi uređaji s horizontalnom osi vrtnje, kao što je stupna vjetrenjača,
nizozemska vjetrenjača u obliku toranja te mediteranska vjetrenjača s
jedrima, pogonjeni su silom uzgona (sl. 2.25). Njihovi postignuti
koeficijenti snage iznosili su oko cP.max≈0.25 te tako bili značajno veći
nego oni kod uređaja pogonjenih silom otpora. Moderne vjetroturbine
s horizontalom osi i dobrim profilom lopatica (nizak koeficijent otpora)
postižu maksimalne koeficijente snage od cP.max=0,5, te se njihova
vrijednost približava graničnoj vrijednosti izračunatoj od strane Betz-a
i Glauert-a u iznosu cP.Betz=16/27=0,59.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Sl. 2.25 Primjena sile uzgona kao pogonske snage vjetrenjača
s horizontalnom osi vrtnje
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
2.3.4 Usporedba uređaja na principu sile otpora i sile uzgona
Razmatranje Betz-a i Glauert-a, da je maksimalna snaga koja se može
transformirati iz vjetra 59%, ne govori ništa o načinu na koji se ta
snaga transformira u ravnini vrtnje vjetroturbine (sl. 2.17). Prema ovim
razmatranjima, rane Orijentalne naprave na principu sile otpora su
jednako pogodne za korištenje energije vjetra kao i kasnije
zapadnjačke vjetrenjače na principu sile uzgona.
Samo detaljnija analiza može pokazati zašto je Smeaton čak rane 1759.
god. izmjerio koeficijente snage od cP.max=0,28 za nizozemske
vjetrenjače. Danas se, korištenjem sofisticiranih aero-profila, može
postići čak koeficijenti snage od cP.max=0,5. Vrijednost navedena u
poglavlju 2.3.2 pokazuje, da su maksimalne vrijednosti za cP kod
uređaja na principu sile otpora oko 0,16. Koji je razlog bolje
učinkovitosti uređaja na principu sile uzgona?
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
• Razlog je veća aerodinamska sila koja se može postići s jednakom
površinom lopatice a.
• Iako su aerodinamski koeficijenti snage cD.max i cL.max približno jednaki
(sl. 2.26), relativna brzina w pokazuje bitnu razliku:
9 Za naprave na principu sile otpora, relativna brzina je w=v-u=v(1-λ), i
stoga, uvijek manja od brzine vjetra, zbog toga što se smanjuje preko
omjera brzina na vrhu lopatice;
9 Za
uređaje
na
principu
sile
uzgona,
relativna
brzina
w=(w2+u2)1/2=v2(1+λ2)1/2 je geometrijska suma brzine vjetra v i obodne
brzine vrha lopatice u. Stoga, relativna brzina je uvijek veća od brzine
vjetra. Ovisno o omjeru brzina na vrhu lopatice, može biti i do deset
puta veća.
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
Sl. 2.26 Usporedba uređaja
na principu sile otpora i
sile uzgona
2 Povijesni razvoj vjetrenjača
2.3 Fizikalne osnove korištenja energije vjetra
• Za uređaje na principu sile uzgona, aerodinamska sila - koja sadrži
kvadrat relativne brzine - je višekratnik one kod naprava na principu sile
otpora s istom površinom a.
• Aerodinamske sile uređaja na principu sile otpora, koje mogu biti
iskorištene na “aktivnoj površini vrtnje” pomoću principa sile otpora,
premale su da bi se čak i približile izlaznoj snazi od 59%.
• Čak ni uređaji na principu sile uzgona ne dostižu ovu idealnu
vrijednost. To je zbog činjenice da Betz-ova i Glauert-ova razmatranja
ne uzimaju u obzir neke od gubitaka koji se pojavljuju kod realnog toka
zraka.
Hvala na pažnji!
Katedra za turbostrojeve
3 POGLAVLJE:
Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
Pripremio: Prof.dr.sc. Zvonimir Guzović
Zagreb, 2010.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.1 Uvod
¾ U industrijskim zemljama, energija vjetra je gotovo isključivo
korištena za proizvodnju električne energije kojom se napaja električna
mreža.
¾ Na mjestima s pogodnim uvjetima vjetra, rad na električnu mrežu
prešao je granicu ekonomske isplativosti.
¾ Tražeći pouzdan i ekonomski isplativ rad za to najčešće korištenje
energije vjetra, razvijeno je mnoštvo tehničkih koncepata.
¾ Svi su imali specifične prednosti i mane, i vrlo često su samo
predstavljali
filozofiju
konstruiranja
pojedinog
proizvođača
vjetroturbina.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.1 Uvod
¾ Osim toga, vjetroturbine se mogu koristiti nezavisno od glavne
elektro mreže u zasebnom sustavu;
¾Takve aplikacije mogu se naći, među ostalim, u zemljama u razvoju
gdje nema guste i dalekosežne glavne mreže, posebice u ruralnim
područjima;
¾ U takvim situacijama, zasebni sustavi za iskorištenje energije vjetra
mogu biti instalirani za razne namjene:
• pokretanje pumpe za vađenje pitke vode, za navodnjavanje ili
odvodnjavanje;
• pokretanje glodalica, pila, čekića ili preša;
• za energetske potrebe:
9za pokretanje motora, npr. alatnih strojeva,
9za punjenje baterija, npr. radio stanica,
9za rasvjetu, npr. u radionicama ili operacijskim dvoranama u
bolnicama;
• za grijanje, npr. vode za pranje ili sterilizaciju aparata;
• za hlađenje, npr. lijekova.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.1 Uvod
¾ Različite primjene i uvjeti pod kojima uređaj radi zahtijevaju različite
vjetroturbine.
¾ Turbina koja se može koristiti u svim uvjetima je tehnički i, povrh
svega, ekonomski neizvediva.
¾ Prema tome, postoje različita tehnička rješenja za konstrukciju
vjetroturbine, određena njezinom stvarnom primjenom.
Ovo poglavlje će:
9 prikazati, analizirati i ilustrirati različite koncepte;
9 prvo podpoglavlje prikazat će više od trideset različitih vjetroturbina;
9 one ne predstavljaju samo specifične tehničke koncepte, već su
također i dio moderne povijesti iskorištavanja energije vjetra;
9 na ovim predavanjima će se usredotočiti na vjetroturbine s
horizontalnom osi vrtnje.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.1 Uvod
¾ Najvažnije komponente
vjetroturbina s horizontalnom osi
vrtnje su prikazanena sl. 3.1;
¾ To je primjer vjetroturbine
spojene na mrežu koja
predstavlja prvu generaciju
serijski proizvedene (1981./82.);
¾ Različite izvedbe za te
strukturne komponente
(sklopove) bit će sustavno
razmotrene u sljedećim
podpoglavljima.
Sl. 3.1. Komponente i
funkcionalni elementi
vjetroturbine s horizontalnom osi
spojene na elektro mrežu
VESTAS V15-55 - 1981/82 - jedna
od prvih modernih serijski
proizvedenih vjetroturbina
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Vjetroturbine prikazane u ovoj usporedbi predstavljaju različite
»osnovne tipove«;
¾ One su karakteristične zbog specifičnih primjena i korisnika kao i
zbog specifičnih stadija tehnološkog razvoja;
¾ Taj pregled ne navodi sve vrste turbina niti je obilježje trenutnih
tržišnih razvoja;
¾ Cilj je dati dovoljan broj primjera za ilustraciju različitih tehnoloških
koncepata;
¾ Tablica 3.1 daje pregled glavnih podataka i karakteristika turbina.
¾ Na kraju izlaganja bit će dane skice gondola nekih od tih turbina.
Tablica 3.1 Pregled glavnih podataka i karakteristika turbina
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Vjetroturbine prikazane u ovoj
usporedbi
predstavljaju
različite
»osnovne tipove«;
¾ One
su
karakteristične
zbog
specifičnih primjena i korisnika kao i
zbog specifičnih stadija tehnološkog
razvoja;
¾ Taj pregled ne navodi sve vrste
turbina niti je obilježje trenutnih
tržišnih razvoja;
¾ Cilj je dati dovoljan broj primjera za
ilustraciju
različitih
tehnoloških
koncepata;
¾ Tablica 3.1 daje pregled glavnih
podataka i karakteristika turbina.
¾ Na kraju izlaganja bit će dane skice
gondola nekih od tih turbina.
Sl. 3.2 Povijesni prototipovi vjetroturbina
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
3.2.1 Istraživački prototipovi
¾ Uslijed utjecaja prve naftne krize 1973. god., svuda u svijetu započeli su
istraživački i potporni programi za iskorištavanje energije vjetra;
¾ U mnogim zemljama, međutim, to nije bio posve nov početak, ali je
pridonio nastavku aktivnosti iz 1950.-tih koje su već dovele do nekih
prototipova s više od 1 MW snage.
¾ U Danskoj, GEDSER-ova turbina podignuta 1957. god. (sl. 3.2.a) bila je
tehnički orijentir, dok je TVIND-ova turbina (sl. 3.2.b) koja je počela raditi
1977. god. predstavljala više politički znak;
¾ Na početku državne potpore, ovaj ambiciozan projekt koji je bio
inicijativa »profesionalnih laika« iz privatne škole, bio je uvjerljiv dokaz da
se energija vjetra može koristiti. Danas, TVIND-ova turbina radi sa
smanjenom snagom, doduše, to je velika turbina s rekordom u najdužem
radu. Dok 1988. god. ELSAM 2000 (2 MW, D=61 m) nije spojena na mrežu,
TVIND-ova turbina bila je jedina turbina u Danskoj snage 1 MW i više;
¾ Ovdje je državna potpora unaprijedila razvoj vjetroturbina za serijsku
proizvodnju.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ U Švedskoj, Njemačkoj, Kanadi i SAD-u, državna je potpora favorizirala
razvoj velikih prototipova. Taj pristup je protivan danskom načinu
»dodimenzioniranja«, tj. postepenog povećanja turbina prihvatljivih za
tržište. Izuzev strukturnih i političkih razloga za odluku o potpori velikih
prototipova, glavni zaključak je da specifična cijena po kW instaliranog
kapaciteta bude mala, u skladu s tada prevladavajućim mišljenjem.
¾ Slično GEDSER-ovoj turbini po »danskom konceptu«, za mnoge
europske istraživačke turbine iz ranih 80.-tih, tehnički orijentir bila je
turbina snage 100 kW profesora Hüttera (Sveučilište Stuttgart) sagrađena
1958. god., koja koristi rotor s dvije lopatice ugrađene na glavinu (sl.
3.2c).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i
komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Uspjeh i havarija njemačke 3 MW
turbine GROWIAN (sl. 3.3.a) naveliko
je raspravljan među stručnjacima i u
medijima: rani zamor materijala
komponenata glavine rotora uslijed
prekomjernog opterećenja prekinuo
je eksperimentalni pogon i doveo do
demontaže turbine u ljeto 1988. god
nakon rada od samo 420 sati.
Sl. 3.3 Prva generacija višemegavatnih turbina
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Švedski ekvivalent turbini GROWAIN bila je 3 MW turbina WTS-3
MAGLARP (sl. 3.3b) koja je imala mnogo sličnih konceptualnih detalja. I
dan danas drži svjetski rekord u proizvedenoj energiji među megavatnim
istraživačkim turbinama. Doduše, izvrštena je iz pogona u listopadu
1993. god. Tijekom desetogodišnjeg rada generirala je 37 000 MWh.
Nažalost, regionalna tvrtka koja je preuzela još uvijek funkcionalnu
turbinu za jednu švedsku krunu smatrala je da je održavanje turbine
preskupo;
¾ Nakon »polaganog starta«, drugi švedski megavatni prototip WTS-75
NÄSUDDEN radila je 11 400 sati u četiri godine, prije nego je zatvorena
zbog kvara lopatice rotora 1988. god. Koncept je značajno modificiran i
dalje razvijen, i ostvaren u novom prototipu instaliranom na vrhu stare
utvrde u Näsuddenu 1992. god.;
¾ Gotovo identična turbina po imenu Aeolus II može se pronaći u
Jadebusenu u Njemačkoj (sl. 3.4.a). Švedska i Njemačka su nastavile
svoje aktivnosti glede višemegavatnih turbina u sklopu Europske
zajednice (European Community (EC)). To je karakteristično za drugu
generaciju istraživačkih turbina.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Dvije naredne velike turbine druge generacije instalirane su u
Njemačkoj i dio su programa suradnje Europske zajednice (sa
Španjolskom i Italijom):
9 WKA 60 (sl. 3.4.b) s različitim verzijama instaliranim u Helgolandu
(Njemačka), u Kaiser-Wilhelm-Koogu (Njemačka), i
9 u Cabo Villanu (Španjolska), te MON 50 (sl. 3.4.d). Njezin »mlađi brat«,
MON 30, instaliran je u Italiji.
¾ Unutar okvira europskog istraživačkog programa WEGA, Italija je
također razvila istraživačku turbinu s nekim tehničkim osobitostima.
GAMMA 60 je jedina turbina koja okreće rotor od vjetra zbog ograničenja
izlazne snage (sl. 3.4.c). Unutar WEGA programa razvijeni su prototipovi
za megavatnu grupu koji su se serijski proizvodili do 1996.god.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i
komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
Sl. 3.4 Druga generacija
velikih istraživačkih turbina
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Već 1941.god SAD su instalirale svoju prvu veliku turbinu, Smith
Putnam (sl. 3.2.d). Ipak, istraživački programi stali su zbog ekstremno
niskih cijena nafte. 1978. god., instalirana je prva višemegavatna turbina
iz MOD serije, turbina snage 2 MW (D=61 m). S tom serijom turbina, bilo
je nekoliko smetnji. 3,2 MW turbina BOEING MOD-5b instalirana je 1987.
god.;
¾ Kanada je išla svojim putem razvoja. Njezin višemegavatni program
usredotočio se na razvoj rotora s vertikalnim osima. Do 1988. god.,
turbina EOLE C (D=64 m) držala je svjetski rekord u instaliranoj snazi
generatora od 4,2 MW (sl. 3.3.c). Turbina je predstavljala veliki uspjeh,
barem u prve dvoje godine rada: radila je 7 717 sati i imala raspoloživost
od 95% tijekom tog vremena;
¾ U mnogim zemljama, paralelno uz istraživačke prototipove
megavatnih turbina, razvijaju se i industrijske serijske turbine od oko 2
MW. Do kraja 1999. god., otprilike desetak proizvođača instaliralo je
svoje prototipove. One najveće imaju snagu od 2,5 MW i promjer 80 m
(sl. 3.5). Ti razvoji uglavnom su financirani programima EZ-a (JOULE,
THERMIE). Na početku 2002. prvi prototipovi u rasponu od 3 do 5 MW su
u proizvodnji.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i
komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
Sl. 3.5.a-d. Druga generacija
velikih istraživačkih turbina
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾Za svoje megavatne turbine, mnogi proizvođači koriste koncepte
primijenjene u svojim kategorijama turbina snaga manjih od megavata
koje su uspješno testirane i već su na tržištu (sl. 3.5);
¾HSW je testirao svoju 750 kW turbinu samo kao prototip (sl. 3.5.a) i
povećao ju do 1000 kW s promjerom od 54 m;
¾NORDEX je, također, povećao svoju 800 kW turbinu (sl. 3.5.d) na 1 MW
turbinu i čak do 2,5 MW (D=80 m) u 2000. godini;
¾Za svoje turbine od 1 MW, Nordic (sl. 3.5.b) i Wind Energy Group (Sl.
3.5.g) su koristile konstrukciju koja je vrlo slična njihovom turbinama od
400 kW. Isto je primijenjeno na Nedwind 50 (sl. 3.5.d) što je temeljeno na
tehničkom konceptu Nedwind 40 (sl. 3.5.f);
¾2000. god. većina europskih proizvođača nudila je serijski proizvedene
vjetroturbine snage od 1,5 do 2,5 MW (D=65 do 80 m).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i
komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
Sl. 3.5.e-h. Europske submegavatne turbine
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
3.2.2 Danski koncept
¾ »Danski koncept« postao je tehnički izraz među konstruktorima
vjetroturbina. Označuje relativno jednostavan, pouzdan i robustan
princip konstrukcije koji je već karakterizirao turbinu GEDSER. »Prva
generacija« komercijalno uspješnih vjetroturbina bazirana je na tom
principu;
¾ “Danski koncept” opisuje turbine:
9 s horizontalnom osi vrtnje rotorom na kojem su tri lopatice koje su
kruto pričvršćene na glavčinu;
9 rotor radi s konstantnom brzinom i pokreće asinkroni generator koji je
spojen na elelektričnu mrežu;
9 pogon se sastoji od standardnih dijelova (reduktor, kočnica, spojka,
generator) koji su montirani na nosač u linearnom rasporedu (sl. 3.1);
9za orijentaciju rotora prema vjetru, koristi se mehanizam za zakretanje;
¾za ograničavanje izlazne snage koristi se efekt tzv. prekida strujanja
(“stall”), a za kontrolu prekoračenja brzine vrtnje postoje mehaničke i
aerodinamičke kočnice.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ S Danskim konceptom, prvi standardni tip nastao je na početku 80.-tih:
9 Taj standardni tip imao je promjer rotora od 15 do 17 m i nazivnu
snagu od 55 kW;
9 Danski proizvođači prodali su na desetke tisuća takovih turbina, a
najviše velikim kalifornijskim vjetroelektranama. U toj regiji, energetski
propis Carterove vlade (PURPA-Act 1978) kreirao je povoljan porez i
administrativni okvir i odgovarajuće veliko tržište. To je bio veliki proboj
za danske vjetroturbine izvan njihovog malog domaćeg tržišta, bez
ikakve veće konkurencije u blizini;
9 Turbina od 55 kW predvodnika danskog tržišta VESTAS (D=15 m; sl.
3.6.a) postala je tipični predstavnik te standardne klase.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i
komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
Sl. 3.6 Danske vjetroturbine - razvoj
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ U ranim 90.-tim, danski proizvođači bili su tržišni lideri glede turbina u
rasponu od 150 do 300 kW. S tim turbinama, danski koncept je dalje
razvijan i sve raznolikiji:
9 Neki proizvođači poput NORDTANK-a (Sl. 3.6b) držali su se
jednostavnih konstrukcija kako bi zadržali cijenu niskom. Oni su ti koji su
još uvijek najbliži »originalnom« danskom konceptu;
9 Druge kompanije poput WIND WORLD-a (Sl. 3.6.c) koristile su posebno
razvijene integrirane komponente za pogonsku vodilicu;
9 Za svoje najveće turbine, VESTAS je odustao od jedne od glavnih
karakteristika danskog koncepta, a to je ograničavanje izlazne snage
prekidom strujanja. Za svoju turbinu snage 225 kW (Sl. 3.6.d) i za veće
turbine, ulazna snaga u rotoru uslijed jakih vjetrova sada je kontrolirana
promjenom koraka lopatica;
9 Teško je predvidjeti do koje je veličine turbine danski koncept održiv.
Većina turbina u rasponu 500 kW oslanja se na ovaj koncept.
Iznenađujuće, čak i turbina snage 1,5 MW NAG Micon (D=64 m) je turbina
potpuno kontrolirana prekidom strujanja.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
3.2.3 Razvoj na njemačkom tržištu
¾ U Njemačkoj, politika potpore isključivo velikih istraživačkih turbina
dovela je do situacije gdje su srednj-velike kompanije – koje su
tradicionalno uključene u proizvodnju vjetroturbina tehnički (i
ekonomski) zaostale za stranom konkurencijom. Dok u ranim 90.-tim
napokon nije došla vlasnička potpora (1989. god.: program 100 MW;
1990. god. prošireno do 250 MW), samo je nekoliko proizvođača moglo
isporučiti turbine snage 150 kW i one veće kako bi se zadovoljio zahtjev
tržišta.
¾ HUSUMER SCHIFFSWERFT je slijedio danski koncept sa svojom
turbinom HSW 250 (Sl. 3.7a). TACKE je stekao veći udio na tržištu nakon
proizvodnje turbine snage 600 kW i promjera rotora 43 m (1994.god.).
¾ ENERCON je prva njemačka kompanija koja je uspješno napustila
danski princip i predstavila potpuno novi koncept (vidi sl. 1.14):
9 promjenjiva brzina vrtnje;
9 rotor kontroliran promjenom koraka lopatice;
9 direktno pogonjen sinkroni generator, bez reduktora;
9 ac-dc-ac pretvorba za mrežni priključak.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i
komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
Sl. 3.7 Njemačke vjetroturbine iz
kategorije srednje velikih
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ENERCON-ova turbina E-40 (sl. 3.7b) pokrenuta 1992./93. god. postala
je najuspješnija. Više od 2300 takvih turbina podignuto je diljem svijeta
do kraja 2000.-te god. 1996. god. taj sustav je proporcionalno povećan na
turbini E-66 (1500 kW, D=66 m).
¾Kasnije (1995. god.) je TACKE, poput drugih njemačkih proizvođača
(DEWIND, SÜDWIND) napustio danski koncept. TACKE-ova turbina TW
1.5 (1500 kW, D=65 m) ima kontrolu promjenom koraka lopatica i
promjenjivu brzinu vrtnje (sl. 3.7.d). Iako drugačija od ENERCON-a, te
kompanije koriste dvostruko napajani asinkroni generator s ac-dc-ac
pretvorbom za mrežni priključak. Generator je pogonjen preko reduktora.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
3.2.4 Samostalni energetski sustavi
¾ Ovo potpoglavlje je više ili manje povijesno, i pokazuje veliku
raznovrsnost koncepata koji se pojavljuju kada se radi o samostalnim
primjenama;
¾ Sl. 3.8 prikazuje vjetroturbine koje su do različitog stupnja razvijene
kroz istraživačke aktivnosti Tehničkog Sveučilišta (TU) u Berlinu. U
fokusu tih istraživanja je integracija vjetroturbina u samostalne
energetske sustave: punjači baterija, sustavi pumpanja vode pomoću
vjetra, izolirane mreže i hibridni sustavi (vjetar/solarni ili vjetar/ dizel).
¾ Između
1978. i 1990.god., Interdisciplinary Project Group for
Appropriate Technology (IPAT) u suradnji s raznim institutima Tehničkog
Sveučilišta u Berlinu razvili su, između ostalog, sustave za pumpanje
vode pomoću vjetra za zemlje u razvoju. To je bio temelj za razvoj IPATove vjetroturbine (sl. 3.8.a desno) koja je bila namijenjena za izradu na
lokalnoj razini u zemljama u razvoju s ograničenim znanjem o proizvodnji.
Ona pogoni centrifugalnu pumpu koja je spojena mehanički direktno na
rotor, i korištena je za navodnjavanje i odvodnjavanje.
3 Vjetroturbine –
konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih
vjetroturbina
Sl.3.8 Vjetroturbine za samostalne
energetske sustave (razvoj na TU
Berlin)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ S električki pogonjenom (generatorom i motorom) centrifugalnom
pumpom, sustav crpljenja pomoću vjetra je kompleksniji, ali ima širu
upotrebu. U tu svrhu, razvijena je vjetroturbina TUP 6.0E (sl. 3.8.a lijevo).
Ona ima regulaciju promjenom koraka lopatica. Isti rotor koji je tehnički
sofisticiraniji, ali i učinkovitiji od rotora s jedrom, je korišten za sustave s
mehanički spojenom pumpom (TUP 6.0M, sl. 3.8.a sredina);
¾ SÜDWIND je modificirao svoje serije 1200 (sl. 3.8.b) za samostalne
aplikacije nudeći verziju sa sinkronim generatorom od 30 kW. Verzija tih
turbina spojenih na električnu mrežu je izvorno opremljena s asinkronim
generatorima od 30 do 45 kW, ovisno o položaju. U samostalnim
sustavima, vjetroturbina može raditi u kombinaciji s dizel agregatom, radi
povećanja sigurnosti napajanja. Posebnost te turbine je pokretljivi
zglobni rotor. To je rezultat velike studije o dinamici vjetroturbina s
elastičnim ovjesima rotorskih lopatica na TU Berlin.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ ATLANTIS WB 15 (sl. 3.8.c) je hibridni sustav koji koristi vjetar i solarnu
energiju. Razvijen je za sustave vjetar/baterija za male korisnike s
potrebom za visokom sigurnosti energije;
¾ Odjel bioelektronike i razvojne tehnologije na TU Berlin razvio je
BERWIAN, vjetroturbinu koja koristi efekt koncentracije. Vrtlozi koji se
stvaraju na krajevima lopatica (fiksne) koncentracijske rozete dovode do
povećane brzine vjetra u radnom području rotora. Zbog skupljača,
rotirajuća masa turbine može biti održavana malom. A uslijed povećane
brzine rotora, može biti korišten manji reduktor ili može raditi bez njega.
Eksperimenti koji koriste ovaj princip dokazali su da je izlazna snaga na
rotoru povećana za faktor 8.
¾ Slično turbinama razvijenima na TU Berlin i prikazanima na sl. 3.8,
turbine za samostalne energetske sustave drugih proizvođača prikazane
na sl. 3.9 su od manje važnosti s obzirom na trenutno tržište
vjetroturbina. Tržištem prevladava gotovo isključiva potražnja za
vjetroturbinama spojenim na električnu mrežu. Doduše, samostalni
sustavi su zanimljivi za teoretske rasprave po pitanju konstrukcije.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i
komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
Sl. 3.9 Vjetroturbine u samostalnim
energetskim sustavima
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Iznimka je KIJITO 20FT (sl. 3.9.a). Ona slijedi koncept američke
zapadnjačke vjetrenjače i razvio ju je I.T. POWER iz Velike Britanije. Kao
dio transfera tehnologije, njezina proizvodnja bila je premještena u Keniju
kako bi se prodavala na njezinom domaćem tržištu i u susjednim
zemljama, i ona ima malo, ali pouzdano tržište.
¾ Vjetroturbina razvijena na Sveučilištu u Stuttgartu, Njemačka, FLAIR 8
(sl. 3.9.b) ima potpuno različitu tehnološku razinu. Testirana je kao sustav
za crpljenje vode pomoću vjetra gdje je centrifugalna pumpa pogonjena
»električnim vratilom«, tj. direktnim spajanjem generatora i motora
pumpe preko kabla bez sustava električne kontrole, slično pristupu
korištenim za TUP 6.0E TU Berlina. Glavna točka interesa u vezi turbine
FLAIR, je koncept prof. Wortmanna s rotorom s jednom lopaticom koji je
elastično ovješen na gondolu. Gondola je također postavljena elastično
na stup. Osnovna ideja je da intenzivno konstrukcijsko naprezanje –
kojem je izložena vjetroturbina uslijed naizmjeničnog opterećenja zbog
složene dinamike sustava – može biti smanjeno dopuštanjem dinamičkim
silama »slobodno djelovanje«, kontrolirano mehaničkim i aerodinamičkim
prigušenjem.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Princip rotora s jednom lopaticom predložen od strane Wortmanna je
primijenjen dosljedno na turbini FLAIR, i nadmeće se konceptualno, do
neke granice, s Hütterovim rotorom s dvije lopatice i pomičnom
glavinom;
¾ Baš kao što je Hütterov koncept realiziran u turbini GROWIAN,
jednolopatični rotor bio je osnova za turbinu MONOPTEROS MBB-a (sl.
3.4.d). Turbina MON 400, prethodnik turbine MON 50, izvorno je
namijenjena kao »model« za GROWIAN 2 koji je trebao biti izgrađen
slijedeći isti princip, s promjerom rotora od 120 m i instaliranim
kapacitetom od 4,2 MW;
¾ Turbina FLAIR kontrolira korak lopatica mehaničkim centrifugalnim
regulatorom. Turbina WENUS INVENTUS također koristi mehanički
regulator za ograničenje izlazne snage. U tom slučaju, doduše,
aerodinamičke sile ovise o brzini vjetra, i inercijske sile lopatice rotora
povezane s brzinom rotora rade kao regulacijske sile. Sl. 3.9.c prikazuje
tu turbinu kao sustav za crpljenje vode u unutrašnjoj Mongoliji;
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.2 Kratki opis različitih vjetroturbina
¾ Rad bez reduktora jedna je od posebnosti turbine HM56 kompanije
HEIDELBERG MOTOR (sl. 3.9.d). U glavini rotora, integriran je okrugli
generator s područjem putujućih valova. HM56 je nadalje razvijena i
adaptirana za specifične potrebe za energetsko napajanje (vjetar/dizel
sustav) istraživačke stanice »Georg von Neumayer« na Antartici.
Trolopatični rotor s vertikalnom osi vrtnje (H-Darrieus) omogućuje vrlo
robusnu konstrukciju za ekstremne vremenske uvjete.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
¾ Konstruktori vjetroturbina moraju imati na umu neke konstrukcijske
osobitosti tipične za ovu tehnologiju. Te osobitosti su važne za skoro
svaki detalj vjetroturbine. Za razliku od korisnika, za konstruktora
vjetroturbine je glavni vibracijski sustav, i tek nakon toga uređaj za
pretvorbu energije. Statička opterećenja svih komponenti vjetroturbine
su dodana visokom dinamičkom udjelu. To nije samo uzrokovano
stohastičkim fluktuacijama vjetra, nego i periodičnim pobudama iz
rotacijske brzine i njenih višekratnika;
¾ Za dimenzioniranje zamorne čvrstoće vjetroturbine, zbog dinamičkog
opterećenja moraju biti simulirani ciklusi ekstremno visokog
opterećenja. Predviđeni životni vijek od dvadeset godina za turbinu s
nominalnom rotacijskom brzinom od 50 okretaja u minuti (tipična
turbina od 55 kW) i koja radi 5500 sati u godini, rezultira s 109
(20x50x5500x60x3) ciklusa opterećenja za trolopatični rotor. Za mnoge
materijale, poput kompozita, ne postoje pouzdani podaci o njihovoj
zamornoj čvrstoći za takvu izdržljivost.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
¾ Druge značajke vjetroturbina su da razne komponente (reduktor,
generator, pumpa, itd.) rijetko rade u nominalnim uvjetima već većinom
u djelomičnom opterećenju. Mnogi proizvođači dijelova ne mogu pružiti
pouzdane podatke za to područje rada. Povrh toga, učinkovitosti
komponenata se mijenjaju ako na rade pri nazivnom opterećenju. Iz tog
razloga, potrebno je pažljivo dimenzioniranje cijelog sustava radi
postizanja maksimalnog energetskog iskorištenja unatoč redovnom
djelomičnom opterećenju;
¾ S obzirom na činjenicu da se energija iz obnovljivih energetskih izvora
često zanemaruje kao »jednostavna tehnologija«, razvoj vjetroturbina
zahtjeva visoki stupanj interdisciplinarnosti. Veliki broj specijaliziranih
područja moraju se staviti u njihovu ekspertizu: aerodinamika,
strojarstvo,
dinamika
konstrukcija,
elektrotehnika,
regulacija,
konstrukcije, obrada kompozita, i elektronika. U počecima korištenja
energije vjetra, tehnički, vremenski, i povrh svega financijski zahtjevi za
razvoj pouzdanih i ekonomski učinkovitih vjetroturbina bili su često
podcijenjeni i to je dovelo do mnogih velikih prepreka.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
3.3.1 Primjene i nadzorni sustavi
¾ Uzajamna ovisnost primjene i konstrukcijskog koncepta vjetroturbine
već je spomenuta u poglavlju 3.2. Drugo važno rješenje koje mora
donijeti konstruktor u vezi konstrukcije jest nadzorni sustav. To je u
biti tehničko sučelje između primjene ili načina rada i konstrukcije
vjetroturbine.
¾ Koncept nadzornog sustava ne obuhvaća samo parametre za
kontroliranje režima rada vjetroturbine, nego također sve mjere koje
se odnose na ograničenje izlazne snage i zaštite turbine, npr. rješenje
da li ograničiti izlaznu snagu pasivno zaustavljanjem ili aktivno
kontrolom zakretanja lopatica.
¾ Nadzorni sustav je od velike važnosti za konstruiranje vjetroturbine
budući da veliki dio radnog i vršnog opterećenja na komponente
slijede od njega: primjerice, opterećenje na stup za ekstremnih
vjetrova jako ovisi o sigurnosnom konceptu turbine.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
¾ Većina vjetroturbina koristi programski kontroliranu elektroniku u
svom nadzornom sustavu. U pravilu, ona dijeli rad vjetroturbine u
četiri radna područja (sl. 3.10), i ovisno o brzini vjetra, kontrolira
prijelaz između tih režima kao i povezane funkcije turbine:
oslobađanje rotora, startanje, sinkronizacija mreže, spajanje
generatora, zakretanje, kontrola izlazne snage, i isključivanje.
¾ Nadalje, sažete su tipične brzine vjetra na visini glavine rotora za rad
vjetroturbine (VESTAS V27-225):
9 minimalna brzina
3.5 m/s
9 nazivna brzina
13.5 m/s
9 maksimalna brzina
25 m/s
9 brzina preživljavanja
cca 70 m/s
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
Sl. 3.10 Radno područje vjetroturbine VESTAS V27-225
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
¾ Raspodjela vjetra dana na sl. 3.10 prikazuje da vjetroturbina - ovisno
o položaju i vrsti turbine - radi i do 75% vremena u režimu
djelomičnog opterećenja, tj. bez ograničenja izlazne snage. Ostalih
25%, turbina je isključena ili radi u režimu tzv. nominalne snage, tj. s
kontrolom izlazne snage (npr. regulacijom koraka lopatica). Za mnoge
lokacije, rad u režimu nominalne snage teško da je iznad 10%
ukupnog vremena. Udio olujnih vjetrova (>20 m/s) je izrazito nizak.
Vjetroturbine su obično isključene uslijed takvih ekstremnih uvjeta
vjetra s obzirom da uzrokuju visoka opterećenja na turbini.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
¾ Nadzorni sustav ne kontrolira samo miran normalan rad, već i
procesuira ručne zahvate i zaustavlja turbinu u slučaju kvara ili
nepravilnosti koje su »prijavljene« velikim brojem senzora i nadzornih
uređaja:
9 prekoračenje sigurne maksimalne brzine rotora
9 prevelike oscilacije gondole i stupa
9 smanjenje tlaka u hidrauličkim komponentama
9 ispad s električne mreže
9 nizak napon u bateriji nadzornog sustava
9 prevelika snaga, rad izvan faze, smetnje mreže (npr. frekvencija)
9 prevelika temperatura generatora, reduktora ili pogona za zakretanje
9 promjena omjera brzine rotacije generatora i rotora
9 mala brzina zakretanja lopatica
9 pogrešan smjer rotacije rotora
9 niska razina ulja u zupčanicima, nizak tlak ulja za podmazivanje
9 istrošene kočione pločice, prljavi filter hidrauličkog ulja
9 preveliko izvijanje žice, itd.
¾ Bez ikakvih dvojbi, nadzorni sustav je neophodan za siguran rad
vjetroturbine. Zbog toga su, greške ili kvarovi nadzornog sustava
najčešći uzroci havarija, sudeći po statistikama.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
3.3.2 Projektna brzina vjetra
¾ Slika 3.10 prikazuje da najveći udio proizvedene energije turbinom
rezultira iz brzina vjetra koje su prosječne za odgovarajuće područje.
Učinkovitost sustava kompletne turbine mora biti u skladu s brzinom
vjetra koja je određena s maksimalno dobivenom snage. Općenito,
projektna brzina vjetra je određena na oko 1,4 do 2 puta (visoka i
niska gustoća turbulencije, svaka posebno) godišnje prosječne
brzine vjetra na potenijalnoj lokaciji vjetroturbine (sl. 3.10 prikazuje
optimalnu projektnu brzinu vjetra od 8,7 m/s i prosječnu brzinu vjetra
od 5,3 m/s).
¾ S projektnom ili optimalnom brzinom, ovisno o raspodjeli brzine
vjetra na pojedinom području, postaje jasno zašto proizvođači
podešavaju svoje vjetroturbine različito za regije sa slabim ili jakim
vjetrom (obalna područja ili područja unutrašnjosti).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
3.3.2 Osnovni podaci
¾ Slično nadzornom sustavu, osnovne dimenzije vjetroturbine
definirane su na početku, i usko su povezane s budućom primjenom
turbine. Za zadanu proračunsku snagu, potrebni promjer rotora D
može se približno ocijeniti sljedećom jednadžbom:
PN =c P η DT
ρ
2
v
3
N
π
4
D2
gdje se: ρ = 1.2 kg/m3 (gustoća zraka);
cP = 0.3...0.5 (koeficijent snage)
ηDT = 0.7...0.9 (iskoristivost pogonskog sustava, uključujući
generator)
vN = 10...15 m/s (proračunska brzina vjetra)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
¾ Treba uzeti u obzir da brzina vjetra raste s visinom obzirom na
granični sloj atmosfere. To ističe neposrednu važnost visine stupa za
snagu otvarenu vjetroturbinom. Stoga proračunska brzina vjetra
mora biti određena u skladu s uvjetima vjetra na visini osi glavine
rotora.
¾ Tablica 3.1 prikazuje nizak stupanj ovisnosti između promjera rotora
i instaliranog kapaciteta generatora. Važnije za dobivenu snagu su neovisno o učinkovitosti specifičnih za turbinu - uvjeti vjetra na
lokaciji i osnovne dimenzije vjetroturbine (promjer, visina glavine; sl.
3.11). Odluka o dimenziji generatora ovisi više o filozofiji konstrukcije
individualnog projektanta (npr. dimenzioniranje za područje jakog ili
slabog vjetra). Stoga to nije mjera dobivene snage koju treba postići.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.3 Glavna pitanja u vezi konstrukcije vjetroturbine
S. 3.11 Osnovni podaci za velike, srednje i male
vjetroturbine (GROWIAN, Enercon-32, Vestas V15-55)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.4 Rotor
¾ U ovom će potpoglavlju biti razmatrane općenite karakteristike
rotora, kao što su:
9orijentacija njegove osi vrtnje;
9 njegova pozicija u odnosu na stup;
9 omjer obodne brzine na vrhu lopatice i brzine vjetra ili brzine vrtnje i
broja lopatica.
¾ Geometrija i konstrukcija same lopatice kao i konstrukcija glavine za
učvršćenje lopatica za glavno vratilo bit će razmatrani u sljedeća dva
potpoglavlja;
¾ Orijentacija osi vrtnje je jedan od temeljnih razlikovnih kriterija
vjetroturbina:
9najveći broj turbina su uređaji s horizontalnom osi vrtnje, iako neke
važne prednosti uređaja s vertikalnom osi vrtnje i ne smiju biti
zanemarene, i biti će razmatrani kroz poglavlje;
9što se tiče uređaja s vertikalnom osi, osnovna razlika je napravljena
između Darrieus-ovog tipa (također poznatog kao »jajolika«) s
lopaticama koje su zakrivljene i imaju oblik konopca za preskakivanje
(sl. 3.3.c), i uređaja s vertikalnom osi s vertikalnim ravnim lopaticama
poput HM turbine (sl. 3.9.d).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.4 Rotor
¾ Za uređaje s horizontalnom osi vrtnje postoji razlika s obzirom na
poziciju rotora spram stupa:
9 tzv. uz vjetar rotori (eng. upwind rotor) gdje se rotor vrti ispred stupa
uobičajeniji su;
9 kod tzv. niz vjetar rotora (eng. downwind rotor) gdje se rotor vrti iza
stupa lopatica periodički prolazi kroz poremećeno strujanje iza stupu;
9 to stvara buku što je veliki nedostatak za njihovu širu upotrebu;
9 osim toga, dolazi do smanjenja aerodinamskih sila kod prolaza rotor
kroz “mrtvo” područje iza stupu što dovodi do dodatnog periodičkog
opterećenja na takvim turbinama;
9 prednost niz vjetar principa je općenito mogućnost pasivnog
zakretanja koje je, ipak, korišteno samo kod manjih turbina;
9 također su velike turbine, poput GROWIAN-a ili WTS-3, bile izgrađene
kao downwind-turbine (s aktivnim zakretanjam) iz razloga što za
vrijeme udara vjetra, zbog elastičnih lopatica rotora i/ili elastične
glavine rotora, lopatice mogu udariti u stup ukoliko je rotor smješten
ispred njega.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.4 Rotor
¾ Brzina rotora je - slično ostalim glavnim dimenzijama - jedan od
glavnih konstrukcijskih parametara vjetroturbine. Snaga vjetroturbine:
P = MΩ = M 2πn
jednaka je okretnom momentu rotora M pomnoženim s brzinom vrtnje
rotora n=Ω/(2π).
¾ Preko λ=2πnR/v1=ΩR/v1, brzina vrtnje rotora povezana je s omjerom
brzina na vrhu koji je uveden kao omjer obodne brzine vrha lopatice i
brzine vjetra v1. Taj omjer je važan parametar za aerodinamsku
konstrukciju lopatica rotora. Sporohodne turbine imaju omjer brzina
λ=1 i ostvaraju veliki okretni moment (npr. zapadnjačke vjetrenjače za
pogon stapnih pumpi). Vjetroturbine spojene na mrežu konstruirane su
s omjerom brzina λ= 5 do 8 i ostvaraju veliku brzinu vrtnje pogodnu za
pogon električnog generatora (sl. 3.12).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.4 Rotor
Sl. 3.12 Konstrukcijske razlike vjetroturbina s različitim
omjerima brzina na vrhu lopatica
(zapadnjačka vjetrenjača, IPAT-ova turbina s “jedrima”,
NORDTANK 150XLR, VENTIS 20-100, FLAIR 8)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.4 Rotor
¾ Kako je λ ~n/v, turbine s fiksnom brzinom vrtnje imaju omjer brzina
koji varira s brzinom vjetra i mogu, prema tome, doseći vrijednost λd
(projektna vrijednost za njezinu aerodinamičku konstrukciju) samo na
određenoj brzini vjetra.
¾ Usporedbe radi, turbine s promjenjivom brzinom vrtnje rade u
širokom području brzina vjetra kod omjera brzina na vrhu koji je
utvrđen za aerodinamičku optimizaciju lopatica rotora. Rad s
promjenjivom brzinom je prednost za učinkovitost rotora, ali zahtjeva
sofisticiraniji pristup sustavu kako bi se osiguralo napajanje mreže s
konstantnom frekvencijom od 50 ili 60 Hz.
¾ Vjetroturbine s niskim omjerom brzina imaju veliki početni moment, i
zbog toga, zahtijevaju visoku čvrstoću lopatica (sl. 3.12), i uzrokuju
visoko opterećenje rotora na stup kad je turbina isključena. Iz tog
razloga, rotor mora biti okrenut od vjetra prilikom isključivanja.
¾ Vjetroturbine s visokim omjerom brzina ne moraju biti samopokretne,
i trebaju samo nekoliko tankih lopatica.
¾ One s λ>8 (FLAIR s λ=11) više se ne grade. Razina buke rotora
povezana je s omjerom brzina na vrhu lopatice: približno sa šestom
potencijom.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.4 Rotor
¾ Broj lopatica rotora indirektno je povezan s omjerom brzina (sl. 3.12).
Uslijed niskog omjera brzina, zapadnjačke vjetrenjače zahtijevaju
visoku čvrstoću. Zbog toga su često izvedene s dvadeset do trideset
lopatica koje su izrađene od tankih limova.
¾ Brzohodni rotori vjetroturbina za pogon električnih generatora su
uglavnom izvedeni s tri, ali također i s dvije ili čak samo jednom
lopaticom. Moraju biti izvedene od visokokvalitetnih aerodinamskih
profila kako bi se osigurala visoka proizvodnja snage.
¾ Jedan razlog za mali broj lopatica je visoka cijena tih komponenti:
obično je cijena rotora s tri lopatice oko 20% ukupne cijene turbine.
Zato su sve prve generacije turbina snage megawatta izrađene s
dvolopatičnim rotorima (sl. 3.4).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.4 Rotor
¾ Zbog jednolikije raspodjele težine po površini zahvata rotora, rotori s
tri lopatice su dinamički ujednačeniji. Dvolopatični rotor ima ciklički
inercijski moment nasuprot zakretanju gondole oko osi stupa.
¾ Jednolopatični rotor mora dodatno savladati dinamički disbalans jer
aerodinamičke sile na lopaticu nisu kompenzirane drugom lopaticom,
kao kod dvolopatičnog rotora;
¾ Trolopatični rotor je onaj koji se giba, u dinamičkom smislu, poput
diska i zbog toga ujednačeno - također i u vizualnom smislu!
¾ Za jednolopatični rotor koji ima izgled 'zamašne toljage' često se kaže
da ima iritantan utjecaj na krajolik;
¾ Također dvolopatični se giba vizualno 'izvan centra'.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.5 Konstrukcija lopatica rotora i materijali
¾ Konstrukcija lopatice pojedinog rotora određena je korištenim
aerodinamskim profilom, vanjskom geometrijom i korištenim
materijalima.
¾ Različiti omjeri brzina na vrhu lopatice zahtijevaju različito
aerodinamski savršene lopatice (više u Poglavlju 5). Zapadnjačke
vjetrenjače koriste dijelove savinute ploče dok vjetroturbine koje
proizvode električnu energiju koriste aerodinamske profile s visokim
uzgonom s vrlo povoljnim omjerom koeficijenta uzgona i koeficijenta
otpora (omjer uzgon-otpor). Aerodinamski profili serije NACA-44 i
NACA-63 vrlo su popularni.
¾ Zahtijevana aerodinamska kvaliteta lopatica
utvrđuje metodu
proizvodnje i materijal lopatice. Jednostavan profil sporih zapadnjačkih
vjetrenjača rađen je od savijenih čeličnih ploča. Srednjo-brzohodne
vjetroturbine IPAT (λ ≈2; sl. 3.8.a) imaju “jedro” stavljeno preko
“jarbola”. Jedro je geometrijski određeno fiksnim rubom na vanjskom
polumjeru i vezivanjem na unutrašnjem polumjeru. Strujanje zraka
stvara oblik profila.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.5 Konstrukcija lopatica rotora i materijali
¾ Profili brzohodnih turbina su pretežno lamelirani koristeći poliester
ojačan staklenim vlaknima (GFRP), ili u novije vrijeme plastiku ojačanu
karbonskim vlaknima (CFRP). Iako je CFRP skuplji, njegova zamorna
čvrstoća je tri puta veća (sl. 3.13.a) i zbog toga su idealni za laganu
konstrukciju.
Sl. 3.13 Zamorna čvrstoća GFRP i CFRP (a)
i poprečni presjek 12 m duge lopatice (b)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.5 Konstrukcija lopatica rotora i materijali
¾Prijenos opterećenja s GFRP lopatice rotora na metalnu prirubnicu
glavine osjetljivo je pitanje (sl. 3.14). Iz tog razloga, ponekad su kao
primarna struktura lopatica korišteni čelični profili - naročito na velikim
turbinama (GROWIAN, WTS-75). Na turbini AEOLUS II testirane su
lopatice bez tih profila napravljene od GFRP/CFRP kompozita. U
usporedbi sa svojom prethodnicom WTS-75 s konstrukcijom od
kompozita GFRP/čelik, masa je smanjena za 75%. TACKE je koristio
CFRP za primarnu strukturu lopatica na svojim megavatnim turbinama.
Sl. 3.14 Spajanje
lopatice na
prirubnicu glavine
(a) i oštećenje
lopatice zbog
neispravne
prirubnice (b)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.5 Konstrukcija lopatica rotora i materijali
¾ Američka turbina MOD-5b, pilot-projekt, imala je dvolopatični rotor
promjera 97 m koji je bio potpuno zavaren i zakovan iz čeličnih ploča,
u jednom komadu. Izrada cijele lopatice od metala tipična je za
Darrieusove turbine:
za neuvijenu lopaticu konstantne širine,
aluminijski ekstrudirani profil omogućuje jeftiniju proizvodnju;
¾ Manje turbine povremeno koriste drvene kompozite napravljene od
slojeva furnira lameliranog sa smolom i zabrtvljene s GFRP
premazom. WIND ENERGY GROUP razvio je svoju autentičnu
tehnologiju proizvodnje u kojoj su tanki drveni slojevi natopljeni u
epoksidnoj smoli. Ta procedura kombinira dobra svojstva drva i
proizvodne prednosti lameliranja, i korištena je, primjerice, za lopatice
na turbini WEG 400 (sl. 3.5);
¾ Aerodinamička i optimizacija konstrukcije rotorske lopatice rezultira
kompleksnom geometrijom lopatice sa sferično zakrivljenim
površinama. Takova geometrija lopatice teško može biti jeftino
napravljena bez upotrebe tehnologije kompozita;
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.5 Konstrukcija lopatica rotora i materijali
¾ Sl. 3.15 prikazuje da se profil
lopatice mijenja duž njene osi kako bi
bila postignuta debljina potrebna za
povezivanje s prirubnicom glavine.
Sl. 3.15 Raspodjela po visini lopatice
različitih profila - lopatica turbine
DEBRA 25
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.5 Konstrukcija lopatica rotora i materijali
Sl. 3.16 Tetiva prema
Betz-u, te
pojednostavljenja s
koničnom i pravokutnom
geometrijom
¾ Često postoje kompromisi u vezi
optimalnog oblika kako bi se uštedjelo na
proizvodnji. Jedna opcija je razilaženje od
optimalne duljine tetive prema Betz-u i
Schmitz-u, koju su koristili u svom izvornom
obliku samo neki proizvođači (npr.
SÜDWIND, sl. 3.16).
¾ Često je korištena konična lopatica s
ravnim
izlaznim
bridom.
Drugo
pojednostavljenje je pravokutna lopatica
koja omogućuje ekonomski učinkovitiju
proizvodnu tehnologiju, posebno ako se
radi bez uvijanja i, na primjer, koristi se
ekstrudirani profil (to je slučaj na mnogim
turbinama tipa Darrieus). TU Berlin je
uspješno testirao tu geometriju s rotorom
TUP
6.0
s
mehaničkom
kontrolom
zakretanja. Turbina HM (sl. 3.9.d) također
ima jednostavnu pravokutnu geometriju.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
¾ Lopatica može biti pričvršćena ili na krut ili na
fleksibilan način.
¾ Dvolopatični rotor omogućuje specifičnu
konstrukciju u kojoj je cijela dvostruka lopatica
učvršćena na glavinu na način da se može
'klackati'.
¾ Sva tri strukturna oblika mogu biti
kombinirana s kontroliranim pomakom oko
uzdužne osi lopatice. Postoji teoretski moguć
pomak oko treće osi u 'korijenu' lopatice
(okretna os, sl. 3.17). Doduše, taj pomak se
nikada ne koristi. Umjesto toga, kako bi se
izolirala naizmjenična opterećenja u bočnom
smjeru (moment potiska), često su ugrađene
dodatne komponente u pogonsku vodilicu
(specijalne spojke, torzijski elastični zupčasti
ovjes).
Sl. 3.17 Različite osi
kod pričvršćenja
lopatice na glavinu
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
¾ Većina proizvođača se odlučuje za
kruto učvršćenje lopatica:
9 otporno je i smanjuje broj pomičnih
dijelova koji su osjetljivi na kvar;
9 također je relativno jednostavno s
obzirom na konstrukciju;
9 teška
konstrukcija
ne
samo
lopatica, već i glavine i cjelokupne
primarne
strukture
je
najveći
nedostatak konstrukcijskog koncepta
s ukrućenim lopaticama (sl. 3.18);
9 također pri ekstremno velikim
brzinama vjetra, (tada usporene)
lopatice presreću vjetar s cijelom
svojom
površinom
i
moraju
apsorbirati značajan statički tlak
(potisak).
Sl. 3.18 Kruta glavina
trolopatičnog rotora
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
¾ Prema tome, povećana cijena konstrukcije, sistemskog
inženjerstva i opreme za učvršćivanje fleksibilne rotorske lopatice za
glavinu je opravdana, pošto se tako bitno smanjuju vršna i radna
opterećenja turbine te se omogućuje da konstrukcija bude lakša. Za
razliku od malih turbina, cijena teških komponenata velikih turbina je
mnogo relevantnija u odnosu na cijenu sistemskog inženjerstva i
opreme za suspenziju s fleksibilnim lopaticama. Zato se teško može
naći neka megavatna turbina s krutom glavinom.
Sl. 3.19 daje pregled nekih alternativa krutoj glavini i rezultirajućih
rasterećenja na vratilu rotora i korijenu lopatice.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
Sl. 3.19 Različite konstrukcije glavine i odgovarajuće
rasterećenje vratila rotora i korijena lopatice
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
¾ Rotiranjem lopatice oko uzdužne osi, mijenjaju se kut udara pa prema
tome i pogonske aerodinamičke sile. Zakretanje lopatica utječe na
izlaznu snagu rotora i zbog toga može biti korišteno za kontrolu i
ograničavanje izlazne snage (i eventualno rotacijske brzine)
vjetroturbina. Orijentiranje lopatice prema vjetru, u tzv. položaj
zastavice ne samo da smanjuje pogonske sile nego i sve sile na
lopaticu i odgovarajuća opterećenja. Shodno tome, zakretanje lopatica
smanjuje kvazistatičko opterećenje uslijed aerodinamičkih sila za
vrijeme jakih vjetrova i oluje.
¾ Primarna struktura turbine koja mora podupirati sile na rotoru važan
je faktor u cijeni, posebno za velike turbine. Iz tog razloga kontrola
zakretanja lopatica često se može naći u srednjim i velikim turbinama.
Sve velike istraživačke turbine su koristile taj mehanizam, premda
djelomično ne za cijelu lopaticu nego, primjerice, samo za vanjsku
trećinu (MOD-5b; sl. 3.3.c).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
¾ Rotor s ‘pomičnim' zglobom
tipičan je za SÜDWIND E 1237 (sl.
3.8.b).
‘Pomični'
zglob
na
pojedinoj
lopatici
rasterećuje
vratilo rotora i korijen lopatice od
svih opterećenja i savijanja oko
osi
“pomicanja”.
Takva
opterećenja savijanjem su rezultat
'tlaka vjetra' na lopaticu (potiska) i
prostornih
nestacionarnosti
naletne struje vjetra (sl. 3.20). U
slučaju da nema strujanja zraka
kroz rotor, kruta glavina također
uzrokuje savijanje na vratilu zbog
toga što se središte sila pomiče
van iz središta rotora. To je
također izbjegnuto korištenjem
zglobova.
Sl. 3.20 Prostorna nestacionarnost
nastrujavajućeg zraka na rotor
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
¾ Prilikom rada, stvara se na rotoru
ravnoteža između centrifugalne sile FC i
sile potiska FT. Samopodesivi kut pod
kojim se rotor naginje (eng. coning
angle) ograničava se na vrijednosti
manju od 10° (sl. 3.21). Odabiru se i veće
vrijednosti tih kuteva u slučaju da je
veličina centrifugalnih sila premala zbog
malih brzina vrtnje rotora: primjerice, kad
se za vrijeme isključivanja turbine, rotor
savije slično kišobranu. Kako bi se
pokrenula turbina, moraju biti instalirani
dodatni dijelovi kao što su stražnje
opruge
(SÜDWIND),
čepovi,
sinkronizirani zupčanik ili hidrauličke
komponente. Te komponente su skupe i
djelomično
ograničavaju
princip
konstrukcije ‘pomičnog' zgloba.
Slika 3.21 Ravnoteža sila
na rotoru s ‘pomičnim'
zglobom
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
¾ “Pomični” zglob rasterećuje korijen lopatice od savijanja oko
ravnotežne linije, gdje je moment otpora malen uslijed tankog presjeka
profila. Tako se može i do 75% smanjiti masa lopatice. Turbine s fiksnom
glavinom mogu koristiti efekt “pomičnog” zgloba barem za konstrukciju
radne točke.
¾ Rotor može biti napravljen s fiksnim uvijajućim kutom. NORDTANK je,
primjerice, testirao tu konstrukciju na prototipu svoje turbine od 150 kW.
¾ Konstrukcija koja je posebno razvijena za dvolopatični rotor je tzv
“klackajuća glavina”. Ona smanjuje opterećenja od prostornih
nestacionarnosti vjetra. Uglavnom je vratilo rasterećeno od
odgovarajućih savojnih opterećenja. Na korijenu lopatica smanjen je
samo dinamički udio momenta savijanja.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
Konstrukcijsko načelo “klackajuće”
glavine uglavnom je bilo primijenjeno za
velike downwind-turbine (npr. GROWIAN
i WTS-3) u kojima, uslijed njihove
veličine, atmosferski granični sloj
dovodi do posebno nestacionarne struje
zraka donje i gornje lopatice. Kod
downwind-turbina, ta asimetrija je čak
pojačana kad donja lopatica prolazi kroz
“sjenu” stupa (sl 3.20). Učinkovitost
“klackajuće”
glavine
može
biti
poboljšana sprezanjem klackajućeg
pomaka u pomak zakretanja. To će
kompenzirati
sile
koje
uzrokuju
asimetriju (»Hütterova glavina«; sl. 3.22).
Neke veće turbine koriste “klackajuću”
glavinu, ponovno (GAMMA 60, WEG,
NORDIC; sl. 3.5).
Slika 3.22 Klackajuća
glavčina GROWIAN-a
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.6 Glavina i pričvršćenje lopatice
Sprezanje klackajućeg i zakretnog
pomaka - koji se naziva d3 - sprezanje u
skladu s odgovarajućim načelom u
konstrukciji helikoptera - također je
korišteno za glavčine jednolopatičnih
rotora. Njihova konstrukcija je slična
onoj klackajuće glavčine. Doduše,
fizičko načelo je kombinacija mahajuće i
zakretne glavčine. Sl. 3.23 prikazuje da
se takva kompleksna glavčina može
konstruirati
relativno
jednostavno
koristeći kardanski ovjes. Kardanski
ovjes je ključan za konstrukciju zbog
dinamičkih posebnosti tog koncepta.
Za višelopatične rotore, ta kombinacija
zakretnog i pojedinih mahajućih gibanja
testirana je samo u turbini Smith
Putnam (sl. 3.2.d).
Sl. 3.23 'Mahajuća'
zakretna glavina s
kardanskim ovjesom
turbine FLAIR 8
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
¾ Pogonski sustav se sastoji od vratila s ležajevima, kočnica(e),
reduktora, generatora i spojki;
¾ Postojeće turbine pokazuju veliku raznolikost u pogledu rasporeda tih
komponenti;
¾ Trenutno se vode velike rasprave o tome što je tehnički i ekonomski
optimum;
¾ Postoji potpuno sustavna razlika između modularne i integrirane
strukture;
¾ Koncept djelomično integrirane strukture može se pronaći u stručnoj
literaturi, kao kompromis između dva 'čista koncepta'.
3 Vjetroturbine – konstrukcija
i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava
postolja
Sl. 3.24 prikazuje različite
rasporede komponenata
pogonskog sustava kod nekih
turbina.
Sl. 3.24 Shematski prikaz
konstrukcija pogonskog sustava
različitih turbina
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
¾ Standard prve generacije danskih turbina, npr. klasične VESTAS V1555, bio je modularna struktura. Sve komponente vodilice montirane su
pojedinačno na okvir postolja koji je najčešće torzijski kruta, zavarena
konstrukcija. VESTAS je bio odan tom principu i na svojim kasnijim
turbinama (npr. VESTAS V27-225). Prilagođavanje ležajeva rotora u
jedan uređaj je modifikacija koja se često može naći u drugim turbinama
modularne strukture (npr. NORDTANK 150 XLR).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
¾ Od turbina iz poglavlja 3.1, WIND WORLD W-2700 pokazuje
najdosljednije primijenjenu integriranu strukturu. Po tom načelu, jedna
od komponenata pogona, najčešće reduktor, je pretvorena u primarnu
komponentu. Sve druge komponente su spojene na nju. Na taj način,
konstrukcija može biti bez okvira postolja i čestih dugotrajnih
povezivanja
i
podešavanja
priključaka
vratila
spojkama
i
međuosovinama. To dovodi do vrlo elegantnih i kompaktnih lakih
konstrukcija. Doduše, manje dijelova također ima nedostataka: teško se
postiže zvučna izolacija između pogona i stupa, zamjena oštećenih
dijelova često zahtijeva skidanje kompletne gondole sa stupa te
reduktor postaje skupi specijalni dio. Zbog samih integriranih ležajeva
vratila rotora, kućište reduktora zahtijeva stijenke različitih debljina u
odnosu na one u standardnim serijskim turbinama. Modularni pogon
također ima prednost što dio momentnih opterećenja za olujnih vjetrova
može biti mehanički apsorbiran. VESTAS V27-225, primjerice, ima
reduktor koji je suspendiran na vratilu rotora. Ta konstrukcija može
izolirati opterećenja uzrokovana momentima potiska vratila.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
¾ Paralelna vratila i planetarni zupčanici korišteni su za reduktor.
Planetarni zupčanici su kompaktniji i imaju manju masu, manje su bučni
i imaju veću učinkovitost. Doduše, skuplji su, i u nekim turbinama (npr.
HSW 250, ENERCON-32) moraju biti hlađeni zbog visoke specifične
snage. Koaksijalni položaj pogonskog vratila i pogonjenog vratila
omogućuje jednostavnu konstrukciju gondole, ali može otežati
zakretanje preko vratila. Danas su reduktori često najbučnije
komponente vjetroturbina. S obzirom na visoku proračunsku snagu
velikih turbina, oni su skupi i neučinkoviti kod djelomičnih opterećenja.
Iz tog razloga, ENERCON je opremio svoju 500 kW turbinu sa
specijalnim generatorom bez zupčanika.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
Turbine s promjenjivim korakom
često proizvode potrebnu
regulacijsku snagu s hidrauličkim
cilindrom. U mnogim turbinama,
taj cilindar je spojen na gondolu, i
regulacijsko gibanje se prenosi
klipnjačom kroz šuplje vratilo
rotora na zakretni mehanizam
glavine (VESTAS V27-225, VENTIS
20-100; sl. 3.25). Zbog
koaksijalnog položaja pogonskog i
gonjenog vratila planetarnog
zupčanika, ENERCON-32 mora
prenijeti regulacijsko gibanje
koristeći komplicirani mehanizam
rasporeda eksterijera vratila i
glavine.
Sl. 3.25 Osnovna konstrukcija
mehanizma za promjenu koraka
s hidraulički pokretanom šipkom
kroz šupljinu vratila rotora
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
¾ NORDTANK i WIND WORLD koristili su različite pristupe pri gradnji
svojih 150 kW turbina. Vrhovi lopatica su uvijeni i na taj način rade kao
kočnice. Svaki vrh reguliran je pojedinim hidrauličkim cilindrima: WIND
WORLD spaja cilindar preko hidrauličke linije kroz šuplje vratilo rotora
i »rotirajući prijenos« u reduktoru do druge hidrauličke jedinice.
NORDTANK je pak montirao cijelu hidrauličku jedinicu na rotirajuću
glavčinu i prenosi njeno električno napajanje i regulirajuće signale
preko kliznih prstena do glavine. ENERCON regulira lopatice rotora
svoje turbine E-40 elektronički sinkroniziranim servomotorima koji se
napajaju na sličan način kliznim prstenima.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
¾ Što se tiče kočnice, čini se razlika prema tome da li je montirana na
stranu velike brzine ili na stranu male brzine reduktora. Kočnica na
vratilu male brzine mora imati veći kočioni okretni moment. Okretni
moment se povećava s ekvivalentnim prijenosnim omjerom zupčanika.
Taj napor je opravdan samo ako je kočnica korištena kao radna
kočnica i cijelo vrijeme (VESTAS V15-55, HSW 250, SÜDWIND E1230).
Na taj način kočioni okretni moment je ne prolazi kroz mjenjačku kutiju
i sigurnije je kad je kočnica montirana direktno na vratilo. Kočnica je
spojena na stranu veće brzine samo kao sigurnosni sustav.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
¾ Starije turbine (npr. VESTAS V15-55) su imale dva generatora s
različitim nazivnim kapacitetima. Na taj način je turbina mogla biti
najbolje prilagođena za veće i manje brzine vjetra. Moderni razvoj
obično radi bez drugog generatora i mogu za istu svrhu koristiti
generator s promjenom pola;
¾ Pored pogonske vodilice, gondola sadrži hidrauličke jedinice za
zakretanje lopatica i/ili kočnicu(e), brojne senzore za nadgledanje kao i
dijelove električne i elektronske jedinice. Osim ako pokrov gondole nije
zavarena konstrukcija kao dio primarne strukture (npr. HSW 250 i
NORDTANK 150), napravljena je od GFRP-a ili lima i mora apsorbirati
zvuk kako bi se smanjilo širenje zvuka reduktora i generatora;
¾ Pogoni turbina koji direktno koriste mehaničku energiju rotora (npr.
sustavi koji pumpaju vodu) razlikuju se od onih u turbinama koje
generiraju električnu energiju: U tom slučaju snaga mora odstupati na
presjecištu osi rotora i osi stupa kako bi se prenijela kroz središnju os
stupa do temelja vjetroturbine. Zapadnjačke vjetrenjače, poput KIJITOa, pretvaraju rotaciju vratila rotora preko zgloba u oscilirajuće gibanje
koje je se prenosi uzgonskim štapovima do klipne pumpe;
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.7 Konstrukcija pogonskog sustava i postolja
IPAT-ova vjetroturbina s “jedrom” koristi
konični zupčanik za prijenos vrtnje na
brzohodno vertikalno vratilo koje se nalazi
na središnjoj osi trnja. To gibanje se koristi
za pogon centrifugalne pumpe. Sličnu
konfiguraciju, s reduktorom i generatorom
u podnožju stupa, testirao je VOITH za
svoju testnu 270 kW-nu turbinu (D=54 m, sl.
3.26). Tako je smanjena (vibrirajuća) masa
gondole. Doduše, taj koncept nije bio
uspješan zbog kompliciranog provođenja
dugačkog, brzorotirajućeg vratila kroz stup.
Sl. 3.26 VOITH-ova pilot turbina
(1981.)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.8 Mehanizam za zakretanje rotora
Orijentacija rotora prema vjetru bilo je komplicirano pitanje već kod
povijesnih turbina: samo je sredinom 1700.-tih, turbina rozeta je olakšala
mlinaru mučan posao okretanja rotora prema promjenjivom vjetru
koristivši veliku gredu za zakretanje. Rozeta je bila prvi korak ka
automatizaciji. Čak i danas, orijentacija rotora prema vjetru nije jedan od
'trivijalnih' elemenata vjetroturbine.
Uređaji s vertikalnom osi, najstarije konstrukcije vjetroturbina, ne
trebaju taj mehanizam. Ali ta prednost Darrieusovog rotora također je
povezana s nedostacima: U osnovi, to načelo radi samo zato što struja
zraka koja rezultira iz (brze!) samorotacije daje lopaticama jasan smjer
puhanja. Kad je rotor zaustavljen, pogonsko načelo na funkcionira. Zato
Darrieusove turbine, općenito, nisu samostartajuće, već trebaju biti
pokrenute do svoje radne rotacijske brzine. Za vrijeme rada, promjenjiva
orijentacija lopatica prema vjetru uzrokuje periodičku promjenu uvjeta
strujanja i, kasnije, pulsirajuću izlaznu snagu.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.8 Mehanizam za zakretanje rotora
Uređaji s horizontalnom osi orijentiraju svoje rotore prema vjetru ili
pasivno slobodnim skretanjem ili vjetrokazima, ili aktivno koristeći
ventilatore ili skretne pogone.
Kako je već spomenuto u odlomku 3.3, downwind-rotori su pogodni za
pasivno orijentiranje prema vjetru slobodnim skretanjem. Ako postoje
poprečni vjetrovi, »tlak vjetra« u radnom području uzrokuje moment
skretanja oko osi stupa koji orijentira rotor poput vjetrokaza. Za
visokobrzinske turbine niske čvrstoće, ovo načelo funkcionira samo za
okretne rotora. Zato tijekom mirovanja, ili strana gondole između stupa i
rotora mora raditi kao 'vjetrokaz' (SÜDWIND; Slika 3.8c) ili mora biti
instalirana aktivna stand-by jedinica.
Vjetrokaz za pasivno zakretanje upwind-rotora jedan je od
konstrukcijskih karakteristika zapadnjačkih vjetrenjača (KIJITO; sl.
3.9.a). Često je također korišten i za druge male turbine (posebno za
punjače baterija, npr. ATLANTIS; sl. 3.8.c) pošto je jednostavan princip
konstruiranja bez vanjskog kontrolnog mehanizma.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.8 Mehanizam za zakretanje rotora
Pasivni zakretači moraju biti konstruirani na način da gondola ne slijedi
naglu promjenu smjera vjetra s prebrzim zakretnim gibanjem. Zato što bi
tada turbina bila izložena snažnim dodatnim žiroskopskim
opterećenjima. Dvolopatični i jednolopatični rotori dodatno su izloženi
snažnim dinamičkim opterećenjima zbog inercijskog momenta koji se
mijenja s rotacijom rotora i usmjeren je suprotno od skretnog gibanja.
Sustavi pasivnog zakretanja su zbog toga korišteni samo kod turbina s
promjerom rotora do 10 m. Za veće turbine, ispravno konstruiran
vjetrokaz bio bi prevelik da bi bio ekonomski isplativ.
Aktivni sustavi, koji mogu biti primijenjeni i kod upwind i kod downwind
turbina, koriste pogon za rotiranje gondole u odnosu na stup. Taj pogon
može biti rozeta spojena okomito na vjetar, kakva je korištena u starim
nizozemskim vjetrenjačama. Ona je mogla raditi bez ikakve vanjske
energije. Okretni moment tog malog 'pomoćnog rotora' prenosi se kroz
zagrijani par zupčanika s visokim omjerom (do 40000) do skretnog
prstena na spoju sa stupom (sl. 3.27.a).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.8 Mehanizam za zakretanje rotora
Sl. 3.27 Aktivno skretanje pomoću rozete (a) i
mehanizma za zakretanje s tarnom kočnicom (b)
(skica: WINDWORLD)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.8 Mehanizam za zakretanje rotora
Većinom, električni i hidraulički zakretni pogoni su korišteni za
orijentiranje rotora prema vjetru. Zakretni pogon pokretan je malim
vjetrokazom i prenosi okretni moment kroz paralelne zupčanike vratila na
veliki prsten na stupu (sl. 3.27.b). Zupčanik će uvijek imati mali zazora
između zubaca. Mahajuća gondola će jako trošiti profil zuba ako taj
pomak ne bude otklonjen. Zbog toga je gondola fiksirana kočnicama koje
su otpuštene samo pri zakretnom gibanju. Alternativno ili dodatno, drugi
proizvođači koriste trajne tarne kočnice koje se suprotstavljaju zakretnom
pogonu. Neke turbine imaju dva zakretna pogona za orijentiranje svojih
rotora prema vjetru. Pogoni su spojeni koko bi fiksirali gondolu.
Dodatno, konstrukcija stupa mora se uzeti u obzir jer će s aktivnim
sustavima zakretanja torzijske vibracije stupa biti prenesene na gondolu
uslijed sprege stupa i gondole.
b)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Kontrola prekoračenja brzine i sustavi sekundarne zaštite
Prema smjernicama Germanische Lloyd-a za certificiranje vjetroturbina,
konstrukcija mora izdržati 50 godina brzine vjetra do 56 m/s ili nalete
vjetra do 70 m/s također 50 godina (deset minuta ili prosječno 5 sekundi,
na visini glavine). Nije moguće dimenzionirati sve komponente
vjetroturbine da mogu izvući veliki potencijal snage oluja. Cijena tih
dodatnih dobitaka bila bi previsoka, uzevši u obzir nekoliko incidenata
takvih ekstremnih brzina vjetra (poglavlje 3.2.1 i Slika 3.10). Zato se
vjetroturbine isključuju za vrijeme jakih vjetrova. Tipične brzine vjetra pri
kojima se turbine isključuju su 20-25 m/s.
Većina vjetroturbina koristi kočnice za isključivanje prilikom oluje.
Aktiviraju se preko kontrolne naredbe nadzornog sustava i djeluju
mehanički na pogonsku vodilicu ili aerodinamički na rotor. Za
vjetroturbine s aktivnom kontrolom snage, isključivanje za vrijeme
nevremena može se smatrati 'ekstremnim ograničavanjem izlaza snage',
stanjem koje turbina postupno postiže povećavanjem brzine vjetra.
Turbina često nije kompletno zaustavljena, već je ostavljena da se 'vrti',
tj. radi pri vrlo malom broju okretaja.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Kontrola prekoračenja brzine i sustavi sekundarne zaštite
Razna načela nevremenskog isključivanja imaju vrlo različite učinke u
vezi vršnog opterećenja turbine. Neuspjelo (kasno) isključivanja u većini
slučajeva dovodi do totalnog oštećenja turbine. Iz tog razloga, trenutne
međunarodne regulative zahtijevaju dva nezavisna sustava zaštite.
Uobičajeni sustav često se naziva radnom kočnicom i dodatnim hitnim
kočionim sustavom.
Prva generacija danskih turbina, poput VESTAS V15-55, koristila je
mehaničku kočnicu kao radnu. Ona radi direktno na glavnom vratilu.
Prema načelu 'ograničenog otkazivanja', kočnica je hidraulički otpuštena
od opruge. Na taj način će se turbina uvijek isključiti iz pogona ako
postoji pad tlaka u hidrauličkom sustavu (curenje, oštećenje napajanja
hidrauličke pumpe ili kontrolne jedinice). Trenutno zaustavljanje tipično
je za ovo nekontrolirano kočenje i uzrokuje vršna momentna opterećenja
na vodilici koja su nekoliko puta veća od radnih opterećenja.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Kontrola prekoračenja brzine i sustavi sekundarne zaštite
U početku, aerodinamičke kočnice su korištene kao kočnice u slučaju
nužde: u slučaju prevelike brzine, mehanički centrifugalni mehanizam
zakreće vrhove lopatica ili raspoređuje spojlere, klapne ili čak kočioni
padobran kako bi se smanjila brzina vrtnje rotora povećavanjem otpora
(sl. 3.28). Kako pogonske aerodinamičke sile nastavljaju djelovati na
preostalom dijelu lopatice, aerodinamičke kočnice ne zaustavljaju rotor
u cijelosti već smanjuju njegovu brzinu vrtnje na sigurnu vrijednost.
Zakretljivi vrhovi lopatica su u širokoj primjeni. Spojleri su češće
korišteni u Darreiusovim rotorima. Doduše, slabost centrifugalnih sila ili
poddimenzioniranje kočionog mehanizma uzrokovali su velika
oštećenja na mnogim turbinama. Također, nesinkronizirana aktivacija
kočnica na različitim lopaticama je nepoželjna nuspojava tog načela
pošto uzrokuje aerodinamičku nejednakost.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Kontrola prekoračenja brzine i sustavi sekundarne zaštite
Sl. 3.28 Različite konstrukcije aerodinamičkih kočnica
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Kontrola prekoračenja brzine i sustavi sekundarne zaštite
Nepouzdanost sigurnosnog koncepta koji koristi mehaničke radne
kočnice i aerodinamičke kočnice za nuždu uzrokovala je bankrotiranje
nekih danskih proizvođača zbog velikog broja slučajeva oko garancija u
kalifornijskim vjetroelektranama. Mlađe turbine okreću načela: Danas, u
mnogim turbinama, koristi se aerodinamička kočnica za regularno
nevremensko isključivanje. Zakretni mehanizam
aktiviran je na
sinkronizirani način hidrauličkim mehanizmom (npr. WIND WORLD,
NORDTANK). Hidrauličko zakretanje ima nedostatak što nije ograničeno
na glavčinu nego zahtjeva spajanje na nerotirajući dio stroja u gondoli.
To je skuplje, ali se isplati pošto radi u modu 'ograničenog otkazivanja'
poput mehaničkih kočnica.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.10 Ograničavanje izlazne snage
Poglavlje 11 posvećeno je ovoj temi. Iz tog razloga, ovo poglavlje će
samo predstaviti sistemski pristup i glavne karakteristike. Očito načelo
ograničavanja izlazne snage je okretanje cijelog rotora od vjetra koje je
primijenjeno u zapadnjačkim vjetrenjačama i mnogim malim turbinama
(punjači baterija). Metoda zavjetrine i električno-hidraulička ili mehanička
kontrola zakretanja lopatica smanjuje pogonske sile na pojedinu lopaticu
rotora.
Većina turbina spojenih na električnu mrežu koriste iznenađujuće
jednostavnu metodu zavjetrine za ograničavanja svoje izlazne snage. To
načelo zahtjeva konstantnu brzinu vrtnje turbine, tj. brzinu neovisnu o
brzini vjetra. To je ostvareno njezinim opterećenjem, npr. indukcijskim
generatorom spojenim na mrežu. Na taj se način uvjeti nastrujanja zraka
na lopaticu mijenjaju tako da je struja zraka zastala u velikim brzinama
vjetra. To dovodi do smanjenja aerodinamičkih sila i, postupno, izlazne
snage rotora (Slika 3.29a).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Metoda zavjetrine je komplicirani dinamički proces. Ne može se točno
proračunati za nestabilne uvjete u slobodnom polju vjetra. Taj problem
se može izbjeći predimenzioniranjem turbine. Doduše, taj pristup nije
prikladan za veće turbine. S obzirom na iskustvo s manjim i srednjim
turbinama, taj fenomen može se pouzdanije proračunati, i danas, to
načelo će se koristiti za megavatne turbine. Sl. 3.29.b grafički prikazuje
izlaznu snagu tipičnu za turbine koje koriste metodu zavjetrine.
Vjetroturbine koje koriste mehanizam zakretanja lopatica su relativno
raširene, posebno među njemačkim razvojnim programima. Po tom
načelu, zakretanjem lopatica, relativni uvjeti vjetra i, postupno,
aerodinamičke sile su pod utjecajem tako da izlazna snaga rotora ostaje
konstantna nakon postizanja nazivne snage (sl. 3.30.a). Dijagram na sl.
3.30.b je dobar primjer za turbinu koja koristi kontrolu zakretanja
lopatica.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Sl. 3.29 Efekt gubitka uzgona i brzine; tipičan dijagram izlazne snage
turbine koja koristi kontrolu gubitka uzgona i brzine
(BONUS 150 kW, D=23 m)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Sl. 3. 30 Efekt zakretanja lopatice: izlazne karakteristike tipične za
vjetroturbinu koja koristi kontrolu zakretanja lopatica (DEBRA 100 kW,
D=25 m)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Izjave proizvođača koje je načelo općenito - ili bar ekonomski - bolje,
odražava čistu 'korporativnu filozofiju'. Također je predvidivo da ta
rasprava neće biti razriješena u bližoj budućnosti. Oba načela imaju
svoje specifične prednosti i nedostatke, i oba će se koristiti u
budućnosti. Četiri od trinaest budućih megavatnih turbina s
horizontalnom osi koristit će metodu zavjetrine, a ostatak će biti turbine
s kontrolom zakretanja.
Kao što će biti detaljno objašnjeno u Poglavlju 6, potisak rotora na stup i
temelj dosta je manji kod turbina s kontrolom zakretanja lopatica. U
načelu, to omogućuje smanjenje materijala i težine, u primarnoj
strukturi. Turbine s metodom zavjetrine moraju biti isključene čim se
dostigne određena brzina vjetra (kočioni moment!), dok se kod turbina s
kontrolom zakretanja lopatica može postupno mijenjati režim vrtnje: na
maksimalnom zakretnom kutu (oko 70°), rotor radi u režimu bez
opterećenja, tj. u praznom hodu. Iz raznih razloga, turbine s kontrolom
zakretanja izložene su manjim vršnim opterećenjima i zato njihova
konstrukcija mora biti lakša i jeftinija.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Činjenica je da su trenutno turbine s kontrolom zakretanja lopatica
skuplje od odgovarajućih turbina s regulacijom zavjetrine. Pošto ove
prve daju bolji doprinos na mjestima s manje povoljnim uvjetima vjetra,
mogu se smatrati ekonomski učinkovitijim. Prednost turbina s
regulacijom zavjetrine je ta da se u uvjetima jakih vjetrova - kad učinak
zavjetrine postane djelotvoran - oscilacije vjetra pretvore u oscilacije
snage koje su manje od onih u turbinama s kontrolom zakretanja u
odgovarajućem regulacijskom režimu. Posebno, turbine sa zakretnom
kontrolom lopatica fiksne brzine s indukcijskim generatorom spojenim
na mrežu (npr. VESTAS V27-225, VENTIS 20-100) moraju reagirati vrlo
brzo na olujne vjetrove. To je moguće samo unutar određenih
ograničenja, inače će biti uzrokovano ogromno inercijsko opterećenje
kontra zakretnog gibanja.
Iz usporedbe mjerenja turbina NIBE A i B - koje imaju gotovo identičnu
konstrukciju, osim kontrole izlazne snage - može se zaključiti da
kontrola zakretanja lopatica smanjuje statička vršna opterećenja, a
povećava dinamička opterećenja.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Ako se brzina rotora ne održava konstantnom već je dopušteno da se
mijenja unutar određenog raspona, energija iz oluja može se djelomično
prenijeti na akceleraciju rotora i zbog toga se ne mora odmah smanjiti
mijenjajući kut lopatica. Neki proizvođači koriste indukcijske generatora
s visokim klizanjem. Za svoju 300 kW-tnu turbinu, ENERCON favorizira
spajanje na mrežu sa sinkroniziranim generatorom i inverznim
ispravljačem koji omogućuju rotoru da radi u velikom rasponu
rotacijskih brzina.
Većina vjetroturbina spojenih na mrežu koriste elektronski kontroliranu
hidrauliku za zakretanje lopatica (Slika 3.25). Turbine E-40, VS 45 i neke
buduće turbine koriste elektronski kontrolirane električne motore za
zakretanje lopatica.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Za svoje 500 kW i 1000 kW-tne turbine,
NEDWIND je izmiješao metode
zavjetrine i zakretanja lopatica i stvorio
tzv. 'active stall' kontrolu. Lopatica je
zakrenuta u suprotnom smjeru,
gubitak brzine i uzgona postupno je
dostignut regulacijom (Slika 3.31).
Proizvođač očekuje glatko
ograničavanje izlazne snage, slično
onom kod turbina sa zakretnom
kontrolom lopatica (Slika 3.30b) bez
njihovih 'nervoznih' regulacijskih
karakteristika (manje regulacijske
udaljenosti i manja regulirana brzina).
To održava prednost turbina s
kontrolom zakretanja lopatica
okretanjem lopatica u poziciju manjeg
opterećenja.
Slika 3.31 Različit smisao
rotacija za ograničavanje
izlazne snage koristeći
kontrolu zakretanja lopatica
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Za manje turbine, često se koristi mehanički reguliran mehanizam
zakretanja. Može raditi bez vanjske energije i zbog toga je posebno
pogodan za ograničavanje izlazne snage samostalnih sustava (TUP 6.0,
FLAIR 8). Za manje mehanički regulirane turbine također, pored
uobičajenog zakretanja prema položaju paralelnim sa smjerom vjetra
(položaj pera; eng. feathering), primijenjeno je reverzno zakretanje
lopatica: zakretanje prema gubitku uzgona i brzine (Slika 3.31). Među
turbinama spomenutim u odlomku 3.1, INVENTUS i TUP 6.0 koriste
mehanički reguliranu kontrolu zakretanja lopatica prema položaju pera.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Kada se vrši zakretanje prema gubitku brzine i uzgona, maksimalni
potrebni kut zakretanja je 10° (u usporedbi sa 70° kada se vrši
zakretanje prema položaju pera). Ta manja regulacijska udaljenost
pogodnija je za mehanički kontrolirane jedinice. Koristeći taj smjer
zakretanja lopatica, moguć je jednosmjerni prijelaz od napadnog kuta
pogodnog za startanje, preko radnog položaja, do regulacije brzine
(Slika 3.32). Turbine za samostalne energetske sustave - koje moraju
raditi bez dovođenja vanjske energije - stoga mogu koristiti istu
kontrolnu jedinicu, koja u početku radi kontra meke opruge, također
kao učinkovit alat za pokretanje.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Slika 3.32 Konstrukcija mehaničke kontrole zakretanja lopatica s
integriranim alatom za pokretanje
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Slika 3.32 ne prikazuje koje regulacijske sile pokreću mehanizam
zakretanja lopatica. U knjizi D. le Gouriéres-a 'Wind Power Plants Theory and design' (str. 65-71) opisana su načela rada raznih mehanički
kontroliranih jedinica. Sve imaju jednu stvar zajedničku: regulacijske
sile rade kontra opruge i ravnoteža sila tog sustava određuje kut
lopatice. Regulacijske sile su:
sile povezane s brzinom rotora koje proizlaze iz mase lopatice i,
eventualno, dodatnih opterećenja na lopatici (moment propelera)
sile povezane s brzinom rotora i brzinom vjetra koje proizlaze iz
momenta aerodinamičke sile struje zraka ili
sile povezane s brzinom rotora koje proizlaze iz središnjeg
centrifugalnog regulatora
Kako bi se zaštitio INVENTUS (Slika 3.9c) i od prekoračenja brzine
vrtnje ili od jakih vjetrova, njegov regulator radi sa sofisticiranom
mješavinom inercijskih i aerodinamičkih sila.
Kako bi se spriječila aerodinamička nejednakost, kontrola zakretanja
mora biti sinkronizirana.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Slika 3.33 prikazuje turbinu ALLGAIER WE-10 koju je konstruirao
Hütter 1950.-tih godina sa središnjim centrifugalnim regulatorom koji
koristi načelo Watta.
Sl. 3.33 Turbina Allgaier (10 kW, D=10 m, 1951)
s centrifugalnim regulatorom
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Rotor s jedrima TU Berlina koristi različit princip
za samoregulirajuću kontrolu izlazne snage što ga
također čini prikladnim za samostalno
funkcioniranje. Dvostruka jedra koja su
postavljena na jarbole rotora tvore određeni profil
tijekom normalnog režima (Slika 3.34a). Pri jakim
vjetrovima, uslijed kompresije, vrhovi jedra su
toliko jako napuhani da 'jedra' rade kao
aerodinamičke kočnice povećavajući otpor.
Napuhivanje jedra pojačano je na visokoj
rotacijskoj brzini centrifugalnim silama koje
tiskaju zrak u vrhove
Slika 3.34 Kontrola
izlazne snage
napuhivanjem jedara
IPAT-ove vjetroturbine
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Ograničavanje izlazne snage
Okretanje rotora od vjetra je način ograničavanja izlazne snage koji je
pretvoren u klasiku kod zapadnjačkih vjetrenjača i još uvijek je vrlo
popularan za manje turbine, posebno punjače baterija. Zapadnjačke
vjetrenjače imaju dva vjetrokaza i jednu oprugu, koji čine - zadivljujuće
- cijeli 'nadzorni sustav' turbine. U današnjim modernim turbinama
spojenim na el. mrežu, istu funkciju obavljaju brojni senzori i
programski kontrolirana elektronika.
Punjači baterija također često okreću svoje rotore od vjetra kako bi
ograničili izlaznu snagu, ali ne samo - poput zapadnjačkih vjetrenjača oko svoje vertikalne osi već i oko horizontalne osi koja je poprečna na
smjer vjetra (npr. ATLANTIS)
GAMMA 60 (Slika 3.5) jedina je velika turbina koja regulira izlaznu
snagu okretanjem rotora od vjetra. Jedinstveno svojstvo turbine je
kombinacija tog principa s klackajućom glavčinom koji zahtijeva
kompleksne dinamičke analize za konstrukciju.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Stup i temelj
¾ Inženjeri strojarstva često podcjenjuju važnost stupa i temelja kao
strukturnih komponenata vjetroturbina s horizontalnom osi vrtnje. S
druge strane, stabilnost vjetroturbina bila je prva značajka koja se
morala dokazati vlastima kako bi se ishodila potrebna građevinska
dozvola. Na taj način, kod pripreme dokumentacije, proizvođači su bili
dužni analizirati svoju 'konstrukciju' u detalje. Stup je bitan za statičku
stabilnost turbine kao i za dinamičko ponašanje turbine.
Osim toga, stup igra važnu ulogu za ekonomsku učinkovitost
vjetroturbine, iz nekoliko razloga: stup iznosi 15 do 20% tvorničke
cijene kompletnog sustava i zbog toga je značajan faktor u formiranju
cijene. Stup je odlučujući faktor cijene za transport i montažu turbine.
Za jednu vjetroturbinu s promjerom rotora 20 m, dodatnih 25 do 30%
tvorničke cijene mora se dodati za instalaciju turbine (pola tog iznosa je
cijena spajanja na mrežu). Zbog toga nije iznenađujuće da je stup jedna
komponenta koja je pretrpjela većinu promjena zadnjih godina.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Stup i temelj
Kako je opisano u poglavlju 3.2.3, visina stupa važna je za ostvarenu
snagu turbine pa stoga i za ekonomsku učinkovitost. U malim
turbinama, visina osi glavine rotora je nekoliko puta visina promjera
dok za turbine s promjerom 20 do 30 m, visina glavine i promjer rotora
su načelno jednaki.
S obzirom na strukturu stupa, postoji razlika između elastične i krute
konstrukcije. Kruti stupovi imaju uzbudne frekvencije (brzina vjetra i
frekvencija lopatice = brzina rotora * broj lopatica) niže od vlastitih
fleksijskih i torzijskih frekvencija stupa. Kod elastičnih stupova,
uzbudne frekvencije za nazivnu snagu turbine su veće od prve vlastite
frekvencije stupa, stoga kad se starta turbina, rezonancija stupa mora
biti savladana na “kontroliran” način (sl. 3.35). Posebno zahtjevna je
dinamička konstrukcija turbina s promjenjivom brzinom (NORDIC 1000,
Slika 3.5).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Stup i temelj
Slika 3.35 Različite konstrukcije stupova za WKA-60
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Stup i temelj
Cjevasti stupovi mogu imati ili okrugli ili poligonski presjek. Mogu se
sužavati prema vrhu (konično ili stepenasto) što podrazumijeva manji
moment savijanja na gornjem dijelu. Osim toga, veći (sa štednjom
materijala) promjeri mogu se koristiti u korijenu stupa, bez
aerodinamičkog ometanja rotora. Cjevasti stupovi su uglavnom
napravljeni od čelika. Neki proizvođači koriste betonske stupove
napravljene centrifugalnim procesom kako bi snizili cijenu. No, uslijed
znatno veće težine, mogu se povećati cijene transporta i montaže.
ENERCON-ova 300 kW-tna turbina zbog toga ima stup napravljen od
rešetkastih cjevastih betonskih sekcija. Betonski stupovi također imaju
bolje amortiziranje strukture od čeličnih.
Male i srednje turbine imaju uglavnom krute stupove, dok velike
turbine također koriste meku konstrukciju kako bi uštedile materijal
(WTS-3, MAGLARP). Kod prvih megavatnih testnih turbina, bili su
popularni betonski stupovi. Doduše, one su - nasuprot serijskim
turbinama s betonskim stupovima napravljenim centrifugalnim
procesom - građene lokalno. To je potrebno zbog veličine i mase (npr.
AEOLUS II).
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Stup i temelj
Sl. 3.36. Konopci za učvršćivanje (vjetropumpa s “jedrom”),
konzolni stup (NORDTANK)
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Stup i temelj
¾ Kod malih turbina (npr. SÜDWIND E1230) vrlo česti su konopci za
učvršćivanje pošto su lakši i mogu se podići koristeći progibni štap i
dizalicu (sl. 3.36). Tako se štedi na transportu i montaži. Konopci za
učvršćivanje teže se proračunavaju zbog aksijalne nepomičnosti stupa
s konopcima. Zahtijevaju specifičnu napetost konopa koja se mora
redovito provjeravati.
¾ Specijalne konstrukcije koje teže jednostavnoj montaži i demontaži
turbine su A-polna IPAT-ova vjetroturbina s “jedrom” i tronožni stup
punjača baterije ATLANTIS. Zbog njihovih velikih površina podnožja,
ne trebaju imati temelje. Usidrene su jednostavno u zemlju.
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.9 Stup i temelj
¾ Darrieusove turbine nemaju stup u pravom smislu već samo os
rotora koja je istovremeno i stup te spaja gornju i donju suspenziju
lopatice. Cijeli pogonski sustav i ostale komponente - koje se u
turbinama s horizontalnom osi nalaze u gondoli - mogu se jednostavno
ugraditi u podnožju rotora. U usporedbi s turbinama s horizontalnom
osi vrtnje, ta konfiguracija smanjuje težinu vrha (cca. 25 t za turbine od
46 m) koji je kritičan za dinamičke karakteristike turbine. Nedostatak tog
rasporeda je što je središte rotora blizu zemlji (u atmosferskom
graničnom sloju) i što je potrebno komplicirano učvršćivanje konopima
gornjeg uporišta lopatice;
¾ Temelji vjetroturbina su najčešće napravljeni od betonskih blokova.
Središnji temelj konzolnog stupa mora spriječiti turbinu od naginjanja.
Za modularne temelje konopaca za učvršćivanje, temelj konopa mora
osigurati težinu turbine od propadanja u zemlju i boravišni temelji
moraju apsorbirati vlačne sile konopaca (sl. 3.36);
¾ IPAT-ova vjetroturbina s “jedrom” ima temelj od dasaka koje koriste
težinu pokrova tla za apsorbiranje sila od konopaca;
3 Vjetroturbine – konstrukcija i komponente
3.10 Dodatak
¾ Sljedeći slajdovi pokazuju crteže kompletnih turbina i njihovog
pogonskog sustava.
Katedra za turbostrojeve
4 POGLAVLJE:
Vjetar
Pripremio: Prof.dr.sc. Zvonimir Guzović
Zagreb, 2010.
4 Vjetar
4.1 Uvod
¾
Karta na sl. 4.1 prikazuje globalnu raspodjelu brzine vjetra, i ističe
da se u većini priobalnih područja javljaju jaki vjetrovi.
Sl. 4.1 Globalna
raspodjela brzine
vjetra
4 Vjetar
4.1 Uvod
¾ Sl. 4.2 prikazuje da osim u
priobalnom području postoje i
druga područja u Europi s
brzinom vjetra pomoću kojeg
se može proizvoditi mehanički
rad, npr. unutrašnjost Danske,
djelomično unutrašnjost Velike
Britanije te planinski područja
Njemačke.
Sl. 4.2 Jačine vjetrova u Europi
4 Vjetar
4.1 Uvod
¾ Povijesni pregled u prethodnim poglavljima pokazuje da se već u
ranoj povijesti vjetar koristio za pokretanje vjetrenjača. Ukoliko ljudska
ili životinjska snaga nije bila dovoljna, primjerice u proizvodnji ili zanatu,
upotrebljavala se snaga vjetra;
¾ Preduvjet je bio da je vjetar dovoljno jak u trenutku kada je bilo
potrebe za njegovom energijom. To otkriva dva bitna problema na koja
ćemo biti koncentrirani u ovom poglavlju:
9na silinu vjetra – u pogledu brzine vjetra,
9i na razdoblja dovoljne brzine vjetra.
¾Za efikasno iskorištavanje snage vjetra važno je poznavati kada se
zadovoljavajuće brzine vjetra javljaju, i koliko su ta predviđanja
pouzdana.
¾U ovom poglavlju bit će dani:
9globalni i lokalni uvjeti zbog kojih nastaje vjetar kao i utjecaji lokalnih
uvjeta na sam vjetar;
9različite metode mjerenja vjetra;
9proračun očekivane pridobivene energije iz vjetra;
9statističke metode.
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
¾ Zemljina se atmosfera može usporediti s toplinskim strojem gdje se
zračne mase gibaju zbog razlike u svojim toplinskim stanjima. To
globalno gibanje može se primjetiti kao zračne struje koje su rezultat
pretvorbe toplinske energije u kinetičku energiju. Izvor energije u tom
toplinskom stroju je Sunce.
¾ Gibanje tih zračnih masa može se promatrati kao:
9 ili globalno kretanje s određenim sezonskim ciklusima;
9 ili kao lokalni fenomen,
9 ili je lokalno određen orografskim uvjetima, tj. sama struktura
površine na određenom području ima veliki utjecaj na vjetar.
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
4.2.1 Globalno strujanje
¾ Atmosfera je sloj iznad zemljine površine debeo samo nekoliko
stotina kilometara. Na površini Zemlje sastoji se od (zanemarivši
vodenu paru) kisika i dušika u udjelu od gotovo 98%. Toplinske
karakteristike zemljine atmosfere određuju elementi koji se u njoj nalaze
u tragovima, uglični dioksid u udjelu od cca. 0,034% te vodena para u
udjelu od 0,01 do 3%.
¾ Ugljični dioksid i vodena para dozvoljavaju prodor kratkovalnog
solarnog zračenja u atmosferu, ali sprečavaju izlazak infracrvenog
dugovalnog zračenja nazad u svemir; infracrveno zračenje jest svjetlost
reflektirana od Zemljine površine. To je uzrok efektu staklenika.
¾ Voda se u zraku pojavljuje u različitim oblicima, kao para, kao kapljice
vode ili kao led. Ona ima značajan utjecaj na vremenske uvjete u
atmosferi upravo zbog latentne topline koja se pojavljuje prilikom
promjene agregatnog stanja. I konačno, količina vode u zraku je važan
faktor za različite klimatske regije.
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
¾ S obzirom na sferični oblik zemlje, ukupno sunčevo zračenje opada
prema polovima. Dakle, u atmosferi se oko ekvatora javlja višak
toplinske energije, dok se manjak javlja u području polova. Sl. 4.3
prikazuje prosječnu ravnotežu radijacijskog kapaciteta na sjevernoj
polutci.
Sl. 4.3 Prosječna ravnoteža radijacijskog kapaciteta na sjevernoj polutci
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
¾Zbog izjednačavanja, toplina
se kreće s područja ekvatora
prema sjevernoj, odnosno
južnoj polutki
uglavnom
nošena zračnim masama. To
dovodi do dva glavna globalna
strujanja, sustav „Rossbyevog strujanja“ sjeverne i
južne polutke, te „Hadley-evog
strujanja“ u ekvatorijalnom
području.
¾Sl. 4.4 prikazuje strujanje tih
velikih masa zraka zbog kojeg
se
stvaraju
relativno
konstantni vjetrovi u većini
dijelova svijeta. (Crne strelice
prikazuju zračne struje blizu
površine Zemlje.)
Sl. 4.4 Globalna strujanja
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
¾ Glavne karakteristike tih dvaju strujanja su:
Rossby-evo strujanje
između 30°S i 70°S, te 30°J i 70°J; “valovito” strujanje koje topli zrak
pomiče prema polovima dok hladni u suptropsko područje.
Hadley-evo strujanje
između 30°J i 30°S; pomiče tropske vlažne i tople zračne mase. Hadleyevo strujanje zbog rotacije zemlje prouzročuje stalne sjeveroistočne, te
jugoistočne vjetrove.
Dodatno, još su dva velika strujanja prouzročena
energetskom razlikom: monsuni i tropski cikloni.
globalnom
Monsuni
kretanja velikih zračnih masa uzrokovana značajnom temperaturnom
razlikom između Azijskog kontinenta te Indijskog oceana, odnosno
Atlantskog oceana i Afrike.
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
Tropski cikloni
¾Zbog naglog podizanja vlažnog i
toplog zraka u ekvatorijalnom području
dolazi
do
velikih
vremenskih
poremećaja, te nastaju vrlo brzi vjetrovi
(do 60 m/s); u jugoistočnoj Aziji zovu se
tajfuni, a u području Kariba uragani.
¾ Dosad se promatrao samo utjecaj
razlike tlaka na globalno kretanje
zračnih masa. Međutim, smjerovi vjetra
u regijama kod kojih se ne javlja velika
razlika potencijala u atmosferi (npr.
ciklonama), su potpuno drugačije
prirode: vektori
vjetra rotiraju oko
centra niskog tlaka (L). Na sjevernoj
polutci, kreću se protivno kazaljci na
satu, a paralelno s izobarama (sl. 4.5).
Na južnoj polutci, kreću se u smjeru
kazaljke na satu.
Sl. 4.5 Vektor vjetra u području
niskog tlaka
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
¾ To se događa zbog Coriolis-ovo ubrzanja povezanog sa zemljinom
vrtnjom. To ubrzanje uzrokuje da se zračne mase koje se pod utjecajem
razlike tlakova gibaju prema sjeveru, zakrenu u desno. Ukoliko se zrak
kreće sa sjevera prema jugu, biti će zakrenut u lijevo. Rezultanta je
vektor vjetra paralelna s izobarama. Isti se princip primjenjuje i na
južnu polutku.
¾ Rezultantni vektor vjetra kako globalnog tako i lokalnog gibanja zove
se geostrofički vjetar. On se može smatrati prvotnim vjetrom koji još
nije bio izložen nikakvim poremećajima same strukture zemljine
površine.
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
4.2.2 Lokalni “kompenzacijski” vjetrovi
¾ Razlika potencijala u atmosferi nije jedino što izaziva globalna
gibanja zračnih masa. Razlika u količini zračenja također može izazvati
lokalna gibanja zraka. Činjenica, to se ponajviše događa zbog utjecaja
zemljine površine. Rezultat su lokalni vjetrovi sa specifičnim obilježjima
određenog područja. Najvažniji lokali vjetrovi su:
9 priobalni vjetrovi,
9 planinski vjetrovi, te
9 katabatički vjetrovi.
¾Ti su vjetrovi najčešće uzrokovani razlikom temperatura i strukturom
zemljine površine, orografijom.
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
¾ Obalna područja se očituju po specifičnom strujanju temeljenom na
razlici temperatura zraka iznad mora i iznad kopna. Preko dana, sunčevo
zračenje zagrijava zemlju te je temperatura zraka iznad mora znatno niža
što uzrokuje kretanje zračnih masa. Zagrijani zrak iznad kopna se
podiže, a na njegovo mjesto dolazi hladniji zrak s mora (sl. 4.6). Glavni
smjer vjetra je s mora prema kopnu. Taj se fenomen može primjetiti do
40 km udaljenosti od mora. Uobičajene brzine vjetra su do 10 m/s. Na
nekim se lokacijama taj proces okreće u noćnim satima. Zemlja se hladi
brže nego morska površina te se najčešće slabi vjetar javlja sa smjerom
prema moru.
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
Sl. 4.6 Izvor priobalnih vjetrova
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
¾ Općenito, planine imaju veliki utjecaj na strujanje vjetra na
određenom području. U ovom slučaju, također, razlika temperatura,
primjerice između vrha i podnožja planine, uzrokuje specifična zračna
strujanja. Zrak se zagrijava na vrhu planine, te se diže, dok na njegovo
mjesto dolazi hladniji zrak iz podnožje planine. Dok kod priobalnih
vjetrova postoji promjena smjera u ovisnosti o dobu dana, planinski
vjetrovi su isključivo dnevni, jedosmjerni vjetrovi, primjer je Lago di
Garda.
¾ Katabatički vjetrovi kombiniraju utjecaje sunčevog zračenja i pomaka
hladnih zračnih masa na račun toplih. Miješanjem hladnog zraka sa
visina i toplog zraka blizu zemljine površine dolazi do velikih brzina
vjetrova. U Europi je najpoznatiji primjer katabatičkog vjetra bura na
prostorima sjevernog Jadrana.
4 Vjetar
4.2 Izvori vjetra
Sl. 4.7 Katabatički vjetar na Grenlandu
4 Vjetar
4.3 Površinski vjetrovi
¾ Dosad se o vjetru raspravljalo kao o razlici potencijala između
zračnih masa. Ali to nije vjetar koji se nalazi u blizini površine zemlje i
koji se može iskorištavati za vjetroturbine.
¾ Kada zračna masa struji preko više ili manje hrapave površine
zemlje, ona se uspori i stvori se površinski granični sloj. Granični sloj
ima specifičnu raspodjelu brzine vjetra od 0 do brzine vjetra u
neporemećenom strujanju. Visina graničnog sloja varira između 10 i
nekoliko stotina metara, u ovisnosti o hrapavosti površine i
temperaturne raspodjele iznad podloge.
¾ Kako vjetroturbine uvijek djeluju unutar graničnog sloja, u sljedećim
poglavljima analizirati će se vjetar unutar tog sloja.
4 Vjetar
4.3 Izvori vjetra
4.3.1 Izvori površinskog vjetra
Razumljivo je da je brzina vjetra na
površini zemlje jednaka nuli. Stoga,
između
zemlje
i
neporemećenog
strujanja vjetra u atmosferi postoji sloj s
velikim promjenama brzine strujanja.
Unutar graničnog sloja energija se
prenosi s neporemećenog strujanja
prema donjim slojevima (sl. 4.8). Taj
prijenos energije obavlja se preko
zračnih vrtloga. Dakle, zračna struja
blizu zemlje je turbulentna.
Sl. 4.8 Shema graničnog sloja
U ovisnosti o hrapavosti podloge razvija se gradijent vertikalne
promijene brzine vjetra. Postoji visina z0 čija vrijednost nije jednaka
nuli, a zove se visina hrapavosti, gdje se podrazumijeva da je brzina
vjetra jednaka nuli.
4 Vjetar
4.3 Izvori vjetra
4.3.2 Vertikalni gradijent brzine vjetra i površinska hrapavost
Posmično naprezanje između samog viskoznog zračnog medija i zemlje
usporava neporemećenu zračnu struju. Najveći gradijent smičnog
naprezanja zračne struje javlja se u blizini zemlje i, slijedom toga,
najveći gradijent brzine zraka. Prandtl je razvio logaritamski zakon o
vertikalnoj promjeni brzine u turbulentnom graničnom sloju:
⎛h⎞
v*
v( z ) = ⋅ ln⎜⎜ ⎟⎟
k
⎝ z0 ⎠
(4.1)
gdje je v* brzina trenja, koja je između 0,1 i 0,3 m/s, k je Karmanova
konstanta graničnog sloja približne vrijednosti od 0,4, dok je z0 visina
hrapavosti koja ovisi strukturi podloge, sl. 4.9. Ovaj zakon vrijedi u
slučaju da je okomiti prijenos energije konstantan. U stvarnim
uvjetima, upotreba ovakve formulacije graničnog sloja je upitna zbog
teškoća u određivanju Karmanove konstante i brzine trenja.
4 Vjetar
4.3 Izvori vjetra
Sl. 4.9 Vertikalna distribucija brzine vjetra, referentna visina je 40 m
4 Vjetar
4.3 Izvori vjetra
¾ Stoga, promjene brzine vjetra po visini ne računaju se direktno.
Umjesto toga, lako se može izračunati relativna promjena u odnosu na
referentnu visinu i brzinu:
⎛ h2
ln⎜⎜
z0
⎝
v 2 (h2 ) = v1 ⋅
⎛ h1
ln⎜⎜
⎝ z0
⎞
⎟⎟
⎠
⎞
⎟⎟
⎠
(4.2)
¾ Vertikalna je distribucija, stoga, jedino ovisna o visini hrapavosti z0,
naravno ukoliko je poznata brzina na određenoj visini. Ovakav pristup
ekstrapolira vrijednosti brzine vjetra iz mjerenja na različitim visinama
glavine.
¾ Upotreba ovog izraza također je ograničena jer vertikalna distribucija
ne ovisi samo o hrapavosti podloge, već u velikoj mjeri utjecaj ima i
temperaturna raspodjela te atmosferski tlak.
4 Vjetar
4.3 Izvori vjetra
4.3.3 Prepreke na tlu
¾ Dosad se promatrala hrapavost površine koja utječe na strujanje
zraka kao manje-više homogena struktura. Međutim, vrlo je malo
stvarnih područja koje imaju homogenu površinsku hrapavost, kao
recimo mora ili pustinje.
¾ Promjenjiva struktura površine zemlje, različita vegetacija, zgrade,
pojedinačne prirodne ili umjetne prepreke imaju utjecaj na lokalni profil
brzine vjetra. Ta činjenica smanjuje značaj vertikalne raspodijele brzine
vjetra dobivene teoretskim razmatranjima. Uobičajeno je da se utjecaj
zavjetrinske površine pojedine prepreke dobiva empirijski. Ukoliko se
promatra strana izložena vjetru, ona se može uzeti kod skupine stabala
visine H koja izaziva poremećaje u struji zraka dugačke i 5H. Niz vjetar
taj poremećaj može biti i do 15H kao što prikazuje sl. 4.10. Zgrade imaju
sličan efekt na zračnu struju, sl. 4.11.
4 Vjetar
4.3 Izvori vjetra
Sl. 4.10 Poremećaj struje zraka zbog skupine stabala
Sl. 4.11. Poremećaj nastao zbog zgrada
4 Vjetar
4.3 Izvori vjetra
¾ Vjetrovi se prelaskom preko ruba površine nasipa u jednom malom
području ubrzaju. Međutim, nakon tog područja slijedi zavjetrinska
strana, s puno zaustavnih mjesta, visokih turbulencija, malih brzina, te
povratnog strujanja, sl. 4.12.
Sl. 4.12 Utjecaj okoliša na struju zraka, strmi nasip
4 Vjetar
4.3 Izvori vjetra
¾ Ukoliko vjetar struji preko brda s usponom manjim od 10%, zbog
sabijanja strujnica on se ubrza pri vrhu tog brijega, ali nema
zaustavnih područja i turbulencija, sl. 4.13. To je odlično mjesto za
iskorištavanje energije vjetra.
Sl. 4.13 Umjereno brdo
¾ Iz svega dosad navedenog može se zaključiti da se ne može
promatranjem samo globalnih vjetrova doći do zaključka gdje
postaviti vjetroturbine. Lokalni uvjeti svakog područja se također
moraju uzeti u obzir.
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
4.4.1 Mjerenje brzine vjetra
¾ Opće je poznato da vjetar ima velike vremenske varijacije. Unutar
par sekundi može značajno odstupati od srednje vrijednosti, sl. 4.14.
To odstupanje mjeri se anemometrom (više ili manje točno). Njihov
izlazni podatak je analogni ili digitalni signal proporcionalan brzini
vjetra.
v&
Sl. 4.14 Analogno i digitalno snimanje podataka o brzini vjetra
v&
- linearna srednja vrijednost
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Anemometar s vjetruljom
¾Ovaj uređaj za mjerenje brzine vjetra ima
os vrtnje okomitu na smjer vjetra, sl. 4.15.
¾Takav tip uređaja može pogoniti mali
generator
koji
proizvodi
napon
proporcionalan brzini vrtnje središnje
osovine, što je ujedno i brzina vjetra. Drugi
način jest prozvodnja pulzacija po okretu
osi pomoću beskontaktnih spojeva, kao što
su Reedovi kontakti ili nešto slično. Oni
proizvode određeno pulziranje koje se mjeri
u određenom vremenu, te se tako mjeri
brzina vjetra. Ovakav se način mjerenja
najčešće koristi u automatskim sustavima.
¾Anemometar s vjetruljom se najčešće
koristi za mjerenje vjetra na meteorološkim
postajama. Robustan je, nema složen
mehanizam i izlazni podaci direktno su
proporcionalni brzini vjetra.
Sl. 4.15 Anemometar s
vjetruljom
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Anemometar s lopaticama
Ovaj mjerni uređaj jest mala
vjetrenjača s horizontalnom osi. Os
mora biti usmjerena u vjetar što se
postiže
ugradnjom
usmjerivača
(repa), sl. 4.16. U odnosu na
prethodni anemometar, ovaj ima
nešto složeniji mehanizam. Međutim,
zbog horizontalno postavljene osi,
ovaj uređaj može mjeriti brzinu
vjetra, uz prepoznavanje njegovog
smjera.
Kod ovog uređaja je također brzina
vrtnje osi proporcionalna brzini
vjetra, a signal se pretvara ili preko
Sl. 4.16 Anemometar s lopaticama
generatora ili kao puls.
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Kod oba ova tipa anemometra, prikaz brzine vjetra dolazi s određenim
vremenskim pomakom. Ukoliko se zamisli skok u brzini vjetra sa na ,
sl. 4.17, mjerni uređaj taj skok prati pomoću Eulerove korelacije. Za
vremensku konstantu vrijedi sljedeća relacija:
gdje je Θ rotaciona inercija kola (mora
biti mala masa kola!), a nazivnik je
nagib momente linije „mjernog kola“
anemometra u praznom hodu.
Kako bi došli do te vrijednosti koja je
neovisna o brzini vjetra, dana je „duljina
odaziva“
Za dobre uređaje, ta vrijednost je između 2 i 5.
Sl. 4.17 Prikaz
vremenske konstante T*
prilikom naglog
povećanja brzine vjetra
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Ultrazvučni anemometar
Razni parovi ultrazvučnih uređaja (zvučnik-mikrofon-kombinacija) se
postavljaju simetričnu udaljenost. Više puta u sekundi ultrazvučni
valovi putuju između ultrazvučnih uređaja. Ti valovi putuju brzinom
zvuka c. Komponenta brzine vjetra v koja putuje prema ultrazvučnom
uređaju dodaje se brzini zvuka te uzrokuje različito vrijeme putovanja
od (t1), te prema uređaju (t2):
Iz ovih se jednadžbi lako odredi brzina vjetra:
Sl. 4.18 Ultrazvučni
anemometar
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Mora se primjetiti da je brzina vjetra neovisna o brzini zvuka, jer brzina
zvuka varira u ovisnosti o gustoći zraka i vlažnosti.
Zbog međudjelovanja različitih mjerenih podataka, ultrazvučni
anemometri uz brzinu vjetra mogu mjeriti i njegov smjer.
Ultrazvučni anemometri (sl. 4.18) mogu raditi i u vrlo teškim uvjetima.
Nisu osjetljivi na prašinu, blato ili kišu, te ukoliko su opskrbljeni
grijačima mogu raditi i pri vrlo niskim temperaturama. Kako
ultrazvučni anemometri nemaju pomičnih dijelova, ne postoji
mogućnost habanja. Do sada, ultrazvučni su se anemometri gotovo
isključivo koristili u istraživačke svrhe. Pomoću njih se dobiju vrlo
točni, visoko-frekventni signali, ali su znatno skuplji od običnih
anemometara s vjetruljom. Kako se sve više vjetroturbina postavlja u
unutrašnjosti kontinenta gdje temperature znaju pasti značajno ispod
0°C tako se i ultrazvučni anemometri sve češće koriste u praksi.
Ultrazvučni anemometri pružaju veću sigurnost od onih sa vjetruljom
jer se potonji u zimskom razdoblju mogu zamrznuti i stati. Ukoliko se
kod ultrazvučnih signal prekine, javlja se poruka upozorenja.
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Anemometri s užarenom niti
¾ Anemometri s užarenom niti koriste užarenu nit kako bi mjerili
električni otpor. Ako se takav anemometar postavi u struju zraka, ta će
struja zraka ohladiti užarenu nit, i njen će se električni otpor
promijeniti, u ovisnosti o temperaturi. Uz pomoć pravilne kalibracije,
tom se promijenom otpora mjeri brzina strujanja zraka.
¾ Omjer brzine strujanja zraka i električne struje koja prolazi kroz žicu
kako bi temperatura žice ostala konstantna je linearan. Tako se
očitanjem povećanja jakosti struje direktno može očitati vrijednost
brzine vjetra.
¾ Ovakav tip anemometara je vrlo dobar za područja gdje su česte
nagle promjene u brzini strujanja zraka. Oni se mogu koristiti za
mjerenje većih oscilacija brzine vjetra. Međutim, ti su uređaji osjetljivi
na prašinu u zraku i ne mogu se upotrebljavati po kiši.
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
4.4.2 Analiza, histogram vjetra, predviđanje proizvodnje
Zapis brzine vjetra v u analognom ili digitalnom obliku sam po sebi ne
znači mnogo. Pomoću brzine može se odrediti u svakom trenutku
izlazna snaga ukoliko je poznata krivulja snage turbine P(v) (sl. 4.19).
Ali za korisnike, izlazna snaga u određenom trenutku nije toliko
značajna. Puno je značajnija dnevna, mjesečna i godišnja proizvodnja.
Sl. 4.19 Karakteristična
krivulja vjetroturbine (D=7
m) i teoretska snaga u
ovisnosti o vjetru
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Procjena proizvodnje
U meteorologiji se koriste linearna srednja srednja vrijednost
danom periodu T = NΔt , gdje je n=0,12...N:
v
u
T
N
1
1
v = ⋅ ∫ v(t ) ⋅ dt ≈
⋅ ∑ vn
T 0
N +1 0
(4.6)
te standardna devijacija, koja govori koliko su velika odstupanja od
srednje vrijednosti, sl. 4.14:
T
(
)
2
1
σ=
⋅ ∫ v − v ⋅ dt ≈
T 0
(
1 N
⋅ ∑ vn − v
N 0
)
2
(4.7)
Omjer ova dva izraza daje bezdimenzijski faktor intenziteta turbulencije,
koji je poznat pod imenom stupanj turbulencije:
I=
σ
v
(4.8)
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Prvi, iako strogo teoretski pristup za izdvojenu energije je Golding-ov
faktor izdvajanja energije (“faktor oblika energije”) ke.
Teorijska snaga vjetra:
(4.9)
kroz vremenski period T (dan, mjesec ili godina),
(4.10)
.
i korelira s energijom
, koja se dobiva ukoliko se promatra linearna
srednja vrijednost brzine
(4.11)
A je površina zahvata vjetra, T je analizirano vrijeme i ρ je gustoća
zraka. Iz tih jednadžbi dobije se faktor izdvajanja energije ke:
(4.12)
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
ili u diskretnom obliku
1 N 3
1 N 3
vn
vn
∑
∑
N +1 0
N +1 0
ke =
=
3
v&
⎛ 1 N ⎞
vn ⎟
⎜
∑
⎝ N +1 0 ⎠
(4.13)
U apsolutno stacionarnom strujanju vjetra v (t ) = v , faktor ke je jedan.
Što je veće odstupanje od srednje vrijednosti to je veći faktor ke (tj.
izdvojena energija), u odnosu na fiktivnu vrijednost E* = TρAv 3 / 2 .
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Proračun proizvodnje (izdvojene energije)
Jedino preslikavanje zapisa o vjetru v(t) u histogram će osigurati
podatke koji se mogu koristiti u proračunu izdvojene energije u
vjetroturbini sa zadanom krivuljom snage P(v) (sl. 4.19). Na sl. 4.20 s
lijeve strane je prikazan dnevni zapis temeljen na satnim srednjim
vrijednostima, a s desne strane je prateći histogram. Histogram
prikazuje koliko sati od ukupnog vremena prevladavaju različite brzine
vjetra. Interval između pojedinih “klasa” brzina vjetra je 1 m/s.
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Sl. 4.20 Dnevni dijagram brzine (lijevo), pripadajući histogram (desno)
Bit će pokazano kako se informacije sumiraju i prikazuju kao relevantni
podaci za procjenu proizvodnje energije, iako su potrebna tjedna i
mjesečna mjerenja. Vrijednost hi je relativna frekvencija od svake klase
brzine vjetra vi, tj. udio vremena ti od ukupnog vremenskog perioda T
kada vjetar puše s brzinom odgovarajuće klase.
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Proizvodnja u periodu T turbine s danom krivuljom snage P(v) ili Pi(v)
slijedi iz proizvodnja pojedinih klasa vjetra:
Ei = hi PiT
uz
ti
hi =
T
Etotal = ∑ Ei = ∑ hi PiT
(4-14)
(4-15)
Sl. 4.22 prikazuje principijelnu konstrukciju klasifikatora vjetra. Trajanje
diskretnog vremenskog intervala, Dt, na kojem se temelji srednja
vrijednost, može biti proizvoljno odabran. Uobičajeni periodi su 10
minuta ili 1 minuta.
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Sl. 4.21 Proračun proizvodnje
u kWh za period T od mjesec
dana (c), iz histograma vjetra
(a) i krivulje snage turbine (b)
4 Vjetar
4.4 Mjerenje i procjena brzine vjetra
Sl. 4.22 Principijelna konstrukcija
klasifikatora vjetra pomoću kojeg
se dobivaju relativne frekvencije hi
različitih klasa vjetra vi
4 Vjetar
4.5 Rayleigh-jeva i Weibull-ova distribucija
Mjerenjem godišnjeg histograma normalnog područja bez prepreka u
središnjoj Europi, dolazi se do zaključka da se distribucija relativne
frekvencije može aproksimirati neprekinutim oblikom Rayleigheve
funkcije. Sl. 4.23 prikazuje funkciju distribucije frekvencije prema
Rayleighu:
(4-16)
Sl. 4.23 Aproksimacija
mjerenog histograma
Rayleighevom distribucijom
4 Vjetar
4.5 Rayleigh-jeva i Weibull-ova distribucija
¾ Ako postoje meteorološki podaci samo za brzine glavnih vjetrova,
onda se pomoću Rayleigheve funkcije može samo približno procijeniti
očekivana proizvodnja. Predviđene snage u promotivnim lecima
prozvođača vjetroturbina najčešće su dobivene pomoću Rayleigheve
distribucije vjetra, što u slučaju Europe daje dobre rezultate.
¾ Weibullova distribucija je generalizirana Rayleigheva distribucija. Ona
sadrži faktor oblika k i parametar mjerila A, i stoga se može koristiti za
uvjete kod kojih Rayleigheva distribucija nije zadovoljavajuća. Sl. 4.24
prikazuje oblik Weibullove funkcije za različite faktore oblika k pri
srednjoj brzini vjetra od v=4 m/s.
¾ U statističkim tablicama European Wind Resources Atlas, uvjeti vjetra
se obično daju pomoću faktora oblika k i mjerila A. Npr., Helgoland
(Sjeverno more): A= 8,0 m/s, k= 2,09 (srednja brzina 7,2 m/s); Minhen:
A= 3,3 m/s, k=1,28 (srednja brzina3,2 m/s); Berlin: A= 4,9 m/s, k=1,9
(srednja brzina 4,1 m/s).
4 Vjetar
4.5 Rayleigh-jeva i Weibull-ova distribucija
Sl. 4.24 Distribucija brzine vjetra temeljena na Weibullovoj funkciji;
k=2 - Rayleigheva distribucija, srednja brzina vjetra v= 4 m/s
4 Vjetar
4.5 Rayleigh-jeva i Weibull-ova distribucija
Opća jednadžba Weibullove raspodjele je sljedeća:
(4-17)
Ukoliko se pokuša uspostaviti veza između Weibullovih parametara A
i k te srednje brzine vjetra dobije se sljedeća formula:
(4-18)
Faktor oblika k je određena inverzna mjera promjene brzine vjetra s
obzirom na srednju vrijednost. Može se izračunati iz I, stupnja
turbulencije brzine vjetra oko srednje vrijednosti brzine vjetra, kao što
je prikazano na sl. 2.25. Ako je brzina vjetra ravnomjerna kroz duži
period, tj. ako je standardna devijacija mala, faktor k bit će veći.
Nestacionarni uvjeti (ujutro i navečer mirno, a preko dana jak vjetar)
rezultira niskim vrijednostima koeficijenta k. Rayleigheva distribucija
odgovara vrijednosti k=2. Faktor izdvajanja energije (“faktor oblika
energije”) ke također može biti prikazan u odnosu na intenzitet
turbulencije, sl. 2.26.
4 Vjetar
4.5 Rayleigh-jeva i Weibull-ova distribucija
Sl. 2.25. Odnos između
intenziteta turbulencije I
brzine vjetra i faktora
oblika k Weibullove
distribucije
Sl. 2.26 Relacija između faktor
izdvajanja energije (“faktor oblika
energije”) ke i faktora oblika k
Weibullove distribucije
4 Vjetar
4.6 Procjena lokacije
Za početak se mora razmišljati o sljedećim problemima:
9 je li buduća lokacija dostupna za postavljanje vjetroturbina
(administrativne odredbe, zakoni o gradnji i ostali pravilnici)?
9 kolika je cijena prijenosa dobivene energije do krajnjih korisnika?
9 da li su tlo i vegetacija pogodni za postavljanje vjetroturbina?
Nakon toga, glavno pitanje koje se postavlja je: koliko se vjetra na toj
lokaciji može očekivati. Uvijek se mora imati u glavi da je snaga
dobivena iz vjetra proporcionalna trećoj potenciji brzine vjetra.
To znači da, pogreška u procijeni brzine vjetra od samo 10% rezultira
30% manjom očekivanom dobivenom snagom!!
Danas, godišnja srednja brzina od 4 m/s se smatra dovoljnom za pogon
pumpi na vjetar, a 5 m/s za proizvodnju električne energije. Prilikom
prve procjene lokacije mogu se koristiti karte globalnih zračnih
strujanja, ali kako je i ranije navedeno, lokalna obilježja pojednog
područja imaju veliki utjecaj na brzinu vjetra, te su stoga mjerenja na
određenoj lokaciji neophodna.
4 Vjetar
4.6 Procjena lokacije
Alternativa tome je korištenje programa WASP u kombinaciji s
„Europskim atlasom vjetrova“. To je alat s kojim se procjenjuju uvjeti
vjetra na određenoj lokaciji uzimajući u obzir lokalne utjecaje i to tako
da se globalna slika kombinira s lokalnim utjecajima. Taj program
uspoređuje mjerenja na budućoj lokaciji s nekom referentnom točkom.
Preciznost je tim veća što je bolja kvaliteta podataka o vjetru i što je
bolje odabrana referentna točka. Pored toga, procjena lokacije jako
ovisi o vještačenju stručnjaka, i stoga može biti subjektivna.
Usporedbom podataka dobivenih WASP-om i onih mjerenih u
priobalnom području, vidi se veliki stupanj poklapanja. Za lokacije u
unutrašnjosti kontinenta sa značajnim orografskim karakteristikama
(npr.planinama), predviđanja su nešto nepreciznija.
4 Vjetar
4.6 Procjena lokacije
Sl. 4.27 Procedura programa
WASP
Hvala na pažnji!
5 POGLAVLJE:
Projektiranje vjetroturbine
u skladu s Betz-om i Schmitz-om
Pripremio: Prof.dr.sc. Zvonimir Guzović
Zagreb, 2010.
5. Projektiranje vjetroturbine u skladu
s Betz-om i Schmitzom
¾
¾
¾
¾
Primjenjujući Betz-ovu ili Schmitz-ovu teoriju vjetroturbina se može
konstruirati bez većih napora. Proračuni prikazani u narednim
poglavljima daju jednadžbe za duljinu tetive profila i zakret lopatice u
ovisnosti o polumjeru na kojem se nalazi promatrani profil. Prije
pristupanja proračunu potrebno je definirati omjer brzina na vrhu
lopatice λD, profil lopatice, napadni kut αA, te koeficijent uzgona cL.
Betzova teorija uzima u obzir samo aksijalne gubitke iza rotora za danu
konstrukciju. Schmitzova teorija dodatno uzima u obzir gubitke zbog
vrtloga iza rotora koji nastaju zbog rotacionog traga turbine;
Za rotore s malim omjerom brzina na vrhu (λ<2,5), to rezultira s
lopaticom čija geometrija je bitno drugačija od one dobivene Betzovom
teorijom
Profilni gubici te gubici koji nastaju zbog strujanja zraka oko vrhova
lopatica su zanemareni u obe teorije. Oni se moraju obračunati s
dodatnim smanjenjem snage turbine. Broj lopatica nije ovdje od
velikog značaja – utječe samo na gubitke na vrhu lopatice.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
¾
Kinetička enegija mase u gibanju iznosi:
(5-1)
¾
Snaga vjetra koji struji kroz kontrolnu površinu A je:
(5-2)
pošto je maseni protok
(sl. 5.1).
Sl. 5.1 Tok zraka kroz kontrolnu
površinu A s brzinom v1
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
¾
¾
Kao što je već ranije pokazano, ta se snaga ne može u potpunosti
pridobiti iz vjetra. Betz je analizirao jako idealiziranu vjetroturbinu koja
izdvaja snagu iz vjetra u “aktivnoj ravnini” smanjujući mu brzinu, bez
ikakovih gubitaka. Nadalje će biti analiziran fizikalni proces izdvajanja
kinetičke energije iz vjetra.
Kao što prikazuje sl. 5.2, Betz je pretpostavio homogenu struju zraka
brzine v1, koju vjetroturbina usporava na brzinu v3 dovoljno daleko niz
vjetar. To znači da je on pretpostavio strujnu cijev s divergentnim
strujnicama, u skladu s jednadžbom kontinuiteta:
(5-3)
Sl. 5.2 Protok zraka kroz
idealiziranu vjetroturbinu prema
Betzu
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
¾ S obzirom da je pad tlaka zraka minimalan, gustoća zraka ρ se može
pretpostaviti konstantnom;
¾ Pridobivena kinetička energija je razlika kinetičke energije uzvodno
minus kinetička energija nizvodno:
(5-4)
¾ Pridobivena snaga iz vjetra je stoga
(5-5)
¾ Ukoliko se vjetra ne uspori (v3=v1), nema izdvojene snage. Ako se pak
vjetar previše uspori, maseni protok bi bio jako nizak. U ekstremnom
slučaju (
) dolazi do zagušenja strujne cijevi (v3=0) te je izdvojena
snaga ponovo jednaka nuli. Stoga mora postojati vrijednost brzine v3
između brzine v1 i 0 kada je izdvojena snaga maksimalna.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
¾ Ta se vrijednost može izračunati ako je poznata brzina u ravnini rotora
v2. Maseni protok tada će biti:
(5-6)
¾ U toj je točki učinjena i vjerojatna pretpostavka:
(5-7)
¾ Dokaz (Rankin-Froude-ov teorem) biti će dan kasnije. Ako se gornje
dvije jednadžbe uvrste u jednadžbu za izdvojenu snagu iz vjetra dobije se:
(5-8)
snaga vjetra
koeficijent snage cp
¾ Stoga snaga vjetra, pomnožena s faktorom snage
omjeru v3/v1) daje izdvojenu snagu.
cp (koji ovisi o
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
¾ Maksimalan koeficijent snage prema Betz-u iznosi:
(5-9)
U tom se slučaju, brzina vjetra usporava s početne v1 do v3=1/3 v1. To se
može dobiti crtanjem funkcije
, ili ako se prva derivacija izjednači s
nulom. Kod idealne vjetroturbine, otprilike se može izdvojiti 60% snage
vjetra. Tada je u ravnini rotora brzina 2/3 v1, a dovoljno daleko nizvodno
1/3 v1.
Sl. 5.3 Koeficijent snage cp
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
¾ Sl. 5.4 prikazuje koliko snage se možemo pridobiti u idealnim uvjetima,
kada je Cp=0,59, u ovisnosti o brzini vjetra i promjeru rotora vjetroturbine.
Zbog gubitaka (koji će biti kasnije analizirani) stvarni koeficijent snage
modernih vjetroturbina je nešto niži. Moderne vjetroturbine mogu postići
vrijednost koeficijenta snage od 0,5.
Sl. 5.4 Snaga vjetroturbine prema Betzu u ovisnosti o brzini vjetra i
promjeru rotora turbine
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
¾ Koristeći princip količine gibanja, dobiva se poriv turbine u ravnini
rotora za optimalno pridobivenu snagu. Poriv
(5-10)
uz v3=1/3 v1 iznosi:
(5-11)
gdje je član u zagradi izraz za dinamički tlak na površinu A. Ukoliko se
usporedi vrijednost T za optimalno pridobivenu snagu s otporom D, diska
koji zahvaća vjetar,
(5-12)
vidi se da je poriv (potisak) skoro 20% manji od otpora diska.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
5.1.1 Rankine-Froudov teorem
¾ Sada će biti dokazano da je brzina u ravnini rotora v2 zaista kao što
Betzova teorija kaže aritmetička sredina brzina dovoljno daleko prije i
nakon rotora. Poriv se može izraziti prema zakonu količine gibanja:
¾ Drugi način je njegova određivanja pomoću Bernoullijeve jednadžbe
(energetske bilance), koja će biti postavljena za obje ravnine, prije i
poslije rotora, sl. 5.5
(5-13)
(5-14)
¾ Oznake -2 i +2 označavaju ravnine neposredno prije i nakon rotora
turbine.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
Sl. 5.5. Promjena brzine v i statičkog tlaka p u strujnoj cijevi
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.1 Koliko se snage može pridobiti iz vjetra?
¾ Prema jednadžbi kontinuiteta brzine neposredno prije (lijevo) i nakon
rotora (desno) moraju biti jednake, v-2=v+2. Statički tlakovi dovoljno
daleko prije i nakonrotora su isti, p1=p3 . Stoga, oduzimanjem jednadžbi
(5-13) i (5-14) daje
(5-15)
¾ Prema ovim razmatranjima (energetskim), poriv se dobije iz razlike
statičkih tlakova:
(5-16)
¾ Ako se maseni protok izrazi kao
, te upotrebom jednadžbi (515) i (5-16) dobije se brzina v2 u ravnini rotora:
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.2 Teorija aerodinamskog profila
¾ Do sada nije objašnjavan načini pridobivanja snage u ravnini rotora.
Turbine s horizontalnom osi vrtnje koriste lopatice konstruirane da
pridobivaju maksimalnu snagu po Betzovoj teoriji. Prije nego što se pređe
na konstruiranje lopatica biti će predstavljena osnovna znanja teorije
profila.
¾ Pretpostavlja se simetrični profil te vjetar brzine w s čeone strane, sl.
5.6. Ako je napadni kut jednak nuli,
, sila uzgona je jednaka nuli, a
postoji samo mala sila otpora D. Otpor aerodinamskog profila u struji je
mali.
Sl. 5.6 Sila uzgona (L) i otpora (D) na elementu lopatice širine b
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.2 Teorija aerodinamskog profila
¾ Do pojave sile uzgona L dovodi napadni kuta vjetra. Ona je
proporcionalna površini lopatice (dužina tetive c puta širina b) i kvadratu
brzine w:
(5-17)
D = C D (α A )
ρ
2
w2 (cb)
(5-18)
¾ Koeficijent uzgona
označava ovisnost o napadnom kutu.
Kao i koeficijent otpora, CD = CD (α A ), najčešće se određuje eksperimentalno
u zračnom tunelu. Sl. 5.7 prikazuje krivulje vrijednosti koeficijenata
uzgona i otpora na asimetrični profil dobivene mjerenjem.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.2 Teorija aerodinamskog profila
¾ U početku se koeficijent
uzgona (a ujedno i sila uzgona)
linearno
povećavaju
s
povećanjem
napadnog
kuta
(između 0º i 10º). Nakon toga
krivulja postaje ravnija, prije
nego što dosegne maksimalnu
vrijednost. Daljnjim povećanjem
napadnog kuta rastu gubici i
dolazi do odvajanja struje zraka
od profila: uzgonska sila se
smanjuje
pri
vrijednostima
napadnog kuta većima od 15º, a
koeficijent otpora CD (time i sila
otpora) se značajno povećavaju,
sl. 5.7.
Sl. 5.7 Koeficijenti uzgona i otpora u ovisnosti o napadnom kutu α A ,
dobiveni mjerenjem u zračnom tunelu za profile NACA 4412 do 4424
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.2 Teorija aerodinamskog profila
¾ Strujanje zraka sa gornje strane aeropropila brže je od strujanja s donje
strane, zato što mora preći veći put. Prema Bernoullievoj jednadžbi to ima
za posljedicu da je tlak na gornjoj strane profila niži nego na donjoj strani.
Integriranjem p*ds uzduž konture profila dobiju se sile uzgona (L) i otpora
(D), kao komponente rezultantne sile F.
(5-19)
¾Dok nema odvajanja strujanje zraka od površine, sila F djeluje na 25–
30% duljine tetive lopatice. Ako je došlo do odvajanja struje zraka, točka
djelovanja sile F se pomiče prema nazad. Ukoliko je došlo do intenzivnog
odavajanja struje, to se točka djelovanja pomiče dodatno unatrag do
udaljenosti otprilike c/2, što odgovara napadnom kutu od 90º. U tom je
slučaju lopatica postavljena poprečno na struju vjetra brzine w, te se
opstrujavanje lopatice može smatrati gotovo simetričnim.
Sl. 5.8. Distribucija tlaka
duž profila: a) za mali
napadni kut (30); b) za
veliki napadni kut (19º)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.2 Teorija aerodinamskog profila
¾ Za ravnu ploču pri strujanju bez odvajanja, koeficijent uzgona se
teoretski može odrediti kao:
(5-20)
¾ Taj je koeficijent za stvarne profile nešto niži:
CL (α A ) = (5,1 − 5,8)α A (5-21)
¾ U katalozima s rezultatima mjerenja asimetričnih profila, mora se
naznačiti da li je napadni kut mjeren od spojnice najniže točke profila i
izlaznog brida (što je često slučaj kod profila s ravnom, pravocrtnom
donjom stranom), ili od spojnice središta ulaznog brida i izlaznog brida,
sl. 5.9.
Sl. 5.9 Linija od koje se
određuje napadni kut: sila F
je rezultanta uzgona i otpora
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.2 Teorija aerodinamskog profila
¾ U svakom slučaju, linija nultog uzgona, CL=0, je pri negativnim
napadnim kutevima. Za napadni kut jednak nuli, postoji mala pozitivna
sila uzgona zbog zakrivljenosti profila, sl. 5.10.
Sl. 5.10. Koeficijent uzgona CL i inverzni omjer uzgon-otpor za
Gottingenške profile
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.2 Teorija aerodinamskog profila
¾ Sl. 5.10 prikazuje da što je tanji profil, to je niži koeficijent otpora kod
malih napadnih kuteva. Kako za asimetrična, tako i za simetrične profile,
nagib krivulje uzgona CL′ = dCL / dα A je približno
.
¾ U sljedećem poglavlju će se koristiti omjer uzgon/otpor:
ε (α A ) =
L CL (α A )
=
D CD (α A)
Maksimalna vrijednost, ε max (obično se očekuje u području 0,8<CL<1,1, tj.
kod umjerenih napadnih kuteva) je mjera za kvalitetu profila. Visoko
kvalitetni profili postižu omjere uzgon/otpor 60 i više. Čak ravna ploča
može postići omjer uzgon/otpor 10.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.3 Uvjeti strujanja zraka i aerodinamske sile na rotirajuću lopaticu
¾ Za svaki presjek lopatice na polumjeru r, postoji pripadna relativna
brzina vjetra w. Ta se brzina sastoji od usporene u ravnini brzine v2=2/3 v1
određene prema Betzu i obodne brzine lopatice u=Ωr, koja je rezultat
vrtnje same lopatice kutnom brzinom Ω.
¾ Na sl. 5.11 vidi se da se relativna
brzina
w
sastoji
od
dvije
komponente, v2 i u(r):
(5-23)
¾ Njen smjer γ u odnosu na smjer
vjetra i os turbine može se odrediti iz
jednadžbe:
(5-24)
Sl. 5.11 Trokut brzina
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.3 Uvjeti strujanja zraka i aerodinamske sile na rotirajuću lopaticu
¾Projektni omjer brzina na vrhu lopatice
lopatice ΩR i brzine vjetra v1:
je odnos obodne brzine vrha
(5-25)
¾ Budući da je
, jednadžba (5-25) prelazi u:
(5-26)
Sl. 5.12 prikazuje da se
trokuti brzina mijenjaju za
svaki presjek, kako se
povećava obodna brzina
u=Ωr
linearno
s
polumjerom.
Sl. 5.12 Trokut brzina za različite presjeke lopatica
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.3 Uvjeti strujanja zraka i aerodinamske sile na rotirajuću lopaticu
5.3.2 Aerodinamske sile na rotirajuću lopaticu
¾ Prema sl. 5.13 aerodinamske sile uzgona dL i otpora dD djeluju na
element lopatice dužine dr na polumjeru r (približno na 0,25 duljine tetive):
Uzgon:
(5-27)
Otpor:
(5-28)
Sl. 5.13 Aerodinamske sile na element lopatice
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.3 Uvjeti strujanja zraka i aerodinamske sile na rotirajuću lopaticu
¾ Rastavljanje u obodnom smjeru i smjeru aksijalne brzine (smjer vjetra)
daje prema sl. 5.13:
dU =
dT =
ρ
2
ρ
2
⋅ w 2 ⋅ c ⋅ dr ⋅ [c L (α A ) ⋅ cos γ − c D (α A ) ⋅ sin γ ]
(5-29)
⋅ w 2 ⋅ c ⋅ dr ⋅ [c L (α A ) ⋅ sin γ − c D (α A ) ⋅ cos γ ]
(5-30)
jer se sila uzgona definira kao okomita na smjer relativne brzine vjetra,
dok je sila otpora paralelna s njom.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.4 Optimalno projektiranje prema Betz-u
¾ Prema općim razmatranjima iz poglavlja 5.1, maksimalna snaga koja se
može pridobiti iz prstenaste površine je:
¾ Rotor će biti konstruiran na način da će se na svakom kružnom prstenu
površine 2 ⋅ π ⋅ r ⋅ dr pridobiti snaga, sl. 5.13 i sl. 5.14:
16 ρ 3
&
E Betz =
⋅ ⋅ v1 ⋅ (2 ⋅ π ⋅ r ⋅ dr )
27 2
(5-31)
Sl. 5.14 Prsten površine dA=2πrdr
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.4 Optimalno projektiranje prema Betz-u
¾ Ova količina energije bit će izdvojena pomoću n lopatica. Mehanička
snaga kružnog prstena računat će se prema:
dP = n{ ⋅
broj
lopatica
dU
{
⋅ω
⋅r
{
(5-32)
tan gencija ln a loka ln a
komponenta
obodna
aerodinamičke brzina
sile
¾ Budući da se prilikom konstruiranja profila teži što većem omjeru
uzgon/otpor ( c D << c L ), tangencijalna sila u jednadžbi (5-32) sastoji se
gotovo samo od uzgona dL:
dU ≈ dL ⋅ cos γ =
ρ
2
⋅ c L ⋅ w 2 ⋅ c(r )dr ⋅ cos γ (5-33)
¾ Mehanička snaga sada se može napisati u sljedećem obliku:
dP ≈ n ⋅ ω ⋅ r ⋅
ρ
2
⋅ c L ⋅ w 2 ⋅ c(r )dr ⋅ cos γ (5-34)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.4 Optimalno projektiranje prema Betz-u
¾ Ukoliko se izjednače jednadžbe (5-34) i (5-31) dobiva se izraz za duljinu
tetive optimalno konstruirane vjetroturbine:
v13
1 16 2 ⋅ π ⋅ r
c(r ) = ⋅ ⋅
⋅ 2
n 27
cL
w ⋅ ω ⋅ r ⋅ cos γ
(5-35)
¾ Upotrebom odnosa iz trokutu brzina,
v1 =
3
⋅ w ⋅ cos γ
2
i
u = ω ⋅ r = w ⋅ sin γ
dobiva se transformirana jednadžba:
c(r ) =
1
8
⋅ 2 ⋅π ⋅ R ⋅
⋅
9 ⋅ cL
n
gdje su λ D i
1
⎛r⎞
⎝R⎠
2
λ D λ2D ⋅ ⎜ ⎟ +
(5-36)
4
9
c L unaprijed određeni projektni koeficijenti. Koeficijent
c L može, ali i ne mora biti konstantan duž polumjera.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.4 Optimalno projektiranje prema Betz-u
¾ Uobičajeno je odabrati koeficijent CL koji će dati što veći koeficijent
tj.
ε
c L = 0.6 ÷ 1.2⎫
cL
= ε max
⎬ε =
α A = 2 ÷ 6° ⎭
cD
¾ U jednadžbi (5-36) se ne daje informacija o broju lopatica, već samo o
promjeni duljine tetive. Taj se broj određuje prema zahtjevima čvrstoće,
proizvodnje ili nekim drugim dinamičkim aspektima.
¾Transormacijom jednadžbe (5-36) dobije se jednostavniji i
transparentniji oblik te jednadžbe:
2 ⋅π ⋅ R 8
⋅ ⋅
c(r ) =
9
n
1
r
2
cL ⋅ λD ⋅
R
(5-37)
¾ Prethodna jednadžba vrijedi samo u slučaju brzohodnih vjetroturbina
( λ D ≥ 3 ) i uz pretpostavke da lopatice počinju samo na 15 % vanjskog
polumjera zbog prostora potrebnog za glavinu. Očigledno je da je duljina
tetive potrebna za izdvajanje snage po Betz-u obrnuto proporcionalna
kvadratu omjera brzina na vrhu lopatice λ D .
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.4 Optimalno projektiranje prema Betz-u
¾ Hutter je razvio dijagram, sl. 5.15, koji prikazuje omjer ukupne i
nastrujane površine lopatice u ovisnosti o omjeru brzina na vrhu lopatice
λD. Pri tome je područje vrijednosti CL oko jedan.
Sl. 5.15 Hutterov dijagram - mjer ukupne i
nastrujane površine lopatice u ovisnosti o omjeru
brzina na vrhu lopatice λD
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.4 Optimalno projektiranje prema Betz-u
¾ Uz duljinu tetive potrebno je odrediti i kut uvijanja (zakretanja) lopatice
β(r), sl. 5.26:
β (r ) = γ (r ) + α A (r )
(5-38)
¾ Za odabrani omjer brzina na vrhu λD može se odrediti i kut relativne
brzine vjetra u ovisnosti o polumjeru γ (r), sl. 5.16:
⎞
⎛3 r
⋅ γ ⋅ λD ⎟
⎝2 R
⎠
γ = arctg ⎜ ⋅
Sl. 5.16 Duljina tetive profila c(r) i
relativnog kuta vjetra γ (r) o omjeru
brzina na vrhu λD za rotor s tri
lopatice-projektiranje po Betzu
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.4 Optimalno projektiranje prema Betz-u
¾ Osim kuta relativne brzine vjetra prilikom određivanja kuta zakreta lopatice
mora se uzeti u obzir i napadni kut α A jer o njemu ovisi odabrani koeficijent
uzgona c L , na osnovu kojega se onda određuje duljina tetive profila. Stoga
promjena kuta zakreta lopatice je:
⎞
⎛3 r
⋅ α A ⋅ λ D ⎟ + α A (5-39)
⎝2 R
⎠
β (r ) = arctg ⎜ ⋅
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
¾ Betz-ov koeficijent snage
c p , Betz
16
=
= 0.59
27
može se postići samo u idealnom slučaju. Jedini gubitak koji je uzet u
obzir pri njegovom proračunu je gubitak brzine nakon prolaska kroz
ravninu rotora. No, postoje i drugi gubici:
9 profilni gubici kao rezultat sile otpora zanemarene u jednadžbi (5-34);
9 gubici koji su posljedica strujanja zraka oko vrhova lopatica zbog
raspodjele tlaka (tok s donje strane (pretlačne) s pozitivnim tlakom prema
gornjoj potlačnoj strani lopatice), i gubici na vrhu;
9 gubici vrtloga kao posljedica komponente obodne brzine nakon
prolaska kroz ravninu rotora.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
4.6.1. Profilni gubici
¾ Profilni gubici su posljedica sile otpora koja se javlja na profilu. U
slučaju pretpostavke idealne geometrije lopatice, može se zanemariti. No
mora se uzeti u račun obzirom na ravnotežu snage. Jednadžbe (5-32) i (529) daju stvarnu snagu na radijalni element lopatice:
⎛ρ 2
⎞
dP = n ⋅ ω ⋅ r ⋅ dU = n ⋅ ω ⋅ r ⋅ ⎜ ⋅ w ⋅ c ⋅ dr ⋅ c L ⋅ cos γ − c D ⋅ sin γ ⎟
⎝2
⎠
(5-40)
¾ U gornjoj jednadžbi je u obzir uzeta sila otpora, dok bi u slučaju idealne
turbine (CD=0) snaga bila:
dPid = n ⋅ ω ⋅ r ⋅
ρ
2
⋅ w 2 ⋅ c ⋅ dr ⋅ c L ⋅ cos γ
¾ Omjer ovih dviju snaga (dP/dPid) daje izraz za iskoristivost profila:
η prof = 1 −
cD
1
3 r λ
⋅ tgγ = 1 − ⋅ tgγ = 1 − ⋅ ⋅ D
cL
2 R ε
ε
(5-41)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
¾ Odavde su gubici za odgovarajuću kružnu prstenastu sekciju:
3 r λ
ζ prof = ⋅ ⋅ D
2 R ε
¾ Profilni gubici su proporcionalni omjeru brzina brzini λD i polumjeru r.
To znači da se oni povećavaju prema vrhu lopatice! Ali istovremeno su
obrnuto proporcionalni omjeru uzgon-otpor (ε). Kako se većina snage
pridobiva na vanjskim djelovima lopatica, turbine s visokim omjerom
brzina na vrhu lopatica zahtijevaju visoko kvalitetne profile lopatice na
vanjskom dijelu (εmax>50). Za unutarnji dio lopatica, te za turbine s niskim
omjerom brzina na vrhu lopatica (američka farmerska vjetrenjača,
nizozemska vjetrenjača), kvaliteta profila nije toliko bitna.
¾ Za lopatice konstantnog profila i konstantnog napadnog kuta α A po
visini koeficijent ε nije funkcija od r. U tom se slučaju izraz za snagu (ili
profilne gubitke) dobiva integracijom po čitavoj visini lopatice:
16 ρ 3
16 ρ 3 ⎛ 3 r λ D
P=
⋅ ⋅ v1 ⋅ ∫ η prof ⋅ 2π ⋅ r ⋅ dr =
⋅ ⋅ v1 ⋅ ∫ ⎜1 − ⋅ ⋅
27 2
27 2
2 R ε
0
0⎝
R
R
⎞
⎟ ⋅ 2 ⋅ π ⋅ r ⋅ dr (5-43)
⎠
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
ili:
P=
16 ρ
⎛ λ ⎞
⋅ ⋅ π ⋅ R 2 ⋅ v13 ⋅ ⎜1 − D ⎟
ε ⎠
27 2
⎝
¾ U tom slučaju, omjer brzina na vrhu lopatice i uzgon/otpor omjer
opisuju ukupni gubitak koji je posljedica otpora profila.
5.5.2 Gubici na vrhu lopatice
¾ Nastaju kao posljedica prestrujavanja zraka oko vrha lopatice s donje
strane na gornju stranu profila (iz područja višeg na područje nižeg tlaka).
Iz tog se razloga sila uzgona smanjuje prema vrhu lopatice.
Superpozicijom strujanja oko vrha lopatice i oko same lopatice nastaje
divergentni vrtlog, sl. 5.17.
¾ Što je lopatica tanja to više nalikuje na lopaticu beskonačne duljine
( R / c = ∞ ), za koju su CL i CD dani u katalozima. Ovaj se tip gubitaka
smanjuje s povećanjem odnosa R/c.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
Sl. 5.17. Strujanje zraka oko vrh lopatice
i raspodjela koeficijenta uzgona CL
¾ Kako bi izračunao ove gubitke Betz uvodi pojam efektivnog promjera D’
umjesto stvarnog promjera. Na temelju Prandtlove aproksimativne
metode može se odrediti kako slijedi:
D ` = D − 0.44 ⋅ b (5-44)
gdje b predstavlja projekciju koraka a između vrhova lopatica
π ⋅D
a=
n
u ravninu okomitu na relativnu brzinu vjetra w i iznosi, sl. 5.18:
b=
π ⋅D
n
cos γ (5-45)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
¾ Iz trokuta brzina otprije su poznati odnosi:
v 2 = w ⋅ cos γ
w 2 = (ω ⋅ r ) + v 22
2
i ako se u projektnoj točki uzme u obzir
v2=2v1/3 dobiva se jednadžba za reducirani
promjer:
⎛
⎜
2 ⋅π
1
⎜
`
⋅
D = D ⋅ 1 − 0.44 ⋅
⎜
3⋅ n
4
⎜
λ2D +
9
⎝
⎞
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
(5-46)
¾ Budući je snaga proporcionalna kvadratu
promjera, iskoristivost koja uzima u obzir
strujanje na vrhu profila može se računati
prema:
Sl. 5.18. Raspodjela
struje zraka duž
pojedinačnih lopatica
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
¾ Budući je snaga proporcionalna kvadratu promjera, iskoristivost koja
uzima u obzir strujanje na vrhu profila može se računati prema:
η vrh
⎛ D` ⎞
= ⎜⎜ ⎟⎟
⎝D⎠
2
⎞
⎛
⎟
⎜
0
.
92
⎟
= ⎜1 −
⎟
⎜
4
2
⎜ n λD + ⎟
9⎠
⎝
2
(5-47)
¾ Za slučaj vjetroturbina s λ D ≥ 2 gornja formula se bitno pojednostavljuje:
η vrh ≈ 1 −
1.84
n ⋅ λD
(5-48)
¾ Grubo govoreći, taj gubitak je obrnuto proporcionalan umnošku broja
lopatica n i projektnog omjera brzina na vrhu lopatica λD:
ζ vrh ≈
1.84
n ⋅ λD
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
4.6.3. Gubici vrtloga
¾ Ti su gubici posljedica izdvajanja okretnog momenta u ravnini vrtnje.
Prema principu akcije i reakcije tangencijalna sila dU preko povećanja
polumjera r stvara protumoment u strujanju iza ravnine rotora. Što je
koeficijent λD manji, to je protumoment veći.
¾ Od ranije je poznat izraz za mehaničku snagu kružnog prstena:
dP = n{ ⋅
broj
lopatica
dU
{
⋅ω
⋅r
{
tan gencija ln a loka ln a
komponenta
obodna
aerodinamičke brzina
sile
¾Turbine s velikim koeficijentom λD izdvajaju snagu na račun velike kutne
brzine ω i malog okretnog momenta rdU, dok je kod turbina s malim
koeficijentom λD situacija obrnuta.
¾ Dakle, gubici u strujanju iza rotora nisu samo posljedica brzine v3 već i
obodne komponente koja uvjetuje gubitke zbog rotacije struje zraka.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitzom
5.5 Gubici
¾Za vjetroturbine s λ D ≥ 3, ovi gubici
su gotovo zanemarivi, dok turbine
s malim λD ne mogu doseći Betz-ov
koeficijent snage c p , Betz = 0.59
.
Maksimalna vrijednost koju dosežu
λ D ≈ 1 je
vjetroturbine s
c p , Betz = 0.42 . Ovdje nisu uzeti u
obzir profilni i gubici na vrhu.
Sl. 5.19 Rotacija struje zraka iza
ravnine rotora
¾ Ogromni gubici od 30% zbog reakcije na moment mogu čak utjecati na
geometriju profila optimalno projektirane turbine. Tetiva lopatice i
uvijenost lopatice bit će različiti od projektiranih u skladu s Betz-om;
¾ Pošto su gubici zbog vrtloga relevantni za optimalnu geometriju
lopatice, njihov proračun bit će prodiskutiran u sljedećem poglavlju.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
¾ Betz je pretpostavio da se struja zrak usporava s početne brzine v1
dovoljno daleko ispred rotora, preko brzine u ravnini rotora v2=(v1+v3)/2,
do konačne brzine dovoljno daleko iza rotora v3=v1/3, bez promjene
aksijalnog smjera strujanja.
¾ Međutim, Schmitz je uzeo u obzir (a prije njega i Glauert, prilikom
proračuna propelera), promjenu u tangencijalnom (obodnom) smjeru
koja je neminovan rezultat principa akcija=reakcija.
Sl. 5.20 Strujanje zraka s tangencijalnom komponentom Δu iza ravnine
rotora
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
Prije rotora, tangencijalna komponenta brzine jednaka je nuli, a nakon
rotora Δu, sl. 5.20. Ona nastaje tokom strujanja duž tetive lopatice;
Sl. 5.21 prikazuje relativnu brzinu vjetra w na profil. Ona se sastoji od
aksijalne brzine prema Betzu v2=2v1/3 i obodne tangencijalne brzine u:
(5-49)
Pošto se tangencijalna komponenta Δu javlja samo nakon prolaza kroz
ravninu rotora, za srednju brzinu „prije“ i „nakon“ rotora je uzeta
vrijednost Δu/2. Kolika će biti ta tangencijalna komponenta u slučaju
optimalnog izdvajanja snage iz vjetra, zavisi o projektnom omjeru brzina
na vrhu lopatica λD.
Sl. 5.21 Trokut brzina prije
rotora (indeks 1), u ravnini
rotora (bez indeksa) i nakon
rotora (indeks 3)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
Umjesto kuta γ koji se određuje od osi stroja, ovdje se koristi kut Φ za
određivanje položaja relativne brzine vjetra w. Kut Φ se definira od
ravnine vrtnje: Φ=90-γ. Za detaljnije informacije u vezi proračuna kuta
pogledati poglavlje 6.
Trokut brzina koje čine v1 i Ωr, dajući w1 i Φ1, postoji samo ako nije
došlo do potpunog usporavanja brzine rotorom, sl. 5.21.
Promjena smjera Δw između w1 (dovoljno daleko ispred rotora) i w3
(dovoljno daleko iza rotora) je rezultat utjecaja profila. Ako nema
utjecaja trenja ili viskoznosti, dolazi samo do promjene smjera, ali ne i
iznosa. Prema zakonu o količini gibanja da je umnožak masenog protoka
i promjene brzine sila:
dL = Δwdm&
(5-50)
Sila je okomita na brzinu w. Maseni protok kroz cilindrični prsten je
(5-51)
Snaga na cilindričnom prstenu, uz zanemarenje otpora, dobiva se
pomoću jednadžbe:
dP = dMΩ = dUrΩ = dLsin(Φ)rΩ
(5-52)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
Sl. 5.21. daje sljedeće geometrijske odnose:
u ravnini brzine:
aksijalno na ravninu brzine:
u ravnini promjene brzine:
(5-53)
Stoga, zavisnost snage o kutu Φ, koji će poslije biti određen, je sljedeća:
dP = rΩdm& Δw sin Φ = rΩρ 2πrdrw1 cos(Φ1 − Φ )sin(Φ )2w1 sin(Φ1 − Φ )sin(Φ )
(5-54)
ili:
dP = r Ωρ 2πrdrw1 sin [2(Φ1 − Φ )]sin 2 Φ (5-55)
2
2
Derivacija dP/dΦ=0 daje kut relativne brzine vjetra pri kojem se postiže
maksimalna snaga:
dP
= r 2Ωρ 2πdrw12 − 2 cos[2(Φ1 − Φ )]sin 2 Φ + 2 sin[2(Φ1 − Φ )]sin Φ cos Φ =
dΦ
= r 2Ωρ 2πdrw12 2 sin Φ[sin[2(Φ1 − Φ )]cos Φ − cos[2(Φ1 − Φ )]sin Φ ]
(
(
)(
)
)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
(5-56)
što daje:
(5-57)
Stoga optimalni kut relativne brzine vjetra je
v1
R
tan Φ1 =
=
Ωr λ D r
(5-58)
i zavisi o omjeru brzina na vrhu lopatica.
Uz kut Φ =2Φ1 /3 za silu uzgona dL u jedn. (5-50) može se dobiti:
dL = dm& Δw = ρ 2πrdrw12 cos(Φ1 − Φ )sin Φ 2w1 sin (Φ1 − Φ ) =
⎛ Φ1 ⎞ 2 ⎛ Φ1 ⎞
⎟ cos ⎜ ⎟ (5-59)
⎝ 3 ⎠
⎝ 3 ⎠
ρ 2πrdrw12 4 sin 2 ⎜
pošto
⎛2 ⎞
Φ1 − Φ = Φ1 / 3;sin ⎜ Φ1 ⎟ = 2 sin (Φ1 / 3)cos(Φ1 / 3)
⎝3 ⎠
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
Sada se korisri teorija profila da bi se odredila odgovarajuća duljina tetive
lopatice ctotal(r) koja će dati silu uzgona dL:
dL =
ρ
2
w2ctotal drcL
(5-60)
Nakon transformacije u:
(5-61)
i izjednačavanja jednadžbi (5-55) i (5-52), za duljinu tetive po Schmitzu se
dobiva sljedeći rezultat:
(5-62)
ili ako se ukupna duljina tetive raspodijeli na n lopatica:
(5-63)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
uz tan Φ1=R/λDr. Za male kuteve Φ1 – tj. visoke vrijednosti omjera brzina
na vrhu lopatica, vrijednosti dobivene prema Schmitzovoj jednadžbi za
tetivu su jednake Betzovoj jednadžbi (5-36). To je prikazano na sl. 5.22
gdje bezdimenzijska ukupna duljina tetive c za vjetroturbine s jednom
lopaticom prikazana po Betzovoj i Schmitzovoj teoriji. Taj dijagram je prvi
koristio J. Maurer i ovdje će biti prikazana njegova koncizna prezentacija
projektiranja po Schmitzu.
Sl. 5.22 Usporedba
bezdimenzijske duljine
tetive c po Schmitzu i
Betzu u ovisnosti o lokalnom
omjeru brzina na vrhu
lopatica λDr/R
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
cBetz = cBetz
ncL λD 16π
=
R
9
cSchmitz = cSchmitz
1
2
r⎞ 4
⎛
⎜ λD ⎟ +
⎝ R⎠ 9
(5-64)
ncL λD 16πλD r 2 ⎛ 1 ⎞
sin ⎜ Φ1 ⎟ (5-65)
=
R
R
⎝3 ⎠
uz:
⎛ R ⎞
⎟⎟
Φ1 = arctg ⎜⎜
⎝ λD r ⎠
Obe jednadžbe za ukupnu duljinu tetive su jedino zavisne o parametru
λDr/R.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
Iz sl. 5.22 može se odrediti tetiva kod vjetroturbina za bilo koji omjer
brzina na vrhu lopatica λD. Ako npr. vjetroturbina ima projektni omjer
brzina na vrhu λD=7 i unutarnji polumjer ri=0,1 R, dobiva se
bezdimenzijska optimalna tetiva lopatice pomoću krivulje u području:
λDr/R = 0,7 (unutarnji polumjer) do λDr/R= 7 (vanjski polumjer) .
Nakon definiranja koeficijenta uzgona cL i broja lopatica n stvarna tetiva
lopatice je definirana s
cR
c=
λ D ncL
Uzimajući u obzir kutni moment, u slučaju niže vijednosti lokalnog omjera
brzina λDr/R, više će se optimalna tetiva lopatice razlikovati od one
dobivene po Betzu. Za turbine s visokom vrijednošću omjera brzina na
vrhu, to se uočava samo u području uz glavinu. To je dobra spoznaja jer
bi bilo teško napraviti lopaticu s velikom tetivom kakvu zahtjeva Betzov
teorem.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
Za turbine s niskom vrijednošću omjera brzina na vrhu, kao što su
američke farmerske vjetroturbine s λD oko 1, tetiva je potpuno drugačija,
ako se uzme u obzir vrtlog: sužava se prema unutra. Obično proizvođači
intuitivno naprave korekciju.
Sl. 5.23 prikazuje krivulju promjene kuta relativnog toka vjetra Φ za
trokute brzina u ravnini rotora uzimajući u obzir kutni moment (Schmitz) i
zanemarujući ga (Betz). Dijagram prikazuje da je kod projektiranja prema
Schmitzu potrebno manje uvijanje lopatica bliže glavini pri većim
omjerima brzina na vrhu lopatica, te po čitavoj visini lopatice za niže
omjere brzina na vrhu lopatica.
Uvijenje lopatica β je posljedica razlike između kuta relativnog toka vjetra
Φ i napadnog kuta αA koji se kortisti za postizanje projektnog koeficijenta
uzgona cL
β = Φ – αA (5-66)
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
Sl. 5.23 Kut relativnog toka vjetra Φ u ravnini rotora sa (Schmitz) i bez
uzimanja u obzir (Betz) vrtloga toka iza rotora u zavisnosti o lokalnom
omjeru brzina na vrhu lopatica λDr/R
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
5.6.1.Gubici zbog vrtloga iza rotora
U skladu s Betzom ako ako se ne uzme u obzir vrtlog iza rotora,
maksimalna dobivena snaga je:
Uzimajući u obzir kutni moment iza rotora, maksimalna snaga dP na
kružni prsten se dobiva iz jednadžbe (5-55), ako se dodatno uvrsti
optimalni uvjet za kut relativnog toka vjetra Φ=2/3 Φ1 u jednadžbu (5-57).
Integrirajući po čitavom kružnom prstenu i uzimajući u obzir jednadžbe (555, 5-57, 5-58), dobiva se jednažba za snagu koja uzima vrtlog iza rotora :
gdje je
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.6 Projektiranje po Schmitz-u uz uzimanje u obzir vrtloga
Ovaj se integral može riješiti analitički, međutim dobiveno riješenje je vrlo
kompleksno te netransparaentno. Stoga je riješenje ovog integrala dano
pomoću dijagrama, sl. 5.24, koji pokazuje da je koeficijent snage cP,Schmitz
za razliku od Betzovog koeficijenta jako zavisan o omjeru brzina na vrhu
lopatica λD.
Sl. 5.24 Koeficijent snage prema Betzu (bez) i Schmitzu (uz uzimanje u
obzir vrtloga). Šrafirano područje predstavlja dodatne gubitke
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.7 Projektiranje vjetroturbina u praksi
Odmah na početku maksimalnom snaga koja se može očekivati od
vjetroturbine je:
(5-68)
uz
gdje koeficijent snage cp,real zavisi samo o projektnom omjeru brzina na
vrhu lopatica λD, omjeru koeficijenta uzgona i otpora ε=cL/cD odabranog
profila te broju lopatica n koji utječe na gubitke na vrhu. Schmitz je
napravio dijagram gdje je koeficijent snage cP,real dan u zavisnosti o
projektnom omjeru brzina na vrhu lopatica λD, omjeru koeficijenta
uzgona i otpora ε=cL/cD te broju lopatica n. Bez ikakovih daljnjih
proračuna daje iskoristivost koja se može očekivati ako se uzme u obzir
vrtlog iza rotora, profilni i gubici na vrhu lopatica, sl. 5.25.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.7 Projektiranje vjetroturbina u praksi
Sl. 5.25 Schmitzov dijagram:
stvarni koeficijent snage koji uzima
u obzir sve gubitke
Pomoću Hutterovog dijagrama, sl. 5.15, dobije se okvirna vrijednost
površine lopatica. On pokazuje da se površina znatno smanjuje s
povećanjem omjera brzina na vrhu lopatica. Dok američke vjetrenjače
zahtijevaju gotovo cijeli disk uz λD=1, istovremeno vjetroturbine s λD= 6
trebaju samo 4 do 6% ukupne površine diska, ovisno o odabranom
koeficijentu uzgona cL. Krivulje za duljinu tetive i kut relativnog toka vjetra
su prikazane u Maurerovom dijagramu, sl. 5.22 i sl. 5.23 u logaritamskom
mjerilu.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.7 Projektiranje vjetroturbina u praksi
Nakon što se definira omjer brzina na vrhu lopatica λD, te tetiva c(r), može
se odrediti kut relativnog toka vjetra Φ(r). Koristeći napadni kut αA,
odabran za određeni koeficijent uzgona dobije se uvijenost lopatice β =
Φ(r) - αA. Jednadžbe (5-36) i (5-39) se koriste za projektiranje u skladu s
Betzom, dok jednadžbe (5-63) i (5-66) zajedno s (5-57) i (5-58) za
projektiranje u skladu sa Schmitzom. Kut uvijanja lopatice rotora
projektiranog po Schmitzu je dan s jednadžbom:
⎛ R ⎞
2
⎟⎟ − α A
β = arctan⎜⎜
3
⎝ λD r ⎠
Na određenom stupnju treba odrediti i broj lopatica. Dosad promatrane
teorije projektiranja ne nude veliku pomoć: n je slabo utjecajan parametar
i služi samo za izračunavanje gubitaka na vrhu. Stoga na odluku utječu
drugi faktori, kao proizvodnja (3 lopatice su skuplje od 2), pitanja
dinamike rotora (rotori s više lopatica mirnije rade i tiši su), te naravno
pitanja čvrstoće.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.7 Projektiranje vjetroturbina u praksi
Teoretski, za glavinu s fiksno učvršćenim lopaticama je bolja uporaba
nekoliko lopatica pošto će momenti savijanja u korijenu uvjetovani
opterećenjem biti manji. S druge strane kod rotora s elastično učvršćenim
lopaticama (sl. 3. 19) momenti savijanja su jednaki nuli. Stoga to nije
pitanje od velikog značaja. Čak i kod fiksnih učvršćenja lopatica, pitanje
visokih savojnih momenata u korijenu lopatice je manje relevantno pošto
se po visini lopatice koriste različiti profili (sl. 3.15). Zbog njihovog velikog
omjera uzgon-otpor, tanki profili (npr. NACA 4409 s debljinom 9%) se
koriste kod vrha, za srednji dio koriste se nešto deblji profili (npr. NACA
4415), a u samom korijenu koriste se jako debeli profili (npr. NACA 4424 s
debljinom od 24%). Iako je u korijenu omjer uzgon-otpor relativno malen,
profil je dovoljno debeo s obzirom na savojni moment uvjetovan
aerodinamskim silama.
Također cL nije konstantan po čitavoj visini lopatice. Stoga se s
promjenom tetive c(r) može manipulirati, npr. kod lopatica projektiranih u
skladu s Betzom i Schmitzom tetiva lopatice se može približno linearno
povećavati.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.7 Projektiranje vjetroturbina u praksi
Teorija
ne
osigurava
nikakovu
informaciju kako prilagoditi pojedine
elemente
lopatice
(sekcije)
duž
radijusa. Samo kut s obzirom na
ravninu vrtnje je određen pomoću kuta
uvijanja β.
Kod parnih turbina gdje se koriste
masivne lopatice, težišta su smještena
duž radijalne linije zbog velikih
centrifugalnih sila.
Kod vjetroturbina često je elastična os
(štap) ugrađen u području između 0,25
i 0,3 duljine tetive za radnu točku
aerodinamskih sila pri nekom toku (sl.
5. 26 i sl. 5.27). Tada aerodinamske sile
samo savijaju štap, ali ne uvijaju.
Stoga
napadni
kut
ostaje
nepromijenjen.
Sl. 5. 26 Poprečni presjeci profila
i njihova ugradnja kod turbine s
visokim omjerom brzina na vrhu
projektirane po Betzu (λD=6,
Gottingen profil 797) na 0,25
duljine tetive
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.7 Projektiranje vjetroturbina u praksi
Rezultat toga postupka je rotor koji ima optimalni koeficijent snage za
projektni omjer brzina na vrhu lopatica. To je prednost za vjetroturbine s
promjenjivim brojem okretaja, pošto njihova elektronika omogućava
optimalnu brzinu vrtnje. Za turbine regulirane prekidom strujanja, trebaju
biti uključeni drugi konstrukcijski parametri u geometriji rotora. U tom
slučaju, cilj je maksimalni cp u širokom području i kontrolirano odvajane
strujanja (prekid) za male omjere brzina na vrhu lopatica. Stoga je
projektiranje takovih rotorskih lopatica ponešto drugačije od projektiranja
po Betzu ili Schmitzu.
Ostali aspekti po pitanju odabira projektnog omjera brzina na vrhu, broja
lopatica i profila bit će prodiskutirani na kraju sljedećeg poglavlja.
5 Projektiranje vjetroturbine u skladu s Betz-om i Schmitz-om
5.7 Projektiranje vjetroturbina u praksi
Sl. 5.27 Podešavanje sekcija lopatice
Hvala na pažnji!
5 POGLAVLJE:
Proračun karakteristika
i djelomičnih opterećenja
Pripremio: Prof.dr.sc. Zvonimir Guzović
Zagreb, 2010.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.1 Metoda proračuna (metoda elementa lopatice)
¾ Proračun sile i relativne brzine vjetra na lopatice rotora za omjere brzina
na vrhu lopatica različite od projektnih iziskuje određeni napor. Ovdje će
biti opisana metoda koja je relativno jednostavna: metoda količine gibanja
elementa lopatice.
¾ Kada se projektira geometrija lopatice prema Schmitz-u, početno kut
relativnog toka vjetra Φ u ravnini vrtnje je određen za dani projektni omjer
brzina na vrhu lopatica. Uz taj kut Φ, može se pridobiti maksimalna snaga
iz vjetra. Nakon toga, određuju se tetiva lopatice c i uvijenost (kut uvijanja
lopatice β), tako da se tijekom rada kod projektnog omjera brzina na vrhu
lopatica taj kut relativnog toka i postiže.
¾ Sada je poznata tetiva lopatice c, a nepoznat je kut relativnog toka
vjetra Φ. Za omjer brzina na vrhu lopatica različit od projektnog λD, mijenja
se kut relativnog toka vjetra Φ u ravnini vrtnje. Za proračun kuta
relativnog toka vjetra Φ koriste se iste jednadžbe kao kod određivanja
tetive lopatice, tj. jednadžbe za silu uzgona dobivenu iz teorije aeroprofila
i principa količine gibanja.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.1 Metoda proračuna (metoda elementa lopatice)
¾ Kod određivanja sile uzgona na element lopatice koristi se teorija
aeroprofila za element:
(6-1)
gdje su: w=w1cos(Φ1-Φ); c - tetiva lopatice; dr - širina (visina) elementa
lopatice, te αA=Φ-β; cL - koeficijent uzgona; ρ - gustoća zraka.
¾ Sila uzgona na element lopatice može se također odrediti primjenom
principa količine gibanja:
(6-2)
gdje su:
;
- maseni protok; r- udaljenost
između elementa lopatice i vratila rotora; Δw= 2w1sin(Φ1-Φ); n – broj lopatica
rotora.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.1 Metoda proračuna (metoda elementa lopatice)
Sl. 6.1 Relativno strujanje vjetra, Φ i w u ravnini vrtnje
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.1 Metoda proračuna (metoda elementa lopatice)
¾ Izjednačavanjem dviju jednadžbi za silu uzgona, dobiva se jednadžba
koja se koristi za izračun tetive lopatice c iz danog kuta relativnog toka
vjetra Φ. Sada je poznata tetiva lopatice c, a nepoznat je kut relativnog
toka vjetra Φ:
(6-3)
¾ Kombinacijom jednadžbi (6-2) i (6-3) dobiva se:
¾ Ova se jednadžba može reducirati i pojednostaviti. Rezultat je
jednadžba bez gustoće zraka ρ, širine elementa lopatice dr i
neporemećene relativne brzine vjetra w1. Koristeći jednadžbu za napadni
kut αA uz poznati kut uvijanja β, dobiva se jednadžba sa samo jednom
nepoznatom varijablom na lijevoj strani, kut relativnog toka vjetra Φ u
ravnini rotora.
(6-4)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.1 Metoda proračuna (metoda elementa lopatice)
¾ Nažalost, ova se jednadžba ne može direktno riješiti za nepoznati kut
relativnog toka vjetra Φ. Kut Φ mora se odrediti iteracijom. Prvo, kut
relativnog neporemećenog toka vjetra Φ1 se izračunava korištenjem
omjera brzina na vrhu lopatica λ=ΩR/v:
1
Φ1 = arctg
r (6-5)
λR
¾ Iteracija započinje stavljanjem Φ=Φ1. Zatim se Φ kontinuirano mijenja
sve dok jednadžba (6-4) ne izkonvergira.
¾ Ova metoda proračuna je prikazana u nastavku. Ipak određene dodatne
postavke trebaju biti uzete u obzir:
9 Početna vrijednost: Φ=Φ1
9 Vrijednost Φ daje: αA=Φ-β → cL(αA) iz krivulje profila
9 Sada se istražuje da li su uvjeti jednadžbe ispunjeni:
(6-6)
9 Ako je f > 0, Φ mora biti manji.
9 Ako je f < 0, Φ mora biti veći.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.1 Metoda proračuna (metoda elementa lopatice)
¾ Na ovaj način, kut relativnog toka vjetra Φ je aproksimiran kada se
postigne vrijednost f=0.
¾ Iako jednadžba (6-6) vrijedi, osim sila iz teorije aeroprofila i principa
količine gibanja, postoje i inercijske sile koje uzrokuju promjenu smjera
relativnog toka vjetra. Ako je f=0, nema sila inercije, te se smjer vjetra ne
mijenja. Na ovaj je način rotor postigao stacionarno stanje.
¾ Kada je poznata vrijednost kuta relativnog toka vjetra iz iterativnog
postupka, relativna brzina vjetra w to se može izračunati sila uzgona dL
na lopaticama rotora. Iz sile uzgona, dobiva se doprinos elemenata
lopatice potisku, obodnoj sili i pogonskom okretnom momentu rotora:
sila potiska:
sila u obodnom smjeru:
okretni moment:
(6-7)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.1 Metoda proračuna (metoda elementa lopatice)
¾ Nakon toga postupak se ponavlja za sljedeći element lopatice te se
računa kut relativnog toka vjetra i sile. Iteraciju je potrebno ponoviti za
svaki element lopatice! Za ovaj kompleksan proračun koristi se računalo.
Sile i okretni moment za kompletan rotor dobivaju se sumiranjem sila svih
elemenata lopatice:
obodna sila lopatice:
sila potiska rotora:
okretni moment rotora:
snaga rotora:
¾ Ako gubici koji se javljaju zbog strujanja zraka oko vrha lopatice i
otpora profila, nisu uključeni, samo se jednadžbe (6-4) i (6-7) mijenjaju.
Proračunska metoda dana jednadžbom (6-6) ostaje ista. Analiza različitih
gubitaka dana je u poglavlju 6.8.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.2 Bezdimenzijski oblik karakterističnih krivulja
¾ Kao što je ranije prikazano, najteži dio proračuna je iterativno
određivanje relativnog kuta vjetra Φ. Jednadžba za uzgon (6-4) ne sadrži
niti brzinu vjetra niti brzinu vrtnje. U prvom koraku mogu se odrediti
bezdimenzijske vrijednosti sila, momenata i snage za pretpostavljeni
neporemećeni relativni kut vjetra Φ1. Ovi bezdimenzijski faktori mogu se
koristiti za proračun sile potiska, okretnog momenta i snage za bilo koju
kombinaciju brzine vrtnje i brzine vjetra jednostavnim množenjem
njihovih vrijednosti s referentnim vrijednostima.
¾ Dva se postupka obično koriste za bezdimenzijsku analizu:
9 Za krivulju vjetrenjače, odabrana referentna brzina je brzina vjetra v1
dovoljno daleko ispred rotora i bezdimenzijska karakteristična krivulja je
nacrtana u ovisnosti o omjeru brzina na vrhu lopatica λ=ΩR/v1 (gdje R je
vanjski polumjer rotora). Referentna sila koja se ovdje koristi je Fdyn, koja
je umnožak dinamičkog tlaka v12ρ/2 i površine zahvata rotora πR2.
referentna sila:
(6-9)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.2 Bezdimenzijski oblik karakterističnih krivulja
cT(λ) = koeficijent potiska :
cM(λ) = koeficijent momenta:
cP(λ) = koeficijent snage :
¾ Kako se snaga P dobiva množenjem okretnog momenta i brzine vrtnje,
P=ΩM, to po jednadžbama (6-9) koeficijent snage iznosi cP=λcM.
¾ Kako bi se izračunali bezdimenzijski koeficijenti, koristi se još jedanput
jednadžba (6-6) za određivanje relativnog kuta vjetra Φ za svaki element
lopatice. U skladu s jednadžbom (6-7) računaju se:
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.2 Bezdimenzijski oblik karakterističnih krivulja
te:
koeficijent potiska :
koeficijent momenta:
koeficijent snage :
¾ Zbrajajući koeficijente svih elemenata lopatice po polumjerima, dobiva
se točka bezdimenzijske karakteristične krivulje.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.2 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s visokim omjerom
brzina na vrhu lopatica
¾ Koeficijenti snaga, okretnog momena i potiska računati su za turbinu s
velikim omjerom brzina na vrhu lopatice λD=7, korištenjem metode
opisane u prethodnom poglavlju. Tri lopatice rotora imaju profil FX 63173, te su projektirane prema Schmitz-u. Kod proračuna karakteristične
krivulje uzeti su u obzir profilni i gubici na vrhu lopatice (više u poglavlju
6.8).
Sl. 6.2 Koeficijent snage cP u
ovisnosti o omjeru brzina na
vrhu lopatica λ (kod turbine
s visokim omjerom brzina
na vrhu lopatica uz projektni
λD=7)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.2 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s visokim omjerom
brzina na vrhu lopatica
Sl. 6.3 Koeficijent momenta cM u ovisnosti o omjeru brzina na
vrhu lopatica λ (kod turbine s visokim omjerom brzina na
vrhu lopatica uz projektni λD=7)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.2 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s visokim omjerom
brzina na vrhu lopatica
Sl. 6.3 Koeficijent potiska cT u ovisnosti o omjeru brzina na
vrhu lopatica λ (kod turbine s visokim omjerom brzina na
vrhu lopatica uz projektni λD=7)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.2 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s visokim omjerom
brzina na vrhu lopatica
¾ Maksimalna vrijednost koeficijenta snage je jasno niža od idealne
vrijednosti cP=16/27, može se odrediti kod λopt<λD. To je zbog otpora profila
koji kod turbina s visokim omjerom brzina na vrhu lopatica djeluje u
smjeru suprotnom tangencijalnoj (obodnoj) brzini.
¾Turbine s visokim omjerom brzna na vrhu lopatica tipično imaju nizak
koeficijent momenta tijekom pokretanja pri λ=0 (brzina vrtnje=0). Ovo
dovodi do loše karakteristike kod pokretanja ovakvog tipa turbina. Zbog
toga cM=cP/λ, koeficijent momenta može se direktno očitati iz krivulje cP-λ.
Za λ=0, koeficijent momenta je nagib krivulje cP-λ.
¾Maksimalni koeficijent momenta se dobiva kada tangenta - koja počinje
iz ishodišta koordinatnog sustava - dodirne cP-λ krivulju. Ovaj koeficijent
momenta je važan za dimenzioniranje kočnice u slučaju opasnosti.
¾Kod većih omjera brzina na vrhu lopatica, koeficijenti snage i momenta
se smanjuju. Kod duplo većeg omjera brzina na vrhu lopatica od
projektnog, oba koeficijenta postižu otprilike vrijednost nula. To je omjer
brzina na vrhu lopatica pri praznom hodu, kada se vrte bez opterećenja.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.2 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s visokim omjerom
brzina na vrhu lopatica
¾ Koeficijenti potiska povećava se ravnomjerno s povećanjem omjera
brzina na vrhu lopatica. Turbine s visokim omjerom brzina na vrhu
lopatica imaju mali broj i to tankih lopatica. Tijekom pokretanja, gotovo
cjelokupna struja vjetra može strujati kroz ravninu vrtnje bez da bude
poremećena, te je tada cT jako nizak. U praznom hodu, koeficijent potiska
je 1,25, što je približno jednako koeficijentu otpora krutog diska. Međutim,
velika sila potiska nije uzrokovana sama otporom profila, nego i uzgonom
koji je za turbine s visokim omjerom brzina na vrhu lopatica gotovo
paralelan sa smjerom strujanja vjetra.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.4 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s niskim omjerom
brzina na vrhu lopatica
¾ U ovom poglavlju bit će govora o koeficijentima snage, potiska i
momenta za turbine s malim omjerom brzina na vrhu lopatica: λD=1. Rotor
se sastoji od petnaest lopatica s visoko-kvalitetnim Wortmann-ovim
profilom FX 63-137. Iako će se ovakav profil rijetko koristiti za
konstrukciju turbine s malim omjerom brzina na vrhu lopatica, u ovom će
se slučaju koristiti kako bi se pokazale glavne razlike spram turbina s
visokim omjerom brzina na vrha lopatica.
Sl. 6.5 Koeficijent snage cP u
ovisnosti o omjeru brzina na
vrhu lopatica λ (kod turbine
s niskim omjerom brzina na
vrhu lopatica uz projektni
λD=1)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.4 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s niskim omjerom
brzina na vrhu lopatica
Sl. 6.6 Koeficijent momenta cM u ovisnosti o omjeru brzina na
vrhu lopatica λ (kod turbine s niskim omjerom brzina na vrhu
lopatica uz projektni λD=1)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.4 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s niskim omjerom
brzina na vrhu lopatica
Sl. 6.7 Koeficijent potiska cT u ovisnosti o omjeru brzina na
vrhu lopatica λ (kod turbine s niskim omjerom brzina na vrhu
lopatica uz projektni λD=1)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.4 Bezdimenzijske karakteristične krivulje turbine s niskim omjerom
brzina na vrhu lopatica
¾ Maksimalni koeficijent snage od 0,43 je još više ispod cP=16/27. U ovom
slučaju, pojavljuje se pri λ>λD. To je zbog gubitka vrtloga. Otpor profila
ima mali utjecaj na karakteristične krivulje.
¾ Visoki koeficijent momenta tijekom pokretanja pri λ=0 tipičan je za
turbine s malim omjerom brzina na vrha lopatica. To je posljedica velikog
kuta uvijanja lopatica β i velike gustoće rešetke. Veliki kut uvijanja
lopatica uzrokuje velike sile uzgona, čak i pri pokretanju. Turbine s malim
omjerom brzina na vrha lopatica su stoga prikladne za pokretanje pumpi
ili strojeva koji zahtijevaju veliki moment pri pokretanju.
¾ Visoka gustoća rešetke također uzrokuje velike koeficijente potiska
prilikom pokretanja. Smanjenje koeficijenta potiska za vrijeme praznog
hoda je zbog toga što turbine s niskim omjerom brzina na vrhu lopatica
kod praznog hoda imaju negativni koeficijenat uzgona. Stoga, one
ubrzavaju zrak a ne da ga usporavaju.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.5 Karakteristike turbine
¾ Kako se može odrediti snaga, okretni moment i potisak za određenu
brzinu vrtnje i brzinu vjetra iz bezdimenzijske krivulje?
¾ Prvo, definira se vanjski polumjer R rotora.
¾ Brzina vjetra također je zadana. Koristi se za proračun referentne sile
Fdyn:
(6-10)
¾ Zatim se odabire brzina vrtnje (u okr/min) pri kojoj će raditi turbina. Iz
brzine vrtnje n, određuje se kutna brzina vrtnje Ω (u rad/s), koja se koristi
za određivanje omjera brzina na vrhu lopatice:
¾ Koristeći omjer brzina na vrhu lopatice, mogu se odrediti
bezdimenzijski koeficijenti iz karakterističnih krivulja, te se mogu
izračunati sila potiska, okretni moment i snaga:
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.5 Karakteristike turbine
potisak
okretni moment
snaga
¾ Ako se T, M ili P računaju za različitu brzinu vrtnje, ali istu brzinu vjetra,
može se koristiti ista referentna sila Fdyn. Ako se promijeni brzina vjetra,
referentna sila Fdyn mora se ponovo izračunati.
¾ Koristeći ovu metodu, određena je krivulja snage (sl. 1.8) za
vjetroturbinu s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica i s rotorom
promjera 4 m s obzirom na brzinu vrtnje za različite konstantne brzine
vjetra. Korištena je bezdimenzionalna cP-λ krivulja za turbinu sa velikim
omjerom brzina na vrhu lopatica iz poglavlja 6.3. Sl. 6.9 prikazuje snagu s
obzirom na brzinu vjetra za različite konstantne brzine vrtnje za istu
vjetroturbinu.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.5 Karakteristike turbine
Sl. 6.8 Snage u zavisnosti o brzini
vrtnje pri različitim brzinama vjetra
Sl 6.9 Snage u zavisnosti o brzini
vjetra pri različitim brzinama vrtnje
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
6.6.1 Turbine s velikim vs malim omjerom brzina na vrhu lopatica: sažetak
U ovom poglavlju još će se jednom sumirati zaključci iz petog i šestog
poglavlja, te će biti eksplicitno ilustrirane razlike između turbina s velikim
i s malim omjerom brzina na vrhu lopatica.
Sl 6.10 Koeficijenti snage i momenta
za različite konstrukcije rotora
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
¾ Snaga:
9 Snaga vjetroturbine se povećava proporcionalno s v3R2.
9 Maksimalni koeficijent snage cP uvijek je manji od 16/27.
9 Kod turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica, cPmax je jedino
ovisan o otporu profila.
9 Kod turbina s niskim omjerom brzina na vrhu lopatica, cPmax se
smanjuje jedino zbog vrtloga zraka iza rotora.
¾ Okretni moment:
9 Okretni moment vjetroturbine povećava se proporcionalno s v2R3.
9 Maksimalni koeficijent momenta uvijek će se pojaviti pri omjerima
brzina na vrhu lopatica pri λ<λD.
9 Turbine s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica imaju male
koeficijente momenta prilikom pokretanja (pri λ=0).
9 Turbine s malim omjerom brzina na vrhu lopatica imaju velike
koeficijente momenta prilikom pokretanja.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
¾ Sila potiska:
9 Sila potiska vjetroturbine povećava se proporcionalno s v2R2.
9 Turbine s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica imaju male
koeficijente potiska prilikom pokretanja, koeficijenti potiska se
povećavaju s većim omjerima brzina na vrhu lopatica.
¾ Turbine s malim omjerima brzina na vrhu lopatica imaju velike
koeficijente potiska prilikom pokretanja, koeficijenti potiska se smanjuju s
povećanjem omjera brzina na vrhu lopatica.
¾ Prazni hod:
9 U pravilu, omjer brzina na vrhu lopatica pri praznom hodu je otprilike
duplo veći od projektnog omjera brzina na vrhu lopatica.
9 Za turbine s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica, omjer brzina na
vrhu lopatica u praznom hodu je ograničen otporom profila.
9 Za turbine s malim omjerom brzina na vrhu lopatica, otpor profila ima
mali utjecaj na omjer brzina na vrhu lopatica u praznom hodu.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
¾ Lopatice:
9 Turbine s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica imaju mali broj
isključivo tankih lopatica, koje su manje na vanjskom polumjeru nego što
su na unutrašnjem. Lopatice zahtijevaju visoku kvalitetnu površinu i
aerodinamički oblik s visokim omjerom uzgon-otpor. Lopatice su izložene
velikim naprezanjima uslijed aerodinamičkih i inercijskih sila.
9Turbine s malim omjerom brzina na vrhu lopatica imaju veći broj
lopatica i to konstantne širine ili su čak šire na vanjskim polumjerima
rotora nego na unutarnjim. Nema specifičnih zahtjeva glede površine
lopatica i njihovog profila. Naprezanje lopatica su mala u usporedbi s
turbinama s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica.
¾ Primjena:
9Turbine s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica koriste se za
proizvodnju električne energije. Mali okretni moment prilikom pokretanja
nije problem zbog toga što generator počinje s radom samo kod visokih
brzina vrtnje.
9Turbine s malim omjerom brzina vrhu lopatica su prikladne za strojeve
poput različitih pumpi, mlinove, i sl.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
6.6.2 Relativni tok vjetra kod turbina s projektnim niskim omjerom brzina
na vrhu
¾ Zbog boljeg razumijevanja karakteristične krivulje bit će prodiskutiran
relativni tok vjetra na lopaticu turbine s niskim omjerom brzina na vrhu
lopatice. Kao primjer bit će dana turbina s omjerom na vrhu lopatice λD=1.
Turbina ima 21 lopaticu projektiranu u skladu sa Schmitzom.
Sl. 6.11 Promjena radnih
točki duž krivulja profila
tijekom starta (turbina s
niskim omjerom brzina na
vrhu, λD=1)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
¾ Na sl. 6.12 prikazana su tri poprečna presjeka lopatice: na vanjskom
dijelu na r=0,9R, na središnjem dijelu na r=0,6R, te na unutarnjem dijelu
na r=0,3R. Gornja polovica slika prikazuje veličine i smjerove sila, donja
polovica prikazuje relativne brzine vjetra na pojedinim dijelovima lopatice.
Uz to, sl. 6.11 sadrži krivulje profila s korištenima koeficijentima uzgona i
otpora.
¾ Lopatica je analizirana s tri omjera brzina na vrhu lopatica: λ= 0,2 (start,
crtkane linije), λ=1 (projektni omjer brzina na vhu lopatica, debela linija), i
λ=2,8 (prazni hod, tanka linija). Karakteristična krivulja te turbine je
opisana u prethodnom poglavlju.
¾ Tokom starta (slijediti na sl. 6. 11 krivulje u smjeru strelica), unutarnji
element lopatice je već u području povoljnih omjera uzgon-otpor, dok na
vanjskoj sekciji još uvijek postoji odvajanje toka. Ipak tangencijalne
(obodne) sile po čitavoj lopatici su gotovo konstantne. Za projektni omjer
brzina na vrhu lopatica λD=1, napadni kut na lopaticu je 20 duž čitave
lopatice (projektna vrijednost). Sada je tangencijalna sila nešto veća na
vanjskom elementu nego bliže unutarnjem polumjeru.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
¾ U praznom hodu, napadni kutevi na lopaticu imaju visoke negativne
vrijednosti. Stoga, koeficijent uzgona postaje jako mal. Ako se turbina čak
vrti brže, mogu se javiti negativni koeficijenti uzgona na vanjskom
polumjeru. To objašnjava zašto sile potiska turbina s niskim omjerom
brzina na vrhu su tako male tokom praznog hoda.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
Sl. 6.12 Sile, kut relativnog
toka vjetra i brzina na
lopaticu na tri radijalna
poprečna presjeka za različite
omjere brzina na vrhu
lopatica (turbina s niskim
omjerom brzina na vrhu
lopatica)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
6.6.3 Relativni tok vjetra kod turbina s projektnim visokim omjerom brzina
na vrhu
¾ Sada će biti analizirana lopatica turbine s visokim omjerom brzina na
vrhu lopatica. Turbina koja se koristi kao primjer ima projektni omjer
brzina na vrhu lopatica λ= 7. Turbina ima tri lopatice koje su projektirane u
skladu sa Shmitzom. Pošto je umnožak projektnog omjera brzina na vrhu
lopatica i broja lopatica jednak onome kod turbine s malim omjerom
brzina na vrhu lopatica λDn=21, tetiva lopatice se može dobiti direktno iz
dijagrama za tetivu lopatice, sl. 5.22. Pretpostavlja se da su presjeci
lopatice na istoj udaljenosti kao i oni kod turbine s niskim omjerom brzina
na vrhu lopatica.
¾ Gornji presjek lopatice leži na vanjskom polumjeru r=0,9R, srednji
presjek lopatice na r=0,6R i donji na r=0,3R. Gornja polovica slike
prikazuje veličinu i smjer sila. Ipak se, drugačija skala od one kod turbina
s niskim omjerom brzina treba koristiti. Ista brzina vjetra je korištena za
proračun sila za obe turbine. Krivulja profila je jednaka onoj kod turbine s
niskim omjerom brzina na vrhu lopatica. Ipak u ovom slučaju upotreba
profila je puno povoljnija.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
Lopatica je analizirana za tri omjera brzina na vrhu lopatica: λ= 1,5 (start,
crtkane linije), λ= 7 (projektni omjer brzina na vrhu lopatica, debela linija),
i λ= 13,5 (prazni hod, tanka linija. Tokom starta treba također slijediti
strelice na sl. 6.13.
Sl. 6.13 Promjena radnih točki
duž krivulja profila tijekom
starta (turbina s visokim
omjerom brzina na vrhu, λD=1)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
¾Veliki dijelovi lopatice su u istom području krivulje profila kao lopatica
turbine s niskim omjerom brzina na vrhu. Sile su jednake onima kod
turbine s niskim omjerima brzina na vrhu, ali njihov smjer je manje
povoljan. Kako turbina s niskim omjerom brzina na vrhu ima sedam puta
više lopatica, sile potiska su znatno više za isto opterećenje lopatice. Kod
projektnog omjera brzina na vrhu, napadni kut se mijenja na 20 na svim
polumjerima (projektna vrijednost). Tangencijalna (obodna) sila duž
lopatice je konstantna, ipak, sila potiska postaje tako velika kao na
ukupno sedam lopatica turbine s niskim omjerom brzina na vrhu.
¾ Tijekom praznog hoda, lopatica rotora proizvodi uzgon iako je napadni
kut neznatno negativan. Stoga, koeficijent uzgonane postaje tako mal kao
kod turbine s niskom omjerom brzina na vrhu lopatica. Zbog visoke
relativne brzine vjetra, sile potiska značajno rastu. Na vanjskom
polumjeru, pribrojena tangencijalnoj (obodnoj) brzini aksijalna
komponenta (vjetar) nema nekog značaja. Čak ako se turbina vrti dvaput
brže, nema negativnih koeficijenata uzgona koji mogu ograničiti potisak.
To objašnjava velike sile potiska kod turbina s visokim omjerom brzina na
vrhu lopatica.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.6 Uvjeti strujanja
Sl. 6.14 Sile, kut relativnog
toka vjetra i brzina na
lopaticu na tri radijalna
poprečna presjeka za različite
omjere brzina na vrhu
lopatica (turbina s visokim
omjerom brzina na vrhu
lopatica)
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.7 Ponašanje turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice prilikom
promjene koraka lopatice
¾ Promjenom koraka lopatice (pri čemu se ulazni brid lopatice zakreće u
vjetar), dobivaju se uvjeti relativnog strujanja vjetra za turbinu s velikim
omjerom brzina na vrhu lopatice koji su slični onima kod turbine s malim
omjerom brzina na vrhu lopatice. Međutim, kako su tetive lopatice
konstruirane za veće relativne brzine vjetra, visoke pogonske sile turbine
s malim omjerom brzina na vrhu lopatice neće biti postignute.
¾ Za turbine s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice, korak se mijenja
pri pokretanju turbine, kod regulacije te kod kočenja u slučaju opasnosti.
Neke vjetroturbine ne mijenjaju korak cijele lopatice, nego samo vrha
lopatice (vidjeti poglavlje 11).
¾S povećanjem koraka lopatice:
9Koeficijenti maksimalne snage i momenta značajno se smanjuju.
9Omjer brzina na vrhu lopatice za vrijeme praznog hoda se smanjuje.
9Koeficijenti potiska su značajno smanjeni.
9Koeficijent momenta tijekom pokretanja se povećava.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.7 Ponašanje turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice prilikom
promjene koraka lopatice
Sl 6.15 Koeficijent snage cP za različite kutove nagiba
Primjer primjene regulacije nagibom lopatica
Zadano je:
Turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice λD=7, promjer rotora
D=4m, projektna brzina vrtnje n=300 okr/min, snaga 4kW.
Brzina rotora od 300 okr/min biti će održavana konstantnom promjenom
nagiba lopatica.
Započinje se proračunom faktora dinamičkog tlaka:
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.7 Ponašanje turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice prilikom
promjene koraka lopatice
a. Brzina vjetra v1=10 m/s.
omjer brzina na vrhu lopatica pri n=300 okr/min:
Iz krivulje koeficijenta snage se dobiva:
Snaga:
Pri ovoj brzini vjetra, nije potrebna regulacija nagibom.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.7 Ponašanje turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice prilikom
promjene koraka lopatice
Sl. 2.16 Koeficijent okretnog
momenta cM za različite kutove
nagiba
Sl. 1.17 Koeficijent potiska cT za
različite kutove nagiba
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.7 Ponašanje turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice prilikom
promjene koraka lopatice
b. Brzina vjetra se povećala na 12 m/s.
Omjer brzina na vrhu lopatica pri n=300 okr/min:
Dobiva se iznos za cP:
Snaga:
Međutim, generator izdvaja samo 4 kw. Koji će biti odgovarajući cP?
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.7 Ponašanje turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice prilikom
promjene koraka lopatice
Ako u ovom trenutku ne postoji regulacija rotor će povećati svoj omjer
brzine vrha lopatice dok se ne postigne koeficijent snage od cP=0,29. To
će se desiti pri λ=11. Koja će sada biti brzina vrtnje?
Pri ovoj brzini vrtnje doći će do pregaranja namota generatora, ako već
prije toga nije došlo do loma lopatica (pri 630 okr/min centrifugalne sile na
lopatice su 4,4 puta veće nego pri 300 okr/min).
Promjenom kuta nagiba lopatica za 10°, željeni vrijednost cP od 0,29 se
postiže pri λ=5,3.
c. Brzina vjetra se dalje povećava na 14 m/s.
Omjer brzine na vrhu lopatica pri n=300 okr/min:
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.7 Ponašanje turbina s velikim omjerom brzina na vrhu lopatice prilikom
promjene koraka lopatice
(Sada se za dobivanje točne vrijednosti koeficijenta koristi karakteristična
krivulja za kut nagiba od 10°)
Snaga:
Pripadajući cP:
To znači, da se kut nagib lopatica mora dodatno povećati na približno 15°.
Kut nagiba lopatica mora se promijeniti velikom brzinom. Osim toga,
mora se promijeniti istovremeno na svim lopaticama, ili će doći do
aerodinamičke neravnoteže.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.8 Proširena metoda proračuna
U poglavlju 6.1, izjednačavanjem aerodinamičke sile uzgona s
aerodinamičkom silom dobivenom po princip količine gibanja, izračunat je
relativni kut vjetra na sekciju lopatice. Ove se dvije sile mogu izjednačiti kada
vrijede sljedeće pretpostavke:
9Sile na sekciji lopatice uzrokuju stacionarnu i homogenu promjenu brzine
mase zraka koja struji kroz kružnu prstenastu površinu rotora dA=2πrdr.
9Masa zraka je pod utjecajem aerodinamičkih sila samo u području ravnine
vrtnje. Strujnice nigdje drugdje nisu pod utjecajem sila.
9Otpor profila je jako mali te stoga može biti zanemaren.
Pretpostavke su približno valjane samo ako se rotor vrti s projektnim
omjerom brzina na vrhu lopatica. Tijekom pokretanja (λ<<λD) turbine s
velikim omjerom brzina na vrhu lopatice, zrak struji kroz lopatice bez
poremećaja. Tijekom praznog hoda (λ>λD) turbine s velikim omjerom brzina
na vrhu lopatice, usporavanje zraka je toliko veliko (v2<v1/2) da dio usporene
mase zraka struji oko vanjskog brida rotora. Ova masa zraka nije uključena u
korištenu jednadžbu količine gibanja. Stoga, otpor profila može biti
zanemaren samo kod projektnog omjera brzina na vrhu lopatice. Već su ranije
spomenuti ti utjecaji kada je bilo govora o bezdimenzijskim karakterističnim
krivuljama. Sada će iteracija u jednadžbi 1.6 uključiti i te utjecaje.
6 Proračun karakteristika i djelomičnih opterećenja
6.8 Proširena metoda proračuna
1.8.1 Područje λ<λD (utjecaji rešetke, gubici na vrhu lopatice)
Turbine s velikim omjerom brzina na vrhu lopatica imaju mali broj tankih
lopatica. Masa zraka koja struji kroz disk površine 2πrdr djeluje silom na
lopatice. Pojedini aerodinamički profil može utjecati na masu zraka samo
u svojoj blizini do određene udaljenosti b*. Ako se rotor vrti pri projektnoj
vrijednosti λD, relativna brzina vjetra je w i pripadajući kut Φ, sl 6.18.
Udaljenost b na kojoj lopatice utječu na vjetar mora biti relativno mala,
b=2πrsinΦ/n, zbog smjera nastrujavanja vjetra. Ako se rotor ne vrti,
individualna lopatica mora utjecati na dužini od a=2πr/n koja je uglavnom
veća nego područje utjecaja b*. Tijekom mirovanja, dio zraka će strujati
bez poremećaja kroz ravninu vrtnje turbine s velikim omjerom brzina na
vrhu lopatice.
Sl. 6.18 Širina u ravnini
vrtnjena koja je pod
djelovanjem relativne
struje vjetra prilikom
mirovanja (a) i pri
projektnim uvjetima (b)
Hvala na pažnji!
Sveučilište u Zagrebu / University of Zagreb FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture 7. Strukturalna opterećenja i pitanja čvrstoće Prof.dr.sc. Zvonimir Guzović Sve komponente prijenosa snage vjetroturbine, kao što su lopatice, pogonsko vratilo između rotora i generatora, ležaj gondole i stup, konstruirane su: ‐ kako bi preživjele oštećenja zbog preopterećenja, npr. uslijed oluja; ‐ kako bi izdržale zamor materijala sve do zamorne čvrstoće (za konačni životni vijek), ‐ kako ne bi došlo do rezonancije u području radne brzine vrtnje. Sile koje uzrokuju opterećenja na konstrukciji mogu se grupirati prema različitim kriterijima. Koristeći tehničke teorije mogu se razlučiti aerodinamičke i inercijske sile kao što su centrifugalne, žiroskopska opterećenja ili gravitacijsko opterećenje. S obzirom na proračun opterećenja, korisna je razlika na temelju promjene opterećenja tokom vremena. Mogu se grupirati kako slijedi: •
•
•
•
stacionarna opterećenja (statična ili kvazi‐statična opterećenja), kao što su aerodinamička opterećenja za vrijeme prosječnog vjetra, centrifugalne sile, gravitacijsko opterećenje gondole, stupa itd. kratkotrajna opterećenja (tranzijentna), kao što su opterećenja zbog udara jakog vjetra, zakretni pomak zbog poprečnih vjetrova, procesi kočenja skretanjem, gašenje mreže itd. ciklička opterećenja, npr. uslijed efekta sjene stupa na lopatice, gravitacijskog opterećenja rotacijom lopatice, disbalansa ili 'aerodinamičkog' disbalansa, profila vjetra blizu tla, itd. stohastička (slučajna) opterećenja koja opisuju turbulenciju aerodinamičkih sila ili u frekvencijskom ili u vremenskom području. Dok kratkotrajne sile obično dovode do kvarova (lomova) zbog preopterećenja, trajna ciklička ili stohastička opterećenja na turbini dovode do lomova uslijed zamora. 7.1. Kombinirano opterećenje Realna procjena naprezanja i deformacija na komponentama može se postići kombiniranjem opterećenja u različitim radnim i okolišnim uvjetima. Koriste se sljedeće kategorije: ‐ normalan rad; ‐ manevar (pokretanje, kočenje, sinkronizacija na mrežu, itd.); ‐ ekstremni okolišni uvjeti (ekstremni vjetrovi, nastajanje leda, itd.); ‐ incidenti (kratak spoj generatora, ekstremni disbalans, itd.); 1 ‐ instalacijski rad, montaža. Neka opterećenja se mogu dogoditi istovremeno, npr. olujna i disbalans, druga su isključiva jedna od drugih, npr. sinkronizacija s mrežom i kočenje zbog zaustavljanja turbine. Iz tog razloga, neka opterećenja moraju se kombinirati pri konstrukciji, a neka ne. U sklopu propisa službene certifikacije turbine, određen je broj kombiniranih opterećenja za koja čvrstoća svih zahvaćenih komponenata mora biti zadovoljena. Brzine vjetra koje se koriste za određivanje opterećenja, npr. nazivna brzina vjetra od 12 m/s za vrijeme normalnog rada, temelje se na referentnoj visini zR=10 m. Te se brzine moraju prilagoditi brzini vjetra na visini glavine v(z) preko jednadžbe iz poglavlja 4 (jednadžba 4.2): (7.1) gdje je p=0.3 (0.1 pri ekstremnim brzinama vjetra) Često postoji tzv. sveobuhvatno opterećenje. Ako se konstrukcija temelji na tom opterećenju, sva druga mogu biti dozvoljena i u načelu se ne moraju posebno obrađivati. Kod vrlo velikih turbina (D>70 m), to je masa lopatica i specijalno zamor. Kod malih i srednje velikih turbina bez regulcije zakretanjem lopatica, to je često situacija 'ekstremna oluja (cca. 60 m/s) za vrijeme mirovanja' koja uzrokuje maksimalna opterećenja u korijenu lopatice u smjeru savijanja. Često su najveća opterećenja na lopatice u obodnom (tangencijalnom) smjeru i na pogonsku vodilicu uzrokovana kočionim momentima uslijed zaustavljanja u slučaju opasnosti i kratkog spoja generatora. Ako postoji i takovo opterećenje, konstrukcija će se u početku temeljiti na njemu. 7.2. Opterećenja lopatica vjetroturbina 7.2.1. Stacionarna, kvazi‐statička opterećenja Prva informacija o aerodinamičkom opterećenju lopatice može se dobiti pretpostavljajući neprekidan homogen vjetar vw, u skladu s Betz‐ovom teorijom. Ona rezultira sljedećom raspodjelom sila duž polumjera r tijekom rada pri proračunskom omjeru brzina na vrhu lopatice λD: raspodjela potiska: (7.2) raspodjela obodnih sila: (7.3) 2 Slika 7.1 prikazuje smjerove sila koje se koriste za računanje sila u pojedinim presjecima (smična opterećenja i momenti savijanja u oba smjera) koje služe kao osnova za dimenzioniranje. Kod turbina s visokim omjerom brzina na vrhu lopatice (λD>4), sile potiska su znatno veće od obodnih sila. Slika 7.1 Raspodjela obodnih sila i sila potiska na lopaticu dimenzioniranu prema Betz‐u, tokom rada pri proračunskim uvjetima (lijevo); kut nagiba lopatice δ, moment uspravljanja MF slijed centrifugalnih sila (desno), rotirajuće koordinate xR‐yR‐zR Kako bi se donekle kompenzirali veliki momenti savijanja zbog potiska, lopatice su često nagnute pod malim kutom δ=5° do 7°, slika 7.1b. Cjelokupna kompenzacija postoji samo kod jednog omjera brzina na vrhu lopatica, npr. λD. Za vrijeme rada pri djelomičnom opterećenju ili u praznom hodu, dolazi samo do djelomične kompenzacije. Samo kod lopatica s pojedinačnim oscilirajućim zglobovima, momenti na glavini nastali zbog savijanja jednaki su nuli za sve brzine vrtnje; tada će se odgovarajući kut pod kojim se lopatica nagiba i koji izjednačava djelovanje momenata koji proizlaze iz potiska i centrifugalnih sila, sam podesiti. Korisno je kombinirati proračun sila u presjecima za vrijeme djelomičnih opterećenja i praznog hoda s proračunom radnih karakteristika. Tada su, za svaku radnu točku i za svaki presjek lopatice, određene aerodinamičke sile u obodnom i aksijalnom smjeru. Gubici na vrhu i otpora profila također su uzeti u proračun. Dodatno se moraju uključiti samo centrifugalne sile. 7.2.2. Kratkotrajna opterećenja uslijed jakih vjetrova 3 Opasnost ekstremnih vjetrova (oko 60 m/s) na lopatice za vrijeme mirovanja može se procijeniti relativno lako (ploča okomita na vjetar, cD=2.0‐2.1). No jaki vjetrovi i za vrijeme normalnog rada uzrokuju velika opterećenja i naprezanja. Slika 7.2 prikazuje promjenu trokuta brzina uslijed oluje Δv2 uz brzinu vjetra v2. Slika 7.2 Promjena trokuta brzina i uzgona na lopaticu za vrijeme oluja Vidimo da se, kao prvo, napadni kut značajno mijenja za ΔαA, i, kao drugo, mijenja se također relativna brzina vjetra. Obje promjene zajedno, zbog (7.4) uzrokuju promjenu uzgonskih sila. Ako turbina radi s malim napadnim kutom vjetra, promjena tog kuta pridonosi preko cL(αA+ΔαA) u najvećem dijelu promjeni uzgonskih sila. Ako turbina radi blizu područja prekida strujanja ili već povrh njega, cL se neće značajno mijenjati. Tada promjena uzgonskih sila je posljedica uglavnom promjene relativne brzine vjetra (w+Δw)2. Koristeći program za radne karakteristike, sile u presjecima i naprezanje u lopatici može se odrediti s ili bez Δv olujnog vjetra. 4 Slika 7.3 Nadvišenje i konačna pozicija za vrijeme iznenadnog opterećenja na (blago prigušenom) sustavu s jednim stupnjem slobode Ako se skok sila opterećenja ΔP dogodi iznenadno, sustav će prelaziti prema konačnoj poziciji koja će, doduše, biti značajno premašena uslijed dinamike efekta prijelaza. Slika 7.3 prikazuje kako blago prigušeni sustav s jednim stupnjem slobode reagira na iznenadno opterećenje. Nadvišenje iznad konačnog položaja analogno je i kod lopatica vjetroturbina. Samo opterećenje od jakih vjetrova – razlikuju se dva različita slučaja koja su nešto „glađa“, Slika 7.4. 5 Slika 7.4 Tip jakog vjetra i vrijeme djelovanja τ; „nadvišenje“ odziva lopatice: konačna neutralna pozicija ue za jaki vjetar tipa a) i u0 za tip b) Koliko će konačna pozicija biti premašena, ovisi o tipu iznenadnog jakog vjetra, vremenu djelovanja t, i periodi vlastite frekvencije lopatice T. Koeficijenti nadvišenja za dva idealizirana jaka vjetra prema slici 7.4 (7.5a) i (7.5b) prikazana su na Slici 7.5. Slika 7.5 Omjer „nadvišenja“ za vrijeme jakih vjetrova tipa a) i b) Pored statičkog savijanja zbog opterećenja uzrokovanog jakim vjetrom, mora se uzeti u obzir odstupanje zbog nadvišenja. 7.2.3. Kratkotrajno opterećenje zbog centrifugalnih, žiroskopskih i Coriolis‐ovih sila uslijed zakretanja rotora Ako se gondola usmjerava prema vjetru zakretanjem γ(t), bilo zakretnim pogonom ili vjetrokazom, inercijske sile djeluju na ramenječi turbinske lopatice na prilično kompleksan način, zbog stacionarne vrtnje lopatice kutnom brzinom Ω, Slika 7.6. 6 Slika 7.6 Opterećenje px (r) i py (r) zbog inercijskih sila zbog zakretanja γ(t) Koristi se pojednostavljena pretpostavka da je masa kontinuirano raspoređena po osi zR također rotirajućeg koordinatnog sustava xR‐yR‐zR (raspodjela mase μ(r)). Udaljenost između ravnine vrtnje i osi stupa je e. To rezultira sljedećom raspodjelom sila po ramenjači, temeljenoj na rotirajućim koordinatama: (7.6) (1) (2) (3) (4) Slično aerodinamičkim silama, te sile također uzrokuju sile u presjecima lopaticama (smična naprezanja i momente savijanja), a utvrđuju se njihovim zbrajanjem. Najčešće, zakretni pomak pomoću zakretnog pogona je prespor da bi imao nekakovog utjecaja, . Ostaje samo normalan član za centrifugalne sile (4) koji je već uzet u proračun kod stacionarnih centrifugalnih sila. Ako se dogodi zakretni pomak pri stalnoj kutnoj brzini, , član (1) nije potreban pošto se odnosi na ubrzano zakretanje. Prilikom dimenzioniranja koriste se maksimalni iznosi sila. Jednadžba gibanja kuta zakretanja γ(t) obično je dobivena grubom procjenom inercije gondole i pogonskog okretnog momenta zakretnog pogona ili vjetrokaza. 7 7.2.4. Procesi kočenja Iznenadno kočenje uzrokuje velike inercijske sile u obodnom smjeru. Za raspodjelu sile u obodnom smjeru uzduž ramenjače vrijedi (7.7) gdje je MB(t) moment kočenja i Θtot ukupna rotacijska inercija svih lopatica, glavine, vratila i generatora. μ(r) je raspodjela mase uzduž osi lopatice. Za vrijeme manevra iznenadnog kočenja, događa se nadvišenje tipa a), Slika 7.4. B
7.2.5. Ciklička opterećenja zbog težine lopatice Kao što je spomenuto prije, kod velikih turbina, težina lopatica je dominantno opterećenje u ukupnom opterećenju. Kod srednje velikih turbina (D=20m), utjecaj težine lopatica je mali, dok je kod malih turbina (D<5m) potpuno nebitna. Ciklička krivulja sila u presjecima zbog gravitacijskih sila određena je jednadžbom 7.8, prikaz na Slici 7.7. (7.8) Slika 7.7 Cikličko opterećenje na ramenjači zbog težine lopatice 8 7.2.6. Cikličke sile zbog prepreke stupa ili sjene stupa Kod upwind rotora, mali je utjecaj stupa na strujanje zraka na lopatice. Doduše, mala promjena napadnog kuta uzrokovana je preprekom stupa. Kod downwind rotora, uvjeti su malo složeniji. Slika 7.8 Vrtloženje vjetra iza stupa; raspodjela brzine Svaki put kad lopatica prolazi kroz sjenu stupa, dogodi se značajna promjena u obodnim i silama potiska, a potom i u snazi i okretnom momentu. Što turbina ima više lopatica, manje su fluktuacije okretnog momenta i snage. Pojedina lopatica mora proći preko područja minimuma brzine, i mora podnositi pripadne aerodinamičke sile. Proračun iznosa i vremenske krivulje tih sila vrlo je kompleksan (i u slučaju dinamičkog odvajanja strujnica, trud je dvojben). Često mjerač deformacija na prototipu daje bolje rezultate od brojnih kompleksnih proračuna. Za određivanje uzbudne frekvencije na kojoj te sile pulsiraju nije potreban proračun. Rotacijska frekvencija rotora je ta koja uzrokuje pomak kroz sjenu stupa jedanput u svakom okretaju, i njezin se cijeli broj množi (viši harmonici). To saznanje dovoljno je za sprečavanje rezonancije lopatice ili stupa. 7.2.7. Poprečni vjetrovi, profil graničnog sloja uz tlo Cikličke sile nastale iz njih mogu se utvrditi koristeći trokute brzina na pojedinom presjeku lopatice. Slika 7.9 to prikazuje za vertikalnu lopaticu u 'gornjem' položaju za vrijeme poprečnih vjetrova. U 'donjem' položaju, kut δ mora biti nacrtan točno u suprotnom smjeru. 9 Slika 7.9 Trokuti brzina za vrijeme poprečnih vjetrova Kad je lopatica horizontalno, postoji komponenta relativne brzine vjetra w koja je paralelna s lopaticom. To se smatra 'izgubljenom komponentom' i zanemaruje se. Utjecaj visine unutar profila graničnog sloja obično se rješava koristeći linearnu aproksimaciju u području rotora, Slika 7.10. Slika 7.10 Sile na gondolu i stup; linearna aproksimacija krivulje smicanja vjetra 10 7.3. Opterećenja na gondolu i stup Najvažnije sile na gondolu i stup rezultiraju iz potiska rotora, okretnog momenta i težine. Za potisak rotora važno je uzeti u obzir da trenje vjetra također uzrokuje moment savijanja na vratilu. To se može uzeti u proračun uračunavši imaginarni pomak e vektora potiska T(v), Slika 7.10. Za vrijeme brzih zakretnih pomaka dolazi do žiroskopskih momenata Mgyr, koji se utvrđuju za trolopatičnu turbinu kako slijedi: (7.9) gdje je Θ polarni moment inercija glavine rotora i generatora, a (stacionarna) zakretna kutna brzina. Kod dvolopatičnih turbina, žiroskopski moment se preklapa s frekvencijom vrtnje rotora Ω. Za vrijeme bočnih vjetrova, na gondolu djeluju dodatna bočna sila i moment My. To uzrokuje torziju i savijanje u stupu za vrijeme prisilnih zakretnih pomaka. 7.4. Granice zamora materijala Osim statičke čvrstoće materijala, njihova radna granica zamora je odlučujuća, posebno kod vjetroturbina. Ovisno o tipu vjetroturbine i o promatranoj komponenti, postoje promjene opterećenja (broj ciklusa) od 108 do 109. U tom slučaju, mora se pretpostaviti značajno smanjenje čvrstoće svih materijala. U svojim smjernicama, Germanischer Lloyd zahtjeva proračune granica zamora. Prvi je korak utvrđivanje opterećenja koja će se pojaviti. Slika 7.11 Načelo Rain‐Flow računa 11 Osim pojednostavljene metode koja prikazuje maksimalna opterećenja kroz 20 godina, može se koristiti precizniji pristup koji uključuje radno ponašanje turbine. Metoda Rain‐Flow grupira proračunata opterećenja u dvoparametarski prostor gornjih i donjih vrijednosti. Ta matrica također uključuje maksimalna i minimalna opterećenja za različita srednja opterećenja. Vrednovanje prostora slijedi Eurocode 3. Ta norma koristi razrede koncentracija naprezanja za prikaz sintetičkog dijagrama naprezanje‐ciklus kategorija komponenata, Slika 7.12. Slika 7.12 Svrstavanje komponenata prema Eurocode‐u Koristeći Palmgren‐Miner‐ovu hipotezu linearne akumulacije oštećenja, razmjer oštećivanja ΔDi svakog svrstanog opterećenja proračunat je primjenom pripadajućeg dijagrama naprezanja po ciklusu: (7.10) Ni je broj vibracija koji se može dozvoliti danim određenim rasponom naprezanja i srednjim naprezanjem prema pripadajućem dijagramu naprezanja po ciklusu. Ukupno oštećenje D je zbroj udjela oštećivanja: (7.11) kod oštećenja komponente Vrijednost ukupnog oštećenja D treba biti manja od jedan za vijek trajanja vjetroturbine, dvadeset godina. 12 7.5. Čvrstoća materijala Korišteni materijali moraju dopuštati različita opterećenja i kasnija naprezanja i deformacije u strukturi. Referentne vrijednosti za rasteznu čvrstoću σfract, zamornu čvrstoću ±σA za promjenu opterećenja od 107 kao i moduli elastičnosti i gustoće materijala ρ dani su u Tablici 7.1. Slika 7.13 Prizmatični rotirajući štap, površine A, radijusa R, gustoće ρ. Ugroženi presjek korijena Osim izvornih vrijednosti materijala u stupcima jedan do četiri, stupci pet do osam sadrže odgovarajuće vrijednosti koje imaju praktične implikacije. Maksimalna duljina istezanja u petom stupcu kazuje koliko duga može biti viseća nit materijala prije nego se slomi uslijed vlastite težine. Značajnija karakteristika za konstrukciju turbine je vrijednost u šestom stupcu koja je usko povezana s duljinom kočenja: (7.12) To je obodna brzina koju može dosegnuti tankostijeni rotirajući bubanj ili rotirajući prizmatični štap (lopatica turbine). Ako je obodna brzina veća, prizmatični štap je razdvojen u korijenu centrifugalnim silama, i tankostijeni bubanj puca zbog premašivanja σfract. Kod konstruiranja vjetroturbina (za razliku od parnih ili plinskih turbina) malo je vjerojatno da će obodna brzina premašiti 100 m/s zbog razine buke. Oba parametra materijala pružaju dobru procjenu o relaciji čvrstoće i gustoće materijala, i prema tome, koliko je materijal upotrebljiv za specifično dimenzioniranje. Primjerice, čelik je zbog svoje velike težine manje prikladan za lopatice nego drvo koje se uistinu koristi kao materijal za propelere. Plastike ojačane staklenim vlaknima (GFR) su izvorno korištene kod konstrukcije zrakoplova i broda, i danas se obično koriste kod konstrukcije vjetroturbine. S obzirom na njihovu čvrstoću, malo toga se još može poboljšati. Doduše, zbog svoje smanjene krutosti (E‐moduli), stabilnost može biti problem: Čak u odnosu na svoju težinu (specifični modul elastičnosti), GFR je značajno ispod svih ostalih materijala. 13 Tablica 7.1 Materijali i njihova svojstva 14 Ako se staklena vlakna zamijene sa skupljim ugljičnim vlaknima, taj nedostatak nestaje. Kod GFR lopatica rotora vjetroturbina, često se koristi ispitivanje deformacije umjesto ispitivanja 15 naprezanja i time moraju biti upotrebljene sljedeće konstrukcijske vrijednosti deformacije (uzimajući u proračun povećane faktore sigurnosti): vlačno širenje εadm=0.35% kompresijsko širenje εadm=0.25% Za veće vrijednosti može se dogoditi lom smole (vlak) ili mikro‐pregibanje (kompresija). Poliesterska smola je jeftinija od epoksidne, ali je sklona stvaranju pukotina zbog lakšeg skupljanja materijala. Problem glede plastičnih materijala je njihova ekološka nekompatibilnost, istjecanje opasnih tvari prilikom proizvodnje i reciklaža. Titan se jedva koristi iz razloga što je vrlo skup. Aluminij se ne smije koristiti za komponente koje su izložene visokim dinamičkim opterećenjima zbog svoje relativno niske zamorne čvrstoće. Brzina zvuka vsonic u stupcu osam, koja je usko povezana sa specifičnim modulom elastičnosti, je parametar dinamike. Što je veći taj parametar za odabrani materijal, veće su prirodne frekvencije komponente koje su dosežne za danu geometriju, Slika 7.14. Slika 7.14 Brzina zvuka kao parametar dinamike materijala. Prva savojna vlastita frekvencija ω1 učvršćenog kraja štapa duljine l i širine h 7.6. Standardi, smjernice, propisi 16 Različite smjernice i standardi sadrže važne savjete, preporuke i zahtjeve. Neki DIN standardi koji su relevantni za konstrukciju vjetroturbina su: DIN 1054 Pritisak na temelje DIN 1055 Konstrukcijsko opterećenje DIN 1050 Čelik u nadgradnji DIN 1000 Čelične nadgradnje DIN 4100 Zavarene čelične konstrukcije DIN 18800 T1‐T7 DIN 4114 Problemi stabilnosti DIN 18800 T1‐T7 DIN 4133 Čelični dimnjaci DIN 4131 Rasporedi antena DIN 1045 Ojačana betonska konstrukcija DIN 1047 Betonska konstrukcija DIN 1053 Zidanje ciglom Eurocode 2/3 (EG standardi) I spisak Germanischer Lloyd‐a za certificiranje vjetroturbina i International Standard‐i za vjetroturbine su vrlo korisni. 17 
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
3
File Size
18 616 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content