ENERGIJA VETRA ENERGIJA VODE GEOTERMALNA ENERGIJA BIO ENERGIJA ENERGIJA SUNCA Obnovljivi izvori energije 12/3/2018 OIE - 2018/19 1
12/3/2018 OIE - 2018/19 2
Obnovljivi izvori energije Izborni predmet V semestar 2+2+1 5 kredita (2OEU5C03) Modul US - 2018/19. Izborni predmet V semestar 2+2+1 5 kredita (2OEE5A05) Modul E - 2018/19. Izborni predmet V semestar 2+2+1 5 kredita (2OEM5A04) Modul EKM - 2018/19. Prof.dr Dragan Pantić, kabinet 337, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rs Prof. dr Dragan Mančić, M2-4, dragan.mancic@elfak.ni.ac.rs
Energija vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 4
PREDNOSTI Vetroturbine su pogodne za dobijanje električne energije u ruralnim, izolovanim područjima. Cena dobijene električne energije je uporediva sa cenom električne energije koja se dobija konvencionalnim metodama gde se za dobijanje energije uglavnom koriste fosilna goriva (ugalj, nafta, gas). Visoka pouzdanost rada postrojenja. Nema troškova za gorivo. Nema zagađenja okoline. Energija vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 5
NEDOSTACI - MANE Buka Problem malih i velikih brzina vetra Ometanje radio i TV signala Vizuelni efekti Cena Energija vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 6
Energija vetra Istorijski pregled korišćenja energije vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 7
Prvi energetki sistemi na vetar Drevna civilizacija na Bliskom istoku/persija Vertical-Axis mlin Vetar u Srednjem veku Mlinovi u Severnoj Evropi Horizontal-Axis mlin XIX vek USA Pumpe i mlinovi Rani sistemi Korišćenje energije vetra nije nova ideja brodovi, mlinovi, pumpe,... 12/3/2018 OIE - 2018/19 8
1888: Charles Brush je izgradio prvu veću vetroturbinu (prečnik 17m, snaga 12kW) 1890s: Lewis Electric Company NY, prodaje generatore koji se mogu ugrađivati u postojeće mlinove koji koriste energiju vetra. 1920-1950s: sistemi sa propelerima (2 ili 3) za konverziju vetra u elektricitet (WECS) 1940-1960s: elektrifikacija ruralnih krajeva u Evropi i USA Porast korišćenja energije vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 9
Osnovna obeležja Veći kapacitet Komercijalizacija Konkurentnost Povezivanje u mrežu Razlozi progresa OPEC kriza 1970s Ekonomski Energetska nezavisnost Očuvanje sredine Standardizacija turbina Tri propelera Horizontal-Axis Savremeno doba 12/3/2018 OIE - 2018/19 10
Analiza tražišta 12/3/2018 OIE - 2018/19 11
Prema podacima Svetske asocijacije energije vetra (World Wind Energy Association WWEA) kapacitet proizvodnje je do sredine 2014. godine dostigao 336.327MW, pri čemu je u prvoj polovini 2014. godine instalirano 17.613MW što je rast veći nego u prethodnih nekoliko godina. Proizvodnja električne energije iz vetra. 12/3/2018 OIE - 2018/19 12
Moderne vetroturbine koje se koriste u proseku imaju snagu od 1.6MW. Imaju horizontalni rotor, tri lopatice, menjač,... Koriste se kada je brzina vetra u opsegu od 15km/h (4m/s, što je vetar snage 3 na Beaufort skali) do 90km/h (25m/s, 9). Vetroturbine 12/3/2018 OIE - 2018/19 13
12/3/2018 OIE - 2018/19 14
12/3/2018 OIE - 2018/19 15
Zahtevi za čistom energijom Smanjenje cene električne energije koja se dobija iz energije vetra. Šta utiče na porast korišćenja energije vetra? 12/3/2018 OIE - 2018/19 16
12/3/2018 OIE - 2018/19 17
12/3/2018 OIE - 2018/19 18
12/3/2018 OIE - 2018/19 19
12/3/2018 OIE - 2018/19 20
12/3/2018 OIE - 2018/19 21
12/3/2018 OIE - 2018/19 22
Postoji tehnički iskoristiv potencijal između 8 i 15GW, što je više nego što iznosi trenutni deficit u električnoj energiji. Najveća potrošnja električne energije je u zimskom periodu, a to je upravo vreme kada ovde duvaju vetrovi većim intenzitetom i kada se ostvaruje najveća proizvodnja električne energije pomoću vetroelektrana. Energija vetra - SRBIJA 12/3/2018 OIE - 2018/19 23
Srbija je do sada ulagala jedino u hidroelektrane. U poslednje vreme su u najavi mnogi projekti u vezi solarnih i vetroelektrana, Najperspektivnije lokacije: Midžor na Staroj planini (prosečna brzina vetra 7.66m/s) Suva planina (6.46m/s) Vršački Breg (6.27m/s) Tupižnica (6.25m/s) Deli Jovan (6.13m/s) Doline Dunava, Save i Morave Ulaganja u zelenu energiju 12/3/2018 OIE - 2018/19 24
Prosečna snaga vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 25
Energija vetra Fizičke osnove vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 26
12/3/2018 OIE - 2018/19 27
Poreklo vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 28
Kako dolazi do pojave vetra? 12/3/2018 OIE - 2018/19 29
Kako dolazi do pojave vetra? 12/3/2018 OIE - 2018/19 30
Vetar je pojava koja nastaje kao posledica veoma kompleksnih mehanizama koji uključuju: rotaciju Zemlje oko Sunca, toplotnu energiju od Sunca, efekat hlađenja izazvan velikim vodenim površinama i polarnim ledenim kapama, temperaturnim gradijentima koji se formiraju između kopna i vode, itd. Poreklo vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 31
Vetar je posledica zračenja Sunca. Energija vetra u stvari predstavlja transformisani oblik sunčeve energije. Sva obnovljiva energija potiče od Sunca koje prema Zemlji zrači oko 1015 kwh po jednom kvadratnom metru. 1-2% od ove enegrije se pretvara u energiju vetra Poreklo vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 32
Planetarna cirkulacija Jet stream Trade winds Polar jets Geostrophic winds Thermal winds Gradient winds Vrste vetrova 12/3/2018 OIE - 2018/19 33
Vrste vetrova 12/3/2018 OIE - 2018/19 34
Uticaj topografije na cirkulaciju 12/3/2018 OIE - 2018/19 35
Karakteristike vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 36
Dostupni resursi 12/3/2018 OIE - 2018/19 37
Energija vetra Snaga vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 38
Snaga vetra zavisi od: Količine vazduha (zapremina) Brzine vazduha (brzina) Mase vazduha (gustina) Snaga vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 39
Energija vetra je bazirana na kretanju vazduha, tj. kinetičkoj energiji vazdušne mase koja se kreće na visini do 150m od površine tla, što predstavlja trenutno najveću visinu vetrenjača. Energija koja se pri tome dobija zavisi od: Brzine vetra Mase vazduha (preciznije od gustine vazdušnog fluida) Na gustinu utiču temperatura i pritisak vazduha, kao i visina. Energija vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 40
Kinetička energija objekta mase m koja se kreće brzinom v je jednaka radu W koji se uloži da se objekat iz mirovanja prebaci za rastojanje s pod dejstvom sile F: E k = W = F s Prema drugom Newton-ovom zakonu: F = m a Prema tome: E k = W = m a s Koristimo treću jednačinu kretanja: v 2 = u 2 + 2a s Određivanje snage vetroturbine Matematički model 12/3/2018 OIE - 2018/19 41
Kako je u = 0 dobijamo da je: a = v2 2s Zamenjujući dobijamo: E k = 1 2 mv2 Snagu vetra definiše brzina promene energije: P = de k dt = 1 dm v2 2 dt Određivanje snage vetroturbine Matematički model 12/3/2018 OIE - 2018/19 42
Nemački fizičar Albert Betz još 1919. godine zaključuje da vetroturbina ne može da konvertuje više od 16/27 (59.3%) kinetičke energije vetra u mehaničku energiju obrtanja rotora. Ovo je poznato kao Betz-ovo ograničenje ili Betz-ov zakon prema kome se uvodi tzv. koeficijent snage: C Pmax = 0.59 Naravno, vetroturbina ne može raditi na ovom maksimumu već je koeficijent snage karakteristika svake vetroturbine i definiše se u njenim tehničkim specifikacijama. Prema tome, snaga vetroturbine se može odrediti kao: P = 1 2 ρav3 C P Određivanje snage vetroturbine Matematički model 12/3/2018 OIE - 2018/19 43
Brzina vetra: v = 12m/s Gustina vazduha: ρ = 1.23kg/m 3 Dužina elise: l = 52m Koeficijent snage: C P = 0.4 Određivanje snage vetroturbine Konkretan slučaj 12/3/2018 OIE - 2018/19 44
l = r = 52m/s A = π r 2 = 8495m 2 ρ = 1.23kg/m 3 v = 12m/s C P = 0.4 P = 1 2 ρav3 C P P = 3.6MW Određivanje snage vetroturbine Konkretan slučaj 12/3/2018 OIE - 2018/19 45
Ponoviti prethodne proračune za različite brzine vetra. Pretpostaviti da se brzina vetra menja u opsegu od 5m/s do 25m/s. Nacrtati zavisnost snage u funkciji brzine vetra. Pretpostaviti da je koeficijent snage konstantan i da iznosi 0.4. Vežba 1. 12/3/2018 OIE - 2018/19 46
Koeficijent snage, naravno, nije konstantan kao što smo to do sada pretpostavljali. On zavisi od odnosa brzine koji se definiše kao: blade tip speed λ = wind speed Blade tip speed se određuje na osnovu rotacione brzine turbine i dužine elisa prema sledećem izrazu: rotational speed (rpm) π D blade tip speed = 60 gde je D prečnik turbine. Ako je dato da je rotational speed = 15rpm odrediti λ koristeći date izraze i popuniti datu tabelu. Zatim odrediti odgovarajuću vrednost C P iz priloženog grafika i kompletirati tabelu (odrediti snagu i energiju) Vežba 2. 12/3/2018 OIE - 2018/19 47
Vežba 2. 12/3/2018 OIE - 2018/19 48
12/3/2018 OIE - 2018/19 49
CF zavisi kako od karakteristika turbine, tako i od karakteristika lokacije gde je ona postavljena Kriva snage vetroturbine Capacity Factor (CF) 12/3/2018 OIE - 2018/19 50
Vetroturbine skoro celokupna električna energija se dobija korišćenjem turbina koje su u osnovi slične. 12/3/2018 OIE - 2018/19 51
Aerodinamika 12/3/2018 OIE - 2018/19 52
Potisna (lift) i vučna (drag) sila 12/3/2018 OIE - 2018/19 53
Rotor model disk: nema uticaja na strujanje vazduha 12/3/2018 OIE - 2018/19 54
Rotor model disk: strujanje vazduha je potpuno zaustavljeno 12/3/2018 OIE - 2018/19 55
Rotor model disk: poredjenje 12/3/2018 OIE - 2018/19 56
Rotor model disk: polupropustljivo 12/3/2018 OIE - 2018/19 57
Lopatice Rotorcentar Kula Osnova Komponente vetroturbine 12/3/2018 OIE - 2018/19 58
Zašto 2-3 lopatice? 12/3/2018 OIE - 2018/19 59
Efekat brzine rotacije 12/3/2018 OIE - 2018/19 60
Rotaciona brzina W vs. poluprečnik rotora r 12/3/2018 OIE - 2018/19 61
Kriva snage 12/3/2018 OIE - 2018/19 62
Snaga dobijena iz vetroturbine 12/3/2018 OIE - 2018/19 63
Snaga dobijena iz vetroturbine 12/3/2018 OIE - 2018/19 64
Kontrola ima dve osnovne svrhe: U normalnim uslovima se mora voditi računa da snaga nikada ne predje nominalnu snagu, i U off-desig uslovima bi trebalo da obezbedi dovodjenje sistema u sigurno stanje. Kontrola vetroturbine 12/3/2018 OIE - 2018/19 65
Kontrola obrtnog momenta 12/3/2018 OIE - 2018/19 66
Kontrola nagiba lopatica 12/3/2018 OIE - 2018/19 67
Faktor kapaciteta - C f 12/3/2018 OIE - 2018/19 68
Faktor kapaciteta - C f 12/3/2018 OIE - 2018/19 69
Faktor kapaciteta - C f 12/3/2018 OIE - 2018/19 70
Faktor kapaciteta - C f 12/3/2018 OIE - 2018/19 71
Odredjivanje dobijene energije 12/3/2018 OIE - 2018/19 72
Karakteristike vetra funkcija gusine verovatnoće Kriva snage Faktor kapaciteta Šta nam je potrebno da izračunamo energiju? 12/3/2018 OIE - 2018/19 73
Šta nam je potrebno da izračunamo energiju? 12/3/2018 OIE - 2018/19 74
Odredjivanje proizvedene energije ako su nam poznate kriva snage vetroturbine i karakteristike vetra na lokaciji gde se instalira 12/3/2018 OIE - 2018/19 75
Odredjivanje proizvedene energije ako su nam nisu poznate karakteristike vetra 12/3/2018 OIE - 2018/19 76
Kako odrediti energiju koju proizvede farma vetroturbina? 12/3/2018 OIE - 2018/19 77
Wake efekat 12/3/2018 OIE - 2018/19 78
Wake efekat 12/3/2018 OIE - 2018/19 79
Wake efekat 12/3/2018 OIE - 2018/19 80
Vrste vetroturbina 12/3/2018 OIE - 2018/19 81
Horizontalna osa HAWT 1, 2, 3 lopatice: veća efikasnost Dobar odnos brzine i obrtnog momenta Vertikalna osa VAWT Darrieus lift force Savonius drag force Vrste vetroturbina 12/3/2018 OIE - 2018/19 82
Vrste vetrourbina 12/3/2018 OIE - 2018/19 83
12/3/2018 OIE - 2018/19 84
12/3/2018 OIE - 2018/19 85
Podsistemi vetroturbina 12/3/2018 OIE - 2018/19 86
12/3/2018 OIE - 2018/19 87
12/3/2018 OIE - 2018/19 88
12/3/2018 OIE - 2018/19 89
Temelj (osnova) i kula Evolucija od nosača 12/3/2018 OIE - 2018/19 90
Temelj (osnova) i kula do monopolnih kula 12/3/2018 OIE - 2018/19 91
Temelj (osnova) i kula Različite realizacije offshore sistema 12/3/2018 OIE - 2018/19 92
Temelj (osnova) i kula Različite realizacije offshore sistema 12/3/2018 OIE - 2018/19 93
12/3/2018 OIE - 2018/19 94
12/3/2018 OIE - 2018/19 95
12/3/2018 OIE - 2018/19 96
12/3/2018 OIE - 2018/19 97
12/3/2018 OIE - 2018/19 98