energija vjetra - mingorpoie.mingo.hr/userdocsimages/vjetar prezentacija.pdf · • pi d...
TRANSCRIPT
-
Energija vjetraEnergija vjetraKoritenje energije vjetra za proizvodnju el. energijeProf.dr.sc. Zdenko imiFER [email protected]
-
SadrajSadrajSadrajSadraj
Uvod
Snaga i energija vjetra
Elektrina snaga vjetroagregata
P i d l kt i ij j t l kt i Proizvedena elektrina energija u vjetroelektrani
Posebnosti proizvodnje elektrine energije u Posebnosti proizvodnje elektrine energije u
vjetroelektrani
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 22
-
Uvod: Povijest koritenja energije vjetraUvod: Povijest koritenja energije vjetraPovijest koritenja energije vjetraPovijest koritenja energije vjetra jedrenje u Egiptu - prije 4500 g. pumpanje vode u Indiji i pumpanje vode u Indiji i
mljevenje itarica u Kini - prije 2400 g.
f Perzija, Afganistan, Europa i drugi sve do industrijske revolucije za pumpanje vode i mljevenje itarica
krajem 19. st. prve el. VE u Danskoj i SADDanskoj i SAD
1941. u SAD vjetroelektrana za proizvodnju el. en. snage 1 25 MW1,25 MW
1980-te u SAD zadnjih 15 godina u Europi i ire
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetraZdenko imi - Energija vjetra 3
zadnjih 15 godina u Europi i ire
-
Mlin na vjetar Afghanistan (900 god )Mlin na vjetar Afghanistan (900 god )
Vjetrenjae Europa (srednji vijek)
Vjetrenjae Europa (srednji vijek)Afghanistan (900. god.)Afghanistan (900. god.) Europa (srednji vijek)Europa (srednji vijek)
Wi d ill k d C d C i t
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra
Windmills kod Campo de Criptana,La Mancha (panjolska)
-
Prvi vjetroagregati - Europa i SAD (kraj 19. st.)Prvi vjetroagregati - Europa i SAD (kraj 19. st.) Novi poetak
California 1985Novi poetak
California 1985California 1985.California 1985.
Boone, NC 2 MW Mod-1
SAD -Charles
Bush 1890
Altamonte Pass 4000 x 40 kW
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetraDanska - La Cours
testni vjetroagregat 1897
-
Danas energija vjetra dio rjeenjaDanas energija vjetra dio rjeenja
10 10 x x 2,3 MW Bonus2,3 MW Bonus (Siemens)(Siemens) VAVAvisina stupa 61 m, dubina vode 15 mvisina stupa 61 m, dubina vode 15 m
41x1 MW Mitsubishi MWT-1000A, 55 m stup,29.5 m lopatice, Combine Hills projekt u NE Oregon
Energijske tehnologijehttp://www.samsohavvind.dk/windfarm/
-
Stanje do 2009.Stanje do 2009.jj
GWEC izvjetaj Global Wind 2009 nahttp://www.gwec.net/index.php?id=167
Kumulativno instaliranoGodinje instalirano
Energijske tehnologije2010. 7
-
Energija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetraEnergija i snaga vjetra energija mase zraka je
k d j t i 2
2vmEk
kinetika: masu zraka odreuje gustoa, povrina
kroz koju struji, brzina i vrijeme: m=Avt
snaga vjetra:
2
tvAEk
2
3
snaga vjetra: derivacija energije po vremenu, dE/dt:
gustoa zraka:
2
2
3vAPvjetra
gustoa zraka: ovisi o temperaturi, tlaku i vlanosti za standardne uvjete na moru
1 225 k / 3 (101 3 kP i 15 C)
2
=1,225 kg/m3 (101,3 kPa i 15 C) mogue je koristiti standardnu gustou uz
korekciju faktorom odstupanja (prosjeka) stvarnog tlaka i temperature:
vA
d=vttlaka i temperature:
unutar uobiajenih promjena temperature i tlaka gustoa varira do 10%
b i k
3,101pcH
TcT
1,288
Energijske tehnologijeEnergija vjetra 8
brzina zraka: raste s visinom i vrlo je promjenjiva
T
-
Teorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraTeorijski iskoristiva snaga vjetraIskoritena snaga ovisi o brzini kojom vjetar
dolazi (v) i brzini kojom odlazi (w):dolazi (v) i brzini kojom odlazi (w): posebno odvajamo masu jer ovisi o prosjeku brzina:
neka omjer brzina w/v bude x
v w
j
222
)(2
wvwvAP 23 12
)1(2
xxvAP
pcvAP 3
2
21)1( xxc
cp
12
xcp za x= w/v=1/3 , cp ima
maksimalnu vrijednost cp.max :16/27 59 3%cp.Betz=16/27=59,3%
- stvarni stupanj djelovanja je uvijek manji od maksimalnog
Energijske tehnologijeEnergija vjetra 9
x
j j g
-
Elektrina snaga vjetroagregataElektrina snaga vjetroagregataSnaga vjetra proporcionalna je :
gustoi zraka gustoi zraka treoj potenciji brzine vjetra
D bi i j t d j b i j t i Dobivena snaga iz vjetra odreena je brzinom vjetra i karakteristikom vjetroagregata: el snagael. snaga
1. startna brzina2. promjenjiva snaga i
3Pb p j j g
efikasnost3. nazivna snaga
(promjenjiva efikasnost)2Pa
b
(promjenjiva efikasnost)4. maksimalna brzina
1 4
Pa
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 1010
brzina vjetrava vb
-
Ovisnost snage VA o brzini vjetraOvisnost snage VA o brzini vjetrag jg j Svaki VA ima
karakteristiku snage ukarakteristiku snage u ovisnosti o brzini vjetra
Karakteristika snage ovisi Karakteristika snage ovisi o tehnikoj izvedbi pasivna samoregulacija (stall) aktivna regulacija (pitch)
Energijske tehnologije11
-
Koeficijent c ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent c ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent cp ovisi o izvedbi vjetroagregataKoeficijent cp ovisi o izvedbi vjetroagregata
Moderni VA sa tri lopatice
Energijske tehnologije12 omjer vrne linearne brzine lopatica i brzine vjetra
-
Energija vjetra brzinaEnergija vjetra brzina
Vjetar je masa zraka u pokretu: uzrokuje ga razlika tlakova
(rezultat razlike temperatura)( e u tat a e te pe atu a) posljedica Suneve energije (1 do 2 %)
j tj j t ij Z lj i k fi ij tl znaajan utjecaj rotacije Zemlje i konfiguracije tla
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 1313
-
Varijabilnost brzine vjetra u prostoruVarijabilnost brzine vjetra u prostoruj j pj j p
meteorologija 100 k
Kratkotrajne varijacije brzine vjetra na dvije lokacije mogu biti korisne za
vrsta tlatopografija
~ 10 km
~ 100 kmsmanjivanje ukupne varijabilnosti proizvedene energije.Primjer za dvije lokacije udaljene 90 m:
prepreke
-
Varijabilnost brzina vjetra u vremenu: satno dnevno mjesenoVarijabilnost brzina vjetra u vremenu: satno dnevno mjeseno
3
4
5 Jan
satno, dnevno, mjesenosatno, dnevno, mjeseno
10
12
14
(m/s
)
Wind Speed
0 6 12 18 240
1
2
Prikaz stvarnih mjerenja u Dubrovniku:
10W ind S pe e d
1 2 3 4 5 6 70
2
4
6
8
Win
d Sp
eed
(j j
4
6
8
d Sp
eed
(m/s
)
January
Jan Feb Mar A pr May Jun Jul A ug Sep Oc t Nov Dec0
2
4
Win
Wind Speed m/s
18
24Wind Speed
8.4
9.8
11.2
12.6
14.0m/s
6
12
Hou
r of D
ay
2.8
4.2
5.6
7.0
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 15
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
Day of Year
0.0
1.4
-
Brzina vjetra prikazana statistikiBrzina vjetra prikazana statistikiBrzina vjetra prikazana statistikiBrzina vjetra prikazana statistiki16
18Wind Speed PDF
kkk 1Weibull raspodjela
f(v) funkcija gustoe vjerojatnosti pojavljivanja brzine v
10
12
14
uenc
y (%
)
kk
cv
cv
ckvf exp)(
1Weibull raspodjelac faktor skale [m/s]k faktor oblika
4
6
8
Freq
u
22
Rayleigh raspodjelaza k = 2 u Weibullovojfi frekvencija brzine vi
0 2 4 6 8 10 12 140
2
Value (m/s)Wind speed data Best-f it Weibull (k=1.43, c=3.36 m/s)
1 4W in d S p e e d D u r a t io n C u r v e
2 exp
2)(cv
cvvf
1 0
1 2
)
Krivulja trajanja brzine vjetra
4
6
8
Valu
e (m
/s)
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 16
0 2 ,0 0 0 4 ,0 0 0 6 ,0 0 0 8 ,0 0 00
2
H o u r s E q u a le d o r E x c e e d e d
-
Brzina vjetra u ovisnosti o visiniBrzina vjetra u ovisnosti o visini
Brzina se vjetrapoveava s visinompoveava s visinom to ovisi o konfiguraciji
tla, temperaturi i tlaku vano za procjenu
brzine na raznimbrzine na raznim visinama jer odreuje snagu i naprezanje VA
Jednostavan model Varijacija brzine vjetra [m/s] s visinom [m] ovisno o preko koeficijenta terena : mirna voda i glatko i
j j j [ / ] [ ]dobu dana i godinjem dobu (sijeanj crno i srpanj crveno). (B. Srensen: Renewable Energy).
4 4 / (16 k /h)g
tvrdo tlo: =0,10 visoka trava =0,15 umovito =0,25
d l k
=0,4450
300
4,4 m/s (16 km/h)
4,4 m/s
Visina grad s velikim zgradama =0,40
H
=0,28
=0,16
300
150
4,4 m/s
3,12,2
Visina
[m]
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 17
00 H
HvvH 30,,
1,4
-
Srednje godinje brzine vjetraSrednje godinje brzine vjetra
na 10 m visine
( )(1992-2001.)
DHMZ
d 1 d >6 / od 1 do >6 m/s
Zadatak:Kolika je brzine na 80 m visine za80 m visine za visoku travu na tlu i brzinu od 5 m/s?
15,0
80 10805
v
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 18
v80 = 6,8 m/s
-
Atlas vjetra i potencijal energijeAtlas vjetra i potencijal energijepotencijal energijepotencijal energije
Europa TWh/god.
kopno 500kopno 500puina 2000
potronja (1) 3000
Svijet TWh/god.
potencijal (2) 25000t j (1) 15000
(1) Priblino za 2003.potronja (1) 15000 (2) Samo kopno.
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 19
-
Kako dobiti statistiku vjetra za lokaciju?Kako dobiti statistiku vjetra za lokaciju?
Problem: Rjeenje:
podaci s ostalih l k ij
ostale lokacije ne odgovaraju
Problem: Rjeenje:
koreliranje(tlo prepreke)
Korelacioni atlas vjetra
lokacija odgovaraju (tlo, prepreke)j
dva pristupa
k li j d i Predvianje lokalna mjerenja kratko vrijeme (brzina, smjer i
temperatura)
koreliranje s drugim lokacijama gdje je due mjereno
Predvianje koreliranjem
mjerenja
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 2020
p )mjerenja
-
Dostupnost dugoronih podatakaDostupnost dugoronih podataka
i l i t t j j b i j tgdje?
nacionalni sustav meteo mjerenja brzine vjetra posebne namjene (nautika, avijacija, poljoprivreda) koritenje vjetra od ranih 80-ih
d ? preciznost anemometara pohrana i obrada podatakapouzdano?
reprezen
pohrana i obrada podataka konzistentnost i povijest lokacije
k t tlreprezen-tativno?
prepreke, vrsta tla primjena korekcija
korisno? format podataka: samo godinji prosjeci ili duge vremenske serije dugotrajno mjerenje
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 2121
dugotrajno mjerenje
-
Procjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visineProcjena snaga vjetra lokalno na tri visine
Irska: na 50 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50, 75 i 100 m; 75x150 kmIrska: na 50, 75 i 100 m; 75x150 km
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 22
-
15
20
25
30
d Sp
eed
(m/s
)
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
5
10Win
d
Power Curve
1,000
1,500
2,000
Pow
er (k
W)
Power Curve
1 500
0 5 10 15 20 250
500P
Wind Speed (m/s)
500
1,000
1,500
Pow
er (k
W)
16 Scaled data PDFJan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
0
50 Vestas V82 Power Output PDF
4
8
12
Freq
uenc
y (%
)
20
30
40
eque
ncy
(%)
Energijske tehnologije0 5 10 15 20 25 30 35
0
4F
Value (m/s)Wind speed data Best-f it Weibull (k=1.42, c=7.63 m/s)
0 500 1,000 1,500 2,0000
10
Fre
Value (kW)
-
Procjena proizvodnje ukupne godinje elektrine energijeProcjena proizvodnje ukupne godinje elektrine energijeelektrine energijeelektrine energijeWgod. procijenjena godinja proizvodnja el. en.
T 365 24 8760 h dfPTWmv
)()(Tgod. = 36524 = 8760 hr raspoloivost (0,9 ili vie)
vp vm poetna i maksimalna brzina vjetra
dvvfvPrTWpv
godgod )()(..
vp, vm poetna i maksimalna brzina vjetra
P(v) snaga VA pri brzini v
f(v) funkcija gustoe vjerojatnosti pojavljivanja brzine v m
p
v
vgod dvvfvPrW )()(8760.
Za utjecaj tlaka i temperature treba ukljuiti
korekciju cH i cT.mv
Za diskretnu raspodjelu frekvencije brzine
vjetra kroz godinu:
m
pi
v
vviigod fPrW 8760.
fi frekvencija brzine vi
ti trajanje brzine vi
m
pi
v
vviigod tPrW .
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra
- broj diskretnih koraka odreuje preciznost
24
pi
-
Procjena proizvodnje ukupne godinje elektrine energije - primjerProcjena proizvodnje ukupne godinje elektrine energije - primjerelektrine energije primjerelektrine energije primjer
W = W3-11 + W11-25 = t3-11P3-11 + t11-25P11-25 = 59540,543 + 23551,500 = 6766 [MWh]
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 25
-
Varijacija proizvodnje vjetroelektranaVarijacija proizvodnje vjetroelektranaSatne dnevne sezonske i godinje varijacije brzine vjetra
80
90
100
Satne, dnevne, sezonske i godinje varijacije brzine vjetra
80
90
Dnevne varijacije vee blizu obale i tijekom ljeta.
40
50
60
70
atna
sna
ga V
E(M
W)
40
50
60
70
80
naga
VE
(M
W)
0
10
20
30
1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721
Sa
0
10
20
30
40
Dne
vna
sn
LB
1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721
Sat (Listopad 2000)
90
100
)
LB
1 8 15 22 29
Dan (Listopad 2000)
50
60
70
80
o m
jese
cim
a (M
W)
Prosjek
Maksimum
10
20
30
40
Snag
a VE
po
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 26(www.windpower.org) LB
0
10
-
Utjecaj vjetroelektrane na EE sustavUtjecaj vjetroelektrane na EE sustav
dij l jiti velika varijabilnost
moe se dijelom smanjiti npr. ukljuivanjem VE na irokom
d jvarijabilnost podruju
mala predvidljivost
koritenje poboljanih metoda predvianja vjetra (vremena)
koritenje modernih VE s kontrolom upravljivost
jnagiba lopatica i varijabilnom brzinom
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 2727
-
Zadatak 4. Proizvedena el. energija iz vjetraZadatak 4. Proizvedena el. energija iz vjetraProizvedena el. energija iz vjetraProizvedena el. energija iz vjetraOdrediti proizvedenu el. energiju VA
prema podatcima:prema podatcima:poetna brzina vjetra vp = 4 m/s;
nazivna brzina vjetra vn = 10 m/s;
k d b i j 25 /maks. radna brzina vj. vmax = 25 m/s;
trajanje vjetra izmeu vp i vn tp-n= 3000 h;
trajanje vjetra izmeu vn i vmax tn= 1500 h;
Rjeenje:W = Wp-n + Wn
(P t +P t )prosjena snaga do nazivne Pp-n = 0,4 MW;nazivna snaga Pn = 1 MW;
raspoloivost r = 90%
= r(Pp-ntp-n +Pntn)
= 0,9(0,43000+11500)= 0,9(1200+1500) raspoloivost r 90%
W
( )= 0,92700= 2430 [MWh]
Za vjebu:Odrediti faktor optereenja VA.Rj : 28 %
mv
tPrW
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 2828
Rj.: 28 %
pi vv
iigod tPrW .
-
Tehnologija: veliineTehnologija: veliinemale
1 ~ 100 kWsrednje i velike
100 ~ 1500 kW(puina )
> 1500 kW1 100 kW 100 1500 kW > 1500 kW
Daleka izolirana mjestaRaznolikost rjeenja
Na mreiSamostalne i u grupi1000 kW posve
Na puini (stotine MW)Razvija se
pkomercijalne (velike serije)
Mikro Vrlo male Male Srednje Velike
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 2929
Mikro Vrlo male Male Srednje Velike1 10 100 750 [kW]1 10 100 750 [kW]
-
Tehnologija: osnovne komponenteTehnologija: osnovne komponente
Lopatice rotoraLopatice rotora
pozicioniranje(prijenos)generatorkontrolakuite
t jtoranj
temeljiHAWTHAWT temelji
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 30Energija vjetra 30
-
Lopatice, prijenos, generator i kontrolagenerator i kontrola
IndireIndirekkttnini pogon: pogon: asinkroni asinkroni ggeneratorenerator
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 31Energija vjetra 31DireDirekkttnini pogon:pogon:
sisinnkkronronii ggeneratorenerator
-
Vjetroelektrana(VE)
Vjetroelektrana(VE)(VE)(VE)
Energijske tehnologije
-
TrendoviTrendovi
Jedinice od 2 MW i vie sve vanije od 2002.Poboljana efikasnost Poboljana efikasnost Odabir lokacije Bolja oprema
Airbus A380 ima raspon krila 80 m
j p Porast efikasnosti
2-3% godinje
Stalni pad Stalni pad cijene proizvedeneproizvedene energije Cijena inst.
isnage varira:1100-1700 $/kW
Energijske tehnologije
-
Lokacije VE: efekt vie VA u bliziniLokacije VE: efekt vie VA u blizini
reduciranje brzine
Slabljenje vjetra turbine niz vjetar: manje brzine: manje snage vee turbulencije: vie optereenja
pov turbulencije
p j vei broj VA u VE poveava gubitke
pov. turbulencije
optimiranje pozicioniranja za snagu i troenje (raunalni programi za simulacije i mjerenje)k d i t j d 4 d 9 j
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 3434
razmak u dominantnom smjeru od 4 do 9 promjera - gubitci od 5 do > 60%, za manji (2x2) ili vei (10x10) broj VA u VE
-
Prikljuak na mreu i viak vjetraPrikljuak na mreu i viak vjetraPrikljuak na mreu i viak vjetraPrikljuak na mreu i viak vjetra
Odbacivanje energije iz vjetroelektrana za snagu koja prelazi j g j j g j poptereenje minus bazna proizvodnja
Provodi se na nivou regionalne interkonekcije Promjenjivo za sve periode
3000K i lj t j j t j
1000 MW nazivni kapacitet vjetra36% faktor optereenja
Promjenjivo za sve periode
2000
2500 Krivulja trajanja optereenja
ViakI k i ti ij j t
36% faktor optereenja
1000
1500MW
Viakvjetra
Iskoristiva energija vjetra
0
500 Elektrane koje moraju raditi cijelo
Konstantno optereenje
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 35Energija vjetra 35
0 2000 4000 6000 8000 10000
sati
-
UkratkoUkratkoUkratkoUkratko
I k i ti iI k i ti i P d i j b iP d i j b i Iskoristiva snaga i Iskoristiva snaga i energija vjetra energija vjetra ograniena je teorijskiograniena je teorijski
Predvianje brzine Predvianje brzine vjetra vano za vjetra vano za planiranjeplaniranjeograniena je teorijski ograniena je teorijski
i praktinoi praktino Pokraj velike brzinePokraj velike brzine
planiranje planiranje Vjetar isplativ na Vjetar isplativ na
najboljim lokacijamanajboljim lokacijamaPokraj velike brzine Pokraj velike brzine vana stalnost i pristup vana stalnost i pristup el. en. mreiel. en. mrei
najboljim lokacijamanajboljim lokacijama Za koritenje vana Za koritenje vana
politika, planiranje i politika, planiranje i p , p jp , p jffinanciinanciranjeranje
Energijske tehnologijeZdenko imi - Energija vjetra 3636
-
Koliko je vjetroagregat visok?Koliko je vjetroagregat visok?j j g gj j g g
33 m
Energijske tehnologije
Empire Eiffel 1.5 MW 250 kW 100 kWState Tower FER VA VA VA 381 m 301 m C zgrada 109 m 65 m 43 m
-
Eksperimentalni mali vjetroagregat na FER-uEksperimentalni mali vjetroagregat na FER-u
vjetroagregat na FER-uvjetroagregat na FER-u
Mjerni ureaji: Mali vjetroagregat (50 W) Smjer vjetra Horizontalna i vertikalna
brzina vjetrabrzina vjetra Temperatura i vlanost
NamjenaNamjena Karakteriziranje
Energije vjetra u g j jurbanim uvjetima
Malih vjetroagregata
Energijske tehnologije38
Zdenko imi - Energija vjetra