enetgetika

Urednik dr. sc. ZELIMlR MATUTINOVIC

Reccnzenti de SC. IVO KOLIN red. prof. dr. sc. MIRO BOSANAC doc. r "~--.---.

~";<;c. JOSIP PAZANIN red. proti

Crtcz.c izradio IVrCA RENDULIC

Graficki urcdnik ZELJKO BRNETIC

Lektorica AMALIJA GRGOSEVIC

Koreklor DAVOR SUSll.CJ

Objavljivanje ovog sveuCilisnog ud:t.benika ocJobrio.ie rektor SvcuciliSta u Splitll odlLlkom broj: 01-535/2-95. od 26. rujna 1995. Izelavanje ove knjige novcano .Ie poduprlo Ministarstvo znanosti, telmologije i informalike Rcpublike Hrvatske. (Ugovor broj 02-69-2-91 od to. ozujka 1992.) . Rukopis odobrcn Zl1 tisak 1991. god.

Slog i prijclom LASER plus

Tisak GRAFICKI ZAVOD HRVATSKE

elP - Katalogizadja u publikadJi Nadonalnu i :;vcllcilHna bihliotcka, Zagreb UDI< 621.22(075.H)

621.548(075,8)

PILl(:-Uabadan, LjiUana Hiurucllcrgchka i ut:rocncl'gebka postrojenja :

(1. i J1. uio) ILjiljana Pili";"RabaJan, Darko Slipaniccv. Zoran Milas; [erlcZ.e izraJio Ivica Renduli6J. - Zagreb: Sko!ska knjiga, 1996. - 221 slr. : ilustr.; 24-em. - (UJzbenici SvcuCiliiita u Splitu ;::: ;"L!mnjia I Universitatis sluJiorum Spabtcll;,is)

Bibnog.mfl}ct·. slr. 99, 221. ~' ISBN 95:q)~1165()"X

I. Slipalliccv, Darko 2. Mjla~. Zomn

t 900=(}1()()~ _____ ," .. ___ _

ISBN 95H)~31650~X

Prof. dr. sc. Ljiljana Pilic Rabadan dip!. ing. 'twj. lzv. prof. dr. sc. Darko Stipanicev dip!. ing. eJcktr.

Mr. SC. Zoran TvIilas dipl. ing. stroj.

HIDROENERGETSKA IAEROENERGETSKA

POSTROJENJA

(1. 1 II. dio)

Predgovor

U prvom c1ijclu ove knjigc, na temelju suvremcnih spoznaja, opisuju sc hidroenergetska postrojcnja i tumace zakoni koriStcnja vodnih potcncijala, te podsustavi za privod i odvod vode, kao i pretvorbu cncrgije u vodnoj turbini i elcktricnom gencraloru. Posebno jc obradcno pogJa\'ljc ncslaciooamog strujanja, kojc sc u turbini javlja tijekom regulacije rada, posljcdica tcga je s!11l1njenjc stupnja prctvorbe energije i fizicke ugrozenosti SUS lava. Pojav:J kavitacije Lakoucrje posebuo obradena, i to Icrncljitije nego inace ulilcraturi. Ta pojava moze bili uzrok znatnog smanjcnja proizvodnje elcktricnc cnergije hidrocllcrgetskog postrojenja te i510 tako fizic\(og osteccnja turbine.

Drugi dio knjige havi so acrocncrgelskim postrojcnjima i pos(;bno fizikom zbivunja u radnOlll kohl vjetroturbinc. Prikazana je veza energetskih potcncijala vjctra i optimalne geomClrijc radnog kola mdi najvcCcg ucinka u prctvorbi snage vjetra. Regulacija rada vjetroturbine za pogon clektricnog gcncratora lakoc1er .Ie obraaena, kako ona koja sc temelji na aerodinamickim nacelima, tako i poslupci elcktricnc regulacije. Na kn~ju drugog dijcJa oslikani Sll pravci raz.\'ilka aeroencrgctskih postro.ienja i dani podaci 0 gospodarskim paramel.rima njihove primjene.

Hrvatska posjedujc potcncij,tlc spomcnutc obno"]jive energije, ad kqjih potencijali vjelra nisu uapee iskoristeni. Ova knjiga inzenjcrilll<t strojarstva i clcktrotehnike, kao i studcnlima istih podrucja, nueli suvrcmcnc spoznajc za projektiranjc j izgradnju hidroencrgetskih i aeroenergetskih postrojenja, posebno kao elijclova cJcktrocnergetskog stlstava.

Autori

UVOD

Sf, 2. J~()lel1diali ene'Fije [!jetm IW visini o1.lwt:t:nih f{)kac~ja JlJl'tcow!u.lJ:.ih slJniCd Jwln.ill.\ke ohal' I o{oka Repu!JIlke lin'Lllske (od JUt:: do 464 HI 111-"2) t

I. DIO

HIDROENERGETSKA POSTROJENJA

Ljiljana Pilic Rabaclan

Uvocl

Razvoj zemalja u svijdu u praviltl jc povczan s potrebnom izgradnjom cncrge1skih objckata. Pbnovi razyoja odrcc1uju vrstu i vcliCinu Ilm'ih polrosaca cncrgije U odreoenoll1 razdobJ.ju, kojc prali i/,gradnja cncrgcIskih poslrojenja potrcbnog kapaciteta. Vrslu i koliCinu potrosnjc cilergije odredujll Irosila ko.jih Sll potrcbc za e1cktricnom cnergi,iom prcle1ite. Svaka zctnlja podmim,ic SY().il' p(llrche u cncrgiji p1'\'oh)lno iz vla<;1i!lh izvora, i7graclujucl cncrgc.lska poslro.\cnja u skladu s rncdunarodnim konvcl1cijama (izmedu osla1ib i odrcdbama 0 zastili okolim:).

Elcktrocncrgclski suslav koji povc/.ujc proizvoc1acc i potrusacc clcklricl1c cncrgije oclrl.av<1 r,lvl1olczu proizvocJnjc i po!ro,<;njc. Tv(>rnice dcktricnc 1.'I1ergijc su clcklranc, kojima.ie z~lCjal:a da prc(\'on: r:l'ippjr'!:i\'(: potenci.i;lic cncrgije vodc, !oplinskih cncrgenata. energije "je-11',1, pjil1le i oscke j drugih \l ckk!ricnu cncrgiju.

j'lidrocncrgclslGi l)(ls!rojcnj;\ objedinjujll ::;\'e ure(1aje od skupljanja, privoda j o(]voda v{)de hidrnclektrani (HE) do postrojen.iil za prclvorhu (lurbina-genenl1or).

U Republici Hn'atskoj od raspoloz.ivc vNlne cnergije od 21.33 TWh/god iskorislcno .Ie 12,17 TWh. Preostaje razlika za daljn.ie koristenje u novilll objektima HE koji su planirani Z;I izgradn,iu. Tu su l! prvom nxlu HE na Savi (3 HE), Dravi (4 HE) te po\om daljnji niz oel oko 40 malih HE na rijckam<l Hrvalske, U Kojima.ic mogllce korisliti Ll.41 TWh godisnje (sl. 1).

Zaosla.ianjc Hrvatskc u gradnji pruizvodnih kapaciteta eJcktricnc cnergi.ic cija .Ie proil_~ v{)tinja odnosno po!rosnja po q;1I1u\'niku sa 2J2() kWh (ln9 god.) hila ispod pros.kcl1c 1I hivsoj Jugosli]viji govori do\'oljno. kada .Ie pomalo da.ie bivsa drzava sa woji]] 2780 kWh pu slanovniku gmlisnje (j 984 god.) hila blizu kraja lisle cllJ'opskih zcmalja.

Posl,icdnja elva dcccnija u .wijetu Sli II znaku Usavrsl.\vanja poslrojcnja za korislcnje l10yib uhnovJ.jivill i/.vura cncrgi.ie bo s1u SU pogJ,]vil() v.lctar i sunec. Elcklrane sa turbinllmCl pogonjenim vjc1rorn (V E) danas Sll dijelovi elek!rocllcrgeiskih sllstava razvijenih zcmal,ia kao sto su SAD (Kalifornijn). Dnnska, Englcska. Belgija, ,c.;vedska i Hulilndija. lako OYC !.cmlje imaju dovoljno klasicnib ckktrana, nalazc ela lreha nll.vijati i pratiti rad llovih poslrojcnja koja [';0-ris!c priruclnc obno\'Jjive pOiencijalc za pre(vorbu u eJcklricll11 elh.:rgiju. POpUl \'oele, (ako i v,ielar pl'cdajul'i .woju snilg:ll turbini bel. otp:lda cuvaju okolis i zrak co\'.icka. To .ie, tini sc. u daJ.jcm raz\'ojll Jjlldskih zajednica nasc piandc poslaJa ,icdna oJ gJavnih odrednica, kOjll .i'':: llvcla II S\'oj sllslav i Repllblika Hrva\ska.

Pn::ma nckim izvorima raspolo/jvi polcncijali encrgijc v.ktm II Rcpuhiicj Hrv;nsk()j ii:nose: oleo (-i0 TWlJ godisnjc. Koji jc din od (l\,og mogllcc iskorislili fa prctvorbu u c!ckiri(:nll cncrgiju, ovisi () llizll prclposlavki. odnosno ula;t,njh poda\aka ;til ()VU analiz.u. SlO SI': odreuujc l! IJ.dijclu (lve kn.lige.

SuslaVIlO sc ovum prnblcmu u nas .los nije prislo da bi se dobio poul.dan odgovor, ali ipak se iz llcinjcllog mOle /.akl,iucili da na Jadr:m<:J.;-oj obali i olocima Rcpublilw Hrvatskc im<l dovo1jno pmencijaJa (sl. 2) 1.<1 izgr;Hln,iu ilcroerl'crgclskib postrojcnja, s10 se poka7,ujc u poglnv" 1ju 1. 11. dijcla kn.iigc. Oba djjcJa O\'C kn.iige ohraduju poslrojcnja j naCinc pretvorbc Cislih nosioca cncrgije vode i vjelra II lurbinskim ko]inl<l u snagu n.iihovog walila koje direktno okrecc clcktricni genci·a(or. Pojave kojc pri tomc treba poznavati da bi sc sprijecio njihov los

UVOD 7

uCin na tehnickc znacajke postrojenja (npr. kavitacija vodnih turbina, pojava hidrauIickog udara) ovdje su obradeni na suvremen naCin.

Jcdnako, prvi put na hrvatskom jezickom podrucju, tum ace se aeroenergetska postrojenja na temelju suvrcmenih spoznaja i zmmstvcnih radova autora ove knjigc.

OSlvarenje predvic1enog rasta polrosnje elektricne energije do 2010. godine zahtijeva ugradnju novih elektrana 11 elektrocncrgetski SUShiV na vrijeme. U planiranim potrebama manju energetsku podrsku mogu dati VB. Da bi nove HE i VE radile na suvremennj razini pretvorbe energije U elektricnu, planeri i projektanti trebaju usvojiti nove informacije 0 clementima ovib postrqjcnja i njihovog rada. U tome pored ostalih spoznaja pomoci cc im i O\'a knjiga.

lzlozcna materija knjigc mol.e posluziti inzcnjcrima strojarstvu i elcktrotehnike, kao i studcntima ovih struka i svima onima koji se bave na bilo koji nuCin bidro i aeroenerge1.skim postrojcnjima.

Ell HE u radu

o HE u planu

(' .... ~" \~ .. ;. . " ~ p •

? .... ........ ZAGREB ""'.... ..

.~.

UYOD

I. DIO

HID~~~~~~~i1KA a an Ljiljana Pilic Rab d

Svom Sllprugll

za Ijubav i strpljenjc

posvecujcm.

UVUD 11

llidrocH.,:trano Z7kll{cIC (Split, !-f/1Jf//sko)

KAZALO

1. DIO

UVOD

HIDROENERGETSKA POSTROJENJA

I. VODNA ENERGIJA J NACINI NJEZJNA KORJSTEN.lA 1.1. Trajanje vodnih koliCina. 1.2. Oblici cncrgije vodnih lurbina .. 1.3. Sistcmi privod,') vode hiJruclcktrani. j.4. Encrgctski p<.lf<lmelri hiclmc!cklrane .. 1.5. Energija i snaga turbine

1.5.1. Nal.i\'{H\ snaga hidroC\cktranc.

2. VODOENERGETSKI PRORAClJNl 2.1. VodoC:l1crgctsl\j paramclri . 2.2. Relacijc vodnog. tob. 2.:1. Rclacija voc\nih kolicinil.

3. RAD HlDROELEKTRANA U ELEKTROENERClETSKOM SUSTAVU 3.1. Vrslc: hidrudcklJ"anH 3.2. Dijagrami oplel"eecnja cncrgclskog sllstavt\ .

4. VRSTE TURBINA. IZBOR BROl!\. AGREC.1ATA 4.1. Rdaci.ic slicnog rada .. 4.2. Krilcrij podjc!c turbinc .. 4.3. Encrgclske zll<1cajke 4.4. Opec lchnicko-gospodarskc postaykc. 4.5- PolazisJa izbora broja agrcgala . 4'(). lzbor vrS1C turbine. 4.7. hhor rc\'crzihilnih turbinil i nacin rada .

4.7.1." Podjela rcvcrzibilnih hidrodcktrana .. 4.7.2. Tcmeljnc vclicinc rada rcverzibilnih bidroc1cktranu . 4.7.3. Izbor turbine za rcverzibilne hidmclcktrane

4.8. Znacajkc rada plilllnih hidrocicklrall<l (PHE).

:i. NESTACIONARAN RAD HJDROELEKTRANA ).1. Prijc\azl1i procesi .. 5.2. Hidrau!icki uclal" u llacnilll vodovinw.

5.2.1. Hidrauli6ici udar u krutonl suslavu .. 5.2.2. Hidraulicki udar u claslicllUnl suslavu.

u

19 . ......... 21

· . 22 · . 23

..... "24

..... 24

. ... 26 · . 2()

· . :n

· 2()

· . 32

. ..... .1(,

. ..... ]7

.. -'11 .42

. ........ 4]

· "1·1 46

. ...... de) . .. 47

48 . ..... 49

. ..... 51 . ...... 53

· 5~1 . ......... 55

5.2.3. Opec rjcscnjc hidraulickog udara. . ............ 5() 5.2.4. Nacini ljcsavan.ia hidrauJickog udara. . ....... 5t;

5.3. Dinamickc jc:dnadzhc rolitci.ic Llgrcgi\ta . . ()2 5.4. Prijclazni proccsi kud [urbina sa zakrclnim lopalicama radnog kola. . ...... 63 5.5. Prijclazni proccsi lend rcvcrzibilnib hidroclcklrana . . ......... ().:l-

5.5.1. Pustanjc II rad rcvcrzibilnib agrcgata. . . (is 5.5.2. Proccsi nakon iskljuccnja lllolor-gcncralora ...... : .. 66 5.5.1. Pwvol.1cnjc rcver/.ibilnih agrcgata hidroclcklrana. . ....... (ii"-;

14

6. TLACNI SPREMNICI 6.1. Vrstc i primjena t1acnih sprcmnika.

6.1. J • Nacill iSlodobnog raelu dvaju tlacnib sprcmnika . 6.2. Proracun oscilacija razina u sprcl11nicima

6.2.1. Difercncijalna jednadzba 11 krutorll Sl1staVll.

7. K;WITACIJA U HIDROENERGETSKOM POSTROJENJU 7.1. Hidrodinamicki flarametri kavitacijc !\lrbinc .. 7.2. i<Titicne vfi.icdnosti kocficijenala kavitacUe. 7.3. Kavilacijskc znacajkc u prijeJaznim procesima. 7.4, Kavitncijska ograniccnja, kola inslaliranj<l turbine

R. OPIS I RAD POSTROJENJA HIDROELEKTRANE 8.1. POlllocna poslrojenja hidroeleklranc .. 8.2< Vanjski po(/sllslavi hidroelcklram;

8.2.1. Opis hranskiIJ fX)slro.icnja. g.2.2. Cijc\'ni dcrivilcijski podstlsla\' hidrocld:'lmne ..

9. KORISTEN.lE J ODRZAVAN.lE HIDROELEKT'RANE 9.1. UpravJjanjc rczimima bidroelcklranc u sklopu hidrosllstava. 9.2. Sigurnost j lri~jllW;t u radu poslrojcnja hidroclcklranc.

10. EKONOMSKJ PARAMETRJ HIDROELEKTRANE

II. LITERATURA .

· ..... 71l .. .... 71 ...... 1'2 . ..... 72

. ..... 77 · ..... 79 . ..... 82 ...... 83

. ..... 88 89

. ..... 90 · ..... 90

...... 95

.. .... 96

... 97

.. .... 99

Popis vaznijih oznaka (prv! clio)

Popis vaznijih oznaka (prvi dio)

A G

D E g HE H IIH Hb

H" Hj

1-11\

h\\

I 1\1 m n 11q

_ povrsina _ brzina vala tlaka - promjcr - energija - zemljino ubrz.anje _, hidroeJektrana _ jedinicna radoja turbine - visina prcHakaJpotlalGt - bruto pad - neto pad - visina Haka isparivunja - staticki pad - visina gubital.;:a - moment inercijc - moment rotacijc -- masa - brzin,\ okrelanja - specificna brzina okrclanja

P - snaga p - spccificni tlak RHE- rcvcrzibilna hidroeJek.lrana 1 _. vrijc111e T w - konslanta incrc\je u - obodna brzina \' _ .. brzina (ap~olu!na) \v - relativna brzin:l z - visina polozaja Q - protok \lode a _. koeficijcnt kinetickc cnergije ~ koefieijenl kapacitcta akumul"acijc p - koeficijent 111inimalnog oplcrccenja \' - kocficijcnt gus(oce oplcrcccnja TC j .. - Froudov hroj 11.0\ - slupanj korisnog djelovanja HE agregata llT - stupanj korisnog djclovanja turbine 11G - stupanj korisnog djclovanj[l genenllora p - gustoca 0" - koericijent lcavitacije (l) - kutna brzina vrtnjc

m2

1115-1

m Ws. kWh, J m5-2

111

m 111

111

m III

III

kgm2

Nm k" ntin-1

m5-1

ms-1

111S-1

III m\.-l

rad

15

Hidroenergetska postrojenja Hidroenergetska postrojcnja skup su objekata za skupljanjc, dovoacnjc i odvoucnje vode

1e strojcva Zft prelvorbu energije vode u mchanicku i clcktricnu cncrgiju, kao i urcdaja za transformaciju i razvod clekLricnc energije. Agrcgat Zit pretvorbu snage vode II mehanicku jest vodni motor ili turbina koja pokrccc elcktricni generator.

Zadaca jc clektrocnergetskog susLuva (EES) da osigura opskrbu pOlrosaca elektricnom cncrgijorn odredenog narona i frckvcncije na kvalitel<lll i ckOllomican nacin. Potrcbc za clektricnom strujorn tijckom dana, ~edna. mjcscca i godine, ovisno 0 vrs!i potrosaca, mijcnjaju se, Cimc EES mora u poLpU!1osti udovoljiti. Stoga po SVOl1l znac:~ill razlicilc hidroclcklrane (HE) j termoclektranc (TE), koje sustavu daju cncrgiju radcCi u para!einol1l melu, v()(1cnc Sll

iz poscbnog ccntra regije i zcmljc mdi odrzLt\'anja ravnotezc rroizvoLlnjc i pOlrDslljc c\t:KlrlcH0 encrgijc. Tom cilju pomazc mogu6nos! povczivanja zcmljc i s curopskim clcktrocncrgclskim

sustavOIll.

1. Vodna energija i nacini njezina koristenja

1,1, Trajanje voonih kolicina

Dvi,jc In::cine Zcml.linc kugk pokrivcno.ic vodom koja isparava, pa ukapljivanjcl11 opel dospijcva na nju 11 obliku ohorina. U oviSl1os!i () klimatskim uvjclima koliCinc oborina Ilckog: podrucja ral.jiCilc SU i prullljcnljiv0 [ijck01l1 godinc. KoJiCina vode koja 6: sc oborinama slijcvati u vodotok i u sckllndi proljccali nckim presjckol1l rijckc ovisi jus u geoloskim i \'0g0-lacijskim uvjetima ukolnog [crena. Tako ri.ickc kraskih prcdjcla. koji su inacc boga!i oborinimw. ilTliljU rdalivl10 mille prolol\c. Krivuljc vodnih kolicin:l ppkilZlljU promjcllu proloka n.:1(c fijckc lijckom llljcscci II gndini, ~;a zimskim i Ijetnilll minimulllom le proljelniJ11 i jcsenjim maksinlllm()lll.

Sf. /,!. f(ril'lI(ia I'm/nili kn/itill(l

KrivuJja na sl. J. J. osnova jc za uobiYi1llic promjcnc ln~iallja vOllnih kojiCina jz kojc se vi eli lijck()lll knliko sc \'l'C!111;na Illo/,e (lSig,urali odre(lcni prolok vode (51. 1.2.). Primjcricc, voclni prolok oel:'iS m'ls moze se osigurali 90 dana voda bidroc]cktnm2l, a 25 Ill:'/S 270 dana u godini.

Srcdn.ill godisnju kolicinll i),J';:)clln,jVallllJ nkn povrsinu ispod krivuljc podijclilIlO s vrcmenOl1l:

T'i

f (2 <iT (l.J )

" N;~i\'iSa i najniza orelinata kri\'ulje i7. s1. 1.2. nazjvCl se popJavnom i koliCinolll najnizeg

vodoslaja. Da bi sc dobile Ie krivuljc, mjercnja sc provode lijckom nekoliko godina, a unosc sc srcdnjc vrijcdnosti !liza mjcrcnja.

LU H1Dl<:0E,:~;:;RGE'f :,KA l'OSTlI.OJi'NjA

Q

ImJ/sl

90 80 70 Iromjesecno 60 ko!,cina 50 40

30

20

-j---- ------1 ,del{9tmjesllcna

10 ~---~F !-- (/' ~~iM o· .j'--,.._+-I -f- (

a m w 00 ~ ~ _ ~ ~ m D m _ broj dana

Sf. 1.2. KrimUa frajanja t"lhlnih koliZiliil

POZ~laV!~j.u6i OViS~lOS1. vodnog proioka i raspo)oz,ivog pad a rijekc, odnosno vodosiaja, lakoder mJerenJcm, moze se ucrtati krivulja prornjenc pada (s!. 1.3) tijckorn godinc. Iz kr'ivu!jc

H P

1m I) lKWI

PactH

I

SI. 1.3. OUisl1osllmjunjd L'Odnfh k(!/i[in(l, puda i slloNe

trajanja ~oliCina i ~ripadnih visina razina moYc se nacilliti krivul.ia raspolol.i\'c snage P tijc-kom gOdlllC pomoCll formule (1.2), sl. 1.3 <.. •

P""pgQH IIV! ( l.2)

Povrsina ispod krivuJjc snage Cini raspo!ozi\'u cnergiju U loku srcJnje godinc (jedll. 1.3)

"1""

E= f PdT. IIVsl ( 1.3) o

.... O~, it.': energijc treL:!.t odu~cti cnergiju koliCinc tckuCine zakonskog minil11uma koji sc propusla ktuz bl.ll1U (s1. 1.3 '-lsprclodana Crla). .

Vodna encrgija i nacini Jlj,,/in,~ kllri.;knj.l 21

1.2. Oblici energije vodnih turbina

Energija vodnog toka [roS! sc dijcloL11 na vanjske i unutarnje sile trenja. premjcstanja nanosa i na kao[icno gibanje cestica tckuCinc. Na taj sc O<1cin u prirodnol1l toku rijekc do njezinn usca u jczero ili more iscrpljuje ukupna encrgija vode koju.it imala na izvoru. Prirodlli tokovi vode l1Iogu imati razlicite oblikc, ostvarujuCi razlike visinc na 5V0111 pUll!. 5L\ ilralljcrn pctlje razliCitc visinc krakova, kao i manjih akuHlulacija fHzlicilih visina, i drugi ob!ici pril\klnih lukova omogucuju koristcnja raspolozi\'c vodne cncrgijc na nckom dijelu lob (sl. 1.4).

~ 2

III IV

Jcdnadzba (1.4) Odr7.anja cncrgije opisujc njczinc oblikc izmcdu prcsjcka IT i 22 bilo kojeg. oblika vodotoka i2 sL 1.4. LIZ prctpostavku da sc protok vock Q 1111 3/si no mijcnja i dit su gubici zancmarivi:

v p. ( 1.4)

U jcdnadz.bi (1.4) Sll 7.) i Z2 U Iml·- gcocklsicc visinc £lad morem oznaccnih prcs.icka. p) i P211akovi U iN/m21, \") i V2 srednjc bl7.inc strujanja Im/sl, V"" Q t - zapn:mina \wk; Illl\ Ul i U2 kocficijenti kinelicke cnergijc. p gllstuca tekuCine ikg/m:\ g Zcmljil10 UbrZiln.lc Im/s2!. Encrgija iIi racinja jc u III iii !Wsi.

PrctpostavljajuCi cia Sll brzinc strujanja YI i v2 tc cla.ie p\ "" P2 za ot\(jJ"cni tok, a cia .Ie geodctska razlika presjcka oznaccna sa Hg "" ZI 22 iz voclnog toka mozc 51..' dubiti ukupna cncrgija (za vrijemc t) prema jednadl.bi (1.5)

E"" P g Hg V PI ( 15)

dok.ie njegova snaga

P"" P g Hg Q ( l.6)

22 !-i!1)~{OENr:!{(if'TSKA PCSTRO.!E~1JA

--~-----~

.3. Sistcmi privoda vode hidroelcklrani

Ni~id.idotvornije i~kori~!(lViln.ic vodnih lokova Dlogllce je ako je razllka razina ostvarena n,l kratkom pUIU, slo ,k u prirodi rijclka pojtlv(J. Sluga sc umjctnim pUiCll1 prcl110scuju velikc dui.inc rijdw s dcrivac~jom ela bi sc koristila raziika nlJioa (sl. 1.5). Dcrivacije sc izvodc kao ulvorcni kanali iIi cijcYi. Podi?ilnjc razine oslvarujc sc i branama, gdjc sc na veJikim rijckilllli:1 ncznalr10g pacta, UZ 1'111110(> bnll1cL dobiv;! odl\x1cna razlika razina ulazne i izlaznc vode HE na vrlo kratkolll pUIU, kojc na (;~i nacin nll1oguC[\V,ljll \'eJiku akul1lulaciju tekucinc. Taj sis[c,tn izgradn.ie HE primjcnjujc sc i kod plimnih HE (st 1.5. III). Kornbinirani sislemi koristc cierivaciju i manju hrann, kiln rw sl. 1.5.1. Zatvorellom cijcvi, umjcslCl kanalom propisunog presjeka, moze sc rcglllira!i l!ak vuck koja prcko tlacnog spn:lllnika dot.ic6c lUrhinam<i tiacni1ll vodol1l (s1. 1.5. ll).

U sislclllll privod<l vndc dcrivacijom guh; sc dio cncrgije na duzini deriv<lcijc, s!oga sc

J1:ts!oic ohlikt)\"ilLi pi\;sjcci i shali!i du7.ina. U rwisnosli () sislnnu privoda vodc elcklrani. 7.grada strojamicc s agrcgatim<l lurbina

-generator posla\·I.ia Se iza dcri\':lCij~k()g k:lnala i]j dcriVilCij,kih cijcvi. To.ic derivacijski tip HE kojim sc ll10gu korislili paciovi i do 2 nOD Jl1. ]-lidrocleklrtlne, ciji sc padO\'i st\'an\ju vclikom hr;\1lo!fl, imajl1 stw.iarniClL II knjoj Sll P(lstil,:ljcni HE agn:gati i pOlrchna oprcTlJa. a koja .ic smjc.<:I";I1(J llZ hrantl. Ie sc nazi\"il.iU prihranskim HE. U masivnii1, vclikih brana izgracluje Sl'

',!mjafllica II li,iclu brane. Prihranskc I-IE mogu oSlvariti od SO do 200 m pada. Plimne su HE

iskJ.iu{:iv,.l tlgradcAlc II brani.

Si. 1.5. Sholle I'n/u fJrit·oclo t'i!lfr hi f/'uc!d:lmni II) priro(ini tok polil' Ii} z;;mi/u HI:." c) ,/rwnJni kmw/ d) r/(/I"/Ji I.'od lurhine

(!) !/atlli \'j!rcmnil:

f) mzil1(1 pfilll!'

g) fLI::.il1d o,l"I:kl'

h) ';0(;1'('

b ,-----_ .. H

I

h

i)m(lre

j} lurhinski rd.ill! k} ! ilmp;! rd.i1H

III

23

1A. Encrgctski panm1ctri hidroelektrane

Padovi hidroelektrana. Razlika gornjc. dotocne razine vode i donje odvodne vode. nazi va se s!atickil1l padom I-L'I (s1. 1.6). Ukupni pad HE zove se Hb bruuo, koji slijedi ako se R'I

...... - .. -.. ------.--- L--o a ;2

C1. v' (Xv1

rli _.L'..II

\ '

(X,lIi \ 2",

_C9 ,I' '--..,;Jf~ l '- "'''''''.. " lh5

·

\\.~'lDJL::.c· B~~' '~

b

SI. 1.6. Pur/(IP; hidme{eklrana u) pm/o(;nt' llE /l) dail'(frijsk(' HE c) HE s Pct/Oll IUl"binom

" , " c

llveca za kineticku cncrgiju lllazne masc \"ode kojoj Ireba oduzeti kinclicku cncrrriju \'ocle n!.l izlazilom prcsjcku eo.

N \,2 N ,.2 H - '1 V·I I v.2·2 h- r I+--~ --, 2g 2g (1.7)

Netto pad Hil hidroelckLranc dobiva sc ako se ad Hb oduzmu gubici strujanja vodc u priYlxlnom dijcJu SllsLava do ulaza U lurbine

24 HlDROE};[f{GE'f ::>KA POST!{(JJEKJA

a ,,2 a. v2

H =H, +_1_1 -~ -:L hw. n sl 2g 2g (U)

ZanemarujuCi razlike kinetickih cncrgija ulaznc i izlazllc vode sustava HE, raspolozivi pad turbine pfema jeclnadj,bi iznosi

(1.9)

Aka je rijec 0 HE s Peltonovom turbinom (s1. 1.6c) kod koje je izlazni presjek vode l1a

sapnici izdigtlut od razine donje vode za h~, tada je raspolo1.i\'i pad turbine manji, prcmH

jcdnadzbi

En:::: H"l- L hw - h,. (1.1IJ)

l.5. Energija i snaga turbine

Energija koju HE proizvodi p1'ctvorhOlll voelne cnergije pomocu turbine i elektrogeneralora u clcktricnu cncrgiju prema jcdnadlbi .ic

EuE ;::;: P g H V 11A IJI (1.11)

i snaga

:= p g Q H 11A' (1.12)

U jcdnadzbi (1.11) V .Ie zapremina vode koja protjccc kroz turbinu Im:'I, Q.ie protok turbine Im1/si, llA jc stupanj korisnog djelovanja (s.k.d.) agregata kl~ji je jcdnak produktu (s.k.d.) 111' (turbine) i s.k.li. 110 (clcktrogencratora) prema

(1.13)

SlUpnjcvi korisnog d.iclovanja turbine i generalora II ovisnosLi 0 tipu i veliCini slroja u projcktl1oj tocki mogu iznositi: lh O,Hj do 0,96 i 11G ;:::: 0,96 do 0,98,

Snaga koja je na raspulagauju potrosaCll11a, U ovisnosti 0 gllbieima u elektricnom transformatoru prema potrcbnom naponu lrosiJa Ie gubieima u raz\'odnoj mrdi do mjcsta pOLrosnjc, bit cc manja oct iZl1osa, prcma jcdnadl.bi (1.12) .

. 5.1. Nazivna snaga hidrocJcklrane

Zbir svib nominalnih snaga agregaLil instaliranih II HE d,-~ie nazivnu snagu (PN) hidroelckl1'anc, s10 obicno odgovara maksimalnoj snazi HE

U jeclnadibi (1.14) su: p ...... garantirana snaga, Pd - dodatna snaga i Pr ~ rczervna snaga.

V()(Jna cncrgija i naCini njc:/.im: kUl'i;[:.:nji: 25 ----

Pg sc dobiva analiZOIll grafova opterecenja potrosaca tc zadane raclIl1skc osiguranosti cnergijom (vidi sljcdecc pogJavlje).

NI.0veca energija koja S0 moze dobiti u vremcnu T iz HE jednaka jc

( 1.15)

U nckom razdobJju rada (T) h.idroclcktrane, kada ('12 se rnijcnjati polrosnja strujc j prolok vode, proizveciena ce energija biti

T

EH[", f PHE dT (1.1(,)

PHI: - lrans[ormirana snaga vode u clcklricnu SlfUjU u vrcmenu T. Omjer cnergijt: prclllajcdnadl.bi (L15) i (1 16)jcst kocficijcnt nazivt1c :magc

K moze iznositi od 0,29 do 0,45 za J1(:kc clcklranc prcma literaturi (za vrijcl1lc web clcklranc od 3 950 saLi kroz godinu dana jest K :::: 0,45).

2, Vodoenerl'etski IJroraCllni ~,

Vodocncrgclskilll proraCunirna odrcduju sc svi polrcbni paramclri vodoprivrcdnog i vo·· docncrgcl~;kog kompleksa f.iI projcktiranjc ovog susla\'a.

7 J . Vodocncrgelski parameLfj

l\!l!ivna snaga I-IE, polrebnn snaga I_a pOlrosnju i pUlrcbna pOlro.snja vodc za HE i ostak pllirosacc yodcrri\TCd;Y'6 g('<';PO(l:\;·<.;l';:1. (irif(H.:i.\'~ki :',\l.o,la\: i drugi) lcmcJ.ine Sll vcliCinc proracllna.

(ldrcdil'anjc nazi\'llc sn,lge podrazumijn'il poznavanje g,lranlinmc snage, (f\). koja sc odrcdujc na temelju cnergci<.;l\ih tnogllC110S1i HE i njczinih p()Slrojcnja a u skJadu s poznavanjclll osig,llnll1ih \"(xlnih kolicina.

Dopunska se snaga (ldredlljc hez garancijc. posdmo /,a HE S ograniCCJlOlll 11l0g11clloscU n:guJacije votinog lob. i za taj i/,llOS Ill: j~;kJ.iucllje racllnanje na druge clcklranc. Na sJici :'L6. prika;,:lll jc ocinos f>g prcma P,,,.

Rc/crn1a snag:! (Pr). kOj<1 .Ie saslavni dio Pr-; (jed. 1.14) lllOZC sc rasclanili prcnw jednadJ.bi (1.1). a Irell,] ()lllogucili llcprekid,1n rad HE

(2,])

U ,icdnad>.hi (2. J) su: p/\ rc/.ern] II SlllC;~jU izncnadnih kvarova (havari,ia). PPI _. snuga kOj,i sc koristi prj ncplaniraniJll (j~ciJaci.iaJlla prcopl(',fC.!:cnja zbog odl"l.'].\'<lnja ravnoteZc. Ta fO.l:rV'l moil' i7nosi{i pribJiino 3r;'t. Pm<J\' Pnn - re7.lX\·a za polrebc kratkih ncplaniranih n> murllnih rdc!oV,] nckc (ld f-IE iii TE U S\ls[aVll nidi z:1m,icne llwn,iih dijclova, Pdf - rczcrva za prcl~opl<lnska oplcrcccnja.

Smlga potrchna p(11r()~:1(irlla dobijc sc iz podatnkn 0 pntrcbama 1.<1 encrgijo11l pojedinill potroS,]l'<l, (ldnosno sacinjcnih dij,q;rama plana rrollljcnc uplerccenja SlIsta\'i1 lijckom dana i tjedna. Planiranjc pokri\'anja oplcreccnja obavlja sc llnU\ar djelog, susla\'a.

Odrcdivanjc polrdmc p(lll'()~n.ic vode I,a rad HE vc.z;l]10 je s nizlIlll podalaka do kojill se dola/.i llljcrc-njem j racunskim pUlem. To Sll: millimalni i rnaksimalni proloci \'odc, ovisnosl prolo].;a (1 visini vode u fUllf.:ciji vn.'ll1Cna (godisnjih doha), topog,rafski [Jodac.i akumulacijskib iCZCC1. Ii:o.ii Oll]ogu(;lva,iu i/.,a(un;)\' i\l1je zaprcmine vode; g()di.snjc polrebe vude korjsnjk,~ (HE j \'od()pri\Tcdil); godi_sn,ia isparavanja s \'odnih povrsina. i drugi.

2.2. Re1acije vodnog toka

KOl~ricijcn! kapaCi!GUl ilkulllulacije iZraClln!l\'<\ SG prl~ll1a

V" lloc \Va

(2.2)

gdjc,ie Va - korisna zaprcmina akuIl1ulacijc. Wa - srcdnja vrijcdnost zaprclllinc viscgodisnjeg toka.

Osiguranosl pOlrcbnc vode p

In l)~-- 100,

n +- 1

11l - broj godina sa zadovoljavajucom kolicinom vode 11 .- llkupan broj godina rada HE .sust'lVa.

Korisni kap<lCilct aktnnulacijc

V~g - viscgodisnja zaprcmina akul11ulacijc V g - jednogociisnja zapreminn.

27

(2.3)

(2.4)

Kocficijcnt kapacitcl!1 akul11ulacijc sli,jcdi prcmll jcdna(\zbi (2.2) dijeljcnjcl1l (2.4) sa srcd

njinl zapremin;lma

(2.5)

2,3, Relacije voclnih koliCina

Masella faI'110\CZU sus lava. odnosno fll\'noteL.a proloka zaprcmina slijecJi i7 j8dnadzbe

Q potrosnja vock pOlrCJsaca Qd - prili\' vock HE Ad Zd/dt -, potrosnja vode jz akumulacijc A - povrsina I'ode akullHlJacijskog jezcra Zd\'~ nlzina vode u dovodnom kanalu t _. vrijeme.

(2,6)

Ako je drugi clan desne striHlC jednadzl)L~ (2.0) \'cei od nislicc, akullllllaeija sc puni. Pril11ijcnivsi jednad7J1l1 (2.fi) nil ll\:jcte nlda HE, slijcdi

Pm,: 'Lov : h wl-1E

----~

snaga HE U Il1011lCntu 1 razina ()dvodnog kanala

k Qrm - gllbici

PHI'

Ill', 11G - kocficijent korisnog dje.]ov!lnja lUrbinc i gencratora.

(2.7)

Jcdnad2,ba (2.7) mozc se rijditi ako se zna Qd::: rl(l); A;;;;: f2 (Zd\,); Zov:::::; f\ (QI-lE), I h"

::::: k Qf~E Ic prollljcna llr(Tju ~ kOlls!.). U dijagrarnima na slici 2.1. prikazani Sll grafikoni pracenja potrosnjc vode. razine akl1~

lTIuJacijc, promjenc pad a i promjcllc snage HE, i drugo.

"0 HlDl<OENERGETSKA f'<JYf i<OJb"<JA

b zoo lSOH'+~'-,-;

(mJ/sJ SOD-a '00

300

200

0

-f

I (MW

zo 0

h 150

10

PTT-r-; U-1W) p 200f-'--·

150

230 m :,-, .:-.J,

.. __ .

0 100 ,

° I

5D ~

II III IV V VI VII VIII IX 5 0 40 00 /,

Sf. 2.1. KriL-uUe vucfoelilCl"!{el,\t:i1i lJroru(;w!(I i.j(J<!i.\!ljolN li;i.jU!Uc.·,)OI!i lokoUd (I) prollijellu stu/rni" prowl.u h) ropogn!/;"ku tniJL-ujJ.:u spremnika uode c) kriuilj,1 f"(Izil1() i !Iroloku donje ('ode d) Jlmll~jefl(/ ra;dne poue II slJremuikll

e) pmmjell<l ra:.ifle vllde II oJt-udl!(/ili kunu/if f) pmmjelhl {/oka (H) HE

g) pmmjena o.ligwwu"u !lm,ljel:nih clncuiih .1·11tIj;(1 (24 h) Ilj pr(l.\jetlle dneclie .111U}{e lJE'

!

X

a

d

!

I I 9

,. ! i

-LJ:J XI XII

3. Rad hidroelektrana u elektroenergetskom sustavll

ElcktroeHcrgetski slistav objcdinjuje rad svih vrsta e!ektrana U kojimu se cnergijc razli(iLih cncrgenata prc!varaju u c1ckLricl1u cncrgiju. Hidroclcktl'ane i vjctrodcktranc (VE) grade sc na mjeslu raspolozivosti potencijala vode i vjctra II prirocli, leoji se ubrajaju u oh!lov!jivc izvorc clH.:rgijc. U toj su skupini i clcktranc na pJimu i oscku. Tcrmoclcklt"anc mogu radiLi n<l nanl!. plin, ugljcn, l1uklcarno gorivo. Tcrmoclcktranc (osobil0 nuklcarnc) tak()(1er [reha gradi!i u blizini nalazista gorivCl i vecil> priroduili voda mdi hladcllja njihovill poslrojcnja. Elcktrane na suncevtI encrgiju koristc cncrgiju SUllca za grijanjc YOth: TL iii izrllVIlU prelvorhu u c!chJricnu cnergiju, kojc mugu radili u EES II unc\'!lim cik!usim;! raspoJuzivosli l~ cncrgije. l)si.lvrsa\',mje SVitI lransformatora za prclvorbu cnergije ](()ja sc !lalazi u prirodi radi ckonomicnog koristcnja II prildadnim oblicima, LIZ oCLlvanjc cm'jckovi\ okolisa, osnuvna.ic zadaca znanos(i svill naprednih civi!izHcija. Gradnja jcdnc dektranc (raje 3 do 7 godina, a vrijel11e potrcbno l',a us<tvfsavan.ic novih srcdslav:.t za prclvorbu cncrgijc llZ p()stizanje spomcllLltih ciJ.jcv<l jc znatno, jcr tel( u tn~inorn pOg(lllU cleklrane olkri\'aju sc njc:t.ini neduslaci.

3.1. Yrsle hidroeleklrana

Protocnim dcktranama ni.tzivaju se one HE koje koristc cncrgiju vode onaku kako ulla do!azi vodnimlokom. U protocnoj HE cnergija vodc danog lH:llUiKd oplcI"cCcnja Slislava mOLe biti wea od potrebne pa se voda preko prepusta mora pustiti nciskoristena u tok ri,ickc. Dio vode neprckidno sc pusta uz turbine L1 sk[aciu s pmpis:tllim bioluskim minimurnom.

Hidroc1ektranc s akulIlulal·ijolll yudc zadr2.anll vudu mogu iskoris[,JVati prClll,] potrchi SllSU\V;1. Taka\' je najvcCi broj HE U svijctu (sl. 3.1). U akumul:lcijskc hidrockklr:l!h.' uhnl.iajll sc j ckktrane na plirnu i oscku. IskOJi<til\'anjc plime i (lsckc, pojava koje sc pojavljuju II rnjcsccevu dallll od 24 saW, poznato .ie i u ranijoj pcwijcsti cU\j~c~ubh·;l. Oscilacija [":tzinc mora nijc vrcmenski postojana, vce (lvisi 0 nizll (.\.'>lruilom"kib ciwbenika: d,iciovanju SUllca i uz,~ianlllom polo/,aju mjcseca i Sllllca. Ampji\uda plime iSiodobnu O\'isi 0 g~ugrahk()ln polol.;:~iu mjcsta, obliku obalne linijc. dubini vode, rcljefu dna i Jrugim lokil.iullll ~plxificu(),,[.illla. Najvccc Sli pjimc u zaljcyu Floridc Ll S.icvcrnoj Amcrici (19,6 m), II Sjcvcrno.i EngJcskuj (16,3 nl) U Granwilll. II Francuskoj (14,7 111). II OlJo(skom mow (1 J m) i biv,~eUl SSSR-u (11 !l1). U Hrvatskuj su ptime od 0,2 do 1.01\1.

Da bi pJimnc HE bill: konkurcntnc klasicliilll dci<lranama nuz!1o jc voditi facuna () gl.:'ogral"skoll1 polo7.aju obalc. To trcbajll biti zaJjevi vdikc povL~ine s ma!im prcsjckorn vezc s olvorcnim ll10rcm (sl. 3.2). Da bi turbine plimne HE bile up"krbljc!lc vodom uUlj dio, potrcbnl.:' su vccc rczcrve vode (ll v'i.~c odijeljcnib bazcna). kojc sc ll<1izmjenic!lo prjl'oeil', turbinama. Najvcea plimna HE u Europije u Francllskoj nauscll Rone u La ~1un,;;bu gdjc.ic srcdnja amplituda plime 8,4 m. C~ntraJa ima 24 rc\'cfl.ibi!na agregat;:t cijc\,!log tipa (kruska) silage

30

SI. 3,1 /\/;u!!I!I/uClj\!rr hidm( /1'1:11"(11)0 ,,7t1hl!\v<, (SI,!it) u) {lr('.,,i(>/, f.:m, ogre po! IIIrhinr' Ii) Shl'liI(! I"lfl'j( rnic

! mit'orr'; lillie! .J _.- IUrhil/O

:: _ flfnl'! IIfliZU /I rfr'k{r,/IIII

3 tnm<;/()(! )(,·.'on

M()r~

.') - gefl(-'ralOr

II

Sf. 3,2. Sh,:!!!,' ";!;i jJri/:{/;·.I elilllllilt 11h,i, Jnn,ll'ij!'mi r(/{i

Il -- ,FI'I'IJrjn'!'; md [//- .\' Iri!'. )ill] '!;a:i'lia

Hlnr':OENEP,GETSI<A rOSTJW.i);NJA

b

~" , I ,

'"

III

P() l() 1\,1W. koja godisnjc rroi/scdc 537;.;: 1 Oil kWh. Proluk s\'al(og agn:gala II turbinskom fl,J:imu iznosi 200 m'/s, ,I U pUlllpnolll 225 lll'\/s (s1. 3.3).

Hidrol:lcklranc nwlih pad ova grade sc u tzv. cijcvnoj izvedbL koja j do 50(4' pojcftinjuje; izgrac1nju grade\'inskih ohjekula. PolopUcn agregat U obljku krusl\.c smanjujc gubilke slru.i~-!nja. ;11i ",ahlije\',] dobro brHjenjc clcktricnog dijcJa agregata (sL 3.3).

PUmj11HHurhinskc ckklnmc naZvane su pOllekad revcrzihilnim, a II nckoj ]ileraluri akuJlluJacijskim. Bit koncepcije Ie vrs[C clcktnmc jest u potporn;lganju aku11luJacijc sirmna.sllc

Reid hidrot.'idlrHll'! u eld:lnlCl1crgc{,c;b>nl StlSUl\'t::

--'---------

51. 3,3, Plilllna lJE 1 - !:ellcrdlor

2 - o{t'or Z({ Jimi IIV! I'era 3·- rti.l'!:!nrir'· dio lurhil/O'

.f -- Ir(//I,\'/;-;rll/(l/or

5 - l1iskm!(lfJol]ski ['od () - cesta

31

VUciOlll U rcdovitim inlcrvalima vremcna pomocll pumpc (s1. 3.4. j 3.5). Pumpa nlOZC biti ncoYlsno pogonjcna elcktromolorom ili bilo kojolll clrugorn Yrstom mot ora. hlD tako, turbina

II

Sf. 3.4. Sf;ona{\!:i prika7. HE:' S fllrhinskim i jJ/ll1Jl'"im radom J-HE PW/"(IIIIOK tipu (RHE) /Jf!7.l'riliu(/ L'ode II Kornji .I'prclllni!:

ll-RHE s do{okoll1 wdt' II Kon~ii l'jm:mni!: llJ-HR S 1l('<'l1'imoll! e'l1llfJ!1(J/H slalli('mll JI(/ manjoj vi.villi J - !'!Il1/1m;', 2 furhil1.1'f.;i 10k

HlDROENERGETSKA POSTlWJE!";]A

-----2100-

Sf. 3.5. Puse/me izvedhe NNE s Iri Spri:llllliku

U obratnom radu moze preuzeti ulogu pumpc u vrijeme kada njczin md u sustavu nijc potreban, Takvc se HE obicno koriste za pokrivanje spica optcrccenja c1cktriCnog sllstava u dncvnom (turbinskom) pogonu (sL 3.10).

3.2. Dijagrailli opterecenja energetskog sustava

Unutar clcklrocncrgetskog sustav[\ povezujc sc rad svih sudionika u rilmll dnevnog osigunmja pO!Hlsnjc u sldadu" njihovim znacajkama, Dok tcrmoe1ektrane ne podnosc prckidc II radu i ucestala ponovna ukljuCivanja, dotle su HE pogodne da unutar (ES) pokrivajll vrhove lrcl1ulnog porasla polreba potrosnjc, istoclobno stcdcCi cncrgiju vode u svojim akuItlulacijama. Stoga u promjenjivom rilmll dnevnih polreba tcnnoelektrane pokriv~jll bazu a HE vrhovc dijagrama potrosnje (s1. 3.6. i 3.11), odnosno op!crccenja.

,,--1_LLL-'

[TTTllD rrTD--n 04812162024h 04812152024h

a b

St,3.6. DlleUlli dUuj.{J"(/1Il (Jpierdl'l~ia enerMe(,\'ko[: .\I/,I"/(IL'(I

0) rod HE /I l'r§lIolll oplereL-el!jll

b) md HE 1/ pofuvr§lJo/ll ofJ1erd'el1ju

U dnevnom ritmu opterecenja clektrocncrgdskog sustava postoje razlike u pojedinim gradovima i rcgijama, SlO ovisi () vrsli djclalnosti koja jc tamo zastupljena i potrosnji dektricne struje potrebnoj za tll djelatnost (sl. 3.7). Primjerice, potrcbe za strujom industrije kOj,-l

51. 3] DUagrami dnevll()~ oplerdel!ja energel,\/wM ,\liS/ciCci II ra?nilll Oh!".lfillid !irUI/(/ tilel'a/uri ---- z)ms/d dUll,

- _. - - (ie/IIi dUll

ii \ '" f Iv : 9Sf-----I--

90

85 ~- -r---+--'", I

! 1 TJJ 80

8 16 h

a

33

b

ne moze prekidati rad (3 smjenc) Zllulno su veee od one kOI'a radi oS i 74 I·, 1'1· t . '"'1 . . . CJ( - sata. s 0 cl,O. ur~st~c.~a pnvreda zahtijeva 24 S~L?U potrosnju, kac!a sc velika !/"Osiin IllOgU ukopcavati u

1l~,Cfl! ,!Ham o~.skr.be. Ako sc anallZInl tad sezonske razlike optcreccnja elcktricno!! suslava, oClto.le da gnJ,ll1Jc nas!arnbi zimi dodatno optcrccujc clcJ;:Lrocnergc!ski suSlav (s~ 3.8). 'Ie

St. 3.8. Prol!/juw oplerf!cenju eHI!Tl{etskog .\'II.\'/UL'(I /I ('«;;flaw u) !jedni

hj gOiii.{,\ji c) ui.{egodi.i\ji d{jugrl-illi

St. 3.9. SimuhiC!ja dnnnug wka 1)l"{;izl'oJnje etdtriZnt' t:!li!r;;ijl.' II HE. TNE, TE, VE i NHE Eleklro.I'lI,\hIlXI UK. .

c

34 HIDf~OENER()ETSK.>\ POSTROJ[NJA

p u s N

Sf. 3.10. ])(jagrall1 dncL'lU; pmi::;md!lie kmz lje(/al1l?J-fE .1iI: 0) li/rhin.l'kim (1) i jJulllpllim (2) radom

h) f'l"omj!'II{f rmine f.:()rniCf~ h(!7('r:n

a

b

spiceve uplcrecenja, biJo da su dncvnog ili sczonskog zna6~ja. 11logu pokrivaLi elektranc skromnijjh zaliha cncrgijc. To mogu biti rcvcrzibilnc HE (s1. 3.4 i 3.5). Eleklranc l1a vjetar, pri poraslll zimc:kih pOI reba za cncrgijom (u nilS zbog na.ivccih pOlcncijala Ie cncrgije zimi) mogu pojacilli bazu tjccinog jli mjcsccnog optcrcccnja za 1znos krilicnih kolicina moguCih prcoptcrccenja Slls(av:! i nil laj naCin llslcdjeti akUll1111iranll hidrocnergiju. Mogucnosl ukljuCivanja VB u Ve1ikoj Brilaniji u sklopu HE i TE prikazano je na slici 3.9.

Dispeecrskc slul,bc u])f!lvlj;ljll opskrbom ES birajuci m~jpogodni.ie optercecnje elcktrana u skl(ldu s potrcrxllll:l po(rosaca a prcma planu zastitc rczervi cncrgijc. Elcklricnim prijcnosoJU sllslavimn visokog napuna i do 2 500 kV Ie !ransformiranjcm U Irafostanicama u nizi napon 7S0, SOO. :no j 220 V povczujl.l sc proizvoeJaci clcktricne cnergijc s polrosaCima.

Godisn,ii pJan potrcbne cncrgijc za niz godina moze sc razlikovati za istu regiju. zbog prom,icnc pOlmsnjc iIi pak klimalskih nejcdnakos!i pojcdinih godill<l istih podrucja. U planu godisnjib pOI reba prcdvic1a.iu sc i rczervnc snagc (PJ (s1. 3.10), kako.ie spomcnuto u poglavlju 2.1.

U dijagramillJ:l llp1ereccnjnlreha uociti podatkc najvecc (P I1I 'lx), najmanje (Prnin) te srcdnjc (1\)') snagc (s!. 3.8c), iznosi kojih sc mijenjaju tjcdno, mjcsccno i godisnjc.

Koeficijclll gH<;(()CC ()p[('rc{Tnj~l jest

Kocficijenl mil1illlalnog: opterccenja

PI1 v=: ------Pmax '

)t :::: 0,55 do 0,6] - ako sc stimulira nocna potrosnja.

(3. J)

(3.2)

l\:td hidi"(iCkktrallii u ck:bnlCI1Crgl:t-,Knl]1 Slblavu

St.3.ll. Goili,\'!!ii /,/{I11 I'!"CllklijJ/1(' ma/:l'im(!!rrt porro,fI~ie ,wage ES (prill~il!r iz filcralllre) I ~ eksp/Ollir!Clj"ko re;:,CI"m TE 2 - ek.lp/(I(I/(IC1j.l'ka rczen'(/ HE 3 , .. 1"1'111017111(1 rn:,!'!T" /-IE 4 - remon/Ita rC?I:n'(/ TE

'f.

9°t7f*~~7rff7i~~;;;17~:£Z<'PmakS i

! II !IlIV V VIVI!V!II!X X XjXll

4. Vrste turbina, izbor broja agregata

4.1. Re"lacije slicnog facia

Izbor turbine za HE obavlja se nakon upoznaval1ja lTlodela turbine Cije SLi z.nacajkc dobivene U iaboratorijskim uvjctima. Modclntl turbina i [urbina potrcbnih dimcnzija za dane radne uvjctc HE moraju zadovoljiti uvjctc geometrijskc, kincmaticke i dimullicke sliCllosti. Matcmaticki odnosi izvedeni POntocll TI teorcma dimcl1zionalne analize obulwi:lcaju znacajke velieinc gcomClrijc i rada hidraulickog stroja: protok. gravitacijsKu ubrzanjc, pad turbine. brzinu obrlanja, tipiearl promjer, gustocu i kinematiCki viskozitct (Q, g. H, n. J), p, ~l). Tc velie inc povezuju s::;', u b0ztiimcnziollalnc panunetrc 51i6nosti]"(!>]"(l> TI:; te TI .. postupkom ma!cmaticke obradc koji su istng iznosa za Illodclnu (m) i izvedenu turbinu 0):

~t ::::~-,.-.... -·1 (gH)WJ)2

nD Th = .. ,.~-,-, .. ~-- (g H)112

I' TI,:::: p D (g H)I~i2

nQl!2 11,1 ;;; (g-H)314 .

lz jednakos{i zna6i.~jkc IT I i ]"(2 za model i izvcdbu slijcdi

Qi Df I-n!2 Qm = D?il H;~~2

-::~!-':O:: Hil2 Dm Drn H,i,:-

(4. t)

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

(4.6)

Ako sc u TI4 iz izraza za hidraulieh:::u snagu turbine uJ\cse zamjcna Q:::: -.l{~- dobije sc drugi oblik TI" (4.7) .. 'pg 11 .

(4.7)

Znacajka slicnosti TI4 kao izvorna forma naziva sc j specificnom brzohodnosti. a cesto sc oznacava sa llq = TI'1'

Objc bcuJimcnzionalnc znacajke vrlo su va'l:ne pri izhoru lira turbine, pored dirncnzio~ naine n, koja se srecc u litcraluri.

\lISle (urbina, jzbor broja agn.:gam 37

4.2. Kriterij podjele (urbina

. . Pomocu Z?:lci:\jki I1q iIi n>.~urbinc se rnogu svrstati u tri tipicnc skupinc: Pelton, Francis I ~lopelcrm~.(Ka.plan.). RcdosilJed odrec1uje porast l1q vrijcdnosti. pa tako Pelton turbina poli:rlV~l POdfL1CJC vlso!oh .padova a malill vodnih koli6na, rrancis podruejc srednjih lill vrijlxl-nosH, a propclcrna malih padova a vclikih protoka, (51. 4.1. i 4.2) . .

Sf. '+.1. Podl"ll(ju prill!jf!/Jf! rm.!i,~'ilih Ii/Jlnxi turbilll'

3.65 n QI/2 11""-"'-"'-"'-, I-fv+ (4.8)

.. Prcma c!obivCI:Orn iznOSLI I1q iIi 11, odabire se lip turbine koji je prikl;J(lan za dane vodnc pnllk:, a. oYI~n:) () m:hrilH.um .broju agn:gata (villi pogJavlje 4.5).

. U s!je~i.cco.J tal?ell d'.llll slIIZnOS! It, vrjjcdno~ti koje pripadaju pojcdinim tipuvilllJ lmhin:!. s llill cia vflJednostl c!obn'cnc na granic<tlll<l Lipova turbina prije odahira treha kriticki ispilaLi.

Pelion Fnlllci~

. .t~"()l.'lClcl.!~~Ka[lI,~n)

2 - 10 40 - ISO

IlUI!ll;!lna

!O - 20 J]() ~ 25{J

L.. bu, ih\yJiL 20 _ )"-Oc--- ,

25() - 550 ·1(Xl- J 200

.~ K.ao s.~o je. poznat~), la :; karakLcristicna Lipa lurbina razlikujll 5C po gcomc{fijskulll uoblJCCIlJll llJlhovtlllopallca. Islo tako POS{ojc biLnc razlike cijelog Slls(ava postrojcn."ia Pelton j

i

!

Sf. ,/,2. S/wl'Uh'lI!( I)r~ili<l rntu ·iie - u!;vUu!lIolllrhin{/ lI1:ru,\"O' (hith)

1'(/ ;"I-r('{nim ]"01(11: toplilinimil

rtlf/i';(!.Inf'·uhi/lI!n , lurhillil

Sf . . /,3. lilrhinll PI'IIII/l ·\'(I dnije ,1'{I{!nicf' - I'o:]t'l"(!!'n 'vrllli{o oJ,irl'J,i%

:7 - !ur/Jind:n 1:n/n .! .. kuh,{II'

4 - 1:/I(;i,l"/e sUj>nicc 5 - iglo ,1'{f/Jl1icl'

H1DlmEl':EJ«lETSIZ,\ POSTFI0JENJ,\

1--· I ,

Vrstc [urbina, il.bor broja 39

drugih dviju predtlacnih turbina (51. 4.3, 4.4. i 4.5). Trcba uoCiti da su turbine na 51. 4.4. i 4.5. poslavljenc okornito, ciji smjcstaj zabtijeva vise prostora, odnosno troskova za graclcvin5ke

Sf. 4.4. Okomi/i agrq.;a/ radija/llo aksijulne IIII·hille (Francis).

] - roc/I/O ko!o .\' !o{!(/!imma, 2 - rcgll!ocijs/.:o k%, 3 - ,Ipim!no /':116.\'le, 4 - d(jirzor turbine, 5 I'm/ilo, (j - spoj/.:a, 7 - r%r wmeralora, 8 - sla/or Kef/emtom

40 HIO[WENERGE'I'SKi\ i'OST,WJENJA

Sf. 4.5. A!;rt!!;af Kup!L/1! fur-hitle ~ uk.IUa!ni Jiu;,;!u! i pre.,jd. 1 ~ ;;LwZillii rdilno!; kolu. 2 ~ lup_uieC!, 3 ~ regulucij.\J:o !w/o. 4 spmL'udnu k%, 5 ~ tim/i/o, 6 ~ .le/TUlliolo/

radove nego turbinc istc vclicine u vodoravnom polo1.aju (s1. 4.6), Rczullati ekonoUlske allaliz.e okomitih i vouoravnih ljcscnja u()\'cli Sll do raLvitka tzv. cijcvnih iz\'cdaba lurbina, llgJavnom za HE na manjim vodnim potcllcijalima.

Hidroclcktrane na plimll i oseku veGnom su cijevnc izvcdbe. srcunje iIi visokc brzohodn05\i propelernog tipa.

Reverzibilnc turbine ~ pumpe takvi Sll hidraulicki prctvaraci koji mogu raditi kao turbine i k::to pumpe kada strujanjem tekuCinc od ulaza na veccll1 promjcru ka izlazu na manjcm, racle u tUIbinskom reZ'imu, a obmutim ~tlU.ianj(;1l1, u pumpnom. Po brzobodnosti mogu biti Francis iIi propclcl11og lipa. ali s Il1odifikaci,iama ulaznog i izlaznog brida 10pal10.: za taj rcvcrzibilan rad.

Sf. 4.6. USfJoredhu Jim<:nz.i./a protoCl10); dijdo ,Ii/slum HE.I" O/:ofllilim i uliJonwliim iJJjrq;Ll!olll

Vrslc turbina, izbor broja aglcgilla 41

4.3. Energetske znacajke

Mogucnosti turbine bo hic1r.1uli(:kug 1110101"<1 z[t pogan g0flcfatOta dobiqju sc snim~mjcm na rnodelnoj izvedbi 11:1 ispilnoj stanici. N;:~iprijc se snimaju podaci za Lemeljne znacajke u suslavu koordinatu Q::;; nn), M T ::;; [en), 11 ;;::; nIl) i p:::: 1'(0) s nl/Alill utvura s[a!orskih lop:llica. lz tih 5C dijagrama naCinjc s!ozene znacajke turbine u kojima 5C na tcme1jnim krivuljama za konslanlan otvor slatom (a ili a) u sustavu (QII ::;;: r(nld ili Q::::: fen) ucrtavaju krivuljc p::;; :::: konst., II ::::: konst., n,:::: konst. (51. 4.7.4.8 i 4.9). Navcdenc znacajkc snirn:..tju 5C II beskavitacijskom radLl. Zbog vaznosti poja\"C bvilacijc za rad turbina i njiliovih l.li<lC;:\jki ova 50 lema opsirnijc obrauuje u 9. poglavlju.

Iz znaeajki na prikazanill1 siikama mogu se lloeiti podrucja m~jboljih mogucnosti turbine (Pma:.. 111ll,lX za l1uminalni 11,) koja tn:ba ispilati sa ~Uljalisla gr,micnih mugucnosli pogonjcnog gcncratora (ohraucno u pogJavlju 4.5) i potrcba rada turbine izvan najpu\'uljnijcg poc!ruc.i'l 11m:l); U rd.irnima rcgubcijc. Za takvc turbinc pol.djll~ su znacajke sircg podrucja visokih s1upnjcva korisnog djclovanja (lld.

'II 0,

11,.

b

SI. 4.8. S/OZl!l!d z/lu(;ojku priifJe/eme turbille. a ~ o/vor- .1·la/ora; 11 -. 5/U/JWli pr!!luIJlhe: (p _. kll! Z(Jo!;relu

r%f".lJ..e {o{Jolice, G ~ k(;ejicijeJli kudlliL'Ui:

42 l-HDROE~FI~GETSKA POSTI{oJENJA

Sf . .:f. I). SI()71~n(l :::n;, !j/.;o Frtlllci,\ Illthill/' /' - YIW,:;::; I) "fu/JOn! IJrdPOrhl': a - kl!(jinjl'lIf krll'il(w(ir'

4.4. Opec tehnicko-gospoLiarskc postavkc

Na lemelju znn{:ajki projcklinHle \'odne snage (sl. 1.3, pogl. 1.1) pos(avlja se pilanjc mnk-· sinwlne j.:;oliCinc \'ode, knja 6c sc II poslro.ienju HE iskoris(avati, a sto .Ie ekonolllskc naravi. Ako sc prema dij!lgramu na slici t1.10. oprcdijcli za iskoris1ilYanjc pet m.icsccnih "ocla, locka (IvI) II krivulji vodnih kolicina ]'okazuje njiho\' maksinlUl1l, locka (8) raspolo:r.i\'u snagu, dok pl0I1;1 OABCD cini ukupnu energiju ko.in hi c1cklr:ma l110gla prcdati tijekom godinc dana.

H

Sf. 4.10. him!' in.yln/irWII' ,\'/lage

Vrs!c turhina, i~l"){)r hrnj:1 :tgregllill 43

Oslatak energijc ABG ostajc neiskorislcn. Maksimalna snaga turbine dobila bi S0 mnozenjem ~;nagc iz locke (B) sa slupnjcm korisnog djc]twanja PUllooptcrccenih turbina. To jc ujedno im;talirana snaga postrojcnja. Aka bi sc odlucilo cia so poveca instalirana snaga l1a temelju dvomjesccnih koliCina locke (F), godisnje bi povccnnjc energi,ic us]ijedilo za iznos .6.Ej, cia bi sljcdccc za .ios neku instaliranu sougu za c.E2 itd. bila sve manje, Od nckog optimuma Q po dobiveno11l k \Vh troskovi 0610 nagJo rastu, .~to bi se nnalogno dogodilo aka bi se isla ulla1rDg po dijagramu ka niiim instaliranim sl1ugama. No instalirana snaga na osnovi clvanacstomjcsecnih kolicina (prerna tocki C) daje malu cnergiju (OKCD). Tn bi energija bila .'>"upl.iil, jer svi izgraueni prateCi ohjekti zn HE skoro jednako kostnju kao za veeil Pin,t.. Mc!ncJama oplimalizacijc ukljucivanjem II proraclln i gospodarskib paramelara, hira sc (mil snag a kojn udgo"ara minimumu proizvodnih troskova. U oV15nosti 0 vijeku amortizacije grac1evinskill objckala, hidrnO:lrojC\'a, e!Cklfostrojevll, opremc HE te kamatama za ulozeni kapital, kno i !roskovil11lJ proizvudnje i odrl:avaJ~ja, zalil11 lro.~kovillla izgradnje HE, dobi! ce sc troskOV1 proizvcdenc cncrgije. Instalirana sc snaga l110ZC, daklc odrediti iz uv.1cta minimuma proizvedenih troskova koji sc bilnn nr~Jiku.il! za poje.dine lipove HE.

4.5. Po1azista jzbora broja agregata

lskoristavalljc raspolo1.ivc cnergije kod iok znacajnih vodoih kolicina oba\'Jja sc s \,js~ agregata. lJ radu sarno jednog agregata protoci bi sc mijenjaJi od Qillin do Qmdx (od 12 do 4<'i mjcsccni\1 voci;]) ,5to bi uvjclovaio slab llcinak turbine u podrucjima izvan QI)OIW SIC) SlI mjeli rada promjcnjiviji, to.ie pogoclniji rad s vise agreg;tla.

Na sjici 4.11. dan .Ie primjcr rada HE S Iri agrega(a na bazi ukllpnc cctiri mjcsccnc yode (locka ;\) te kolicinama !!J Q po lurbini, koji sc uzima u proracun specificne brzohoclnosti prcma .iec!nadlbi (4))) za Llsvojenu brl.inu okretanja (n) agregala.

Sm:mjcnjc pada lItjcce na promjenu koliCine proloka tako cia iz slozcne znacajke (1110-

dclnc) turbine (s1. 4.12) tocka A' (prcsjck n"I" i a:;:: JOO % -- otvor s(atora) prc\azi u B'

'I

Sf. 4. / J. iz./Jor fm~jd LlWeg{[/a

Q' I

SI. 4.12. Sfo'!.ena ::.n(l(-ajka mudr:!w lUrhine

n'll> == n'hl

kojoj odgovara koliCina Q'lb i bm.1 OkfC[,~ja n'll-> p1'ema jeonadzbama 4.9. j 4.10.

(4.Y)

Ukupna koliCina koju trusc svc t1'i turbine u toj tucki pada na Qll (s1. 4.11), stu s!ijedi iz .icdnadibe slicnosti (4.10)

(4,j())

Prerna D. Horvatu, iz navedene litcraLufB. uz.irn;:~iuCi u obzir i promjenu stupnja korisilog djclovanja agrcgata turbine ko.1i pada smanjenjcm vclicinc agrcgata, broj agregata {wisi 0

odnosu Pll1a~ i Pmill (instalirane i dvanaeslomjcsdnc vode) raspolozivih sIlaga, zatim 0 tipll Celltmle j brzohodnosli turbine. Kod vdikih akulllulacija liZ vciikc ra7Jikc Qlllax i QlIlili mOLe raditi velik hroj mal1jiiJ agrcgata ali u sircrn dijap[LI.UllLl regulaeije. UCinkovllijc bi radio m[tnji broj vcCih agrcgalil ali 1I kraccm vremcnll da hi odrec1eno vrijcmc, ovisno 0 veliCllli akumulacijc, mirovao.

Polrcbno jc spomcnull da brzohodnim turbinama stupanj korisnog djdovanja Y) nagli,!c pada promjenom protok" (s iZllzelkom Kaplanovib). Tu cinjcnicu kilo i druge promjene (reha uoCili 11, slozcnih LJEtcajki ntllJdnc llIrbinc.

Bn~j agregata rcdovito je od 3 do 6, koji I.ado\'oljava gospodJr:-.ke llvjete. U lilj se broj uhraja i rC7crva za pOlrebe rcmonta. s tim da sc na vise od 4 agrcgala ide kocJ vrlo vclikih vodnih kolicina iz akumulacijc.

4,6, lzbor vrste turbine

1z krivuljc trajan.la vodnib koliCina nakon odrcc1ivan.ia broja agrcgata slijedi kolicina Q i padovi po agrcgalu, pa maksimalna snaga i7;llosi

Piliax := P g Q H 11 Iwj . (4.11)

Vrste turbina, jzbor broja Hgn;guta 45

Usvajanjem brzinc olu'ctllnja gencrarora, odnosno agregala slijcdi spccificna brzohodnoSl prcma jcdnadzhi (4.7)

Iz tlq bira se tip turbine i njcLitlc glavnc dirncnzijc, kau stu je objasnjcl1u (pogla\'ljc 4.1. i 4.2). Meoutil1l, ovisno 0 Lipn turbine i pug;unskim uvjc!inw (variranj-.: Q i H) razllkuv<J\. CC se znacajka turbina. radna i kavitacijska, od Imjih na drugu utjcce promjcna brzinc okrc~aJl.ia n (vidi poglavljc 9. Rad HE II lG.tvitaciji). ~vk(1utim, vrsla gotl.Jcnug slroja ccsto odrc(1uje brzillll okrctanja turbine. Elcktrogcncrator, ovisl1o 0 konslrukciji a tl skbdu s pulrcbnum frekvcncijom slruje. ~ahtijcva odrcdcnu brzinu ukrd<lllja. Vrsla bidruccn!fak lakOlJcr utjeec na ii:hor tipa turbine, dok invcsticijski truskuvi prcICzu kod granicnih U1Zma1.Ulllja clvi.lju l"al.1ici[ih tipO\"d turbine.

Na slici 4.1. vide se pocJrucja primjcnc razliCitih tipova lurbina ovis!1o () paclu (H) i postotku opl(:rccenja 1urbine. U ovisnosli 0 vn:mcnu r;:lda agregata turbine il.!"acunav[L st' srcdnji slUpanj korisnog djclovanja agregata prcrna jcdnaJ/.hi (:/.12)

I I\,\li 11,r"" --=;~"-.

LPic\li

Na radnoj (eksploalaeijskoj) slo7.C!loj znacajki HE s Iri agrcgala na slid 4.13. prikazano .Ie cia .Ie dobf(~ pokrivcno p~drucjc koliCina protoka do 500 jm3!si s padovima do lOO 111 log prinlicra izbora turbina. Iserlkano podrllC:ie Il1a!ih Q (!ijc\'o) prik;uu.ic zono loscg rada turhine, a ko~o iserlkana podrllcja na sva.koj lnaea,iki turbine priki.il.uju zonc preoptcrecenja (prcmtl gore) gencraLora.

Dakle, za ucinkovit md [-IE nuzno IC ograni(;iti fad agregata U o/.nacenom podrucju koliCina i padova, Ci.ic SLl granicnc \'ri.iedll(~stj llerlant: u slid 4.13. kako slijedi (za dani primjer I-IE)

za Q ::: 82 do IUO m:'/s sa H ::: 135 do 190 m; HSl max :::: 190111

Ie Q "" 350 m:'/s.ic H "" 154 rn Q"",~ ::: 350 m'/s.

51 . ../.13. Rw.!nu ::n{l;;,!jJ.:d JJ '" RQJ i I) :::: koll.\"!. HE.I"a 3 ugf"l!Jiu/a

J - n('.I{i/L'iuliil!'ni rad turhine 2 - Jil"iilli,'nu ,\)wgu {whine

3 ~~ Ml"unitllll .maMa Meileru/llru

46 Him:()::~n?GETSj(A POSTr{()JENJ/\

4.7. ["bor reverzibilnih turbina i nacin racta

U kontckslu izbora broja agregata prclhodnog poglavlja istaknuta jc potrcba izbora manjcg broja agn:,gala knd manjib raspolozivib vodnih kolicina, ,icr je ckonomicnije cia turbine

rack II Sl!SIaVU kra(:c ali u podrucju svojih nominal nih proloka (za llTmax). Tome doprinosc i hoJjc kavi\acijskc i':nacajkc za Qn()]w Ako sc radi 0 akurl1ulacijskolll [ij)u HE na maUm rczcrvama vode. ove 5C mugu pojaeati u vrijeme kada [urbina nc racli lako daje se upotrijebi kao pumpu II ubrnulo!l1 (reverzibilnom) radu. Na laj nacin ona 11107.C, pogonjcna eJektromotoro11l (koji mozc bili rcycl7.ihilni gcnerator). iz donjc vode prebacivati vodu II akull1ulaciju (s1. 3.5). Ako se pUlllpni rad agrcgata HE ohavlja u vrijcme ll1alih optercecnja sustava (obicno noell). tada jc uln\SCnil eDcrgija u pumpnom radu HE znatno jcftinija od proizvt'dene u dnevnoll1 lmhin."koTll pngonll. RI-IE koris(c sc za pokrivilnjc vrhov<l optercecnja te za potrche pOkrivanja raervi zb()g k\'~lnwa u clckln)CllergC(~kom SllstaV\l.

4.7.1. Podjcla rcverrj hi Ini h hidroclcktrnna

Obra(\ujllci lipo\'C rcvcrzihilnih HE (RHE) vaJja sporncnuti nckc specificnosLi tih akumulacijskih ccnlrala. kojc nc mOfa.1l1 llvijek raditi s rcver;r.ibilnim strojeYima. SpomenlllC I-IE J1logu ~;C s\'J"s!atJ II Iri skupine:

-- PrCl1la shcmi akl1mulacijc: HE sa Cistorn akU111ulacijom, beL dodalnc vode sa stranc cistil RHE (sl. 3.'1), (I). HE mjdn,-ilflg 1ipa, s dodatkolll vode za vrijcmc lurbinskog rada prirodnim dotokom (sl. 3.4). (JI).

I-IE 5 ncovisnilll pumpnim sllstl\VOm, koji sial no moL.c puniti akul11ulaciju HE (s1. 3.4). (lll), \! kojCllHl sc ]lumpa pokrcce lllolorOlll neovisnim () lurbinskom radu (osim clcklro11101ora mO/,c POSIU7.i[j i turhina na vjctar, SaInl.l iIi usporcdo s ckktromotorom);

Prcma duZini punjcnja ciklu5a akumuJacijc RHE ll10gu bili s dnCVllOl1l, ljcdnom. mjcsccnorn i sczol1skorn koliCinom akull1ulacijc vode;

- Prema oprerni strojarnicc mogu imati: cdir! slroja (pumpu. turbill11, clektrolllolor i c1ektrogencralnr); Ifi stroja (pumpa, 1110-torgcncrator, lurbina) i dvOl re\'crzibiln<.l stroja (!llrbina-pumpa. motor-gcncnllor) (51. 3.5). U~lcdc koje SIC: mogu posliCi u gradnji RHE selva stroja iznose do 40% od centnllc sa celiri slrnja.

SI.4.14. J:.hor FTer;ihihw Fmllcis fIIrhim' a --, !"lImrmi mff. l; - Ilirhinski md

47

REE Obrovac je reverzibilna centrala s dva agregata tira Francis, protoka oel 55 11l3/s po agregatu j Hn ';; 518m (Hb :::: 544,5m i p:::: 126 MW po agregatu). Osla1i podacijesu:

- specificna brzobodnost n, = 29 ... brzina okretanja agrcgata n :::: 600 nlin-1

.- gcodclska visina sisanja H~., = - 42111 (ispod razinc mora).

Ukupnlll.i\ ::: 0.87 do 0,89 agregata. Prcmn podacim::'l Deriazova RHE turbina s pokrctnim lopaticama ostvari 111'::: 0,9 i llT = 0,92, a Francis lip (Eshler-Wyssove proizvodnjc) II pumpnom pogonu 111'::: 0,85 i turbinskom 11"1"::: 0,87 - 0,92. Na slid 4.14 prikazan jejcdan od RHE agregata selva revcrzibilna stroja.

4.7.2. Temcljne vcliCinc rada reverzibilnih hidroeleklrana

Rilspololiva visina turbinskog reZ:ima jt:SI

Za pumpni fdim treba

:s hwp gllbici strujanja u ohratnom toku.

STUPNJEVI KORISNOG D.TELOVANJA VODNOG SUSTAVA

U turbinskom rCZil1l11

U pumpnol11 rczimu

Pri jednakom H.,! .Ie

H" H ;0;; llYT llYp .

r

Kllcficijenl korisnog djelovanja jest

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

(4.17)

(4.18)

Kou cislog RHE sustava (s1. 3.2. I) za Rill':::: R,lp koeficijent korisllog djclovanja radnog ciklusa jest

48 HI[)ROE;";Ef,GETSKA POSTII.OJENJA --------

(4.19)

gdje su Er - cncrgija turbinskog rada, Ep - energiju pumpnog rada. R;[ ovisi 0 razinama c10nje i gornjc vode.

4,7,3, lzbor turbine za reverzibilnc hidroclektranc

U znacajki modelnc turbine Q'l ~ n'l obradujc S0 pumpl1i md (prema s1. 4.14) Znacaj promjene l1p U podrucju l1max odreduje rilspon n'T1l1li.l. ~ n'T1l1in) odnos!1o za L\11 II

podrucju m~iv0ccg 11)1. Promjcr radnog kola turbine (pumpc) .-----I PT

D= ~ pgQT H"'l

za sllagu turbine uzima sc P.r ::::: F'!II:lr

QT usvaja se Z[l srednji n'T na krivulji ogranicenja snagc gencratora (s1. 4.14b), NOl1linalni broj okretaja iZraCUOi.lya S0 prcmajcdnadlbi (4.16)

Za sinkronu brzinu okreLanja generatora treba ispraviti 11. Visina sisanja za pumpni fdim izracunava se prema odnosu:

i\Zd" I H Hs< lO~~"~~L,hw- <flG . ..... 900

~ gubici donje vode - razina donie vode - koeficijent koliCinc strujanja (od 1,1 do 1,2)

1m!

Zhw LlZd Ku a ~. kocficijenl kavitacije turbine (definicije dane 11 pogtavtju 9),

Va.:(,ni cimbcnici pri izboru varijanti turbine - pumpc jcsu'. -IHinimalni gUbici strujanja, najvcca snaga

(4.20)

(4.2t)

(4.22)

- za paclovc vise od 500 III izabrati vlsestcpcnu p1l11lpU _ . . - brzohodna Francl::; turbina za oko 35-140 m pudu; aksijalni stroj do 20 III pada (pnrnJer

niskib 11 vrijednosti jest RHE u San Malou; Ill' ,:;: 0.66 i 11'1'::::: 0.58)

-omjcr HpllltiX i HPlilill (ll!'::::: 1\:0ns1., l11';;oS konsl.)

- paramelar raspona rada RHE

11 :;;;;; ~J1}2.!~;:. := H,UllllX ..;'. ~ hwp HTlllill H<;lillill - L hWT

Za Francis tmbinu TI ::::: (1,2 + 0.(2) n,.

(4.23)

(4.24)

Vrste ttlrbin<l, izbor Ij!(~" ugJeg,Jla

4.8. Znai'ajke rada plimnih hidroelektrana (PHE)

Na s1. 3.2 (pog!. 3.1) I ShCIllJbkijc prikaz<ln<l PHE sjednim Ixlzenom akumulacijc. Uvala vcIike povrsine razine i dubine mora s uskim prolal:om najpogodni.ia jc priroJna konfiguraci.ia za PHE. Prolaz protoka ka prirodnom bazct1u akulllu!acije prcgraoujc 5C bfi.inUm, a II branu 50 ugradujc slrojarnica s agrcgatima HE iIi RHE, kao j otvori za proIa;. vode.

Promjena razinc mora n:ldolazenjcll1 i spuslanjC1l1 plimnug vala ima znacaj blizak sinusoidi (sL 4.15), U odrcdenom casu (locka A) otvan~ju 50 Olvori II brani i voda iz mora nadirc

cik!usi rada PHE 151if 3 u:o::::

! Iljr.iiirF.!!!~!!'~:.'~. ' .. 1. ; ·• .. I' .. ·' .. ·'ltm-- -

! "'iii!:',;!,iiii::i:!: i rAi

:IG :

_~2"-L: ._3 .. _·1~

nivo bazeno

PHE so dopwmpovonjem 6 15 3 !417-

SI. 4.15. Cikfllsi radal'lilililil, liidmeldllWJd .I'jl'dllillll){lzenoll1 (I)jedn(!'I'If'uJ)oJ', (Ue!(il'(lj~jcl

h) ,hDsthU!OJ:; dj,'!o! unju

1 - jmt!jClde 4 - {!milljenje 2 - w.I-/oj 5, 7 - /ii/ntll/ii rd.illl 3, 6 - lurhillski md N .- m<~il!(/ code 1/ /HIZflUl s d(;!!JiIlJ/ (icunjclIi

u bazen it turbine sc zallstavljaju, U Locki B, kada poCinjc nelliv (oseka), razine vocle 1I moru i bazcnu se i7jcclnacavaju kada sc otvori II brani 7-alvaqju, zhog cega razina u bazc!lu ostaje nepromijcnjcna. Turbine PHE poCinju raditi kod H llIi !) (locka ll') razlikc razina bazcna i mora II tom Casu. U Vfemcnu oc! B ~ G agregati PEE fade kada se razina u hazenll poJagano splL~ta. it otvori u brani oSlaju zatvon.::nl. Kac!a se tlak (razinaj ope! snizi do Hillin (locka G) turbine sc ZauSl:lvljaju, a razina u bazcnu oSlajc isla, U tocki Aj razina vode pOilLlvno sc izjcdnacujc (bazen-more) !e sc llonavlja isti proces,

Proces rada tc PHE s jednostrukim cljeJovanjclll sasloji se od sljcdeCiIJ ciklusa: A _ 13 punjcnjc; B C zasloj; B - G rael Lurbugcncratora: G Aj zasloj. Ncdostatak Log Lipa PHE jest prekinllt tok proizvoelnjc elcklricne strujc, jL:r priliv vode tHrbinama nijc sUdan, T[~j .Ie nccJostatak ublazen LJ PHE s dvostfukim eljclm'anjenl, (akoder s jcdnilll bazcnoIll i dOplllllpava-

50 H!DfmEJ\'ERGI3TSKA l'OSTHOJENJh

ll.icm. Kod ovog lipa PHE moguea je proizvodnja eleklricne cnergije za vri.icme slrlljanja vode pri prili\'u i odlivll vode. Prerna shei (3.2. II), ulaz u hazen pregra(1ujc sc dvjcma hranarna, dok Sll okomito na njih otvori za vodu S postrojenjem agrcgulu. Pri punjcnju bazena olvorcni su otvori mora (1 i 3), a pri praznjenju (2 i 4). Na taj nacln pri radu turbine tok vode llvi.ick ima 1s1i srnjcr: iz dijela audio h. Na slici 4.15b vicli sc rcdoslijed radnih eiklusa. Popunjava sc pn:lhodna slika eiklusa .kdnoslrukog djelovllnja PHE radom lurbine i za vrijcmc plimc. ocltlosno punjC'n.ia baz(~!1a strujanjcll1 iz turbina u hazen (otvori 1 i 3 n<1 s1. 3.2. II). U vrijcme prekida (iI.ll1c(1u iscrtanih radnih inlcrvala voela sc moz.e ubacili dopumpavanjcm u hazcn i POlllOCLI 1urbina, odno<;no 1urbina pumpi, ako su 10 rcycrzibilni slrojcvi 11 kojih sc ranijc dize ral.ina vode, t.i. poslil.e Hillin- Tc su PHE ekol1omicne samo ako su reverzibilne sa 2 slroja. oclnosllo ako turbina raLli i kao erpka, a generator !cao motor. lpak, ne poslize se potpllna neprekic.lnost tmbinskog rada kOjll bi mugla osigurali PHE s vise bazenn (sl. 3.2. 1Jl). Ta .Ie \";ll"ijan!(1 i skllplja.

5. Nestacionaran rad hidroelcktrana

5.1. Prijelazni procesi

Proccs rada prj ktljell1u se agrcgat lurbine cJovodi II stanje poVt:canog dinaOlickog OJllC

rccenja, a kojel1lu prdllodi prumjena pro10ka, 11aka i brzinc okrclanja, naziva sc prijdaznim proccsom. Ta Sl1 stru.ianja po svom znacaju ncslacionarna. Islo sc tako U slicl1u gmpu pojaVij mogu uvrslili PllS\;l1ljc 11 rad j zaustavljanje agregala.

Na sliei 5.1. prikal.ani Sll prijclazni procesi promjenom sekundne zaprcminc, odnosl1o olvora stalora a, obralnog mornent;l (M), hrzine okre1anja (n) j Llaka, udnosno pada (1 .. :1) lurbine.

Pustanje II rat! (s1. 5.1. a) jest opcracija kojoj pretbodne ohvczalne preclradnjc: puslanje Yode za hlallenjc. podma/.ivar~ic. Olvaranjc prcdlurbinskog zasuna, iza ccga sc otvara spro~ vodno kolo cln olvora potrebnog 7a uvjel: QT> ax (;"a s1alni rad nekog re7.ima'l. U bochl ka nominal nom !1. turbina sc samoregulira prilYarajuCi spro\'odno kolo do olvora ax, uccstaloSl sc pribJizava onuj iz. ekklricne mrde. gcnerator sc sinkronizira i ukljllcuje. Promjcna llaka u protocnOlll sllstanl .Ie mala j ima znacaj hidraulickog udara ncgalivnog predznaka (AH).

Z;tnstavljanje agrcgata (s1. 5.1 b) jc sJol.cn proccs koji ukljucujc niz radnji. Nakon davanja Zllaka [urbina se zatYara, ali poslupno cia naglo smanjcnje protoka nc bi iz.al,valo nagli porasl tlaka (6H), koji je znatan. Ta pojava usporava sni1.enj0 momenla M, dok n sporo pada. Kad moment dostigne vri.iednost 0, generator se iskqucuje iz l1lrcic. Nadaljc, voda koCi agrcgat II lurbinsko01 kolu (-1\1). Kad n patine na 40·-S0r)(; vrijednosli za slacinnarnn rad, ukljucuju se 7!"acne kocniC0 za hrzo J'atl<:!(ivljanje agrcgata. Ral.Jozi zauslavljanja mogu biti dvojaki: pJaninll1i, raeli rcmonla iIi prisilni, izazvani nckim kvarolll.

RcguJacija snage agregala \'I".<:i st: Ll skladu s prornjenorn optereccnja (polrosnje). RcguJaeijsko podrucje snage jl.l1osi od 100 do SO-·-600f;· (radijalno-aksijnlna turhina) j 25-.. 3{)(;;; ud nominalne snagc Zit turbine s pukrctllim Jopalicama rolora. Proces smanjcnja oplcreccllja jed nak jc zllllslavljanjll (sl. 5.1 h), (lsim !ito se olvorOl1l slalom pusli/,e ,Ix i ne dolazi do iskljllccnj,l gCllCralora. Povccanjc snagc posti!.e sc povccanjcm olvora slalora sa ao na <lx, dok povccanjc pro!oka slvara ncgalivan j,H, it [aj s \'!"cmcnom llzrokujc sniZenje tlaka. Ta poj,lva podrz,wa povcbmje momenta M i snag~ do pogonski P5)[rcbnog momenta (Iv!). Vrijeme regulaci.ie (trq)

1reba hili In:g > To (To - vrijcrnc olvaranja). Sto je ln~!, krace, bolji su uvjeli regulacijc. Nagli pad oplcrcrc,n.ia naziYa sc ispacJolll, a koji moze nastati zbog nekog kvara. Ta poja\'a

i7,aziva brz. porasln-a (s1. S.Jd) koji prill\'aca regulalor i zatvara turbitlll, sIn izaziv(j znatan hidraulicki udar (111"1). stu sc ocituje rastorn momenta obnanja. Daljim smanjenjcm otvora slatom moment pada do M :::: 0, te 7.a Qill > ax post;:~jc negalivan ~M. U !ocki M ;;:;; 0 postii.e se n ;:;: n mOlx pnslije ccga la vrijednosl pada do nistice.

Na slo2.cnoj zl1ac,~jki (sl. 5.2) llcrtani su prijclazni rcl.imi rada turbine iz knjc sc vieli da u srafirano podrucje kocenja (-M) pripadaju z,lllstavljanjc i ispad lz rad:l (naglo koccnjc).

52

n

nn --------c-,-·------4--,

1_11 ,

I o~~---------------.

•

Mf II

M;Z

c

St. 5.1. Prijcluzni procesi HE J - .lini.:!"(Itiu uklju(;il.'ii!lj,'

Co .~ a;~~,-~-_-_-____ c

112=\if>_-t

b

.~ °0

am -- - - -_.

C xx ~:- -.z:: o ,------~~t , , , M , , ,

d

1/) plI.llllnje /I )"(U/

2 -- i.\"Uiil(;iI."U!~ji: NeilI'm/om 3 - kuZenje li(!naaluru

b) l.Uil.l!iJCUunjr'

c) florasl 1!I()!!Ic'nlu d) pad (}!lfere(ellja

Sf. 5.2. Puled I'njetazilih pruc('.\ll I/O lIIu/:ujki !lIrhillc / - rl'i.im lUI("cniu 2 - is{J(J(/ .) oruurdl1j('

" - twhin,\U rdim 5 - ;::lIi.I!c;djwlii·

(j pu.ltiln)e u rw/

5.2. HidrauJicki udar II tlacnim vodovima

53

Hidraulickim udarom nazivL\ sc nagli poraSl tlaka, u sus[aVlI koji IllOZC nastali. kao slu jc rani}: receno, pri prijclaZllil1l proCCSilllU racla turbine. Sloga jc potrebno pri projcktir<Jllju pro!ocnih dijc10va [lacHug sustava turbine tll pojavll uzel.i U ol1zir, .IeI' u prolivllollllllOIC il.LtzvaLi pucunje dijclova hidraulicnog suslava.

Visina Uaka u nckom prcsjeku CC (sl. 5.3a) tJacnog vodJ.lurbillc II njczinu slacionarnolll pogollu iZIlOSll p/pg, dokje pri ncstacioniranom (p/pg +- /.\J-I). Linije prollljenc [laka pribu.uju dva slucaja: porast tlaka L'lH I pad [Jaka --i~H (porast V:.tkUUlllii ~ isprckidan<l erta) od nckc poiaznc vrijednosti p/pg. Dok porast +.6.H mo>.c izazvali lomovc suslavil. pad tlalw ~i\H UI.l"O

ku.ic lsparavanjc tckucinc, ,sto Sll l1ez.cljcnc j opasilc pnjavc.

S'I.5.3. Ifirlrcw!i[k!" w!al" !I Ilw'· 110m UOdll, .I/telllu jJOI"(I

!ita {Iaka

a r/W:fl(l ciji!L' iSIot-; /lmmjer(1

h - pmllljellil Q i If /I (,,..!jane r c Itacna c{jev Im)lIl.ic~ n(iiuoJ{ prl'sieka

~LlHC iLlHA>O

~.!"\-"~B~:::---:::---~FE~::::":=-S-~~b -j:~7t'"H:: " r--[,. ....'-.. '/c I

i,Ho

a ! A

Q~Q~

J !'H"" \~l~, ~L ~_~i" ~ I C:tJ! b c

54 HIDROENERGETSK!\ POSTJ,OJENJA

5.2.1. Hidrau!icki udar u krutol11 sustavu

Uz prclp[)Slavku cla.ie vnil;) apsoJutno ncsllaciva a malcrijal tlacnih vodova knH, knr1s1i se .iedl1ad~.bil prom,icne koli(:ine gibanja (5. J )

_~!~:~:_~l~_ ~ :s X , ( :). 1 ) ell

r.dk ic m - masa tekucinc u tlacn01~{)du: lll;::: pAL; p - gllsloca ym!e: A -- prcsjck j L~lt;2jl~a voda izrnt;(lu prcs,icka A/\ j RB n,l slici 5.3a.

Pad iii potcnci.ialni IJak imosi

Ho=::-~+/,. rg

;-\ko sc :umcmarc gubici tada jc H/\ ;::: Hil, p<1 jc zbir sib i/, jednadl.hc (5 1) jednak

(5.2)

Z X = P f' A (1-1'\ -I- !.\I-I"\ -- !-{lJ) = P g A ,0JIA. (5.3)

.. \ko sc (5.2 i 5.3) koris[c zu rjdcnjc .jcdnadzbc (5 J) lc aIm jl~ pfa\·ac vcklonl (\!) br!.ine s[ru.ianja suprotan osi x. k:lo II (5.3;1). s]ijcdi

dv f);\ L dl "" p g A ,~I-I!\ (5,4)

c:.\H/\;.:.; _. h dv L <lQ tit " A dl g 0

(55)

ot;i[o.ic ili!.ic AH'\ = f(L v). , ,. T" II, slikc S.Jb. vidan jc LIljCC:Jj pnnnjcnc Q = nil n,1 vclicillU i'lH /.(J \·nJemc O[v.'lran.la .,

/,<1 ]inc<lrnu promjenu Q :;:"~ /"(1) j..:S[

, L (\H" = --

g.A

QI}-Qk ~-'j-' ~ "" konsL

, (5,h)

I , I 'I"""",I'C"" t:)::.o 1'(1,' I") Ildwrn k()cfici,l·cntu k::::: J,3 - 1,) s!i.icdi iznos hi-\(l( 11t.:T,l\·1l0111.lcrIlL: , _ draulickog t1<lk<1

(5,7)

Prcm:t jcdnad2,bi (5.5) j slid 5.3a. u cilindricnoj cijcvi istog prcsjcka .Iinearno sc rasprostirc porasl 't!aka ud:ln1()g v;da. Ako se pak koris\i \'od prom.icnl.i~vo? prcs.lcka ([zv. tclcskopski) kao na slid :".3c. sJijcdi i/_ sumc !:'-.HA po dU:ljnama Ii, i preS.lCC1l11<l i\. od 13 do A. pa.ie

ZelQ

ell (5.8)

Promjena L\Rlj prikazana je na slici 5.3c. S rclativnim vrijcdnostima udarnog t1aka i protoka prema

"H nll:= ----. Ho '

formula (5.9) moze sc preinaCiLi

M·j A ~ _ <.;l"", (.I ± I~ I ~l9~J I-:l o Ho g i=1. Ai) dt

ill

gdje jc

55

(5,9)

(5,10)

(5, I I)

(5.12)

(5.13)

lZfi.IZ (S .13) nazi\"il sc konstanlom incrcije velicinu incrtnosli tlacnog sustava turbine HE.

ili vremcna lIacnog voela, koja prikazujc

5.2.2. I-Jjoraujjcki l1elar lJ ciasticnom sustavu

Prcma .iednadzbi (5.S) ras[om dQ/dt i\J skracenjcrn T, udami tlak .3.H ra.sle do u neizmjcrnost samo u krulom sustavu. U sllslav\J stlacive tckufinc i cJasticnih stijenki cijcvi skraccnjem T" . .6.H u pocctku rasle do ncke vrijednns[i, nakon cega se da1jc nc povccavlJ, .ier clasticni sustav preuzima dio radnje tlaka, koja sc trosi na deformaciju ci.ievi i vodc.

Ako zalvaranje presjeka AA (s1. 5.4) i7.azlvil smanjcnje brzine slrujan.ia teku(:ine Yo za /\v_ doci cc do porasta t1aka (udara) ,61-J koji ce stlaCiti tekuCinu i povecati presjek strujanja

, , ~~~~+--------~--

- - - I

'0

2 :

2

, , ,

A' I

SI.5.4. U(jecnj e/([sli(l1l!sfi nil hidmflli(:ki udar

56

cijcvi (defonnacija slijenki). Za vrijeme te cleformacijc usporit ce se brzina sirenja vala llaka i porasta brzine Yo> sto je bitna razJika II Odn05U prema pojuvi udara u krutom sustaVLl.

Neka je prema sliel 5A. dt:::: dxlc i c - brzina sircnja vala 11aka; III :::: p A dx, n promjena v u dt nekn .Ie 1-"v. Vanjske sile l1a tekuCinu izmedu presjeka TI i 22 su: LX = p g 1-"H A (bez silu trenja 0 stijenkc).

U jcdnadzbi promjene kolicine gibanja unosenjcm navcdenih veliCina slijecli

6v pAc cit - "" P " .6.H A , dt C

(5.14)

iz cega se dobiva

g (5.15)

Brzina sirenja ciasticnog vala tlaka jest

(5.16)

Brzina sirenja vala Llaka II tckucini jest

(5.17)

Za voclu bez apsorbiranih mjchurica zraka jest

K'ck ~ 2 . 10' 1M Pal C/,I"" 1 425 m/s

(voda sa O.s(';{, zraka 00 svoje zaprcmine smanjujc C~A 2~5 puta U oyisnosli 0 tlaku); KA -ddormacija presjeka cijcvi zbog porasla tlaka).

Brzina sirenja vala tlaka u cijcvima iznosi 1 250 do ! 350 m/s. Zanimljivo jc da prema jcdnaol.bi (5.15) na I'dicinu porasta tlaka £111 u clasticnom sustavu ne utjccc duzina vodcwi1 suslava kao prcmajednacJibi (5.6) za krno sustav.

5.2.3. Opec (jcScnjc hidraulickog udara

Za ocircdivanjc H(x, t) i vex, t) postavlja sc difercncijalnajcdnadzba prema slid 5 A. MaSH vode rn p A dx na pUIU dx i vremenu dt promijeni brzinu strujanja za dv ;;;;: ov/ot dt. Zbir projekcija vanjskih sila na os x iznosi

Prcma jednadz,bi (5 1) slijecli difercncijalna jednadzba

i7v DH at :0." g ax

(5.18)

(5.19)

Nest:l;.:iun:U',,11 fad hidrul.:lektraJl:,

IzracllnavajuCi 1-"H iz jednac[zhe (5.1) sa

dx . -~ = c doblva 5C cil

aH L\H=-cil at

{T DH -(;?--_.

c2 at

Dv L\v=-dx ax

57

te uvaJ,rtvajuci cIa je

(5.20)

Za Jjesenje jednad?,bc (5.19 i 5.20) koristi S0 metoda karakterislika: rjesenje u podrucju promjenljivosti x it, tra;'! se duz pravca odredenih rdac.ijama (5.21)

x:::: ct

x = -ct.

koje difcrenciranjem daju dxldt = ±c. Na tim pravcillla tOlalni sc difercl1cijali po vrelllCUU iZHll.avaju

cil

odak1c jc

odaklc jc

tJv ell' UV =·~~+C-~ ax ell - ox'

~~~ "" ~!~1. + c -~Dx cit - ax

Ako 5C izrazc av/()t i a-I1DI vrati ujednadf,he (5.19 i 5.20)

ciy i7v DH -+c-=(r~ lIt·~ Dx "'" Dx

Dv g dH (r oB -=-'"'--~+..c..c~ ox c2 cIt - c2 Dx'

Mnol.cnjclll drugc jcdnadzbc (5.25) sa c Ie zarnjenolll DH/(1x iz prve slijcdi

iIi

dH c dv -=-1---.. -cit - g dl .

dH +.--£....~lQ dl - g A dt .

(5.21 )

(5.22)

(:"i.n)

(5.25)

(5.26)

(5.27)

Tako polazni sistem difcrcncijalnih jcdnadzbi (5.19 i 5.20) za zadanu 1 illearnu veZl! promjenljivih x i t ohlikuje difcrencijalnu jcdnadzhu prcma (5.26 i 5.27).

HIDP_OENf'l-IG[,TSi(A PO;;TEOJENJA

a

8' , '-~ 14 ,

8L ---- , ---~'--..,/4

b c

Sf, 5.5. Skier: m jej!)adfh'l hirlrmdiNw!! udara II ()(I,I"fii'nom SlIsfjU;

}\I;.o st: dva presjekil j\~A i B13 cilindricnog voda nil udaljenosli J predstavc II sisternu x-I ~sL ).5), gd.ic Sll v:'.liCi,nc prnmjcnljivih u 1\ i B[ puzn;lle (H!\t, (1'\t i HBt, QUO, t,1da se l,a

mtcrval 0 '---'" Ill', kOJIlll .Ie prikill.i1l10 vrijclllC sirenja Llaka prCllJil (5.27), mole napisati

I-JA _ Hll, "" __ !: ... ~ (Q/I. _ QIl ) I [-,) g A J .t-tO

H,B __ H;'~(,- == _ ~(~. (QIl Qil , , {> \ I - (40)'

'" j

V' .Iednadi.hc (5.28 i 5.11}) jeslI Jjescnja polaznih difcrencijainih jcdnadzbi cme osnOVll za proracun hidraulickib udara II t1ac':nim vodoYima.

5.2.4. N,ICini rjesilvanja hidraulickog udara

(5.28)

(5.19)

(5.19 i 5,10) i

7..a rj~,sav:lJ1.ie ilidrm~~ic.:k()g udara za zadani tlacni vod potrebno je imati dimcnzijc i sheJllatsk~ pnkai'; k(~nS[rukclJe sustavn. PrilOfll lrcbajll hili poznati granicni uy.icti: 11il pocclku s pu~lacJllJa ~.a Q J I-~ II 11a~nom vodu II casu pocclka prijdilLnih procesa i na kraju za ko.ii su pozn,:~tc \,l:JJedll(~~:l !_~t H J Q cJuz ocis.iceak:l I'oclova lijekol1l eijcloga prijclaznog proccsa.

I OS10.lC grallckll al1alilicki putevi Jjc.<avanja H udara.

Ciraflcki nacin

<:I po/',nall! shel1lll tlac!log voda, kao na slid S.la. traJ,i sc graficko l:jescnjc H udara. lJ k(lonllllatnom S1l51aYu H -- Q (sl. 5.6) ucrtnviUu se uscilacije tlaka i ko!iCinc. Z,I'presjekc voda

!>'~_ prel,~la slici 5.3e. gnmic:1i llvjel kOji. jc ov!san () o[voru s[a[ora a(l), lllOZc hili zadan u jOlllll Q (1), pi! 5C prolol< racuna prcma (ormlllJ

~-"-

Q ~ Q', I)' .~ II" + 211l . (5.31l)

. Jz sio/,enc W;]c<ljke Q'] ovisi 0 otvoru stalma Q i broju okrclaja n'I' U prVOl1l priblizcnju \l/,JJlW sc

. . lljiD

n,=nju= -.Jl-I;;' (5.3l)

H I a'i ,

I

a

c

I ad

I J I,

.'1'1.5.0. Skica::o Kr({/it:iw rje,i;-enjc J-J tic/am pri 7(//1'[ rnnju IlIl"bi!ll'

Q

HI I

I

•

59

b

a,

t~--~Q

I I

d

170 (5.31) j sl07.cnc znacajke turb!.u£_nalazi se OViSllost 0 QJ'(a). Ako sc Ie vrijedn()sti llnCSll u (:'i.30), slijed.i protok U pre~iekll A/\ .

Q" ~ Q',(a) D' {H;; + tlH (5.32)

Premil lildnjoj rc1aciji (5.32), Q'\a, i\H) Cine snop paranoia oel kojih svaka odgo"ara olvoru at)" ab tt2 (51. 5.6a), Ta ovisnosl skura sa zakonom aCt) 6ini granicni uvjet za presjek AA cijcvi (51. 5,Gb). N"adilJ,i,', nanose se locke pocelnog rezima kojc su odnx1cnc sa H j Q, 'I..~tni presjek voda. A" - jlflcctni re:lim rad'l U /\A (llirn1uje sc knorclinatam(l Eo i Qn. U prcsjeku BB nalazc sc locka I30 i tocka Bn, a znajllci da se val tlaka raspro.'ltire brzinom c, to je vrijcme e ::: 1/e, Crl:lnju grab na 51iei 5,6. pri.'llupa .'le, primjeriec, u slllcaju zalvaranja turbine kako slijedi.

Polo/,aj locke A 20(J-12\)' Q}\)) odredujc sc rjeSenjcm sistema jcdnadz,he (5.33). a prcma

(529)

Pravac kroz

(5.33)

nagiba (~ = arc 19 (c/gA)

HlD]«)ENt;!{GE'i'SKA !'uSTi,(lJi:;NJA

te s jcdnadibom (5.32) i danom aCt); (0 - odsjccci vremenu)

parabola otvora a]: QA (a], H~\J)'

Rje,scnje prethodnih dviju jcdnadi.bi (5.33) c![~je locku prcsjcka pravca i parabolc. PoloZI:\j tocke B}o(H!J, Q~H) prcma jednadibi (5.28):

Pravac leroz , I-I" i-I" -- C (QA QiJ ) '""\20 _.')0 20 - _'In - -\ 20 - .10 gl-

1) :::; arc tg: (c/gA)

Ie prc1l1a granicl10m uvjctu na kraju

Tocka B:lo ldj II prcsjcku pravca kroz A20 i osi Q.

Tako sc nalazc oslale tockc do zadnjc u a ::: 0 (QA ::: 0) kada.ie lurbina Zatvorcna, Krivulja ucJarnih tlakovu odrcc1ujc sc crlanjcm funkcije L\HA(t), (s1. 5.6c).

Neka je

za duzinu voda L,

(5.34)

U pocctnoj 1'azi zatvaran.ia turbine pojavljuju se pulsacijc llaka S ntzdubJ.jcm clastic nib oscilacija T fl ::: 2t, kojc su u rcalnim uvjctirna s gubicimil oscilacija (koji su ovdjc zancmarcni) priguscnc. Ako se turbina nc zalvori 11 potpunosti (npr. <lJ olvor), lada se osciJacije prigu.suju i bez djelovanja guhitaka (sl. 5.61..').

Anaiilicki naCin

ProraCllll sc provodi po oclsjeccim:t vrcmena t ::: 2L1c za presjck AA prcm:l sl. 5.7.<1 s Lockama pojedinih rezima facIa AI_ A2 . ., A.J ... All"

Protok II AA na kraju IHe faze POmUell udamih tlako\'i.\ L\H

c c (535)

gA gA gA gA

ili u rclativnim vcliCinama dijcleCi sve Clanovc jednadibi sa QllIax ::::: Q'lmilx D2 .y}~ (prcma jed. 5.32) i rnnozivsi sa Ho (clanovc sa L'lH) kacIa slijcdi

(5_36)

Rclativna propusna moe turhine slijedi iz odnosa

hJ

I I

il --, , T

L ___ ~ ___ -I

gdje: jt: ~l bezdinlc!lzionalna vrijednosl

T\\, - konstanta increijl..' \'ock - interval lldara.

a

h

b

C QI\1;IX T" 2g1-lu A - l'

6J ~~~-

Q

~ LL_ rnT !

(5.37)

(5.38)

17. icdnadz,hc (5.37) slijedi izraz za odn::c1i\,Llnje rdativne vrijedllosti prvog: j'lltcrvala (n-l) jccInadzhc (5.39)

udara .6.h 1 nH kraju

Us\'aja sc rcalm\ vrijccinosl ispod korijcna prethodnc jcdna(I;/,.h.c. Iz (5.39) slijcdi: ake: sc [urbina na kraju prvc faze zatvara potPUl10 Ic jc q II ::: () i L\h I ::::: ~lg:u ll! sa QlIla, lj" ::: (J", [ada.lL:

c Qo c v(I i\H~-~-_

I gAg (5AO)

!stn tako, ako,ic vrijcmc punog zalvaranja kra6c od in(crvala .lldara .T, :c;~, lad~\ udarni llak illla iZ!1oS kao pri nag 10m zat\';lunju, pa sc takav udar lWLi\H lLi'Li\'j)llil (dlfCk1l1l111).

Iz izraza (5.37) izraclInLl\'<Jju sc iznosi L\hj, i',.h2 ... L\hn pumocu zadanog a(t). odnosno

'1,(t)-

62 Jf!DF:O[:\'SRGI'J'SKA POSTIWJDiJA

5.3. Dinamickc jednadzbe obrtanja agregata

POI,natc Sll r(;'lacijc dinami(~kc ravnotc1.e masa

moment j;lCrcijc ohrcucih sklopova agrcgata ikgn?! (J) -- kulJl<l hrzina. (J) :::: 2J1n!60

M: - obrLni momcnl

M" - momenl oll1ora.

l-'roma (5A]) slijcdi

2,T dn I--~M -M

60 dt I (

j,a uv.i<..:l slalnosli hr!jl1c ohrlnnj" (clUJ/ell:::: 0) odgnvara l'VL ::::: .tvl(j' J\ko sc LJ .iedlladJ.hi (5.4J) vdiCinc prik'I).U u rclativnom odnosl!

m = MIlVln I

gdje S\l i\'"ln --, )1nlllinnlni moment i nil - nornina!na br/ina rotacijc nil vraliJu.

S tim o/llakam<l (SA2) nakon di,icljClljil sli,icdi

gdjc.ie T" konstanla illcrci.ic

I (On T ~--(J 1\1 .

"

(5.41)

(5.42)

(5.42)

(5.43)

(5.44)

I iTa!'. (11)2 (:r.;lI1la_sni ])1mm:nl) takodcr llZll:lelljc incrciju sus!aV<l rolilCijc (e se sa I "" (lD2j,:1 mOLc pn.:ilW(;j!i jedn:!dl.ha (5.44), jli sa snagolll agrcgata

pa sJijcdi (:').4"1) preinaccll

P IvJ n :;;; --'-' -

11(; W" (5.45)

(5.45')

-- za OkOlllilc agregate Tu ::::: 7-J 2 s, Ie I ,5~2,5 s za vodora\'!lc agrcgate u kruski,

Smanjcnjcm Tu. pngnrliavaju sc llvjcli dinamickc pns[(ljanns!i hidroagrcgata Ie po\,c('u\,a O]!:lSllosl njeg{)va ispada iz sinkroninllil naglim zalvaranjcm privoda \'odc.

63

Proracnn vremcna ncravnomjernosti obrtanja

Da bi sc odrcdilo aCt) pomocu jcdnadzbc (5A3), potrebno je poznavati [unkciju m\(t) i mo(t). Ispadom turhine 11. oplcrccenja slijedi mo :::: O.

Za Iinearnu promjcnu m! prerna (5A6), te sa mo - pocetnim momentom

Il1[;O: ll10 (1 - ;J (5.46)

~icsava se dircrencijalna jednadzba (5.43)

(5.47)

Intcgriranjem po a od 1 do (I'ill">: i po 1 od 0 do T, dobiva sc

(5AS)

Ie sa T{f prcm<t jcdnadzbi (5.45) slijcdi

2 J 11G . (5.49)

Najvecc mogucc povccanjc brzinc ohrtanja iZllosi 50-fiOC)(), odnosno (;(mllx :::: J.5 do 1,65. Kao slo se vidi izjcdnadl,bc (5.49) kod zadanih Ilominalnib vri.icdnosti PH i nn smanjenjc

a'I1'I\ llloguce je Z:1 iznos povct:anja veiicinc I i smanjenje T" vremena zalvanmja turbine ( ~_ 30(lln\1 l\n l1 - ;r i

Treba uociti cia a lllil" po zadnjim formu];lJlla s poraslom T., ncizmjerno rastc. Ali ako se ne /,alvara lurbina, 11 mOLe doslici n pobjcga. kada mora biLi zadovoljeno

(5.50)

Kilb kodicijcnt za raoijalmHlksijalnc lurbine iznosi 1,65 do 2,2, a za Kaplanove od 2,2 do 2,8. U SrOlllCnU(OlTI racunu za a jlli1X llisu se lIzimale u ob;jr znacajke turbine i djelovanjc bidraulickog udara koji bi povccavao M\ i Ill! kao i a illax . Rjcsenjc difcrcnci.ialnih jeclnadzhi (5.41. i 5.43), u kojima se )'v1\ mijenja sa z!lilcajkama turbine. moze se izvcs(i p()mo(~lI programa za clcktricno racllllalo.

5.4. Prijelaznj procesi kod turbina sa zakrctninl lopaGcml1H radnog kola

Pove/anos! paramctara Q i nil kutom zakrdanja lopatica ro(ora pri rcguJaciji rada teoretski hi sc trehab\ neuvali, ali u stvarnos!i za vrijcl11c prijclaznih proccsa ta sc ovisn051 narllsavil

q' ~ [(a. n',) . (5.51)

Razlog stJ razlika vremena prom.iene otvaranja sLaton] i promjenc kUla ~ radnog kola. Prvo vrijcmc obieno.ie ad 7 do 15, a drugo od 30 do 50 S, sloga naslaju pomaci u n'r' Zbog

64 HJl)lWEl'.'Ll'GETSKA PUS'I :WJG\jA

toga se pri proracunu prijelaznih proccsa Kaplanovih turbina Ullljcsto .leduc koristi niz »propcicrnih« slozcnih znacajki za razliCitc kutove, sto se svodi na niz pojcdinacnih slucajcva (urbina s fiksnim lopaticama.

S.S. Prijelazni procesi leod reverzibilnih hidroelektrana

Prijelazni procesi kod RHE mogu bili 11 okviru planiranog iIi nepianirallog rada (iskljuccoje iz lllieZC zbog kvara).

Planirani prijclazni proce;~j jcsu: t. pustanje u turbinski rad, 2. povccanjc optcn,:ccll.i'-', 3. smanjGnjc oplcrccenja, 4. prijclaz iz turhinskog u rad sinkroniziranog kompcnzatora (s.k.). S. prijelaz iz rada s.k. u turbinski rad, 6. zauslavJjanjc iz turbiw.,kog racla, 7. zauslavljanjc iz rada s.k .. 8. pllslanje II pllmpni rael, Y. dOVOl1cl1jc II l1omina1ni pllmpni rad (za projekLne Q i H),

10. prijclaz iz pllmpnog raja U s.k., 11. prijc\az iz racla S.k. u pumpni rad, 12. zauslavljanjc iz turbin~kog raja, 13. prijclaz iz pumpnug u turbinski rad, 14. prijclaz iz turbinskog II pumpai rau.

Na slid (5.8) na cetverokvadranlnoj slozcnoj znacajki rcvcrzibilnog hidralllickog stroja prikazani su putcvi nekih nnvedenih povratnih procesa.

II

III pumpni rod

IV

Q' ,

Sf. 5.8. PuIePi !lrUelm:llih !-'!'ii(;e.ld /'t:l'eI',~i

hilllo/j strojo I .- uhrz.uUcmje agiq.;utd 2 - l!LId o!)!cre\:'unjd

3 -- pll.¥!unje 1/ ;)[[IIIj.'lIi rod 4 - glibifal.: di!Joku (q ::: kOl1sl.)

5 - gtrhiluk dulfJ"o (T" > T;,)

(j - filihitul-: doif)/-;u (TQ < T, < T;.) 7 -, ::ulIs!uc(ju!!je It Pldll/J!1U!Ii radII

NcpJanirani prijcIazni proccsi kod RI-!E jcsu: 1. pad opterccenja, 2. gubHak privoda vode (iskljuccnjc agrcgata iz clcktrosustava II pumpllum pogOtlu). 3. zaustavljanjc zbog kvara (havarija) djclovan.icm puJsus!nva alilorn~dsk~ zaslile.

5.5 1. Pustanje 11 raJ rcvcrzibilnih agrcgata

PUSI<1nje II rad rcverzibilnih agrcgata ohavlja se II dvijc ctapc. Postupnim povccan,icm brzine rolaci.jc do poJsinkrone vrijcdnus1i i ut\';:lr~UljGm rcgulacijskih organa postil.u sc prujcktnc protocnc ko]icinc pri projCktlluj brzini rutacijc. Tako sc postil.c siaujc pri kojl'In jc moment obrtanja ycti od momenta olpora pri nominalnoj uccstalu;;(i.

Pokrctanje agrcgata II pumpni r~td obm-lja Se pu.c,cbnum turbinom iii ckklri':ninl m:!luI'~ gCl1cralorom. MelwlliCka znacajka pU;IJnja urad jest ovjSllusl mUlllClila tmzijc !1l0l0ra 0 l'C-

lali\'lloj brzini rmacijc G .

It C! =.

Il"

Odnos prcma .lcdnad7.bi (5.53) naJj,,!! sc klizanjclll agrcgatil S

(5.53)

MOll1cntna znaCajka pu~t~ll1j;l u pogon lllulor·gcncratUfi.l oyisj 0 njcg()vim kOllSlruktivnim znacajkama i naponu na njegovim stczaljkaliia U.

Ivl M1, - moment ruolora pri Ilominalnom naponu.

Osnovni pokazatc1ji znacajke pokrctanja hidroagregata Ivf" :::: 1'«(1) sa zatvofcnim spr(Jvodnim aparato11l (zasunom) jcsu: moment pokrelanja pri G::::: 0, (s:;;;:; 1) i moment o!pora pri nominalnom n odnosno u:;;;:; --1 (s = 0). Moment pokrctanja Inn:!.e sc odrcdili pl'l~tl\a rUflll111i (5.55)

Mp=KUrf.

u kojoj je (3 - masa obrcucih dijclo"a ikg! - srcdnji pollllujcr 1m!

r - kocficijcnt trcnja :::-:: U,02

K - korhl,ut:t (9,Hl).

(5.55)

lv1 p obicno HC prelazi lS-2CYk·, M:vln' odnos!1o Hlp::::: M/MMn O.lS-O,20, Da bi sc smaIljio koefidjcl1l lrenja lcl.ajevi se pocJmazuju pod djclov~llljeIIl t!aka maziva.

Moment Olpora Mo odrc(1uje sc POfllOCli sio7.cnc znaca,ikc bidroslruja. Za u. < 1, Ivl{l sc i7.razava prcma jednadzbi (5.56), osim II SILlCL~jU pu~(anja u pumpni fad do postizallja l1ominalnog n (za O[VOfcn sprovodni aparat)

(5.56)

66 HlDROENERGETSKA POST!WJENJA

Odredivanjc vrcmcna pustanja urad (tp) bitno jc pri projektiranju RHE. To je vrijeme asinkronog rada bidrnagrcgata ad mirovanja do postizanja dosinkrone ucesta10sti obrtanja. Taj pokazatclj odrcduje dopusteni moment inercije obrcucih masa elektricnog stroja koji izlazi jz toplog rezima rada Ie pouzdanost sustava IlUlomalskog nadzora.

Ako jc mr :::::: 111M (relativni odoosi momenata torzije turbina i motom) slijcdi izraz za odrcClivanjc vremcna postizanjil dosinkronc ucestalosti obrtanja

(557)

TlL -- konstanta incrcije.

Rjdcnje gornjeg integrnla komp!icirano je zbog slozcnosli izraza za mM(n), kada se pribjegava grafnanalilickoj metodi.

5.5.2. Procesi nakon iskljucenja molor-gencratora

H,adni proccsi posJije iskJjnccnja pmnpnog rczima ncstacionirani SU, pa ib jc potrebno prollciti jos u fazj projektiranja RHE fadi odreCIivanja duljne tlacnih vodova j osnovnih parametara nlOlo!'-gcncra!ora (M-G).

Na slici 5.9 prikazani su spomenuti prijelazni procesi jednog od revcrzihilnh radijalno-aksijalnih hidmulickih slrnjcv!l, kac1a s]1ro\'odni ilparat (ls!ajc nepokrctan. Kada S0 (M-G) iskljuCl iz mreze, njegov sc moment smanjuje do nistice, i to spom zbog inercije kada se snizava fl, zbog ccga slijcdi smanjenjc kolicine Q. Za vrijcmc TQ po iskljuccnju agregata 11

I 3 L--=--;7""""-__

Ho

Sf. 5.9. Proces guhilka pogmw (- a == kOl1st, - - - (/ ~ kOll.l't, Ts > 7~) j - plfmpni rezimi 2 llifhinski rezimi 3 - I"dimi kO{Y'I{ja

4 .- fef.im .wpm/lloN Ioka a - olrJOI" .\'talora

Nes!acipnaran rad hidroe!cklnlml 67

sc snizava kada se Q smanjuje do nistice, a tIak prima najvccu ncgativnu vrijednosl t-.H. Potom pocinje strujanje vode s gomje razine u donji bazen, tj. u turbinskom smjeru. Smjer obrtanja HS .los .le llvijek pllmpni, dok se n stalno snizava.

Takav se rdim naziva reiimom })suprotnog toka« u kojemu raste M na vratilu i tlak u uornjem tlacnom vodu. Nakoo T~ trajanja prijclaznog procesa postajc n := 0, kada se radno kOlo pocinje obrtati u turbinskoiU smjeru, a M se od postignutog maksimuma pocinje sma~ njivati. U tom turbinskom reZimu t1ak dostize prvotnu vrijednost a hidraulicki udar iznos +b.H. Zbog inercije agregat pocinje kocHi (M < 0) kado polako dolazi do stacionarnog pogona (M := 0). Vrlo je vaz.no odrediti vcliCine -M{~; +t-.H* tc TQ i T~.

Ako je vrijeme zatvornoja sprovodnog kola Ts > Tn" (isprekidane crte na slid 5.9) tada reverzibilni HS prelazi kroz rczime: pumpnl, suprotnog toka, turbinski i rdim kocenja. Pritvaranje Jop,ltica malo utjece na prvi dio procesa (pumpni i suprotnog toka), Pri kraju pri!varan:ia sprovodoog agregata moze nastupiti znacajan iznas H udara (+~Hk)' a patorn i protuudar - l'lHk iSiog izoosa, ako sc lopatice u potpuoost! zatvore.

Ako sc vrijcme T~ smanji prcma TO <Ts < T~ plHanje strujanja sJijede iz pumpnog reZima 1 suprotoog toka (sL 5.9) kada se mijenja smjer strujanja, dok smjer obrtanja ostaje pumpni.

Reiimc suprotnog toka koje prate vclike pulsacije i vibracije, 1110gU se izbjeCi uz uvjet dajc To < TQ. Ispi!ivilojem je 1l1vl"(kno da smanjenje vrcmena zalv[\fanj!l sprovodnog agregall1 u usporedbi sa 'I'Q (slvamo) dovodi do porasta - M·I, sto nijc dopustcno. Ako jc T~ = TO prijeJazni proccs ostajc samo u pumpnom radu, kada sc sniienje lJaka ne naslavlja ako se sprovodno kolo ne zatvara.

Te znacajke kod Q := konst. (nepokretni sprovodni aparat) kod RHS sa n~ = 100-1 000 min-I ocjenjuju se pomocu inercijskih konstanti llacnog vada (TWH) i agrcgata (TuH)·

Vrijcll1c iskljuccnja agregata do promjene smjera slrujanja izr<Jcuna\,a se prema

(5,58)

Vrijeme do promjcne smjera okretal1ja jest

~ 2 T; ~ (2,75 do 2,8) TaH TWH (5,59)

Maksimalno snizcnje iznosi

• ~TWH -"'H ~ (0,80 do 0,90) Ho '1'-- , aH

(5,60)

Maksimalan po7oitivni hidmulicki udar (kod radijalno-aksijalnih RHS) sa n~::;;: 100 do 350

iZllosi

~ 4 WH (T J'

+M-} ~ (0,75 do 0,002 n,) Ho -T ' aJ!

(5,61)

Brzina rolacijc u opisanom procesu 70a HS u rasponu n~ :::::: 100 do 300 min-1 moze doscCi

iznos

(T J 1),Q7 nl~ "" (1,45 do 1.62) nOH 'rWH

uH (5,62)

68 Hii)h:OENE!{GI::TSKA l-'OS'i'iI'OJb'iJA

Najvc6 dopustcni oclnos TWHff uJ-l radi odr.zanja neprekidnog toka (h0111ogenosti strujanja) u pravolinijsice trase gornjeg vocla, oel gornjeg bazcna do RHE a uz odri,<1nje \'islnc sisanja HI, = -(0,1 do 0,15) Ho, prcma jcunadzbi (5.63) iznosi

TWH TS (1.62 do 2,()6),

(hI-! (5.63)

5.5.3. Provotlenje rcvcrzibilnih agregata hidroclcktrane izjclilloga u drugi rczim raJa

Prcm<l lilcnuuri, na tcmelju lsicUS['I'Ctlih i racun~kih podalab u na\'cdcnoj tabdi, dana Sll potrcbna \'1"cmena prijclazn~b pruccs"d za dane inercijskc paramdfe Tw iTo.. koji djeluju na du7.inu pwcesa. OejlO je cia na duzinu s\'ill prijdill.nih procGsa danih U labelj utjccc Tw (incrcijska konstanla llacnih voduva), dok Tu (konstanta agregata) Uljece SHmo akn do procesa dO]flZi po iskljllccnju 12". IllfCI:C s radom promj<':lljivog lHI. Ako jc HE SllSU.,\' ,';,;lik. on our/,ava agregat u sinkronoJ1\ fd.imu lalm da u[\'araujc i /,atvaranjc SPW\'Odllih orgalla I-IS nc llzrukuje promjenu brzinc obrl<1uja. Tu u suvrcmenim \'elikim M··G iznosi 6-10 sdc Tw sc razlikujt' u OViSllosLi 0 lipu RHE. Tako RHE S jJodzcrnnim donjim baL,cnorn imaju Tw :;:: 0.6 do n.7 scle. dok jc za RHE s nagnu[olll traSOl11 vodova Tw::::: 5~6 sck.

----_.!--- --------,----_. Vrijclllc pLL~t;1lij:l

:------------... ·---"-'-----1 P )lrcblk ,,[Llb:! Nacin Pli~LlJjj:l

- .. - ---,,-,--------~-

I ,5

~ CC

JZf:lvni - od plJn()g n~;p()Jla ------- .... ----I· -·,,''';;';-;;;''1;;;;;----

c. ', ___ " -"-----_~_. _____ _

B 5 padolll c 'y napona

I~i, __ PtltCIl\

uces!alu~!i

D(),j;~lliilll

od agrcga!a pU~lc:nu~ \I

lurbin.,ki le/illl

od "llllirkog nljc'nj;,:;a

I rrckvcntije

._---- •... ------

.,IJ"I'l\'om lu,luva i 1.,bUIU

- suslav udijalnc' iUlLin:;

~~~_~),(~_~i~~PiiU~~:):::~~'~~~ I~! L J.() 3{l()-S()()

2,-_':--' _... .... _+ ...... ISO-:;()O ~J, 2-6 ISO-j()()

ISO JOO

()

5· .. J()

--I 5·,,10

J(]-20 I ---0-' ... !

i.

·----1 G·-30 ! 5-"J5 ------+--.-

(I

(I

·--i--"·--I 1.

(I

6Y

U nastavku OpiSlljC sc prevodcn.ic jcdnc RHE s kuglastim zLlsunima gUJ'1ljeg \'oda i/. [Uf· binskog u pumpni [dim. i obrnuto. Kod pOlpuno Lat\'urc:nug f.a"uaa agrcgal se iskljucujc iL mreZc, brzina obrtlll1ja sc smalljujc, pa kod u..::::: 0,5 nastupa cJcktricnu kucclljc: napajanjeJl1 povccane jaCine struje za priblii,no J,3 Inurn. Kocl u.::::: O,J u kotnoru raJnug kola dodajc s(; stlaccni l.rak koji tlaci VOdll II vrcmCl1U oel 60 selc Kod n ::::: 0 motor-generator sc ukljuClljc II mrd.u, lj. dolaz! do !L'>ltlkrollog pu\tanja u pumpni rac!. Vri.;cnlc pustizanja HUl"llialnog IHI U tom sJucaju iznosi priblizno 100 sck. U casu f>inkroniz<tcije Ivl··G-·[t Sit ES islodobno sc olvara kuglasti zasun. SpJ'ovoJno Se kolo otvLlra nCjJotpunn dok 11(; buck izhaccn sav stluccni zrak iz radnog kola, a potom se otvori do kraja (a "" 0.9) za nomiualao pumpni rau. Ukupno vrijcrnc iznosi prih1i1no 330 sck, od ccga sc nil vrijeme rcz.ima s promjclloll1 poloJaja regulacijskih organa (?asuna i spfOvucinog kota) utrosi otprilikc ]00 sck. Vjse oel 2/3 vrCl1lena Lltrosi sc na koccnjc J-I agregata i njcgovo ubrZi.\Vi111,ie do llo111inalnog 11-;:t II pUllljlJnm melu i na radnjc II

vc,'!.i s tim. Prijclaz Ii'. plll1lpnog u turbinski rad teee brze bel. sud.idu\"lll.j~t kugla:-;!og zasuna. [(,Ida

~e M-G iskljuci jz lllrGZC odillah '>c pOl'injc /,al\di'ali ~pl\)\'udilO kulu do puluj,dja kuji osigura\''-\ pral.an bod lurbinskog rada. Za 'I'll 20 sd~ sUjcdi prmnjcfliJ sm,icra obrUJ.!lja. it krol daljlljill 15 sek postizG se 1100ninaini Jl u lurbiJl,..,kull! c.mjeru. Radi prjg\i;avilnja \lc.ciiacija tlaka 1I vuduvjm<1 nakon stankc od 15 sck povccavi\ sc dalje upll.:::rcCcn.ic. Cijdi proCl'S traje XO sd~. tj. 2.5 puta Ill<lnje ne.g:o koci prcv(){lcnj,\ agrc~ala iz lurbiJl~l~og u pumplli rae\.

6. Tlacni spremnici

6.1. Vrste i primjena tlacnih spremnika

Tlacni sprcmnici ugra<1ujll sc l! sllstav HE 11 dijdu dovoda i odvoda vode u llirbinu mdi zas\ite dovodnih i oc1vodnih vndova oel djclovanja hidraulickog udara u vrijemc prijclaznih proccsa, kao i pobolj,sanja uvjcta fcgulacijc turhine. Stoga sc Ii sprcmnici, koji mogu bili ugradcni ispred i iza turbine (s1. 6.1), nazivaju i sprcmnicima uravnotczenja.

S/. 6,1. She}//(J rada /!ahlih spremnika 1 ~ I'fIzina ['ot/e pri prulil opferd'el1ja 2 ~ mzil1(1 prf pomstu opterdenja 3 rpr(-,!11llii:. predt!o(:!1o!; vol/a 4 - Yfircmnik por1tlahw!; pod(f

Kritcrij za potrebu ugradnjc spremnika u dO\OCI10m dijelu s11stava izraz.ava sc jed~ nadzbom (5.13) za T w. Za Tw sc pribliz!lo lIsv,~ja 3 do 6 da bi sc konacno opredijelilo na temelju telmicko-ekonomske analize vise varijanli !lacnog sustava za spremnik ili bez njcga.

U odvodnom dijcJu sus!ava, radi izhjcgavanja pojave kavitacije iza turbine, Cijc Sll posljcdicc pad znaca.ika turbine, oSlecenjc lopatica i razbijanje homogcnosti strujanja, ugraduju sc sprcrnnici i l.a relativno kratkc vodovc. Kriticna duijna voda na podllacnom dijelu (iza) turbine jest

T ( v1,- ) Lkr =3........."- 8~-21 -1-1; . Vo g

(6.1)

Tlacni sprcmnici

U jednadzbi (6.1) su: T Ii ~ vrijeme zat varanja sprovodnog kola Vo ~ brzina strujanja u odvodnom vodu za stacionarni fdim (prije promjenc opterccenja) ViT - brzina oa izlazu iz turbine, na ulazu u difuzorski kanal Hs ~ visina sisanja (podtlaka) turbine.

71

Gornji sc spremnik ohicno ugradujc oa mjestu prijeloma trase tiacnog voda, za sto je potreban proracun najmanje visine smjdlaja.

6.1.1. NaCin istodobnog fada obaju tlacnih sprcmnika

Sprcrnnik rcagira pri narusavanju stacioniranog strujanja u vodovirna pocetkom regulacijc rada agregala (knda dolazi do promjenc razine) kome odgovara pocelni prolak II dcrivaciji Qdt' (slika 6.1). Aka se prolok turbine smanji QTp < Qup razlna sprernnika raste do zm' a onda se pocinje spustati. Zbog hidraulickih gubitaka u tlacnom sustavu dolazi do prigusivanja nscilacija razine, koji se tada srniruje na Zk i koji takav odgovara navorn stacionarnom rez.imu od Qk' Istodobno oscilira i rflzina donjeg spremnika, ali s negalivnim predznakom ~ razina se spusta do nckog Zn (minirnalna razina), poslije cega slijedi porast razine j

stabilizacija na Zk'

Pri obmutom regulacijskom procesu, kad se poveca optcrcccnje agrcgata, odnosno otvaranje spwvodnog kola, slijcdi obrmno pon<lsanje oscilacije vade u spremnicima od prcthodno opisanog.

Tipov! spremnika za uravnoteicnje tlaka prikazani su na slici 6.2.

11 III

Sf. 6.2. Tirovi /!otnih sprcmnilw

1V

I "!

v V1

~ cilindricni spremnik u kojcm sc u patpunosti ponistava visina brzinc hw ::::: v3/2g (vtJ -bTzina u dcrivacijskom vodu)

II - spremnik s dodatllim otporom (suzcnjcOl) koji smanjuje amplitudu oscilacije razine III - sprcmnik s komorama radi lako da se gornja komora puni pri padu optcrcccnja, a smno

donja pri povec<lnju optereccnja IV""" difcrcncijallli (dvocilindriCni) spremnik kod kojega 5C voda pri smanjenju optcreccnja

turbine penje po unularnjem cilindru prelijcvajuCi se u vanjski diD oznacene viSe razine (stacionnmo stfllj<loje). Pri povecanju aptcrcccnja unUfnrnji cilindar skuplja vadu kroz poscboe otVOfC iz vanjskog (raziu<l se spusta) ciEndra.

U spremnicirna V i VI su zracni jastuci koji se porastom razine vode (redukcijom QT) stlacc a njezinim sc spustanjem sire. U sprcmniku VI moz.c se podcsavali tlacno stanjc zraka.

HIIJI'(OE0:dIUi,TSK/\ J'OS'j'iW.iEi'JA

6.2. Proracun oscilacije razine u sprelnnicima

6.2.1. Difcrcncijalna jednadzba strujanja u krutom sustavu

Uz prctpostavku stalnog prcsjyka clerivacijskog voda, olvoreni sprcmnik, nestlaCi\'u tckuCinu i matcrijal SUSI;.lY;}, izvoc!i sc jcdnadzba strujalljil.

Za clva presjeka: na razini IT i sprcnmiku 22 (s1. 6.1). Bcrnoullicva jcdnadJ.ba za ncstacionarno strujanje

YI + _El .. + !0_.~J::::: v~ + ~ + ,u2 v~ + 2: hw + 1. dQ f's!~ p g 2g .' , P g 2g () dt f'

D 1

(6,2)

gdje Sll )'1' Y2 - razine prcsjeka, p" 1'2 - Hale. v" \'2 - srcdnjc brzinc prcsjcka :s hw _ 7bir otpora od akulTlu!acijc, derivacije i tlacnog sprc:nmika, UJ, U2 - Koriolisovi koeficijcnli.

Posljcdnji clan jcuuadl.bc (6,2) jesL Llak sila inercijc mase tekuCine izmcuu IT i 22 na dlll.ini L i presjcka 1'. Dio lih 5ila u tiacl1ol1) se spremniku zanemuruje, pa 5e [ada Liak incrcijc rnoze izr<1l.ili kao ,;i:;illa t!aka

kdnadzba (6.2) mo/.,(; sc rmpis:Hi sa z = Yl _. Y2 u form!

dO" I Q (' , ) -I '-':::=-L~ z-I,h\\, . II d

Scdnadzba kontinuitcla

QT protok kro1, turbinu je promjenjiv u vremcnu t (1'(t) Qd .- proto1\: laoz tlacl1i vocl A - prcsjek spremnika.

Jz jcdnadz,bc (6.5) dobiva sc

.~~.?: == ~~T - q~ dt A

Jednadi,ba pada tlaka (6.7) sastoji sc ad gUbilLlka: - hL - po duzini derivacije - h:; .. - mjcsni gubici (promjene prcsjcka ide)

- ill] - otpori u prikljucku 5prcmnika s dcrivacijskom cijevi

) )

-.;:- VJ vi" L, hw == I,. -, + ~ + 11-----'---- .

2g 2g 2g

(6,3)

(6.4)

(6.5)

((1.6)

(6,7)

;\ko sc lIjednadzbama (6.4 do 6.7) zamijcne hrzine strujanja protocima, pa sredc. dubiva se

TJacni SP1'Cl~lli:li:'~i __________________ _ /j

(6,8)

Rjcscnjcm jcdnad2be (6.6. i 6.8) moze se naCi veza z:::::. r(t) za :sto. SGl:o~ta\'l.ia izra~. ,QT,::::: = fez, t), a La funkcija zanemarivanjcm oscilacije u spremruku muzc lm~lt; Imearnu uVlsnost,

prcrna

(6.1))

QTK - konacan iznos QT U promalranOl1\ intcrvalu vrcmena.

Rjcscnjc jcdnadzbe (6.6) i jcdnadzba «().8) daju promjcllll us..:ibcijc razinc spn:mnib (7.)

na dva nacim;: a) L,\nt~n];,ri\'anjcn! 1-:1 gubilakn i h) sa H gubicilllCl.

a) Proraclill promjenc razinc :-,wnnnika (gubici 5C zanemaruju)

Izjednad1.hi (6.'1. j 6.8), z<t!!clllaJ'iviUljC!il hidraullckill guhilakit, slijedi difcrcncij:t!:ujcdnadzba drugog retia

(().Hi)

cijc je t:jcscnje

I'. ;::;: z() sin (k 1 + j}). «(>.I] )

gdjc su: z(J - maksi:na!no o(htupanjc ntLina spremnika?cJ stJ.lickc .. razinc vodnc abuJlulacije, k = (gtiA LJ )If2 - llcestalosl ()scilacijc; f-l - pocdna fuza, 1 - \TIJC11lC.

Za pocClnc lIvjetc do promjenc optcrcccnja kod l;;:: 0, Z = () i p;;:: 0 jcdnaJiha (6.10) doblva oblil,

Z = Z(I sin kt , (6.12)

• lib I '11"ll[1·£.tlS':"lltl,I', 11',11)111mi,I'sko,I' oscilaci,I'; (51. (i.J) s razdohljClll sIn oc govanl S 0 {)( nOj, v ~_ ..

T;;::2n(Ld A/gf)I(Z. (6.13)

.,

~ _______ L~d<-______ -1.,

.\'1. 0.3. ()scifucUa 1"[I1,inc II {!([{num ,\{N :ililli!w hez I!i" drm"i(~lii/; !-il/hi!.'-!!;'.! I

.- rwg!o .IIJWlljl:fiJ" !)/(j{,i/;U

2 - 11(1;.:10 fJfJL'n\mjc iHU/(!/;U

74 HJDROL'NERGETSKA POSTROJENJA

Radi odredivanja maksimalnog podizaja razinc u spremniku Z() prcinaccnjem jednadzbe (6.12) slijedi

iz cega sc dobiva

(c!Z)2 = Z2 cos2kt· Z2:::: Z2 sl'n'kl dt ()., -() , (6.14)

(6.15)

Maksimalan z =: Z() pri promjeni pro!nka 11 tllfbini od QTP do QTK (pocctno - konacno) i za t "" 0 j Z =: O. slijcdi iz (6.16), a nalazi sc pOITlo6u clifcrcncijalnc jednadz.be

dz _ f ("til; ._~ vtlp)

ell - A

17, jednadibc (6.15)

(6.16)

OCiIO, Zo jc Jl(~ivccc za vup ::;:; 0 (iii QTK ::;:; 0). Ta se formula rnol,c koristiti i pri nagJom o!varanju turbine (tada jc Vtlr < VlIk)'

b) Proracun o<;cilacijc razine sprcmnika (5 gubicima strujanja)

y Na prir~ljeru reg.uJ,,,cije rada turbine pri padu optcrecenja II nastavku cc bili prikazan proraeun nw.kslmillnc Y1SltlC podizDnjll T:17.ine spremnilc:::. _ Prije Pilei;) oplercccnja razina u sprcmniku je niza od razine u akurlmlaciji (s1. 6.4), pa je

()TI< ::;:: Q!l' Promjcl1nm Qrr do QTK ::;:: () mijcnja se razina z do Zll1HX'

Z!l 5tanjc Q,::;:: Qu gubici 5C mogll svesti na gubitkc u dcrivaciji

H

SI. 6.4. Osci!acija ra;:lne II t!a2'llOm \prnnlliku ,m hidrdulihTim fjllhicima

75

Sva tri oblika gubitaka Uednao7hl 6.7), magu se svesti na visine bIzine u derivaciji, a koeficijenli ~, 'A i 1) magu se prikazati sa ~'::::)c + ~ + 11.

Za QT =: 0 UednadZ.ba 6.S. i 6.4) prcinacavaju sc u diferencijalne jednadzbe drugog recta

Opec fjcscnje prethodne jednadzbe za naglo srnanjcnje oplcrecenja turbine jest

gdjc .ie:

... 2k] dz [ '()2] e2ki (zr- Z) 2kl Z-kz dt + 1 =:: 1,

gf k -~ 2 - ALd

(6.17)

(6.18)

Uz dz/dt ::;:; 0 u jednad7:bi (6.18) - tangenta II tocki A (shka 6.4), slijedi ZlllilX' 11a logaritmiranjem jcdnadibe (6.18) (sa 1/2k) 0:: s) slijedi Zm -:;::; Zm~x

Zm ( Zm] :zr --In 1-- = . ' s s s

(6.19)

fLo u kojoj jcdnadibi treba poznavati iznose zp j s _. S je odrcdcnD. znacajka Oacnog

(A+S+~)A'

podsllstava. Na temelju jednadz.be (6.19) prikazana je ovisnost zm/S ::;:: f(Z1/s) na grafu (sIika 6.5).

1.4

1.2

1.0

0.8

Oil

0.4

O.

o

,

" ! T S- .......

II

-----V~ -" / --

,-+= l--" I I 'm

~L2 o 0,2 0,4 0,5 0,8

" " 0.06

0" o 0 -0.1

'7 7' '--

L_ .... _- Zm

" ~-;; 0.2 0,3 0,4

Sf, 6.5. Odr('(lit'anje !I1(1f.:sillw!n{~ ntzine spr('mniktl pri nagfom ?(/!IXlIymju turhinc

Olpori u hidrauli(:nol11 S1Jstavu ocilo bilno uUccu n:t maksimalno podizanje razine spremnika (s1. 6,6), gdjc je odnos tih visina Znl4.l (sa i bez uljecaja otpora) povczan duzinom (L) instalacijc. U derivaciji od 1 km smanjujc se povecanje razine sprcmnika za 13% U odnosu prema idealnom bez gubitaka, dok jc za dcrivaciju L ::;:: 20 km pad razine i do 25% zbog porasta gubitaka slrujanja.

sr. 6.6. Uljecaj iilihituJ.:u 11(1 podizqj razilie .\jJn:lIll1ikil

. ~a!csin:a:an yaei .razine sprcmnika pri povc{:anju oplercccnja tllrhinc moh: se izracunali pnbltzmm !]C"ellJCltl Jec1nadzbe 6.8. POIllOCU formlllc (6.20) koja vrijcdi za <: .-:: 1,23.

II 1+211 J

Zu= Z(\(I - n) 1+0,156 -2 -i- n' (1-1-11) t II + (I -I- n)~:: I + 112 fZoj. (6.20)

gdje ~u; n::::: Q!·I)/9·l'IZ;.E 0:::: ZJZ~); Zk -- sni:l.enjc razine sprcmnika za slaciunarno slrujanie leod CJr'K;_ Zo -, p?dlz(~1 rilZ1l1e spremnika bel, uljec;:~ia 0IP01':1 strujauja. ' .

Na S!ICI 6.7. prikazan jc grarikon odredivanja llqcc<~ja olpora na visinu razine sprcmnika. U dijagramu su;

0.10

St. 6. 7. Or..!recliu/lU·" IIhd:,lilililIIlO;; podi:uja ra::.ine lJ ,\j)n:mniku j)ri /1i.Ij.;lo/ll

pOlplillO/ll :'c.'h'WWiju iurhini! 7.1.1

mole VJ·UednO.l'li Xo

7. Kavitacija u hidroenergetskom postrojcnju

Encrgelska maCi.ijka hidr()agn.:gata lmsira se pomotu 1stih znacajki lIluddnc lurbine. a u skladu s rciacijama s!icnosti (pogJ. 4). Pornocll tih zllac,~jki prikai:uju se promjenc prmoka. tiaene visinc, bu.iuc ukrel:lJlj~l, kod odrc(1cnog otvora :>tatora, llltilu;:,ubnu O\'j:,nib osnovnih varijabli turbine. Pomocu (;;;nuvl1ib Jobi\'aju sc i:lVCUCIlC vciii::inc: llloment (M), snaga (p) i stupanj korisnog djdl)\'anjo. (II). Znacajke lurbinskog facia dobi\Aiu sc.: mjC.fl:lljCll1 li<l 1l1();'!:::l1l0,i lurbini, na ispitlloj stanici, ali i na hidroagrcgalu, u dcktrani. Na slo/.enoj znaca.ikL kao na slici 4.8. prik:;/.{l!lL· Sl1 krivuljc st:;)nib iWOSil,\fwge (p) i Ij u polju Q = f(H). 11. sloz,enc !.nHc'dkc \',\7.no je po\je 1111IlL\' Slo/.ena /Jlac;ijka aL~J'\;gi.\l([ :urbinc lli.1Cinjnuje Zit bUt!1ugL;nu :..[rujnu pul,i;.' vode kw! turhinski sustav bel. pojavc l<avitacije U slacionamuJl1 radu. Znac:tjkc turbinG \llI)/.C oboriti pujava kaviwcijc u uv i"jJ()i;Li () njez:ilJuj raJ.\'ijGnu~)ti. Ta poja\-:l tl hjdru;-;lwjc\'~t clclai,ino jc prollcclla, posehno gkdistc ut.J(;;e~ja na njihu\' 1'ad. Medulim, vee u I'az! projcKliralljcl potrebno .Ie posvetiti ciOslatno pozowosli izhoru g:comclrije wlort:t turbine glcdista tlljecaja na 7.nacajkc bl\'itacije. Ii: brojne literature puZtlalo.ie lb:-,l' znacajkc k:n-ilacijc iSlih lipu\,il lurh.;n~~ raz[iC:itih hidrodinautickih prufila lopalica r:Ll.likuju .. hxlHako je \'a/.an utjecaj i re/.im racla turbine (JeoliCina pruloka, hrzina ukrclanja .i t1rugu) na po.jaYu i nlz\,ijcnu"t kavilaci,ic, U ocirccknimsmpnjcvima razvi,icnosti kavitac~ia moze crozi,iom fil.icki llgroziti su"tav i polpullO ohorili cnergctskc L.nacajkc agregala. Stoga se u pog:lavl,ju 7. U oastavku d<~iu nuz,ni podaci u [oj j)ojavi u eil,ill c1,iclotvOJ'!lusti rada hidroagrcgata,

7.1. Hidrodinamicki paramclri kavitacije turbine

Poznalo.ie oa se kaviUlcij;:1 tckuCin;.; pujadjuje na llljcslimu slrujnih Kuuala sust:ty,~. gd,ic sc lokalni tlak spusti ispod kriticnog iZllosa za ispar~(\-illljc tcku{inc. Mjcburj~'i !myit;\c:jc raz

bi.ii~iu hOll1ogcnosl strujc tckutine, it njihova imp!ozija II pourucju vi;cg Ll:J.b cwuira .'_,ii.!",,'nkc radnog kola. 1l. hidrodinarnikt:,ic poznato cia nil izg!ed polja tlaka Ilckug slru,inog SLhia\-i.~

(raspudjclu prorlljcnc tlaka) tlljece oblikovanjc log sU:>la\'a, kao i gcudd...;ka j'(.l/.iliLi krilicnil1 presjeka prcma izlaznoj ra1.ini vode HE. Dakaku i [izikalno s!ctnje vude utjcC:t: na opisani l"cnomclI. Kako Sll Ii utjccajni paramctri kod voelne turbinc povczani, pokazujc sljcdc(e skraccno tumacenje.

Prale(:i slrujanje kroz filLInG knl() turbine od locke M, II kojoj se prdpost;tvlja minimalan lIak. do izlaznog brida lopaticc 2- pa we do jlJazne raz.ine (A). prcma slid 7,1, pustil\'ljaju !Ie jcdnau/.bc (7.1. j 7.2) ravllotcZc cnergijc

(7.1 )

(7,2)

78 HIDHOENERGETSKA POSmOJENJA

Sf. 7.1. ShclII(I lok(J kroz {urbinll

Na 15to111 promjeru .iednake su obodne brzinc (U)

\V relalivnc bc{.inc u turbinskorn kolu v - ap~o!lllne bcdne p - spccificni tlalc h2 __ /\ hidrillllicki guhici.

Kncficijenl korisnng djclnvanja aspiratora (difuzora).ie (ako.ie VA::C 0)

v~ _, .- - Z h ~ 2-A

ll(x= ---v~ 2g

iz cega su gubici

(7.3)

ZancrnarujuCi gubitkc na izlazll turbine L bM.~2 i v;J2g c::: 0 slijcdi vi5ina tlaka u kriticnoi tocki .

(7.4)

Umanjujuci obje stnll1C jednadzbc (7.4) za visinu isparavanja, za danu temperaturu vode

Hi '" J?L j sa H =: ~ slil'cdi pg A pg .

(7.5)

Kavitm:ija u hidrocncrgc!~knl11 postrojenju 79

Ako sc oznaci sa l1hc. iz 7.5. visina tlaka na razini izlaza iz turbine

(7.6)

i sa

(7.7)

hidrodin 11 m ieleo snden jet 1a ka od M d 0 2lopaticnog kan ala tur bine, prem a J . An ton u. Prcm a Thom ibezdimenzionalnikoeficijcn t(faktor )kavitacij ejest '

!lhT l1hc H=aT; H""ac • (7.S)

pa slijcdi

(7.9)

Ako.ic minimalni llak u M .icdoak tlaku isparavanja Pmin:::: Pi, 5to je uvjet pocctka kavilacije, tada je a(~ -;;;;: crT.

Turbioa radi bez kavitacije aka.ie Gc > <Tr, jer jc Pmin > Pi kada jc tlaena visioa t-.hc dovaljnn da pokrije prnmjene tlaka i guhitke nastale dinamiekim padom tlaka t-.hT u turbini i difuzorn.

Ako je 0'(., < Gj slijedi Pmin < p",., sto je uvjet razvijcnc kavitacije. Unutarnji a kavitacije jest ai:::: aT koeficijent kavilacijc turbine, a a c kocficijent kavitacije instalacije (vanjski k.k.). AJ(() 50 oznaei (wM/w2)2 - I :::;: Kp11li1x, koeficijent kavitacije turbine moze se nnpisati u obliku:

w~lw~ I v~ v~ v~ CiT = 2g H wf ~ 1 + 11Q 2g H = Kpmux 2g H + 11a 2g H . (7.10)

1z zadnjc rc1acije jasno jc da na koeficijent kavitacije turbine crT u~icCe konstruktivno oblikovanje lopaticnog kanala (oblik lopatice), jcr 0 tome ovise dinamickc veliCinc brzina slrlljanju u njemu, odnosno koliCina protoka koja odreduje rezim strnjanja.

Izbor modclnc turbine, odnosno njcz:ino projektiranje uvjetuje izbor odredene gcometrije lopaticnog kanula, cime je povezana ovisnost aT = f(Q). Poglavito u podrucju regulucije najvise cksploatiranih veliCina Q i H, potrebno je provjcriti vrijednosti crT'

Dakako, bilo bi idcalno da u Cilavu po~iu izvan projektnog rezima rada (iskljucujuCi prijclaznc procese) turbina radi bcz kavitacije. Medutim, ekonomski su razlozi ogranicavajuCi za osiguranjc potpuno beskavitacijskog rada turbine.

7.2. Kriticne vrijednosti koeficijenta kavitacije

OhradujuCi kriterijc odredivanja granicnih vrljednosti GT:::: O'd (kriticnog 0'<.:1); 11 :::;: f(G); Hr :::: r(a), potrebno jc objasni!i dObivanje znacajka Q :::: [(a), 11 = 1'(0'), HI' :::: f(G). Taj se postupak provodi u lahoratorijskim uvjetima.

Prema jednadzhama (7.6. i 7.9.) GT se moze izraziti P01110CU vi sine vakuumu (h~v) na izluzu iz turbine, kada se narivanjem podtlaka kod adredenog otvora statora, a za Q = konst., turbinll dovodi u stal1je rada u kuvitaciji. Biljezenjem podataka na mjeracu protoka za niz

HO Hl{mOE""ERGETSKA PUSTfW;EGJA

iznosa h,,, dobiva 5C znacajbt kau 11a slici 7.2. OCito, drz.cCi Q :::: konst. prolok ostajc isti <-ia hi 5C p06co smanjivati pri duslatno ve1ikom podtlaku (Il',\' - odgovaraju(:eg crT) nakon ncke kriticne vrijcclnosti. Kriticno Gel razlikujc 50 II raznim rcl.imima, odnC);;no Q :::: f(a, (~); a -otvor slalora; (p - nagib ]upatica turbine Kapian. Tako povezi\'anjcm niza Gel za udg0\'~lrajuce QI, Q2, Q~ slijedi kriYlIlja po~dka ka\'itacljc od ko.i(; pocinje puuruc.1c rada turbine II b\'ltaci,ii. lz niza ta\(vih krivul.la stvara se kri\ ulja V'I = r(Q) za udn.::(1cnu brzillLi ukrd<lnja. Za mmlclnu Wrbinu za nil. vrijcdnosli QII pri n ;;:: konst. stvara sc krivulja aT "'" r(Q) kod 11\> n2 i n:1> prikazuje sc utjccaj br:ljne okrclanja flU zri<lcajke kavilacijc turbine (s1. 7.3). Ako sc kIivuljc

(iT = f(Q) za n::: konsl. prcsjeku occki\'unum gralliCnolll vrijcdnosli GCI za pocetak kavitacije, prcnoscnjcm tii1 prcsjeb u slozenu znacajku dobivu sc granicna (krilicna) krivuJja kavitacije lurbine.

Odrcdivanje kriticnc vrijcdnosti V~I za pocetak ka\'llacije, na tcmelju koje ce sc puslavili osi agrcgata (odnosno razinc izlaLllug ruba lupatice) u skhlJU s razino111 izlaznc \'olk, obavlja SC prema odredcnoj kOIlvenciji. Kao 5tO (;0 se vidjeti iz sljcdcccg slavka, za bcska\'ilacijski rad polrebno jc turbinu spLisliti nizc, costo na oegativ!1L1 kolll, prcma razini izlaznc vode.

Kavitm;ija II hiJrucucrgeGhom jJOSlfuj.:nju 81

Sf. 7.4. /{rifil:'ni /wl!/icijelli /;oc!huje fJl"t!IiiU Cheualieru

Pre rna Chcvalicru standardni Gel usvaja SI..: U prcsjcku voduravnc ertc fada hel. l~avitat'ijc i tangcnlc na padajuCi krak krivulje 11 "" f(a) (sl. 7.4).

Prcrna navecienoj litcraturi prcfHil metocJi lcmis\'arskih islraljvdca obradcnc sll mnogc krivuljc 1] :::: 1'(h,v); p:::: f(h,v) i Q "" 1'(11,1') iz kojih su dobivcnc rclalivne vrijcdnosti ordinata 11, P i Q. premajednacl},hama (7.11)

P (~f' = p~ : (7.11 )

u kojima sc vdiCine sa "' odn05c na .;.nosc 1I be~k'-lv.itaci.iskurn radu (prijc pad a krivulja). Tipicne znacajkc. oel Illnogih dobivcnih u tcmisvarskom laburaluriju Z;1 hidraulicke ~lro.ic\,;.·. pokazlljll nekc zone rada turbine bCl kilYitacije, prijcla/'llu zunu i WIlU inlenzlvl1c kavilaciie. Uncscni podaci za v = konsl. usvuj(;j]ug kriterija pocctka kavitacijc upulpunjuju slo/.e~lU znucajku turbine, Gil:::: {'(Oli) i krivulju ekspJo:nacij" 1-1::::.: f(p) (sl. 7.5),

7.3. Kavitacijske znacajkc u prijelaznim proccsima

PralcCl pojave na gran1cam:t slozenih zl\<lcajki agregalil lurbine II eksplualaciji (sl. 7.5). mogu se oneIli poJrucja LI kujima turbilli1 raJi izvan numinalnib, odllusno pl'Ojeklnih vrijcdnosti Q, 1-1, Pill. Ocito cia u wdu s malilll kojiCill;t1l1ii Q (pustanje LI rad) iIi s redukcijama oplcrccenja, prigusivilll,ic kolicinc proloka izaziva ncpravilnusti u stru.ianju. To [110/.c hiti kavilncija s vibraeijama, cijcm ce ncgalivllolll d,i0lovanju biti izluZCllC olle {urbiJlc kojc rade za pokrice vrsne potrosnje, ako rade u kriticnim rcl,imima. Stu su prigu.siYanja i i:"kljuc~n.i;\ ce~ca kavitacija cc inLenLimijc crodirati slijcnkc turbir:.:J.. Tada Sll potrcbc Zit rcmuntom cc~{;c i skupJjc za saniranje lopalica.

Na slid 4.8 na detalju jcdnc od 5107,coih znacajki KapLn turbine vidi se kako ras\(: kocficijcnt kavitacije IT SIO sc naglijc ide u rdimc vclikih pwtob, koji lako(!cr l1logu dovcsti turbinu u kavitaciju.

Na radnoj znaciI,iki turbine (sL 7.5) ucrtanc su visinc podllaka h, kU.it: odgovaraju Hl/:ini odvodne vode. Tako za minimum Ie visinc hI = - 2m, fUllkcija turbine necc zadovoljiti. U

82 HIDROENERGSTSKA f'OSTI,OJENJ,\

tom podrllcju veJikih Q .Ie {]T::::; Ci" za locku minimuma razinc odvodne vode. iGlda se razvijn kavilacija. To jc oa slici 7.5 pnorucje oko Q ::::; () 200 m3h (s\!ih agregata).

Energctski gJdano grilnicc su sljcdecc: llacna visina limi " ::::; II m; Qmill = 2S0 m:'/s (n .:::: 80) s minimumom sl11pnjil korisnog djclovanja 11 ::;:: 0,85 .- 0,88 na slid 7.4, kl~ja prikazujc znacajku turbine prcthocinn ohj!t~n.iene HE na s1ici 4.9.

Prcm l (omt:, opi';;lf)(l Jlndru(~jc vc!ikih Q ne zndovoljava zbog J'azvitkil kavilacije i njezina

uljccaja na mall! llcinkovitost turbine.

Sf. 7.5. Fklp/o(//ocijsk(/ :rn{f(\,j/.:u HE.' .WI 12 (/,l;re,!;{/[(I 1 - I'II(;!"gcul.:n ;-!l[/c~(~ik(f

2 - kul'ilac(is!:a zna{ojko turhine 3 - mnjy/;o Z/lu{ajkn (i:rlrrDJ{{ raz.ina t'odc)

7.4. Kavjl.acijska ogranicenja, kota instaliranja turbine

En(',rg(',t~;kj kriteriji kod optimaJizacije ekspJoalacijc nisu potpuni ni doslatni akn sc fcnomen kavilacije ne uzmc 11 obzir, jcr on IIljd\o na cncrgelsli::e mogllcnosti turhine.

Principijclni dijagram radii niza agregala u hidrocentrali, koji pokazujc vilnjsku macajku h~ f(Q) sWila,,;] (razinn odvodne vode i kolicinu prnlokn) i IlrHllnrnju biT::::: 1'(Q) - znacajku kavilacije niza lllrbina, dan jc na slid 7.6. 1z log sc prika7a vidi koliko i2110si kavitacijska rczcrva do kojc agregal 11:1 prikazan(~i poziciji fc:l,ima (Q) nere uCi u kavitaciju (3). Pomicanjem ka Qmin ili Q'l1ao; smanjuje se til kllvilaci.iskll rezerVil. ImajuCi na UillU razliCite krilerije prema kojimil sc- trasiraju znnc;ljkc k!n·ilnci.ie- turhinc (rog!. 7.2), oeilo .Ie da ce iznos Ie kavilacijskc rczervc imati razliej( iznos za islu kolicinu proloka Q kod dVil razliCita polazna krilerija. To pokazujc llsporedha znacajki kavitacije jednc rrolocne HE sa 12 agregatil. Prikazana .Ie drukCij!1 ral.illa il'Jil7.11C vode od razine instalaeije turbine u ovisnosti 0 proloku Q, koji je vcei pri radu vc:ceg broja agrcg<1ta. Prcma kriteriju 01 (pocetka pada krivulja Q ::::; f(hw) (sl. 7.2) kavitacijska je rczerV!l dllkako manja !lego ako se {] krivu!je sarine prcma kri!criju Gil' Podizaj odvodne. razine pri llsporcdnorn nldu viSc agregata doprinosi boJ.icm radu turbina

u hidrnenerg(~14:!l11l p()~[rnjcnj\l

SI. 7.6. Zl1of"ojkn k(wi/(JcUe HE / " .. mnjsk(/ Zll{l(~(!i!:{/ (iZ./(lZlW raz.illu) 2 - zn(/h~jf\(j II/rhine 3 - !:m:ilUciisko rezenYI

83

gJcde kavitaci.ic. Na krivuljama 0" (hJ pri paraJelnom r.':du 4, 6, 8, 1.0. i 12 ;tgr~gat~t. oznacenc su locke minimuma he. Ta ce HE prellla prikiJJ'anom dlJagramu radItl hcz kavllilC1JC s prolOcima Q u granicama; 3 250 m:'/s < Q < 6 500 m]/s (s1. 7.7).

ImajuCi na UlllU utjecaj genmc(rijc rotora turhine oa zn<lclljke kavitacijc, trebu uociti razUke U J:ildll razliCitih toroin<l pri islam padu i i~lom pO]OZJjll premH razini vade na izla'lu. Slika 7.8 pokazuje da raz!iCite lurbine (oznake TK) radeci pri islam protoku .postizu razJicj~u ucinkovil0Sl (11) jer Sll im ° vrijednosLi razliCite. Za rlmux :::: 0,9 Kaplan turbllla TK 3 ncce

Sf. 7.7. Zno(ajke krwil(J(:ije HE sa 12 (If.Jrcf.:ala prema dvama

kriferijim({ 1 -- unufomja zn(Jh~ik({ premtl krileriju OJ

2 - 1I!1111amja ?1I(J(\ljka {Jrelllu kriterijlt OJ]

3 - uonjska zlla((~iko

84 HIDIWE:,\E!1CE-j S;(A POSTII.OJENJA

imali 0- U (ocb C:min '" 0,25, vee ee iznositi 0'" 0,30. Turbina TK 1 ima losUu 0- zna6ajku, jcr kod :1111,,;< :::::. O,Sl.1e 0- ::::: ?,S,.:iok je kod Gillin::::: 0.3, kod T] '" O,BS. U (om dijagramu l~riVl;Ij(' G ~ i(Q) radcne s~ z,:.knten,l II. (s1. 7.2). Za uS]1oredbuje za turbinu TK-I 01'" f(Q) znacajka (radena prema kntcn,lLl GI), kako bi so uobIn razlikn II odnosll prcma znacajki instaLtcijc ·G,,,

SI.7,0. Rw.vitak jU.IL'i!ucUe II I"UilliuiII!M(ju H::::: .f(Q) lliuddlle /whille

] - jJo{-etak kuL"i;<iuje 5 - m::.uilak edt: /;dL'ihl<.--·lk

2 - zona pred pui"!elak erozije 6 - jh!cvc'luJ: puda <!nelge;.,h'/i :::ilUL'{ji\!

3 - potetak erozije kUL'i!lIciJom 7 - pad t:lWlliel,lkih ::.Iw{aik; U;;ri!Cici!c; 4 - po::ef,,}; 1'1:';': ko0"ihiL'ije l/lrhine .

ona tini lurbinu TK-I nepodohnol1l za rae! l1a ovoj instalaciji, odnosno vanjskilll uvjctim:.t montazc i izlaznc razine HE, Tc su Lll~lcajkc r:.J(1(;nc za mouclne jediniclll: turbin;;;,

Na temelju pokazanih energetskih i kavitaci.1skih znacajki, skura s gospodarskorn anal iWill [lIogu sc izahraLi obra(1cnc varijanlc !Urbina, kojc co dati najboljc rczultalc II rdimima rada u cksploalaciji.

AU(or prikazanih dijagrama iz navedene literature daljc ucrlava zone I~avitaci.ie 0<1 pocclka pojavc kada .los nc dolazi do erozijc Hlalerijab, proko zone male crozijc do I.one vel ike erozi.ic matcrijala turbine uZrokm-allc kavilacijorn, Tako sc na diji.lgramu H '" f(Q) turbille vidi zona II ko.ioj je rad turbine najlosiji, sa znatnom ka\'iUlcjj~h()m erozijol1l (sL 7.9).

8. Opis i rad hidrocncrgetskih poslrojenja

BJok-shcma na slici H.I. prikazl1jc S10l.Cll0 poslrojcnjc jedne j-IE koje obuhvilea: lurbin~

sku Pos[ftljcnjc u kOjClll sc cncrgijc vlldc prc.tvaraju \l obrtnu cnc.rgiju turhine; clcktriclli \.!c-11,~rator 11 k()jem sc Obnnil cncrgijil prC1YiH·a u ckklrii::nu; sllslav ;UllnJT]illskog UPr<lVljil~·ljll (SAUl kojim ~;c pokrccc spf()\'oc!no knlo turbine i lopa!ica turbine (ako jc propclcrnog Lipa)

11.: (rn Ogle) sapnicc kod Pelton Ilu"hin;t; susla\, llzbUIlC (SU) gencratorn k(~iilrl sc napa.iaju llilll101aji rolnra g('llcn110ra islosmjernom slrujom i suslav hJal1cn.ia gcncralora.

()sinl nabrojcnih sklo[l(}v,l gJiWIlOg ko-mpleks;J hidrr1pm:lr(i.ienja clcklricna poslrojcnja silCinja\'iljn: t:Ja\·lli lransf"ol"ma\(lfi, vodovi visokog naron,l, provodnici slruje od gcncralora.

olVorCll(l !"al.(.ijc!no pll<;!n~icnje (ORP), ]JocJsuslav vlaslitih potreba (SVP), pocislIS1!l\' nad7.ora i uprnvljanja (SKU) i sredisnji ul'J"!\vljacki potislIS1:l\' (SUS).

Napon II <;inknlnib g.ellcr;:!orn i:mosi lO,5~24 kV. Predaja 7Jlalnc snage prj lim relalJ\·llo lliskim fnpol1ima oh:Jvl.iil sc \'cJikim iznosima ,Illlpcra (jakosti Slrllje), pa Sll pOlrebni provod

lliei velikih poprccnih dimcnzi.ill 1.:1 sJ1nge do 100 MVA. Zbog znatnih gubilalea cncrgijc u njima i njiho\'oj cijeni po jcdinici du/.inc. nul.no jc prih1i7.ili Iral1sfonnalore gcncralorima.

Tnll1sform<llori pn'd.;{i\\·;i,iu napon od J 10 do 750 kV radi (r;li1~;l'0r(!! encrgije na veee d'll.iim:. UpCltrcbJj;)"\'aju sc trofilzni lran<;fnf11lalori kao i skupinc nd I'll lri jednofa;.cna kod ]1redaje \'rJ{) vel ikih snnga. Or!lnl:H"' tran(;("u!"m:llur:t ispunjcn je transf"ormatorskim uJjem, it bladcn .ic rxakmn jij vodorn j1nsrcd!1o. .

Vo(]ovi vi.~()k()g llnpnll,l SIU7.C 7a predaju encrgijc od transf"orlllalool do o!vorcnog raz

d.icln()~ poslrnjcnj!1 (ORP), kojc lllOgU z~lmi.icl1iLi kahlovi ispunjcni uljelTl pod niskim iIi \'i~ s(lkim (Iakolll (Zi1 220 do 500 leV).

()t\,orCllO razdjeJ!l() l'(l~[!"()jCi1.ie dijeli ukupnu prcril(1cllll cJlCrgijll HE na odvodnc linijc clcktroprijcnosa. Ono .i,; (l["1r(':nI.ic!lo razdjelnim simlllla te naprilvamil 7.a 7il.Stitu od kratk(·)g spoja.

POdSllSlil\· vlas(ilih potrcha opskrbJjlljc sc cleklricnolll slrujolll il'. p(;"l'hllog clckl)"()pri.iemnikil I.!I nl<l. cld,u·(lll1()jnrn 1'.<1 pOgOll pUlllpi S v1:1srilol11 npskrholll vodom, osvjc1Jjcnja HE

/.a pm:(rnjcnjll :lu!nm:)tikc i Ta~tilc, k druge lll1lllarnjc p()trnt::ace elcklricnc enc.rgijc. Plld.\;[lSlil\" Y];ISlilill potreh,) mora radili s visokilll slllpn.iClll sigurnllsti i hili nil llslUJ.i i u sluc<\ju l.<1us1;1\'· Jjan.ia s\"ih agrega1il HE.

P{ldslISt;\V nadl'.()!";) 1!j1)";)vlji1nja obubvilC·il I1lnoga postrojenji1 za mjcrcnjc sn,lge, napon;J, lIak;l. temperature na J"a/,nim m.ic<:;lil1lil poslrojcnja. pndrn:lIi\·,mje jld. Taj podsllstav

d(!jc sign:lic Ujln:mH.'lljil j'ri oclqujl:lnjll or! [1(l!l)inir;mill pararnctanl mjcrenja iii automatski

isklju(;uje agrcg;ll k(Jd opasnih pojava. Podsllsla\' n,ldz(lra napa.ian jc s dva iz\"ora. od kojih ie hatcrijski n:zcrvni. Svi va/.ni organi nadzora po\'c/,ani su nil sredisl1.ii po(]suslav llpra\·ljanja ci.ielolTl HE.

]-lidromc./);lIlick:l i rnehanicka opn::lll'\ sas\oji sc od I'.asuna i transporlnih mehalli7.arna. Prcdlllrhinski ~asuni (kl!~~I:l~ti j!i s diskonl) 7:1t\'W·;ljU sc pri svakom /,'HISUlyJ.i;ln.iu agr"g.a!;1 rmli I'<lc:tilc <;p]"('\·ndnog kola oel hidr:lulickog lldara i kavi!Llci.ic. Prit\·ilranjCJ1\ I.asuna sprecava

se prci'plcrc(cn.i'; turhine \!aknm (;.c(l vj::::e od I SO·- 250 m). LJ SIUC<ljU l'.aknz.iY<lllja podsusta\,i.!

Opi~ j rmJ hid:"(lencrgc/skiil p(l~lr{ljC:lj(l

6 I

I' i

SI. g 1. Hld:- shell!!! j7!!stl"(:ienjo lIitin di'klral1i'

1- iUrhiff:f

2 - ('(d:rm,~'(,!!(TO{Or

.) inm'./i .. nni!OI"

.:f ;:d\·UI)

5 i\"{Jus! node (j-di7,·i1icr! 7 - SArI _. \.!i\"{:/. {/lllniliUf.\·h'i: IIPl"fll'ljllni({

8 SIII'·· \"Ii 1(11" (-!(is{i!ih {loire/I(! i) _ CUS '·;·nlihji Iip/"{w(jilNi \·/Il'{m·

15

J() - SU \.l!"/{Ii" rrhudr: } 1 S'K[} - \"lIs/t!{· I/Olhnl"1.I u!,rm'!i(l/~io

12 - SZ - S/lI·/OP 2/"{//.:0

/3 - S'V - XI/STOP U(!t/c

14 - 7(1\"[1I/ (/.\"/,iriilnra

) 5 _. ni.wki lW/)()11

l(j - ORf> - ntl"!"·('nn ruaUdI/o /)()Slrojenje

//" - d vod. Iliskog l!oprll/(1

87

::Ulpnl;)!~kog 1l1'Dvlj:111j!l, /;I<;llTWIll se spreCa\·,l]olll postrojenja HE. Zasuni difu/.orskih cijevi

sllJ/.c Zit pf)ln:~hl', rcmoJlin kada se iz lllrhin!l pusla voda.

Dizalicc HE (icdna iii vise) sluzc pri rC!llonlnil1l iii lll(ln::r,-nim radovinw llil agrega\u i dn!g(lj oprcmi. Njihov!l nos!n,s! J))(lnl il'.llositi vise od {dinc n;ljld.ih dijclov<\ agn:gala tur

bine. Ponekad, radi lakscg Ordli~ivanja manjih skJorovn, HE raspoJa:;.u s vise dil'.alicu nJ

zlicitih nnsjv(\s!i, Mec1u lu "prcmu Ilhraj,lju se i r(,Tllonlni 7.:1(1(\l"i cJil\'odnog POdsllsIH\'a. Mc

h~\iliN:.r~.i n(lrcmi pribranslw HE pril',:dil dizalica pnnlOcll k(l.iC sc cis1c rcsctkc i poslrojcnja u

{J(lvodnmn dijclu pudslislav:l.

HJLlIWCh'E!I.Gf2TSKA POSTlW]ENJA

8.1. Pomocna postrojenja hidroelektrana

Po~sust~lV. mjesnc opskrbe vodom, podsustav opskrhc stlacenim zrakom, podsustuv po~mazlvanJa I podsustav odvoda vode i1. protocnog dijcla turbine jcsu pOl11ocnu posu'ojcnja HE. Poclsustav opskrbe vodolIl poseban jc pumpni sustav s tlakolIl od I kPa do visokotlacnc instalacije tlaka 20.0 do 25.0 kPa. Podsustav opskrbe vodom sluzi za hlaucnjc izmjcnjivaca

-- r!ocni $ustov ~ povrot vade

14-

I

11

13

Sf. 8.2. Shemu op.lkrhe codon! n;.;regutu HE i fruflsj'OrJlW{ora 1 - dOL'od L'odl' 8 - i;)/!il'njivuZ; topiil1l' getleratom 2 - pUlIlpe 9, 10 - tlaeni ru.lh/adni knlfioui gellemtora 3 -·fi!tri 11,12 -spiru/na rash/ocilla tUda 4 tlacni .I'1I.viae 13 - po[)rat vode .5 ... tmn.ljimnalol" 14 - don;i feZaj 6 - spojka 15 ~ <~USillli 7 - gom)i lda) 16"- i.\]Ji/st vode iz turbine

Opb I rat! hidrocnergdskiil pu~trujellja il9

topline agrcgata i drugih postrojcnja, Posrcdno se zral:oim izmjclljivaCirna lOpline iliadi agregal i podsuslav tirlstorskc uzbudc gClh.:ratora i uljni omolac transfonnatora. PouSllsla\' opskrbc vodom mora raditi bcsprijckomo, jcr 0 njemu 0\,151 rad HE. Rezcrvna opskrba vodom stoga mora biti predvidena, a fi[trl osiguravaju Cislu vudu kako porast olpora ne bi bin uzrokom lose funkcijc podSLlSl:lYrl (sl. 8.2).

Podsustav stlacivanja i razvoda zraka moze biti niskog tlaka 0,8 MPa (agrcgali za koccnje, podsuslav hidraulickog upravljanja i nauzora, i dr.) i visukog llakh 2.5, 4 JJ iIi 6,4 MPa. Ovaj drugi sluzi stuniCll sprcmr.ika uljnib i hidraulickih rcgulator;.:, zracno dektricnim iskljuctvaCima, odvodu vode iz radnog kola pri prijevodu na rdjrn sinkronog kOIl1pcnzatora).

Po(hustav Jlodmazivanja opskrbljuje uljl:11l dijdo\'c i ~klupo\'c HE postJ'ojl:nja za potrcbc podmazivanja (tc2.ajcvi i dr.) i pUlrebc izolacijc (transfonnalori). Sastoji 5C iz dovodnih vodova i oclvoclnog upolrebljcnog ulja kojc sc vodi kru7 filtcre za Ciscenjc (51. 8.3).

Sf. 8,3. Shel1l(l ill.\!a!r.k·!je zl1/)oc/lIlu::inmjt! J-U: eefi/.:e SIWfil! j, 2 ~ dow/.: u(ja 5 .- [larlJa IN).HaL u(in 7,(1 {t.:;\{j,;u·

3 ~ sl'f"t.:fl!nil: !lUn 7 -- r!a{ni .1{HYlJlni,:i

4 ~ sen'()lIIoiof" turhille!

Podsuslav za odvodenje vode iz turbine i difuzorskc cijevi za pOlr~be l'elll(Jula sasloji SG

iz pumpnog agrcgata, cijcvi, zapornih organa. sliYllug sabimika i dr~na/'ll(jg postrojcoja za odvod vode (s prcciscavanjcm). U roku od 4 do 8 sati fada HKla S0 ud\'cck jz lurbine.

PrOlupo/.ama i sanitctska postrojenja muraju imali ncovisan cncrgc{."ki iLVor. Protllpozarna postrojcnja za gasenjc clcktricnih instalacija kOl'ist~ pjcllusas!C smj~sc.

8.2. Vanjski podsustavi hidroelektrane

U v<lnjski podsuslav HE rnogu se ubrojiti ohjckti za sKupljanjc, UU\·,)(lcnjc i udvodcnjc vode elektrani, tc clcktricni podsustav L.a transrormaciju i raz\'lxl clcktricm: slrujC.

U ovom ce sc pogla\'lju ubradiv;lti ncke izvedbe branskih konslrukcija, kao i rror<lcun cijevnih vodova kod HE dcrivacijskog tipa.

g.2.1. Opis hranskih postfojenja

Brant: ili '/.nrrckc :.:JU7.C za skupljanjc i podizanjc razine vode. Brane mogu bili izvcdene prell)!) varijnl1tnrr1il (1. do IV) na slici RA kojim<J se Z:!Slnj \'ode postizc !lcpornicnol1l ZilprckOHl. Pomlcni dijcki'j mogu st: mica!i izmcdu ncpomi{:;nih SIUPOVil kada 5C zasl(~i vode mozc

sllwn.iiti jlj rOni;;!!1i. R:vina peed hranom ogJ';mic;cn;lje nwhimalno dopustenom kotorn. Kod nt']'omir-nih brana \'O(1n se n(]\'(ldi preko kol(' P0ll10CU preljeva cijclom duz,jnorn iIi na dijelu dui.inc hrane. Post(l.i'~ knnc:tnrkcijc S pClmicnim dijdovinw gnrn.ieg mba hrane za veee ndvo(]eIlje vodc.

Slruj:lrllica HE pont:l~ad sc ugradlljc II vdikc rnasivilc brant' puput vari,ianlc III. i IV, iIi iZlllcdu rchrcnic;1 kn)lSlrukci.ic (";Iri,i,!!)!;) I). To mogu hili agregati od po 220-230 MV/\ il1-slalirane ~n;lgc, koji rade prj tlaku uti JOO III s.v.

TUi'h!11';I\(l-~'CJKT;ll()rski agl'l:gnl u HE lipova ()Pi~;llljh \l pog.!avlju 4. sm,icSltl sc okomi[o. fJiO,!! (\:g;) .~!) r'(ltrch)c "cJjke: \·j·;inc f,,1 s\ro.inmicc. U l1ovijl' dob,) gr,ldc sc VOdOfil\'nO puSla\'· !,i,;!)j ;It:J\'/::,:!ti II ("ijn': !;) (\ju sc grddnju cijvlw gradcvinsl:iIJ radova ~;ni7.ava i do :'i(YX· \I (Jdn()~;u

pren],) ';pic.::lIlilll k);,hi(nilll i/y,;dh;Jil11. Ci,ievni lip n~lllr,da gradi sc 1,;1 111<1lc padove 20-25 ill (.';j, 3.4). :\gl·~'!:'.;llj Sil n:i.ib.«l' 1:IIV()!"( Ili II KP{i:;HL kaj1suli oblika krllskc, gdjc hrtvl,icnjc lllm;1 i)ili l'1C"prijck{1H)n rijcsl;n{l.

H.2.2. CijCYlli dCr!Vilcij:~ki podsm;lav hidrnclcktnuIC

j)()vod v(ldc \urbiniill1a HE o!;adj:l sc l1<1j(csC:c :-;uq;t\'om ci.kvi, nild7t~mnill1 jli podzcm

nil11. Ol'h r·c{-,~n.i(~ l'l\d~u:-;(;l\ it ci.i(''') pol,ide oel ~ila !((~i(; <..:(;drw djc.juju: llPlllarnji tlak vode, ukl.iw\n,iuc"i j Po\'c(unjc ud hi;!J:HrJi~kog: udar(l. vlas!il;) tCl,ina cijcvi. \cl,ina vode 1I cijevi 1('

9]

tei.ina dijclova spaj;m.ia S osloncima. Tome treba dodat] sile tfcnja 11 osloncima i k()mpcnza~ lofima. U pc)\'rcmcna oplerecenja cijevnib vodova ubrajajll sc sile uzrokon\nc clinamiCkim poraslom tlaka u cijcvi prj poreme6:~iu facia regulatora turbine, pri monlaZl vodova te pojavi zemljo[resa iii C\'Cntualnih snje2nih nanosa.

Svc 5C 5ilc analiziraju S obzirom na komponcntc: aksijalnu, okomitu nn os i radijalnu.

Tlak nB slijcnku cijcvi

Na sliei 8.51 prika7.an jc pres,iek a-a 1I kojem djeJujc llak H,j' Poras! dinamickog !lab 7,<1

promalrani presjck jes! .0.I-l. a llkupni B rr. dodatkom stalickog tlaka B'I

Ha:::::; H.II + L\H . (8,1 )

Tlak vode Po n;l unnlilrnjoj povrsini s!ijcnkc eijcvi jest

(8.2)

p - gustOC<1 vode f,\, - lI11lJtamji prolnjcr cijevi q) "- kut n:liiha cijcvi prcmll horizonlll (:( - prune) ok(1rnici prcsjeka (sl. 8.:-; m.

] ' '1'1 j)' I-I "" 'j" ' I I I] (od veliklh ])a(\o\'<1 a rclallvl1Plllil J I IJ IC ~D ,-I '> 0 '0. a spec I ICl1l 1 a (PI);::: p g - U' • II ('os ()

Prollla\rajuCi djclov:lnje sila na polo\'icll prSlcna (sl. B.:'iJI), one cc il.nositi

kud l<lllkostijcnih vodova llzima se i5:;o 0.1 Do. cr' .

Po Hu()ku poprecfHl .ie ddol"macij,l 1:::1' = [f i lmiu).n:l dcform:lcija

gd,ic .ic !.l -- km:ficijcnl Poisson;!. Od',;,i'.'(;ci ci.k\'i izlnzcni su skra(:enju jli pi :1dll:!.cnju

E - 1l1udul claslicnosli malcri,ial(1 L duljin;l cijevi.

(8,3)

(XA)

Prj\,',)' :l!'jC1l1 presjeka cijevj j,aSllnOlll. sli.icdi clndaln;) aksijalna sjla F" od kojc i naprc7.a

njcu,

Jr D~ r = fl 0 H ... ~ .. -.-x I· C H 4 (8,5)

II

a

IV

2 _-c--I-'

I I i~1 \id.

Sf. 8.5, Shenw za promhm c':e!itnof,; voilu za privod mde HE J - !in~ia pmru(;wl.d:og tlu!w 3 - krill' kOnlfJl'lwUom

2 - osfunci (lnkera

7[ D 8 popreeni presjek cijcvi.

Srcdnji promjcr cijcvi D ;;;; O,S (Dl + Do).

Aksija!na sila koja djcluje na kompen/,[ltore kao na sUei 8.S.(3) iznosi

Aksijalna 5ila na konfuzoru (s1. 8.S.IV) iwosi

';' Hd + H~! 1[ 2 2 I'k z P g '---2- :4 f(D'o) - (D",,) 1 ,

H'~ ~ proracunski unutarnji Uak vode na kraju konfuzora kod Dr)'

III

(8.6)

(8.7)

(8.8)

Opis i rad hidr"cJlcrg::l~,},:il pustrujC:lJj.l

Silc na savijcnolll dijcJu cijc"i (koljcna) 51. 8.S. m.

1[ D2 F';;;;p(rH' ~.....Jl.

k '" Id 4

p g H\", p g H:;." - racullski tlakovi vude u presjccima ulaza i izlal.a koljcna.

Silc tcline vode i vlastite tezine cijevi

Nil sli<:i 8.5.V kompOllcnte u praVCll osi i okomito na nju od sile [czine jcsu:

Oxv ;;;; Gv cos (p

O/.\' ;;;; Gv sin (i)

Gxc := C;C cos ~

Gzc := Gc sin ~l.

93

Poprccan prcsjck cijcvi promatran na dul.ini L k,J(I [h):,ilC (s1. 8.5.V) izlo/_cn.ie ncpn:kidnOIll optcrc{cnju q od tdine vodc i tdine cijevi koji stvaraju napn'::J::dljc oc! savijanja

lVI, moment savijanja \V - moment olpora.

Dje10vanjc tcmperalurnih si!a i sib lrcnja

Vanjski vodo\'i HE zbog tempcr:ltuIT!ilJ razlika i7.\, i.en) c'u i/'obiiccn.iu uvi"no 0 prurnjeni lellljlCralUre

(11 -- kodicijenl produ:l.cnja cclika

Ako u cijcvi nisu ugradcni kompcnzalori. tada sc j<l\'Jj;ljU n;lIlCGZanja

i sik u pravcu osi

Ako su II cijevi ugraJcni kUlllpcllzatorL silom lrcllja 5C odrc(1uju aksijaillc silc koje djcJuju na pomak dijda du:1.inc kOlllpclll.alom.

Siln lrcnja na oslonCll cl.i.:\"i iznosi

H!J)JWFNEHGETSI<A POST!{l)JENJA

iii

C',]i , " - normillna kornpnnenla lc7,ine vodc iIi cijevi koja djcluje- na duzinll cijevi li r - kocficijcnl lrcnjil izmedu cijevi i oslonca :::: 0,05 -- 0.1 (za kratke oslonce)

11-<,11,;. Ii]] - koeficijenli prenptercccnja (nominirani za dani slucaj).

Aksijalna sila trenja na kompcnzaloru

CL - kocficijcnl lrcllja kompenzalor -- cijc\' hi; - dllzilla iSjlunc korllpcn~,alora JlI'l - kocficijC!ll prc()plcrc6:nja.

Ispunn sc J]lo!llir,l siloll1 koja slijcdi lZ PI) ;::: P g Bo.· Si1a lrcnjil vork II <;mjcru slrujanja u ci.icvi iznosi

hw - "j':;1na gubilaka tlaka.

DjcloVillljC ccnlrifugalnc sile

J[ f-1) F'::,::,pllb ._-

t, - I;:' W 4

Ccnlrifugalna siJa djclu.ic na lckutinll koja slruji tl dijclu s<lvijcnc cijevi na poJumjcru I.akrivljctlosti (s1. 8.5.VI) i povLsinc Ao ;::: 1[ D0/4. MasH clementi] lckuCinc dill ;::: p A" r 1\4).

Ccnlrifugalna si!a na eJemenlU masi

Ukupnil ccn!rifugaln(l si!a iest

J.!

_ 'f 2r Ao \,2 , P p 1[ D~ \,2 . P I'e:=: 2 elR cos q) c::---g-- s1l12""~~-" sln

2·

"

Osim nabrojcnih sila CijC\,lli vodo\'i HE mogu bili izlozcni sill vjetra, ldini snjczllog nanosa i sc,i7mi(:kim siJama.

9. Koristenje i odrzavanje hidroelektrane

Uvjcti korislenja HE u cicklroencrgelskom suslavu (ES) od velikog su znacenja, 0 cemu lreba \'oeli!! ractlna vet pri projcktiranju elcktrana. Projeklinmje transpOflnih sred~tilva kao j sreds!Ilv<l zaslile na radll trcbaju bili u skladu s pnslavljcnim llvjeliJnll kOlistenja HE.

R,ldni rczimi rada HE u sklopu sustava, odnosno grafikoni punjcnja akumllJacija Ie proPUSlf] vade i upravljanjc zarorima lrchl~iu hili vazni dijc]ovi projekta HE. Posebllu POZOft)OSl lreha posvclili nqalim suciionicim!.l yodoprivrcdnog gnspodnrs(V!l koji Sll unutar vodnog kompleksa: opskrba nasel.ia VOdOlll, ifigacijski sllslavi, p!(lvidha, llZgOj ribc j drugo.

Poscbno treba hili razraden projckl organiz!lcije koristcnja HE kao i slruklure i broja 7f1pfls!cnih slldionika u upr;wJjanju cleklranom i njezinu odr7:J"anju. .

Provjera svih POS!wjcn.ia It skladu s njihovim ctapnim ukljucenjcm u rad vaZilt1 je pOS111-

pal< koji osigurava siguran fad HE i njczino koristenjc na I1cpl.:miranoj razini prcmil lcrminskom planu ukljuCivanja urad pojedinih agrcgata.

Svodcnje gubilaka 11 10ku cksploa!llcije na planimnc i manje vrijcdnosti jec1na jc (lcl prvotnih ZadilCi1.

Osnovna zadaca koristenja HE sastoji sc u upravl.ianju hidroelcktranom II sklopu cijclog Es liZ osiguranjc sigurnosti i !r;~jnosli rada svih postrojenja.

9.1. Upravljanje reiimima hidroe1ektJ"ane II sk10pu hidrosllstava

Ovisnosl snage HB i njczine cncrgije 0 statnoj promjcni hidroloskib llvjcla Va7,]1<1.ie 7011

rad HE. Pri!om treba vouili racuna 0 zadovoljavanjll oslalih potreba za vodom unuwr voclnogospodarslvcnog kompleksa.

U okviru osnovnc zaclacc osiguranja osiguranc snagc i maksil1111ma energijc iz HE II

sklopu suslava treba J::jeSavali kompleks promjenjiviiJ zahtjcva nalazeCi optimalne m'jete rada HE.

UIOgll HE, tj. pokrivanjc osciJacija oplerecenja u Es treba stalno i111ali na Ull1U, m'azaviljuCi njihovc visokc manevarskc sposobnosti. Te znacajkc HE pogodnc za pokrivanje vrhova oplcrecen.i:1 opravdavaju konccpciju njihovc izgradnje, koja [ada smrl1ljlljc potrcbc za vcliki01 rczcrvama snage u TE gle(lc potrosnjc goriva. Manevarska sposobnost HE osiguravil n.iihovo puslanjc II rad vrlo brzo, za 40 do 100 sek.

Agregati HE 1l10g11 se korisl iti za dobivanje fcaktivne snage. Rijcc jc 0 fcz.i11111 sinkronog kompcnzatora agregata koji sc odvija pri potpuno zatvorenom spro\'odnorn kolu turbine, pa jc Q ;::;: 0, kada se kolo turbine okrccc u zmcnolll prosloru. Agrcgal jc zapravo odredena reZCl"\'a, .ier se 7011 svega 15% 25 sck moze prcvcsti u aktivni reiim s punim oplerccenjem. To jc ad poscbne vaznos!i U llsporcdnom radll s vjetroclektranama.

Koeficijent uccslalosti (KU) promjenc reZ:ima pokazuje broj llkljucivanja agregata u 1 satu (racnnajuci mel u rezervi). VeCi kocficijent pokazuje vceu prilagodnu sposobnost HE. Primjericc, ako jc KU 0,2-0,25, tada se promjena fcZ:ima HE odvija svakih 4-5 sali. Za KU

96 ril])r,OL\U{GET~I<.'\ POSTiWJr;:\JA

do 2 ukljuCivanje se odvija svakih 30 mintHa. Taj jc koe!Jcijcnt puno veCi za RHE centrale nego is Ii za HE. Za RHE KU se penje do 4 (ukapcanjc svakih 15 minllta).

Osiguranje tr;:~inosti hidrolchnlckih objekata llvjetuje polrebu nadzura racta i pOlrebnih rcmonta lijckom rada. Nadzori stanja bnmc (ckJormacija, l1LljXCLanja itd.) mogu sprijeCiti rusenjc i stetc (i ljudske zrlvc), koje Sli se vee dogaualc (1959. I'vlalpas - Italija, J976 - Titon - USA s Jjudskirn zrtvama). Kadzor tlacnih vodova, posebno mctalnih cijevi, nu7.an.ic zbog nazocnosti korozije kOjll treba odsu·anili. CisL'enje rcSetki na akumulacljskilll propu:;lima znaci osigllranjc polrcbnog protoka, odnosno energije HE.

9.2. Sigurnost i trajnost u radu poslrojenja hidroelektrane

Ispravnost teiwoldkog kompleksa HE (pribzitnog na s1. 8.1) osigurava njihovu sprel11-nosL za pustanje u rad i uptcre6cnj~, sto jc llajbolja potvrda kak\'oec poslfUjenja i njegova odrzavanja. Kocficijent goto\'Osti jcdna jc od /.na(;Qjki ko.ia pukazujc sprcrnllust POslw.jcnja za fad prema jednad2.bi (9.1)

2.: t, Kg ~ ~r-; L lr "" L (lro + tr, + IJ"J ,

T

gdjc .Ie In! - vrijemc rada pod oplcrccenjcm Lrs .- vrijcme rada rczima sinkronog kompCllZa!Ora tr; - vrijernc .~tn.janJa agn:gnt:.t u rezcrvi (za brzo pllstanje u md) T - kalenJarsko vrijemc sali u godini (8760 h) tr - raclno vrijeme.

(9.1 )

Iz izraza 1,1.1 Kg ocito je da SlO je agrcgat du7.c u remontu, odnosno stn.ie mall.ie 2:\ (vrije1lle II radll) to.ie manji Kg. Srednji iznos Kg za neke HE po navcdenoj lih:raluri iznosio .Ie 0,85 LI

1955. godini, a li 1976.0,91, da hi na po.icdinim He dostigao i bro.iku od 0.95-0,97. Povccanje tih kocfici.icnala osigurava sc pubol.isanjC:Ill kakvob: glavnih i pOlllucn.ih pU:-;lrujcnja HE.

VrsnLl izvcdba tckucih j gla\"llih wlll(lola jedan .Ie od bitnih cimbcnika 5igumosl i tn~jnog rada HE. Glavni (gencralni) rcmunti obadjaju se s\'akib 24 000 sati racla u gcncratorskom rezimu rada, sio kod srcdnjeg vremena koristenja instalirane snagc od 3 000 saLilgod. iznosi 8 godina (ranije.it' taj interval iznosiu 4 gocJine). Ali ipak kod HE sa 12-20 agregata :wake sc godine obavlja rC11l0nt jednoga od 3 agrcgata. Dobra meiwn!/,acija skracujc vrijemc remonta i povceav<J Kg. Remont! St; ll10gu ohavljati P011l0CU centralizirane organiz<lcije za niz c!cktrana, iIi rak u organizaciji svake clektranc POSdltlO. Prvi naCin orgaHi:;;:~lcije trcbao bi dill! bolju kakvocu i kracc vrijcme rcmonta HE.

Povccaniu proizvoduusti raJa dOpr1110.~C: razina obrazovanja kadrov<.t koj"1 llP{;iYlj~~jll hi~

droelektrano;n i remontnil1l radovilll<l nji!luY<l matcrijalna sLil1lulacija, S!Up~lll.i au!UmatiL.Qcijc upravljanja postrujL:njiul<.i J-IE i infonnaeijski sllstav svih podataka.

10. Ekonomski parametri hidroelektrane

Kompleks idejnog projeklil HE ukljucujc, osim lehnickog glcdista, obmdu ekotloIl1iCnosli kao kalcgorije koja biino lltjc6c na optimall;.aciju izbora dijelova j sklopovi.llurbi.nskug agregata.

U nastayku S0 navodc glavnc Locke proracuna cijeuc clcktricne cnergije, produkta HE. Ciji je sto nizi iznos ciJj probi!acnog rada centrale.

11,nos investiciji:ikog ulaganja u HE bitno utjccc na ci.icli proracun kao i ci.ictla kapitala (godisnjc otplate b!ll8.ta). 1nvestici.isk i ulug za HE!>l vara sc iz cijcne HE postrujcnja (gla\·nog i pomoenih) po kW inslajirane ;.;nagc, cijene graucviIlskih ob.ickala akumulw..:ijc:, privoda i odvoda vode te zgrada HE. Cijcna vo(1enja i odrzavanja elcklnlnc i svil1 ubjckata takoc1cf sc pribn~ja. Cista invcslicijska uiaganja siijcdc odbitkom cijcw.: prodajc amorlizimnih instalacija HE na kraju njihova radnog vij0ka.

Vecina hidrocnergcLskih objekata imaju visestruku narnjcnu. Na akumulacijski sllstav, osim HE, cesto su vezani suslavi vodnog goslllldarst\"a za opskrbu vodoll1 nasclja i ]10-

ljodjclstva. U naveucnom slucaju slozcne namjcnc treba razgraniciLi udio vodnug gosp()(.Lrstva u financiranju objekala razl1ljcrno dobivenim gospudarskim UClllcillla.

Specijlcna inoestidja

J _. ukupna investicijska srcdstva (Kn) PI) - nominalna snaga HE (leW).

O:Jena energUe

i ~ -.L (KlkW) P"

J lc=E" (KlkWhlgod),

E - srcdnja godisnja proizvodnjil energijc IkWh/god/.

(10.1)

(10.2)

Godisnji izdaci za vodenje i odrzavanjc HE nai::i.njcni su iz f.inancimnja raJa osohlja za vodcnje, odriavilnje, matcrijalnih tr()skov<l te troskova glavnill, tekucih i dopunskih remonta postrojenja. Tome sc dodaje iznos troskova za amortizaciju objekala. i postrojenja ko.ii ovisi o investicijskom ul0g11

Io:::: A + J u, (10.3)

u - koeficijent amortizacijc.

Ukupna sc cijcnH energijc dobije ako sc sa 10 oznaci kompleks troskova koji ukljllCUjC troskove za vodenjc i odrzavanje:

(KlkWh). (lOA)

H1DROENEI~OETSKt\ POSTROJENJA

Kocficijcnt rentabilnosti

lzracunavanje rcntabilnosti usko.ie vezano s cijenom proizvedcne energije (CE). Dohodak HE ovisi 0 njezinoj instalinmoj snazi te srednjoj godisnjoj proizvodnji energije. AIm se izracllnava proizvedcna cnergija (E) po lltvrdenim tarifama cc. slijcdi dohodak

(K).

S clobivcnom cijcIlom D izracunava se vrijcmc angaijranja kapitala

T=_J_ D-1o

ReciproCn!l wijcdnoSl dajc kocficijcnt rcntabiln(ls!i

D-1o r=-J-~

1 r=T'

Ako .ie, primj..:rice, T:::: 5 godina, lada jc r ::;: 0,2, odnosno 2()1;(,.

(10.5)

( 10.6)

(10.7)

Lileraturd

11. Literatura

1111. AnIon, Turhinc Hirirrm/ice, BukUfcSl, 1978. 121 I. Anton, Couitotie (U. dio), Bukurest, 1982. 131 D. Horval, Vodne turhine, Svcllcilistc Zagreb, 1974. 1410.1. Krivchcnkn, H.ydruulic Machines Turbines and Pumps, Moscow, 1983. \51 Gidrocl1crgeliceskijc stanciji (kolektiv autora), Moskva, 1979. 161 Lj. Pilie, J-lidmlllil'ki strr~ievi, SvellciJisle Split, 1983. 171 Lj. Pilic-Ra!:xldan, Hidmenergetska posfrqjenja, SvcuCilis!c Split, 1989. 181 J. Prcda, Centrale hidroelektrice si .I'lati de emnpOI'(f, lns!itut Politch, Timisoara ]978. 191 Proizvodni program ),Litoslroj({, Ljubljana, 1983.

99

II. DIO

AEROENERGETSKA POSTROJENJA

Ljiljana Pilic Rabadan Darko Stipanicev

Zoran Milas

KAZALO

Popis vazllijih oznaka.

UVOD ..

I. POTENCIJALI ENERGlJE VJETRA 1. L Brzina vjetra 1.2. Snaga vjctra . 1.3. Energija vjetra. 1.4. Literatura .

2. TEORETSKE PODLOGE RADA VJETROTURBINA 2.1. Pokrclna sila propeleme turbine vodoravnog vTaula ..

2.1.1. Silc i momenti na iopalici turbine po aeroC\inamic\(oj teoriji profila . 2.1.2. Promjena kniitine gihanja u ko1u turbine 2.1.3. Kocficijenl iSKoristcnjil energijc vjetra ..

2.2. NaCin rada turbine S omotnecm 2.3. Slrujanjc kroz okol11itll turbiou iza7;vano vrtlogom . 2.4. Strujanjc kroz okomitu lurbinu Lipa Darrieus. 2.5. Lilcratura .

3. PROJEKTIRANJE VJETROTURBINA 3.1. Izbor lipa turbine, pristup projcktiranju . 3.2. Dimen7ionirnnje optimaine lopntice.

3.2.1. Dijagram taka programa projckta optimainc lopatice. 3.3. Znacajke rada turbine nn v,ictar.

3.3.1. Dijagram toka za programiranjc radnih znacajki turbine 3.4. Radna tocka stlslavi\ turbine, osnove acrodinamicke regulacijc . 3.5. Tok projelnirnnja vjetrocnergctskog suslava ......... .

3.5.1. Ciljcvi projektiranja vjetroencrgclskog sllstava ......... . 3.5.2. Programiranje vjetroenergetskog Sllslava.

3.6. Literatura .

4. ELEKTROENERGETSKI PODSUSTAV V JETROELEKTRANE 4.1. Podjela vjctroclcktrana U odnosu prema elektroenergetskom podsus!avu 4.2. Gcncratori vjctroclektrana.

4.2.1. ISlosmjemi generatori . 4.2.2. Sinkrnni generatori ... 4.2.3. /\sinkroni generatori . 4.2.4. Smjc,~!a.i gencratora u vjctroeJcklranama .

4.3. Literatura . . ......... .

5. PODSUSTAV VODENJA I NADZORA VJETROELEKTRANE 5.1. Zadacc vodcnjil i nadzora vjctroclcktranc

5.1.1. Rutinsko voc1enje vjctroclcktrana. 5.1.2. Voocnje s ciljem optimiranja prcncsene snage .. 5.1.3. Sigumosni nadzor yjelroclcktranc 5.1.4. Radni nadzor vjetroelcktrane ............... . 5.1.5. Biljeienje i7.mjemih podataka. . .............. . 5.1.6. Primjer ostvarenja zadaca vodenja i nadzora vjetroelektranc .

103

· 105

..109

III 112 116 117

118 118

... 121

· .. 121 ... 122 · .. 123 · .. 125 · .. 126

· .. 127 · .. 129

· 131 · .. 131

· 134 136

. .. 139

. .. 139 14() 140

141 . .. 144

145 · .. 146 · .. 149

. . 152 · .. 154

· .. 15S · .. IS6 ..160

161 · .. 162 · .. 163 .. ]64

104 AEROENElWETSKA POSTROJEI'<JA

5.2. Aerodinamicka i mehanicka nacela vodenja i zastite vjetroelektrane ....... , . , . 166 5.2.1. Pode.savanjc polozaja kola spram smjera vjetra. . . . .. 166 5.2.2. Zastita ad pobjega.............................. . ..... 174

5.3. Provedbe zadaca vodcnja vjelroelektrane. . . . . . . . . . . . . . . ..... 184 5.3.1. Vodenje vjetroelcktram: pri fadu oa mrezu. . . . . .... , ... 184 5.3.2. Vodenje vjelroelektrane pri autonoIllnom radu , , ..... , . . . ...... 194 5.3.3. Vodenjc vjetroeleklfane u hibridnim autonomnim sustavima . . ..... 205

5.4. Literatura ... ,.,.,. . ............. , .............. ,...... ..... 209

6. KRITERlJI IZBORA MJESTA RADA VJETROELEKTRANE I UVJETI PRIKLJUCENJA NA MREZU 6.1. UVjeti prikljucenja vjctroturbinskih agrcgata oa rnreZu

eleklroenergetskog sustava prema danim propisima .

7. PUTOVI RAZVITKA SUSTAVA NA VJETAR. GOSPODARSKI KRITERIJl 7.1. Putovi razvitka .. ' 7.2. GOSpOdlUSki kriteriji .

7.2.1. Uljecajni cinitelji na cijenu cncrgijc vjetroelcktrane. 7.3. Literatura.. . .... . . .... . ...... '

. .. 212

.. 214 ... 217 ... 217

.221

va:rJlijih o/naka

Popis vainijih oznaka

A - povrsina kola vjctroturbine Ar, - povrsioa repoog stabilizatora aj, 112 ~ inducirani faktori a B C

J i

K"

- brzina zvuka ~ broj lopatica - kapacitet llzbudnog kondcnzatora - koeficijent otpora, koeficijent llzgona - koeficijcnt momenta optcreccnja kola

vjetroturbine oko osi stupa - nominalna vrijednost kapacitcta - koeficijent soage - koeficijent oboctnc sile - koeficijcnt aksijalne sile - koeficijcnt poprccnc sile na kola

vjetroturbine - promjer kola - specificna energija - frekvencija gencratora - faktor vrsnag gubitku - aksijalna sila turbine - tangencijalna sila - ispravljena struja generatora pri

autonomnOIll radu - istosmjerna struja - struja uzbude sinkronog gcneratora - struja generatora - slruja oa izlazu istosmjerno~istosmjcrnog

pretvaraca - struja oa ulazu istosmjerno-istosmjernog

pretvaraca - moment [romosti mase - prijenosni omjcr - koeficijenl brzohodnosti (vrsni omjer

brzina) - duljina profila lopatice - moment torzije - moment torzije generatora - moment torzije turbine

F

F

N N

A A A A

A

m

Nm Nm Nm

lO5

106

Ms N

P p()!,:

PK PN PHH1 \

_. moment torzije kod kojeg sc razvija optimalna snaga Nm moment samopodesavanja Nm

- prijenosni om.icr muJtiplikatora - broj po!ova generalora - nominalna snaga generatora W - knrisna snaga predana tcrctu \V - nominalna snaga turbine W - maksima!na raspo!oziva snaga

vjctroclcklranc \V - minimnlna snaga gubilaka II sustavu \V - snaga pri k(ljoj dolazi do prcspajanja

gcneralora \V - <iktivna snaga rolorskog kruga general ora W - aktivna sl1aga slalora prcdana mrd,i \V - polumjer kola m

pcloznj prcsjcka Jopaticc m raclnL opleretni aLpor gcneratora pri llutollomnOI1l radu N

_. klizanje asinkronog generaLora (s ;:: - Rcynoldsov broj ""' wijcmc - ubodnil brzina

l-(f)/w,,)

U; - napon na izlazu istosmjcrno-istosmjcrJ1og prcl\'araca V

Uti - napoll na ulazu istosmjerno-islnsm.iernog prC!vUrilCa

- ispravl.lenj naron gcneral()ra II aulonomnom radu

VJl:~ - regulaci.iski l1[1pOn uzhude sinkronog

\

w x, y. z L I' z~,

ZII

U

(:(1

VI,

C'-max

un'l' p

generalura - brzina vjetra -- granicna bri'.loa vjetra, brzina

iskJjucivilnja - reblivna brzin,l vjetra .- ko()rdinalnc osi ... visinc [lad tlom

pararnctar hrapavos!i - Inn naslrujavan.in rC]:llivtlc hrzinc - klJ! rcgulacije izmjcnjivilca - kut rcgulacije isprJ\"ljaca - maximnlni zakrct repne povrslnc - kUl zaJucla rerne povrsinc - poslavni kUl lupaticc - koni(:rl(1s! kola

)'{ - kut nllgiba osi vrtnje kola y~ -, kUI zakosa vjctra llt; ... "tupanj djclovanja generalora

v

v

111S-1

111S-1

l1l

m111

AEROFNr;RC:ETSKA POSTROJENJA Popis vn!.llijih o/rwka

~p

11.1

i,

vii" v,

P (j

~ (J)[

(P OJ

Wnl

(t)i;

OJ.,

- stupanj djelovanja prijenosnika snagc - stupanj djeJovanja pogonskog slroja - kocficijent napredovanja - aksijalna, obodna inducirana

kamprmenta brzine - gustoca - »krulost« kola - kut reJ!llivne brzinc vjclra -- U?buda generEltc"lf:l

kut zakrela pri vftnji lop,lIice - kull1E1 brzina vrtn.ic

- ulazna brzina okretanja - izlazna brzina okretanj,,-- sinkronil brzina okretanja

107

Uvod

Koristenje energije vjetra za pogon napravil za navodnjavanje iIi poljopriwedu postojalo je prijc Krista U starih dvililacija Kille i zcmalja Srednjcg Istoka. U 17. stoljecu vjetill' se iskoris[avao u Europi, au nas polovicom 19. stoljeca. Molori na vjewf, nazv,-Uli U HUs \jctrenjaCct.ma, razvitkoOl telmologije poprimali su razliCite oblike i mijcnjall materij,Jc od kojih su bili nacinjeni. Mcalltim, gJcdajuCi unatrag, vjelroturbinc (VT) ne llspijcvaju bvalati korak u razvilku s vodnim i parnirn lurbinama, iako u razdobljima svjclskih ratova spa..~avaju gospoo~u'stya llck.ih zcmaija od potpune oskudice cncrgije (Danska, Nlwzcmska, bivsi SSSR). Vdik powi1iak \:jclroturbinamd meli njihova koristcnja nastupijo je pucelkom scd:lIndesetih godina kaela je skok cijena nanG naljcrao svijet da se vrati svim obnovljivim izvorima cncrgijc i njibovo!l1 korisLcnju s novim mogucnostjrna koje pruzaju Sllyremena znanja j tehnoloski razvitak.

Razvitak pOlrcbnih tchnologija za izgradnjll vjcLroenergetskih postrojcnja u zadnjih deset godina, u koji.ie II svijetll ulozcno vise od 3 bilijun<l dulanl., omoguCio je Ja sc danas vni oko 20000 Yjdroturbina, kojc u elcktrosustadma gcneriraju clektricnu cncrgiju po g()SPOdiU-~koj cijcni. Indllstrija vjetroenergctskih poslrojenja 01 \'orila je 16 (lOO 1l0\·ih r[lllllih mjcsta u I.efllIjama proizvodaca i kori5nika, posebno Kaliforniji, Danskoj, Nizozcmskc:i i drugima. Tome doprinosi porast proizvodnjc vjctroagregala, posljedica cega je pad cijena vjctrogencrarora (u posljednjcm desetljecu sa 3131 na 750 $/kW).

Strojcvi na yjetar sa svojom tehnlckom spremnoscu za md od 95% i faktorom kapacilivnosti veCim od 30%, mogli bi uskoro proizvoditi cnergiju po nizoj cijcni od klasicne termoelcktranc, ako se uracuna cijena zagadcnja okoliSa TE, navodi se u litcraturi kojom 50 sluzlmo.

Preduvjet koristcqja ~ncrgijc vjetra jest raspoloziva cnergija odrcdcnc razine. Rezultati abrade raspalozivih potcrlcijala vjctra u Europskaj zajednicl pokazuju tri puta veti iznos od sadasoje potrosnje elcktricnc encrgijc u EZ-u iz klasicnih izvora. Osla10 manjc raL;vljcnc zemIje, koje su po potrosnji elektricoe energije na dou Ijcslvicc, magIc bi, koristeCi encrgiju vjclra, bilo u autooomnirn iIi intcgraillim Sllstavirna, poboljiiat.i svoje 0nergclske pot.rebe.

Padaei a sirenju vjetrodckrrana u preostaLim zemljarna Europe (Spanjolska, Grcka), Azije (Kina, Indija) i Australije, pokazllju kretanje 1I tom smjcru, SIO ujcdno otvara vcliko trziste za proizvodace.

Aka pogledamo kartu vjctrova Europe kojuje izradila EZ, u njoj nijc obradcna Hrvatska. No, nasi podaci, iako ncpotpuni, govore Ja su potcncijali u nas, poscbno na Jadranskoj obali, na razini srednjih europskih, a manjak. potrebne encrgijc daleka .Ie veCi. Jedan od glavnih motiva za koristenje energijc yjetra razvijcnog svijetajest zastita okoliSa. Danska, primjcrice, svakog mjeseca u izvjestaj 0 radu syojih VE unosi vcliCinu polucijc iz termoelektrana, kaja je manja proizvodnjom svakag MWh II vjetroclektfanama. Premda .Ie ukupna proizvodnja u VE treoutno skromna planira se porast do 10% udjela do 2030. godinc u Europskoj Uniji.

Da bi se ostvario program koristenja cnergije vjelm (sa EU) asim potcncijala, palrcbno jc poznavanje tog podrucja i odlucnosl za investiranje u vjctroclektrane i to U koopcraciji sa svjeL<;kim proizvooaCima, .ler je to najbrzi, a i gospodarski povoljan !laCln.

Drugi dio oye knjigc daje temeljna znanja 0 vjctroencrgctskim posU·ojcIljiHla.

1. Potencijali energije vjetra

Vjetar, odnosno strujanjc zraka, nastaje zbog n~iednakog rasporeda i akumu!iranja (0-

plinskc energije Sunea na razlicilim geografskim sirinama. NajaCinu vjetra osim recenih to~ plinskih utjecaja djcluju i porcmccaji u vanjskoj almosferi makrorazmjera kao i svojstva i topografska svojstva tcrena preko kojih slfuje zracnc mase. Zbog tih u~jecaja oa brzinu vjetra jzracunavanje njcgove raspolozive energijc vcnoo je sa statistickom obradom podataka ancmografskih mjerenja brzina vjelra u dUlcm vrcmenskom razdoblju 8-10 godina iIi prema ne~ kirna 3-5 gOdina.

Kada jc u pitanju postitvljanjc agregata velike soage pouzdani podaci 0 potencijalima vjetra bili hi ani dobiveni oa mjcslu i visioi montaze VT agregata.

1.1. Brzina vjelra

Strujanjc vjelra m~iceScc je nestacionarno, zhog cega je neophodno obradivati anemografskc podatke (srednjc satne vrijednosti) pomocu kojih se dobiva vjerojalnost pojave odredene brzine vjetra. Zato je odredivanje razdiobc llcestalosti brzina vjetra od velikog znacenja za obradu podalaka mjerenja. Od postojeCih teorcrskih razdioha opec jc usvojena Weibullova razdioba brzine vjctra, prihvacena kao dobra metoda za procjenu vjerojatnosti pojave vjetra odredene brzine na danoj lokaciji. Osnovni oblik dvoparametarske Weibullove razdiobe pokazuje sljedcca jednadzba

c - m/s k

- pmametar I11jere - parametar oblika

Funkcija razdiobe za svc brzinc ima ohlik

FCv) = 1 - e-(v!c)~

(1.1 )

(1.2)

Na slid 1.1. i 1.2. prikazanc Sll krivulje ucestalosti brzina vjetrova za dane c i k vrijednosti odredenih lokacija.

Anemografski podaci brzinc vjetra koji biljeze srednje satne iIi dcset minutne vrijednosti brzine \'jctra statisticki se obraduju u sroonje mjesecne, sezonske i srednje godisnje vrijcdnosti.

Izracunavanje srednje brzine vjctra za neko razdoblje T = 2: tj provodi se prcma fonnuli (1.3)

%0

200

150

100

50

C=5,0 m/s k""1,84

153,7,

AEROENERGETSKA POSTIWJENJA

parametar oblika k=1,2189

paramolar mjere (=5,5656

o-I-LLll+J-li 1::;:3s,="--~~ o 5 10 15 20 mls 3,35 7,95 13,85 20,75

SI. 1.1. U(;esulos{ brziflu IjetroF(I lUI 10 In ci.\ine za odreilellli lokacjju sjr::vel"ll(: Ellropt!

SI.1,2. [./[:esWiosl hrzillu t!ielra Split (Mar:Jan) lIa 9,64 III l'i.l'im:

(1.3)

Prcma navedenoj litcraturi autora ove knjigc, uvedcn jc pojam srednjc cncrgctske brz.inc vjctra, 0 reml! ce biti rijcci kod projektiranja VT, a definicija se prikazujc u poglavJju 1.3.

Pomoctl ekspollcncijalnih zakuJl<l oorcQuje sc promjenu bf'f.ine vjdra s visinom, premaizrazu

(1.4)

gdje su Zl i Z2 visine nad tlom u ill, U srcdnje brzine vjetra, a eksponent p oJnx1uje 5C izrazom

I p~-------

In J Z,~ ~,

(LS)

u (1.5) Zo je panunetar hrapavosli tla u 1m I, koji se mijeoja u skladu s vrstom terena, Taka se prema navedenoj literaturi vrijcdnosti za ~) krecu od 0,0001 za povd;inu mirnog

St. 1.3. Prikaz luella podmlja Cape Verde (California) digilalnim flu/em

Pmcw::ijali encrgijc VjClHl 113

mont, ~) :::: 0,35--0,5 za posumljen teren, do Zo :::: 1,1--3 Iml za vdo brJovit [cfl::n. U tabcli 1.1. prikazane su te nijeunosti prerna Jansk.im izvorima navcdene literature, a na slici 1.4, lljihov utjccaj na promjenu brzine vjetra.

m/s,-____ _ 7 -

6 ~ __

5

4 - CL3

3

2

Sf. 1.4. Proll(jena hrzine l~ielra s pmmjenolli orsle /erena!IL1 uislni od 10 !II i ltJaljel/D.\li (jd o/Ji.lle

Po logaril<11m;kom :I.<lkonu brzina vjctra U2 na \'isini Z2 izracunava sc POI1l()Cll poznatc Ulna visini Zl za hrapavo::;t Zt) prcma formuli

(16)

Tabcla 1.1.

1z podataka za hrapavost za dani teren moze se napri1viti promcun.i za planinska poclrucja do. 10 km duZine. Na brdovitim terenima, gdje visovi planina uv.leulju porcllH;:Cajc !laka j do

114 AEIWE:-.JERGETSK/\ I'OSTROJENJA

poJovice lroposfcrc (ako se protezu viSe od 10 km u horizontali), slvan~ju sc slozeni sustav} vjctrova. Za takvc pfilikc poslavljaju se matematicki modeli kojima se opisuju sJozene konfiguracije i njihov UljCCi\i n<l porcmec;~jc slrujanja vje!f(wa. Dobiva S0 digilaiizirana sHka tcrena koja 5e korisli za numericko modcliranjc izracunavanja polja strujanja vjetrova.

Slika 1.3 prikazuje primjer takve abrade 7.a rodrucjc olocja Cape Verde.

1.2. Snaga vjetra

Prcma mclndi srednjc brzinc vjctra, koju bi vjc1ar mogao predati jedinici povrsine diska turbine, izracunava se prema iZfazu

1 P ~- P y' IWIm'I·

2

U izrazu je p gustoca zraka Ikgm"\ a v/ms- l srcdnja brzina vjelra,

(1.7)

Specificna snaga vjclra .ie, dakle ovisna 0 lrecoj potcneiji srednjc hrzinc, Izracunavanjc snage ".ietfa mogucc .Ie i pomocll tcorcLsldh fa7dioha tc lahcla kontigencijc, odnosllo lrajanja hr/.ina vjelra a prema jednadlbi

I' 1 ; Ii 3) >~2pc II +;; [Wlm2[ (1.8)

gdjc jc r - g:ll11a fl.lnkcija distrihucijc, Gllstocn zraka odredujc se na temelju sezonskih i godisnjih Yri,icdno<;ti apsoitllnc temperature 1'" !KI j tlaka zraka p IPai prema izrazu

0,3484 P P~--T-·· Ikg/nr'i ' ( 1.9)

Teskota U odrcc1ivanju pOlencijaia vjc1ra na nekoj zadanoj lokaciji i visini, aka ttl nisu obavljena "isegodL~nja mjerenja, svodi sc nn upotrebu metoda interpo!acije n<l temelju padaLab meleoroloskc stanice i isrra\'aka za dani tcren i visinu, Tc se mctode mogu koristiti ako ni<;1l v(',likc ra7Jike terena zaclanog mjcsta i poloz,aja mctcofoloske stanice, U Europi se koriste tl.\,. dnsovcn1« mapc u kojima sc l1a bazi lih lokalnih podataka (slika 1.4) ucrtavaju erte, krivulje jednakih hrzina vjelrova na visini od 10 m lc unose brzinc vjetrova na udaljenostima i po \'i,~c kilome!ara. Kaleo wsla lerena utjece na pad brzine vjctra, odnosno omjera cnergije v.ielw, moze se \'idjeti iz literature i slike 1.4. navedene literature.

'I'abelii 2. Potrncijali vjt'tra nr:naccni!i mjeS\ll na visini od 10 m

V(lcoroh~ki1 s·!;mic;! ! Topog:r{lf<;k·;···;;;)ciu-·;---- . -'''"-1 Srednj;;--~~!i~nj:i i:lf1.irlll r Srednja :~-(~;li;;nj<l snagu

.... ~,_~~ __ . . __ !_~_~__ __ I__ J<nc=L __ i __ I\Vm-.~21~ __

!~rnac. _____ .:, br::?:~:!jka'fj leren ... "_~__ 4,40 ~ ___ . ~ __ _ i 2. Senj i krov \'j,itlc. "grade , 5,2 I 319,2 . -I 1-:----, 1-----· : J. VIr ! ravan 1CfC[") ,4.3 1 107,6

! 4. Spli! :vL;rjan jk;;V zgradc 1111 <u~~:,i;()j u7.\'L~ini r- 4,71 186,0

[:?":- Dl!hr~~:!.l.~~"."~ilipi I. acrodrom - L ___ -::-~ i 6. L~I~~.:_W_o ____ . __ .I. na vrll\! hl·clJl:Jka obalc

i 7. Paiiigruza _~~_~::.i.J.~~j.:n()\'itc ()b:J~~ ___ 1 ~. __ ---'C'--

-·~'I

4.5 109,0 ----.J

5,85 245,3 ,

... _--+- ~"~----!

6.87 464,5 .... _--

P()(Cncij~l!i cnergije vjetnl

'" 1 110

E 100

~ 90

80

70

60·1

50 I 40

30

20

10

o o 15 20

LASTOVO vis ina 10 m nad Hom

25 30 brzina vietra (m/s)

Sf. 1,5, Srcc!likaCljo ~[{sto{a energUe [!ietra wsiou(/ na 10 In pisin/"!

" "~'-------;-:;'~~.:~-C"- ~ ~800?~--'

::;-\'-1. 600"," ','" 500 ''-, '\.,"'\ ,

I I)

1\ \

Sf. l.n. S{vC'{fitrw encrg!ja l.'jellY/ Hroatske 11(/ ui.l"ini od 50 In

, J ......... )

..... "i" f ':~.~:;',-",

, ,

, ,

" ,

~~-,-,-"j

115

Za ~~poredbu iz koje je vidljivo dn potcnci'ali U okvi' . za srednJIm europskim. pokazuie Ie (. :1 E 1 U poznatog u HrvatskoJ IlC Zaoslaju

- J ill a VJctroV<l urope obradcna La EZ. -

1.3. Energija vjetra

Trajanje soage vjetra izracunava se pomocu vr~' " Vi U intervalirna f

i. ' cmena tn~jilI~lii svakc POjcdine brziuc vjctra

. . ~klipna ~odiS.nja specificna encrgija vjetra odredcne _ , ," '.' '. .. Jcdmlh energlJi1 sVlh brzina vjcLwva prema izrazu lokaciJ<;; doblva se zbrrva0.lcm po-

I E =: - p ~ v~ t·

2 " IWhlm21. (I.! 0)

. Aka se P?.i:dinacno za svaku brzinu, odnosno n"e-' .~ ,', . "' pnpadna sPCcl.ficna energija IkWh/m21' d"'j' . J LlflU gOJlSl~lu sreduJU vfljcdnost, jzracuoa oa sl 1 5 ·k I po iJC 1 S lZ110S0m brzinc Im/sl 0 V· • . ' .. pn azujc specificnu gustocu ,"" ,p vrsma lspod krivulje

S d . encrglJe po SClOnama zc --" v j k .. , re nJa energctska brzina so' . . ~" u uznaccnu 0 aCIJu. p menul.t I 1.2. IzraCUnava 5e pomocli jednakosU energiie

I . . ? p ".~;.I; fi ""lp I;v~ {. - 2' , (1.11)

kWh/kW

_3750.5000

R:Z8 2250·3750

CJ 750-2250

SOurce: United States

Sf. J.7. lznosi spec{ticnt' t'nergije vjelra po kontillentima

(U2)

'. ,."

Department of Energy

117

PomOCll prije prikazanih podloga mogu 5C naciniti karte potcncijaJa energijc vjclra u kWh/m2, a za odredene visine Ilad Hom (sl. 1.6) i (s1. 1.7). Karla specificne snage vjctra i\Vim2 j

za Europsku z~jednicu takoder jc izradctlu, gdjc su uociicnc i srednje godj~njc brzine vjetrov[l. U tabeli 2. prikazani Sll pOGaei za sedam mjesta najvisih do snda izm,icrenih pOlcncijala \'jetra Jadranske obaie i otoka.

Iznose specificne energijc vjetra na kontinentima pokazujc sl. 1.7.

1.4. Literatura

11 i E. L. Petersen, J. Troen, ESli.mation of Wind Resources, Riso National Laboratory, \Vind Energy in DcnmD.rk, 1986 .

121 Lj. Pilic-Rabadan, D. Poje, J. Varga, D. Stipaniccv, Z. J\-Jilas, Vjctrocncrgctska poslrc~jenja, Sarajevo, 1988. (pogl. 1, Narodni univ.:-rzitcL)

131 Lj. Pilic, Z. Milas, M. Jc-lilvic, M. Grljusic, SllD.bdijcY<l1ljc cncrgijum otuka uz potlrsku vjctrocleklr<lna, Naucno-s!rt1coi skup, Split, J989.

141 Lj. Pilic-Rabadan, M. JeJavic, Prednosti koristenja encrgijc vjetra na mal'lnmna i svjctionici111a, IX jugoslavenski simpozij Teorija i praksa brodogradIlje (in memoriam prof Leopold Sorta), Dubrovnik, 1990.

151 D. Pojc, Procjcna cncrgjjc vjdra na jadranskom podmcju, McuunamJno s'-Lvjetovanjc, KoriStenje sunceve energije, Split, 1987.

161 D. Pojc, B. CiYkllni, ASSCSLllcnt of Wind Energy in Croatia, Solar Encrgy no. 6, 198R. 171 S. Ros111unzcn, Siting of Wind Turbines, Wind Energy in Dellm~u-k, 1986. Harning Sym-

pos. 181 Renowablc Sources of Energy, Inlemational Agcncy of Energy, Pmis, 1987. 191 W. Staddard, The California experience Danwca '86, Confer. Proeed. Heaming, 1986.

110) Wind Energy in Sweden, 1987. (prospektni materijal).

2. Teoretske podloge rada vjetroturbina

2.1. Pokretna sila propeJcrne turbine vodoravnog vratila

Prctycdnl kinc(ickc energjjL~ vjclrn U ohrtnu radnog: kola 1Urbinc prik;:m1t cc sc na prim.icru pwpclerne turhlnc S \'odonlvnill1 vratilom, 6ija se os poklapa sa smjcm1TI strujanja vjelIa. Po,iava pd:rclnih silJ. posl.iedica je sl\'annja tJacnog, pol.ja okn aerodinamicl;:og profila lopa1icc

1-i·-\.:--

Sf. 2.1. Horlnn kotu turhil1(' U slruji !~'ielru

.~.

koju opslfujava slohodn;l s!ruja v.ic!ra, odn(lsno ,..~bog prornjcnc kolicinc gihan.la lc slruje. Turhinsko kolo i!.l()'lJ~n() s!rujanju lIrcdcnib slrtljnica ".iclra br7.inc v prikazauo na s1. 2.1. u d\'ije projckcijc prGdmd .Ie aerodinami(\kc aJ1alizc II ovom pogJavlju.

.1. Sile i moment! na Jopatici turbine po aerodin:lmickoj teoriji proliln

S!Yanllljc stflljnog polja 01(0 prdila lopatica prikazano.ie na slid 2.2. koja se clobijc ako se lopa!ica turbine prcsijetc cilindrom Ie zancm;m:: uqecnji konacne Jul.inc loraticc.

Promatrajuci turbinsko kola s dvi.ic 10]1;111CC II slohodnnj struji vjelra (sL 2.3) uocavaju sc d\'ije skupine me(1usobno okomitih vrtloga koji sc stvarajll na celu i vrilu lopatica.

Trnkut brzina prikilzanng s!rujnog polja i vr!njc kola turbine stvara se na presjeku lopaticc na pnlullljcfu r iz hrzinc vjctra (v), nhodne brzine rof1tcije kola (rw) i relativnc hrzine strujanja (w) u koje!ll porc!l1ceajnc brzine Vi i Hj cc1nih i vrsnih vnJoga mijenjajll brzinc v i nn (s1. 2.4), kao j ku! nasfwjuYanja rclalivnc brzine l1a profi1.

KUl CJ. jesl k111 naSlnl.!ilvunja brzllle HI na profil, a e jest kUl profila prcm<l ravnini H\nje kola. Okomilo na brzinu w iz otvorenog tlacllog polja, na djelicu 10patice obrazujc se diferCllcijalna sila acnxlinmnickcg uzgona dL a okomi!o n<l 11jU, diferencijalnu siJa olpora dD.

Teorclskc podlogc radii vjelrorurbina 119

---;::-~ - _._---~~~"~ .. -_._---....

v

~~zu1t,~nt,~ tih .s~la dR razlozena u pravcu oboda (dQ) cini tangcncijalnu silu na Tavninu rotacl,le leoJa, lllfegnrana dui, lopaticc, 6illi pokretnu silu turbine.

¥ .K~l~p?ncnra dT u pravcu osi vrtnjc, sahrana dill lopatica, tlaci as turbine koju nose IC71lJCVl I cIJela kanstrukcija.

Prema aerodinamickoj tcoriji elcmentarne silc uzgona i otpora jcsu

w' dL =0 CL P T ] dr

w' dD;o;;CDPT 1dr ,

- koeficijenti uzgona i otpora - duzina profila lopalicc - oclsjccak lopalice - gustoca zraka.

Prcma slici 2.4. tangencijalna i aksijalna sUa slijede jz izraza

dQ =0 dL sin q) - dD cos ~

dT;o;; dL cos 4) + clD sin 4.

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Ako sc dL i clQ tlvrste u jednadzbc (2.3. i 2.4), iz izraza (2.1. i 2.2) srcclivanjcl11 slijecii

VI,2 dQ =CL P 2 1 cos ¢(lg ~ --k)dr (2.5)

w2

clT=CL P21 cos ~ (1 -I k tg q,)dr. (2.6)

U prclhodnim je jccinadibama

(2.7)

lLV AEROE,'.;Ef.I.GETSKA POSTIWJSI\JA

Ako se u jednadzbama (2,5. i 2.6) izrazc w, cos $ i tg (I) jz trokuta bo:ina (sL 2.4) u kojim<l Sll stranice tr~kuta 1'00(1 + a2) i v(l- al) i w, gdje su inducirani faktori al ::::: v;lv i H2::::: u/rw i kp::::: rro/v slijcde si1e za broj lopatiea (B) oa dijelu turbine elf.

(2.8)

CL pi B ,[ ] [ , 2 ,1'12 ,WI' = -2- V" k,,(1 + a,) + k(1 - a,) ke(l + a2) + (1- a,tJ dr (2.9)

Tangencija1na sila na djelicu turbine dr s krakom r tvori moment vrtn,ie

(2.10)

Integriranjem izraza (2.10) slijcdi moment rotaeije turbine

(2.ll)

Elemcntarna snaga vnnjc slijeeli mnozcnjem jcdnadzbe 2.10. s brzinolll rolacij0 w

(2.12)

(2.13)

Snaga turbina dobivcna je inlegriranjcm izraza (2.12) ad glavine do najveceg polumjera lopatice turbine u (2.13).

y Sf. 2.4, AerudiliamiCke site i brzil/e IW elemen!11 /opatice

St. 2.5. Turhina It sl()hlidJi(~i stn~ji t:ielra

Teoretskc poulogc fmla vjclfOllJrbill<l III

2,1.2, Promjena kolicine gibanja u kolu turbine

Opisivanje pretvorbe silage vjdra II obrlllu snagu kola turbine pomocu promjcnc koliCine gibanja mase koja struji kroz kolo turbine !akoCler vo([i do pokre!Ilc silt! Q i aksijalnc T. Taj naCin tumacenja postavili su Pfoud¥Rankin i lietz, dok jc luma6.-:nje za kolu vjetroturbina dao osim D. Horvata Andrianov i Vljj;;UIl, navedeni u popisu literature,

OVelje je koristclla bazna teorija navedcnih autara prosircna lltjccajcm induciranih faktora onaka kako je autor ove knjige pribzao u navedenoj litcraturi.

1z promjenc koliCine gibanja u presjecima 00 i IT IT mase dm slijede komponenlc clcmentarnih si1a prcma sljedeCim jednadzbama i sl. 2.5.

-- aksijalna

.- tangencijalna

elFr "" 211: P V I (v - V2) r ell'

dFQ "" 211: P VI utj r ell'

(2.14)

(2.15)

U jeunadzbi (2.14) su: v2:::;: v - V'j; V'j = 2Vi, a u (2.15) U'j:::: 2Uh gdje su Uj i Vi pore-mccDjne baine.

Osim prcdnjeg, ukljucujuCi indueiranc faktore al ::;: v/v i a2 ::;: u;lr(l), siijedc sile nil t!kmcntu ell' turbine

dFr = 411: p (l - ad al ,,2 rdr

dFQ := 411: p V (l - ad a2 1'2 dr

(2.16)

(2.17)

Pomoctl jednadlbi (2.8, 2.9, 1.16. i 2.17) postavljaju sc alguritmi za optima11lc dimGHzije lopatice i snagu turbine.

Matematicka obrada lih jednadzbi iterativllim metodama daje IjcSenje za fll i az' a lime i dimcnz.ioniranjc turbine i izracuna\'anjc njeLiJlih Lnacajki za clane ulalnc puJatkc.

2.1.3, Kocficijent iskoristenja energije vjctra

UCinkovitost prelvorbe raspolozive energijc vjetra u obrtnu energiju vratila turbine izrazava se koeficijcntom iskorisLcnja encrgije 11. Prema lomc, kocficijent 11 ko1icnik je Cl1ergijc vjetra preuzcte kolom turbine (E\ - E2) i raspoloi.ivc ctlcrgljc vjetra (E I)

~'C_~ V}

Cp 2 2

m v2 (2.18)

2

Za vodoranm turbinu na vjclar YJlllax = (},593 kod al = 113 (ako sc UljeC[lj <12 ;lanomari). Maksimurn mogucc prelvorbc cnergije iz vjctra pomocu aksija1ne turbine ne moze prijcci

iZllos od 59,3'/1'. Kako co sc 11 priblizitj 10.1 korctskoj granici, ovisi 0 <.tcrodillamickim znncajkaJll<t lopalicc

turbine, broja lopatica i hrapavosti povrsine Jupat1cl;'; (s1. 2.6). Kocfidjcnl korisnog djelovallja turbine moze se izrazi[j pUHlO(;U omjera snage prellzetc

kolom turbine i silage vjetra prcma jednadzbi (2.20), koji sc u lilcraturi oznacava sa Cpo a nazivu se kocficijcntom snage

122 AERO[!0Ef<GETSKA POSTROJENJA

MQ - intcgral jcdnadzbe (2.11)

A:;;: 'IT R2 ~r R - polumjer kola turbine, A - povrsina kola ()) ~- brzina Vf!nje turbine.

Sf. 2.6, Pmmjcl/a t:o(:/i('ijenia ((,) S(I br'(ohodllf!.\Yu II/rhine (Kp) B l>rr,~i lllf'aril'a

K == Clv'CL

2,2, NaCin rada turbine S ol11otacem

(2,20)

Ak~) se !\lrbins!w kolo ros(iJ~'i u prSlena,qj 00101a6 aer()dinaTlli(~k()g presjeka, kao na slici 2.7, (a) 1 (b). slwm.'n:1 cirkulacija r u tlacnol11 polju profila omolaca inducira dndalnu brzinu "1-' 1~\ brzilla ]Vwc{:aq sekl1ndni protok masc prema ')Jjcdcl'nj jcdnad7.bi

a

Sf, 2.7. Sfn(ianje km2 tl/rhilll/ S Oln(lW(n/1

a - \'trujno poUr: h - (log/cd lUi {urhinu S (//l/otO(\'1II

b

Tcorctske P()(l)ogc l"lHla vjclrn!urbirw 123

(2,21)

Dobivcna cnergija slijcdi iz razlikc kineticke cnergije strujece mase kroz turbinu

Idealnrr snaga turbine u sloboclnoj struji (poglavljc 2.1. i slika 2.5) moze se izraziti i

" ' '·d 'd"b' (" 23) k' 1" d' " I' - /7 ,2 A C .. C - 16 - () 59" pi ema.lc na Z 1 k. oJa S l.1C 1 lZ - P ~ \ 1 p, za Pnmx - 27 - " _1

p 16 I PT == 225 v'] A. (2.23)

Turbina U omotacu u ideal nom slucaju moze dati snagu

1 16 \' ( 3 V,-! PTO=-P~~V'I J +--)'A. (2.24)

2 27 l 2 Vj

Odnos iZ1l1c{1ujednadfbi (2.23. i 2.24) prikazujc prema (2.25) da turhina U omotacu, zhog p(wccanog sckundnog protoka mase ubrzanjem slruji:u~ja kroz suieni prcsjek u predjc1u lurbine, daje vceu snagu za iznos \ ,5 "r I V I

(2.25)

Iznos hrzine cirkulacijc odrcolljll acrodinamicke znacajke presjeka omotaca.

2.3. Strujanje kroz okomilll turbinn izazvano vrllogom

Na slici l.R. prikazano.ic s!rujanje knw, okomito pClSl!lv\jenu rropelernu !urhinu izazvano s\varan.iclll \Tlloga u osi SliSfava POll1o(u tomjn s tangencijalnim usmjerivaCima sLrujc vj~lra. To je tz:v. koncepcija ))Tornado« lipa turbine prema navcdcnoj lileraturi.

St,'ofcno Yrtl07,no strujanje 51alorom u sredistu SUSlaYfl povecanjcm brzinc strujanja snizuje tlak tako da stvorena razEka tlaka prema vanjskom pojacava protok kroz lurbinu. Dilkie, turbina prelvara. osim kincticke, i tlacnu energiju slrujeceg zraka 1I snagu, prcma jcLlnadzhi

(2,26)

p Cp~--~--,

1/2 P vi H D (2.27)

,\EIWENERGETSKi\ POSTiWJENJA

r-'I~ --~--, -------- -; p _ oko!ni z. : ;-- 0 - trak

struja ZraKa

, !/os cilindra I

p(r,z)

" ; stjenka

tlak citindra

,obrtna brzina

R ,--- '-----t----.---.~ ---1 Jezgra' potenc1la'--vrtfoga -'- -I vrtloga

a

Sf. 2.8. Strujanje kroz lUrhinll bi':.uunu vn/ogo/ll (a) Rrlspodjela tlak{/ i brz.inu II ci!illdricnom /ornju (b)

Cp .. - koeficijcnt pretvorbe snage H .- visina Lomja D - promjer tornja.

Stupanj pretvorbe tlaka iznosi

L\p - razlika tlaka u podrucju turbine prema okalini V - sekundni protok zapremine zraka kroz turbinu.

Koeficijent snage moze se izraziti i prema

gdje su: A ~ povrsina diska turbine

A v (Mom"')' Cp~11--- --HD v' M'

v - brzina vjctra u pOdruCjli kola turbine MOmax ~ Machov broj s brzino111 u ,iczgri vrtIoga

b

M' - Machoy broj s ulaznom brzinom u toranj sustava (s1. 8.b)

(2.28)

(2.29)

U velikim sustarillla Cp :::: 0,3 do 0,6. Turbinu prikazanog sustava s 10 }Juta manjim promjcroIlL moze ostvariti isti Cp kao turbina u slobadnoj struji prema navedenoj litcraturi.

Tcurctske poliloge rada Ijdwturbin1! 125

2.4. Strujanje kroz okomitu turbinu (ipa Darrieus

Okamita (urbina Darrieus svojim znacajkama svc vise privlaCl pozomost iako wj tip turbine nije usao u rcdovl1G koriStenjc u istaj mjeri kao ovoga casa \'odoravnc turbine u slobodnoj slruji (sl. 29.a).

Promatranjem strujanja kroz okornitu turbinu pomocu teorije aerodinamickih profila a prema slici 29.b, dobiva se lrokut brzina koji sc stvara na presjeku lopatice, naslrujavanjcm brzinc vjctra v. Okomito, na relativnu brzinu w naslajc sHa uzgona L, ;J okomito na njl! sila otpora D, cije komponcntc cine rezllHirajutli tangenci,ialllll sill! koja na kfaku R daje pogollski moment vrtnje prema jednadibi (2.25)

MQ ~ (L sin q' - D cos q') R . (2.30)

Snaga na vratilu jc

(2.31 )

U nuvedenoj literaturi prikazuje 5C utjeqj induciranih faktOf<1 na defonnaciju twkUl<l brzina odnosno polaznog dijag(uma sila. ZancrnarujuCl inJucirani faktor a;! {sli <tutor] izracunavaju koeficijcnt Cp u funkciji a) prcma jCdnadzbi

(2.32)

U spomenutoj literaturi navodi sc cia konfiguwciju tc turbine ogranicava promjcnu trokUla brzina izvan proj~k[nih vrijcdnosti kod kojega bi uzgon na pwfilu naglo pa~. Stnga Cp ovdjc nije ograniccn vrijeJnuscu 0,593 kao kod vodoravl1c turbine.

r w,

!Vjalar

j -u v

( I

\ , \

v'

D -u w,

Darrieus L,

a b

Sf. 2.9. Okoflliw ill/hiJ/t./ Darrieus (a) SUe i hrzine na e/elflefllti /opafice (b)

126 AE!,OEN[lWCTS!(A POSTROJENJA

2.5. Literatura

111 v. M. Andriano\', D. M. Bistrokij, Vjetroc!cktricesnije stanciji, 1979. (Energoizd.) 121 D. Horvat, Vodnc turbine, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1962. 131 1. P. Molly, Windercrgic in Thcoric und Praxis, Karlsruhe, 1979. 141 c. A. Morgan, A. D. Garrad, The design of optimum rotors for HAWT'S, London. 1988. 151 Lj. Pilic-Rabadan, M. Jelavj{:, Perf0n11anCe of wind turbines by computer aided analysis

llnd some results of wind energy potential of the Yugoslav Adriatic coast, lnt. sonenforulll Berlin, 1984.

161 Lj. Pili{'-Rahadan, M. Jc1avic, Optimalna kontura lopatice turbine on vjetar, Strojarstvo no. 1, Zagreh, 1989.

Pi F. Rasmunssen, T. r. Pcderse.n, Measurements and calculations of forces on the blade of a stall-regulated Hawt, In1. Symp. WES, 1982. (Riso)

lSI c. J. Salchwcll. S. 1<. Tllmock, Structurel]y erfedent aerofoils for Wind Turbines, 'vv. E. Conference, Glasgow, 1989.

i9i R. E. Wilson. S. N. Walker, Performance oplimized horizontal wind turhines, In1. Symp. OR. WES. 1976.

3. Projektiranje vjetroturbina

3.1. lzbor tip a turbine. pristup projektiranju

Pristupu projektiranja turbine prethodi izbor tipa turbine. U mnogim radovima 0 koristcnju energijc vjetra prikazuje 5e di.fagram koeficijcnta Cp u ovisnosti 0 kocficijentu hrwhodnosti kp "" R w/v raznih tipO\'a turbina, prema cemu se one usporeduju. Tako se prema slikama 3.1 iz

C,

0,1

° CM , 0,5

0,4

0,3

0,2 3

6 0,1

° ° ~~6 ~~n s=.-~

2 3 4 5 6 7 K,

SI.3.1. Ko{dicljml ,\'!Wf{f' pmmjcnom hr::.o/i(!dnos!i p(!iedinih lipop{/ t:ietroturhilw 1 i 9 - So!.'onili.\·OIYl /urbina 2 i 10 - dXe!opaticlla lurbina 3, 4, 5 i 6 ~. ccrfri/(lpatibw lurbina 7 - §estff!{Jati6w {urbil1a 8 - hrzohodna r/I'olopatihw turhill(l 11 - hr:.o/rodna lrilopatii'lw turhil!a

AE!WENEfWETSKA POST1WJEl'<JA

nuvcd"ne literalure, vidi da u podrucjc male brzohodnosti kp spadaju mnogolopaticnc turbine i turbina Savoniusa, cije su Cp vrijednosti relativno skromne, od 0,15 do 0,3. U podrucju srcdnje i velike brzohodnosti nalaze se propeJerne turbine sa 2 i 3 loputice, Ciji Cp doslizu najvecc vrijcdnosti, do priblizno 0,47 (s1. 3.1), dokje prenli1 podacinw danas izvedcnih wrbina Cp::::,: 0,5. Darrieus turbina ima Cp::::,: 0,33 za brzohodnost u podrucju Kp:::: 6, iako eksperimenti danas pokazuju i nesto vece vrijcdnosti za Cpo DakIe, U ovisnosti 0 namjeni turbine na vjetar. odnosno iznosu potrebne snage pogonjcnog stroja tc potencijala vjetra puJrucju rada agregata, izabrat CC S0 brzohodnost, odnosno tip turbine. Aerodinamicke znacajke lopatica turbine, kao i kakvoca izrade i obrade povrsinc mogu znatno uljecati na Cp turbine. Utjecaj znacajka CdC]) propcleroc turbine prikazan je na slici 2.6, gdjc podrucje CPmax odrcduje na apsc1si pripadnu brzohodnost kp.

U fonnuli za brzohodnost (3.1) v .Ie projektna brzina vjetra, kojajc manja ad brzinc vjetra za maksimalnu snagu turbine

(3.l)

Pritom treba imati na umu pribliznu visiou osi agregata nad llom i radni illlerval brzina turbine (Vll - viJ, Cije se brzine mijenjaju eksponcnci.ialno s visinol1l. Brzina vrtojc turbine (0)) takodcr 5C odnosi na projektllu vrijcdllosl koja leZi u podrucju maksimuJnog Cpo

Polurnjer radllog kola turbine (R) odreduje sc U ovisnosti 0 nomlnalnoj snazl pogonjenog stroja (primjerice clektrogenerawra).

Pfetpostavijajuci iztlose faktora snagc turbine Cp i gubitak snage u prijenosniku (11M) (primjericc lllultiplikaloru) nu vratilu pogonjenog stroja te stupanj korisnog djc1o\'anja pogonjenog stroja CllJ, tlobit cc se snaga na izlazu iz pogonjcnog stroja P.,

Slijedi povrstna kola turbine

D'rr te sa A =-4-'

D ~ promjcr radnog kola turbine

P, "" Cp 11n 11, ~. P v~r A . (3.2)

A (3.3)

(3.4)

Ulazni podaci za projekt turbine na v.ietar su, dakle: nominalna snaga i stupanj korisnog djclovanja pogonjcuog stroja i brzina okrctanja, stupanj korisnog djclovanja pfljcnosnika obrtanja, srednja brzina vjetra podrucja rada stroja (na razini osi vraLila), acrodinamicke znacajkc izabranog profila lopatice i koeficijent brzobodnosti (kp) za CPm,\x lopatice turbine izabranog proWa.

Pristup mcunanja projcktnc brzine vjctra oslanja se na formulc za srcdnju brzinu vjetra dane u poglavlju 1.1, ali za brzinc radnog intervala brzina agregata. Projcktna brzina vjetra

Pwjck!inlnje vjdrutllruilllt 129

prema spomeoutim radovima autom ove knjige jest srednja »cncrgelsk;v, brzina dana u pogJuvlju 1.3, ali za radlli intcr\'ul turbine

" . Ill' "V'l L, , , , m J 2: t, ,

(i = v ll :

3.2. Dimenzioniranje optin1alne Iopatice

(3.51

Na tcmelju jeclnadzbi izvedcnih u pogJavlju 2.1. poslavlja se algoritam za prOraCl111 optimalnih dimenzija Iopaticc pod uvjC!Ul1l CPl1lilX' Da bi proflllopalin; prcU/.co na,ivccll snagu iz odrcdene snage \'jetra, potrdmo je cia bude postavljcn U 0Plimalan kUI (u,) j)rcmil struji relativne brzioe koja ga nastrujava prcma tcoriji acrodinamickih pwfiJa. Puznalu.ic da svaki tip profitt ima svoj (lopl kod kojeg .Ie kombinacija uzguua i otpora prui'ib upl.lmalna.

Medutim, iz slike 3.2.a. ocito je da ce se trokut brzilw mijc;njati prumjc;nolll pull:mjcra na kojem fezi prcsjek lopatice, zbog promjcnc obodnc brLinc fOJ, ounosllu polullljcr~L Stoga je Buzno zakrcnuti profilna svakom novum polmnjeru r kaKo bi g,[ rclativna brZlll<-l (w) nastrujavala pri istom optlmal1wm kutu a (s1. 3.2.b). To ic uvjd maksimallH: prctmrbc sna!.!e za v projeklno, zbog cega se izracunava promjcna kUl~ a ~ funkeiji polumjera r. Na laj :c naCin dobije da jc optimalna lopalica ona llvijcn'-l oku svojc oo.i prcm<1 4, ::::: [(I') (sl. 3.3.a). '[S!O

tako iz uvjeta jednakosti clcmcntarnog momenta na svakOn1 profilu slijcdi promjcna 1 ::;;: 1'(1')

gdjc .Ie 1 duzina profila, koja sc smanjujc prcma vrhu lop<lticc. udnosllu po\'cCunjem polumjcra r (s1. 3.3.b). Proracun lopatict: pwyudi se za projektne Hijcdnosli, 0 ko,ilmajc bil0 riieci u pogla\'lju 3.1, a prerna dijagnullu toka pobzJ.Hom u iduccm pog]tl\'iju 3.2.1. .

)-- r 2(J)

-~- r3(J)-

a

St. 3.2. Tr(Jkllli brdnu nn pn~(i111 IOj!clfiL'u a -- nWIl(/ {ope/lied

b· .. lIu!jenn IOPiilicu

b

130

$(0 )1

50-

40

1 30

2°l 10"

I

Kp=3,74

5,236

D=5m 8=3 CL/Co=55

AF.!WENERGETSKA POSTRmENJA

Lim)

0,7

0,6

0,5-

K,=3,74 /

04, 6,545 , "-

02 I '-. , .............

D=5m 6=3 CL/Co=55

0,3 ,~.,. / ,8,18

~,1~8, ,.~-,_~ .-o +----.-----,---------.---.---~. -r-~--...., ... ---r--T .... ° 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 rim)

a

S't, 3.3, Pr(lmjr'l1(/ kula rda!ir'l)c hr7hu' s (m!lIIl1jemm (a) Pmmjow dufinl' ['rojila'\" poful/!ieronr lopalice (b)

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 rim)

b

P0l110CU prclhodno prikazanog prislIlpa izracunavanja izvodi se ovisnost promjenc 1 :::: "" 1"(1') 0 ;tcroclinamickoj znacajki profila (sl. 3.4), potom 0 iZllOSll projcktne brzine (sl. 3.5). Slika ,13. prikazuje knko se mijcllja.iu poprecnc dime,nz.ije Jopatice u !urbina mzliCitih brzohodnosli kp. Za occki\'ati jc da hrzohodnija turhina i111;] \'itkije !opaticc od sporobodne. Prikazanc razdiobc J "" fer) na slikama 3.3, 3.4. i 3.5. tcordske Sll krivuljc. Radi jcdnostavnijeg iz\'odcnja lop!llicc fa7dioba I :::: fer) mOl,c sc lincarizirati lrazenjem opLimuma nagiba te ovisnosli.

U praksi sc llmjcsto tcorctskc razdiobc 1 ::;; fer) po krivllJji izvodi lincarna razdioba kada slijcdi tzv. >ilrapC711il forma«,

I/R

0,294

0,235

0,118

NACA -. 63412

------- 4412-9 ----4415-9 - ... _ ... -. SWEDWIND

Q,059 l

0,0118 _._ ,'--T' ---T--r, --"-~i'------'-'~"'--,r--'----" o 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I,D r/R

Sf. 3.4. Ra.rpm{jc/n clllfjinc prr:fifo /opalice (J j du'f p(!!tlll~icm (rj m pndlle radin/iii ::.n(1t(ziki

Pnieklirilnjc vjetrotvrhina 131 --------------------------I/R

0,353

0,235

0,1 I 8

o

. ./ ..... ~-.- .......

------ Eoltrapez) Eu(teoretski)

-.-.-.- vpr=8,9 m/s _."-"'- vpr=B m/s

? .. _ .. ft.oro,,!'"' ___ .....

' ... -... -.~,:~::.~.~--------'''- ... -"._ ... - ... - ... -

i i 0,4 0,5 r/R

Sf. 3.5, RW(!fldje!a du'fil1r: jJIYdi1a /opatin' (1) dill. pO!UllljCrtl kofo fllrhin/' :u radiate pmjekfne brzil1c

3.2.1. Dijagram toka programa projckla optimalnc lopatice

U OVO]]1 poglavlju prikazan jc 10k programiranja razvijen na FESB-ll II Splitu za optil1lalnu Jop::tticu VT.

Program za racllnaJo turbine na vjctar sastoji se od Lri potprograma: potprogram za proracun projeklne brzinc vjetra za izaoranu lokaciju vjetroclektranc; potprogram za proracun dimenzija lopatice i potprogram za izrai::'un:l\'an,)c (simulaciju) radnih znacajki turbine. OVdjc c~ bili prikazan slcraccni dijagram toka prvih dvaju potprograma s podacima oa i1.lazu za dimenzije lopatice. R8Zvijanjc programn zjesava algofitmc postavljene u rc!acijmna i1. pogJavlja J . i 2. te literature antOl'll knjige navedene na krajll pogJa\'lja.

Sedmi korak dijagrarna toka uracunava iteracijama inducirane faktore, SIO je najsloicniji dio programa. -Isto tako korak (2) dijagrama poCiva na usvojenim vu, Viz na visini vratiJa da bi izlaz ciao vsn koju treha nakon proracllna radnog polumjera R vracHnjem definitivno utvrciiti, zbog lltjecaja visinc osi vratila nad tlom (H) (H ~ 2R) na ovu.

3.3. Znacajke rada turbine na vjetar

PomoCll programa za racllnaJo a 11a temelju prije postav]jcoih relacija te rezultata pOI

programa Z(l oplimalnu Jopalicu, izracunavaju sc podaci za zoacajke MQ:::: f(o); PQ :::: [(v); PQ = fen) za v = koost.; Cp = f(v); Cp = f(kp) i T = f(v).

Na slici 3.6 prikazanaje promjcna soage na vratilulurbine pri promjeni bl'Zine vjctra PQ :::: f(v). Bl'Zina vjetra "u jest ulazna brilon poectka davanja snage turbine u momcnlU kada su svladani o/pori obrcutih n1asa susUlva a Viz hrzina iskljuccnja rada agrcgatn. Pripadml kriyulja idealne snage vjetm, kao i kri\'uJja Cp:::: fey) takoder su prikazane na sl. 3.7.

Nakon ncke brzinc snaga ne nls!e po islom zakollu, kao idcaIna snaga vjetra, vee nakon poslignuiog maksimuma pada da bi opet pocela ra5ti. Takvo pnnasanje turbine u podrucju velikih v posljedica je deformacije trokuta brzioa kojeg je posljedica smanjenjc aer'odinamickih sila a time i generiranja manjc snagc iz vjetra. Izobliccnje trokuta brzina prcma opti-

Dijagram toka za programiranjc dimcllzija lopaLice turbinc

I START I I

UCitavanje podataka Vi Im/sl ti lsi za dano podruZie rada VE j

Racunanjc srcdnje energctske brzine vjetra za prctposti:tvljcni rudni inh.::rvLJ (vu - vn) turbine i visine agregata

II. Oplimalnc dimcnzije iopaticc

!

I I Racunanj(: pulumjcra radnog kola turbinc !

Racunanjc brzoiludnosri, izbor turbine (KP = ~:J

Izbor profila lop;:ltica CL::: f(n) i cD =- fen)

Racun;.tnje llHJukcij"klh raktora, rjdcnjc SUSlUVil ndincarnih .icdnad);bi (itcnuivni pustupci)

[

al ::::: +1 (a), a2)

~ ________ a'_=_'I'_2(_al_,a_,) _______ ~~ ____ ~

Malcmnticka aproksimacij:.t krivulja ._ ct.:::::: fCa), CD::::: f(u) i CL ::::: f(cn)

IzraclIllavanjc optimalnog kula lOllalice a opl

Dimenzioniranjc lopatice I = fer) i (v = fCr)

Lineariziranje ltordske mspoJjch: I ::: fer) za trapemu lopaticu

PfOjektimnje I'jCl.r(Jturbill1'

sr. 3.0. Snaga {whine II Ol'isilusli (I f;r;.illi i)etru .\" 4rkwf)) .1(illfOr(:gilhiCijC

133

ll1alnom obliku neka .Ie vr5ta samoregulacije turbine (stall reg.) koja, ali za l1cl\e yeee brzinc vjetra, moze uyjetcwati clnije povccanje snage (i aksijalne si10), /.bug ceg,u sc ug:raJuju kuco! sllslavi. Blokiranje nlda SllStUYI1 uyodi sc kod nckih Vi/_' iznad kojih oplerec-crJjL: sU.q;wa prclazi dopustenc granice dinamicke CYCSioce.

Po

::11 I

210 I I I

18°1 f 150~ Cp / ~ 0,6 f --- snaga turbine

20-1 I _._.- faktor snage turbine (Cp)

1 t'0,5 ./. .-. .,::---- snaga vjetra 90 ./ I .......

0.4 / I ........

60- / / " rO.3 / '\ 30h= v // \\ v" 0,2 u /

o ,,--"0'-~-T---r- - ·--.-----r---------.-----:\(-----. o 2 4 6 8 10 12 14 16 18 v(m/s)

Sf. 3.7. Snago turhiw:.I' pn'1f!icJ)(!lII hr::illc l-jC:lru

134 AEROENERGETSKA POSTROJENJA

Prema tome, radnijc interval turbine za hrzinc vjctra VlIt -- Viz_ Znacajku PQ :::: f(v) moguce jc simulira!i racunalom i dobiU ~nimanjcm l! narnvnim uvjetima optcreccoja (sl. 3.6).

Znncajke PQ ::::: fen) za v::::: konsL turbine Cine hazni dijagram U koji sc u isti sus!av ucrfava

ordinata promjena snagc pogonjcnog stroja, iz ccga slijcdc radne locke agregata. Dakako, simuJacijom rada agregata racunalom u dohiycnim dijagramima moze sc vidjeti cia Ii su optimalno iskori,stcnc 11logucnosti projcktirane turbine zu dane pOlcncijale vjetra na mjestu rada sllstnvu turbine U odnosu prcma pogoojenom stroju (slika 3.8 znacajkc 1,2, 3 i 4).

Znacajke na slikarna 3.6. i 3.7. jesll slike rada propelcrne turbine s vodoravnim vratilom, ann slici 3.8. Sll karakteristike turhine PQ :;::: fen).

~ (W)

I 2 I 1

400 ._.- --1----, i 4

I I I

300- I -,

I I

I I

I I 200- ----~-I ,

I I

100 --1-- I

0 0 200 400

St. 3);' Sn(Jga turhinl' .\" promjenol)l hrzinc rolacUe za u ;;;:; kOIl.l't. J, 2. 3. 4 - 7.l1()(~(Jj/.:e e/e!.:!mgel1t:roIOrr1

3.3. t. Dijagram toka Z(l programifanje radnih znacajki turbine

Radne znacajkc turbine na vjelar izracuna\'aju se iz algoritama za moment, snagu i faktar snagc Cp a na temelju izvedenih relacija u poglavljima 2. i 3.

Simulacija raclnib znacajki moze se provesti za: 1. projekl turbine bez rcgulacije zakrctanjcm lopaticc, 2. projekt turbine sa zakrctanjem lopa~ica u a ur za five brzine vjetra radnog intcrvala.

U poglavlju 3.4. prikazujll se znaclljkc obiju vrsta turbina. Razlika programa ocitujc se u razlici ulaznih podataka. 1. Program za simuJaciju znacajki \'jetroturbine naslilvlja fie ulazllim podacima program a

za proracun turhinskc lopa!icc, odnosno laj program postaje prethodni potprogram. Ovdje fie mozc napo!11cnuti da sc prikaL~,mn koncepciju programa u pogluvJju 3.2.1. moze znntno uprostiti bda je rijcc 0 malim turbinama, gdjc se izoslavlja izracnnavanje induciranih faktora (za upro.stcne trokute hrzina iz 2.1.1).

2. Program simulacije fada vjetroturbinc sa zakretanjem lopatice dosta jc slozcniji od prethodnog. Dok program 1. inacunavi1 znacajke kojc ce sc gcnerirati na nepomicnoj lopatici (ll odnosll prema svojoj osi) u cijclom polju mdnog intervI11a brzina, program 2. trati a,,!, za

Projcktiwnje vjctroturbir.a

Dijllgram taka programa <;imulacija radnih 7.nrlcajki vjctJD!Urhinc (bcz rcguJacijc pIi v * vl'r)

Ulazni podaci: 1;:;;;: fer); ~f) ;:;;;: f(f); a"pl (vpr) Matematicka aproksimacija

CL:::; f(cD), odnosno CL:::; f(a) i CD;:;;;: f(a)

I I Ispitivanje radnog kola turbine u raznim rezimima rada v -:;i: vp~ I

I I Pot program za racllnanjc indukcijskih faktora I I al i <12 za nove uvjete (rczime oel Vu - Vil)

Izlazni podaci za krivuljc: PQ = f(v); MQ = f(n) v = canst. C" = f(v); PQ = f(v), T = f(v)

135

svaku brzinu v -:;i: vPf' odnosno razliku prema postavnom kutu projcktifanc lopatice za koji trcba ispra\'iti poloz.aj lopatice (-1 9) zakretanjem oko njezine 051 kako bi fie za momentalnu brzinu nastrujavanja dobila maksimalna snaga (51. 3.9.b).

Logicno, eitav sustav d0jU\'C i izvedbe (elektronicko - hidnmlicki) slozen je i skup, pa se isplati za vdike jedinice VE, preko 1 MW. Opisani programski paket razvijen je II radnoj instituciji autara knjige.

MQ (Nm)

0,8"

0,6

0,2

o a 200

3 2

m/s

400 600 800

Sf. 3.Y. Pmmjena mOll1enta s brzinolll ()kre!(JI~ia .I·usta/XI Iyefroturbine pri v == konst.

136

3.4. Radna tocka sustava turbine, osnove acrodinamickc regulacije

U ovom (;e se poglavlju opisali oneini zajednickog rada turbine.i pogonjcnog slroja. UYjet koji moraju ispunili za dinamicku ravnotczu agn;:gala (turbill<l s pogonjenilll strojem) II staci~narnom .Ie radu cia moment, koji daje pogonjcni slroj (turbina), bude jednak mOlllcntu

pogonjenog stroja

MQ""M,. (3.6)

Taj je uvjet zadovoljcn u pres.iecima znacajki MQ "" fen) i Ms :::::: fen) (sl. 3.9). Ako.ie znaeajka slroja :t'\il~ "" fen) primjcrice eleklricJ10g gCllcratora pri njcgovu nominalnom oplcn::cenju, u' M "" fen) turbine za brzinu vjctra koja.ie projcktna brzina (v := 8), fauna ce toCka: u k'ojoj se ;ostize maksimalna ucinkoYitDst prd\"orbc cncrgijc vjctt"a, biti locka A. Ako sc brzma vj~tl:a smanji turbina ce dati manji moment pogonj0nom gcnt:ratoru (rocka B), pa (e jcc.lnaJ·~ba dinamicke ntv1)uldc prijcci II ncjcdnac.lzbll do redllkcije potroSl1jc. l\-1cdutim, alw sc brzHla vjetra poveca, pO\'cCanjc snage iurbi.ne na vratilll uvjctujc povc6anje snagc pogonjcnog stroja. Opis<lnc pfollljene u\.jdOY<.Ule promjcllom baine \:jelra, zbog nejednakosti tdQ ,\lG dovudc do radnih tocaka iznad iIi ispod nominalnih vrijcdnosti :magc 1 broja okretaja pogollJenog, SW,t[IYZl

gdje se poslile ramolda. U sluCaju pogonjenog s.lroja, ko~clllu ti p.orc.meeaji ll? rcrnde ~·~.nkciju, odnosno zauaCu, primjcricc gcncrarora elektncnc StfUJC za pUflJellJc akurnuwtora, pnsl1nc. i~tervencije, odnosno reguladja nije polrehna jer radne locke B i C, II kojima.ie postignUlH dinamick~~ ravnotez.fl. sllslava razinom :mage i brojelll okrcl<1ja, zadovoljJYJju sllstav.

Sllstav koji nije aulonol1lan p01'UI prije opisanog, vee vezan, primjcricc na zajedniCku elektricnul1lreZll koja odreduje U\"jctc (npr. brzinu okrctanja general ora zbog trazc.tle frckvcnci.ic) paralelnog rada 5vih dayatc1ja encrgije. nuzno jc zado\'uljiti intervcacijom.

Upravljanjc radi osiguranja trazene brzinc obrbllja :::tg,regata, Ciju je promjcnu uvjcloYala promjena brzine vjetra iIi optcrc(cl~ja pogonjenog gencratora, pwvodi se intervDncijom biJo

Mat-:(kNm)t--' __ .

1200 I

a

St.3.JO. Promjelw ml!menta ~:ie!rolilrbi!le.l" promjo)()1II hrzilJe roluclje i l'::: k(JIi,)'/.

kod I/omina/flug p().Yt(/vn()~ kula lopuiice (a) Kod zakrelliltih /ojlulica Zl.l ~ 5,20 (hJ

Projektifilllje vj,,(f(Jllubin1! 137

n<1 pogonskom iIi pogoojcnom strvju. Ovdje ce se ohjasniti naCini upravljanja intcrvcncijom. zakrelanjcm turbinskc lopaticc, dok 5C U pogJavlju 5. obrazlazu drugi postllpci upravljanja vjdrosustavom.

Pomocu izvedcnih reliic1j<1 U pogJavlju 1. i 2. i lrokula brzinc na djclicu lopalice, prikazana .Ie povezanost promjene brzine vjetut 5 promjcnom gcneriranc uzgonske site 11<1 profilll uvjetovanc padom Cp Yfijcdnosti. Isto tako, promjefw kutllC brzinc zbog promjcnc optcreccnja pogonjenog slroja, izoblicujc uptimalni, pmjektni trokut br/,inc (s1. 3.! 1).

o o

Svaki novi polo7,aj lopa!1ce pn::ma stfUji rdativne brzine razli6ite od uplimalne CJ ;t. (XOP\

mijcnja znaeajke turbine. Ako se agregal turbine ubrza povccanjcm brzinc vjetra pri islol1l optcreccnju pogonjcnog stroja, iIi sc zbog smanjenja brzinc vjctra uspori, posljedica jt: povecanje iJi smanjenjc uerodin:.ullickc sile na lopalici (s1. 3.10). Zakrelanjcm lopatica ili njczinih dijelova iIi pak cijc10g cadnog kola prcm:( struji \'jura, mogu "c uilrinuti Jdjcnc zna':ajkc lurbine. Na slikama 3.10. a) i b) prikazi.lna .Ie prornjcna zllacajkc momenla zakrcwnjclii turbinske lopatice za -5,8°. Na slici 3.11 prikazana je specificna prollljena momenta 1 urbillG (tvl Q)

zakre!anjcm u pel polo;h~ja lopalica turbine prema ra\"Jlini kola (posla\'ni kUl ())). Svakom polohtjulopa(icc oJgo\'ara udrcJena promjcna MQ::::: fCkp). C j~lom \\.lsla·,u kourdimta tJi.::rlane Sli i znacajke pogonskog slroja. ovc.ljc elcklrogencmluru, i to za nominal no oplercCen.ie Me; "" 1 (M\;::::; lO(Y;(}), smanjcno optcrceenje MG (0,5; 0,25) i poveCano oprcreccnjl.:. OJ')limalna radna tocka Aje kod kp "" 3,5.

Regulator turbine ce rCilgirati ako \;c promijclli staciomu"llo stanje rada u slucaju: -promjcnc brzine nastrujavanog VjelUl pri .stalnom optcrcccnju pogonjcnog stroja (uvdje

elektrogcncratora), - promjene oplereccllja gencratora sWIne bnjnc vjelnt. U prvom sc slucaju tocka A premjcsta pD parabojj Mox ::::: 1 (nominalno oplcn:ccnje gc

ncratora), i Lo prcma gore iIi dolje, O\·isno 0 tome da Ii se slllanjujc iii pu\,c(;ava br7.ina vjetra.

138 AEROENERGETSKA POSTR01ENJA

Regulatorom sc odrzava snaga turbine za nominalno optereccnje gcneratora u skladu sa zadanoll1 zoaenjkom.

U drugom sluc\.:ju smanjcnja iIi povceaoja opterecenja generato!'a locka A se premjeSta okomito prcma dolje iIi gore kada turbina povecava iIi smanjuje kut lopatica e kako bi se zadrzao kp ;;:; konsL za odnosnll slalnu brzinu vjetra fadi, primjcrice, odduvanja stalne frekvencije pogonjenog gcncratonL

Promjena rezima ra.da j;rvall nominalnog kp (0, (JJ) j nominalnog momenta optereecnja bit ce vcea SID sc radnc lOcke vise udaljavaju od pwjektnih vrijednosli. '

Vee je ohjllsnjena zadaca upravljanja u sluzbi uklanjanja poremctaja u dinamickom radu sustavu zbog promjenc brzine "jetm iJi oplcreccnja pogoP~ienog slroja. Medutim, cilj upmvIjaJ\ja maze bill Z1L~li!a pogonjcnog stroja od preoptercc'enja sa v > Vii' kao i cijelog 'sustava, kada se takoder posr~dlljc smanjcnjcrn aerodinnmickih sila opisanim nacinima upravljanja. Rcgulalorom sc gmlllca VmilX :;:: Viz m07,e pomaknuti ako se zakrelanjcm lopaticc (iIi kola) preuzme samo dio trenutno raspo!ozivc snage vjetra kOjll mozc podnijeli cije1i suslay II clinamickom radu (s1. 3.12). U 10m je slucaju Jinija maksimalnc snage (a) Jl[{ razini pOlrcbnog

Pq

(kW)

25

5

Vo

o~-'~~---+--~ o 5 10 15

/VI~ 20 25 v(m/s)

SI. 3,12. Sl!ng<l rjelmlurhint: rcgufirwwx (0) i s/ohIJilnnj.; (b) lI/of.:\'iliWtn{[; e/ektritl1a snaf.{a (c) 1111 i<.laZlI Rellcral!)ra

maksinmma turbine, za maksimalnu snagu elek!fOrcneralora usporcdo s apscisom, kontrojirHno (ulwaccno) od l1loguccg ras!a pri samoupravljanju (b). Dakako, zbng sigurnosli, neovisnn () tom reguladjskum postllpku, ugrac1uje se SUS!;)V Z!l hlokadu rada turbine pri kriticnim uvjctima fada. 0 nacinll djeJovanjn regulatora rad8 i stlstav<! 7.aslitc slijede tumacenja u icJuCim poghivljima.

Iz prctho~ln.n prikazanog vidi se cia "va posrcdovanja regulacijom pomocu poscbnog pocl~ustava uk!an.PJ-.lll poremccajc koji na.staju i7xan s\Jslava. Medutim, cilj rcgulacije moze biti :spra~'ak m.da tU:bine radi "~cc tl.('inkoYito.sli U cijelom pocimcjll slacionarnog rada izvanpro.JeklJuh hrzma ",!clmv;). POSljl.~HJjC tog cilja m()~e se proncsti ako sc iopatica za svaku brzinu

Projeklinmje- vje!roturbinll 139

vje!fa poslavi u G opl ' odnosno ispravi u taj polozaj nakon nareclbe 0 promjeni brzinc vjctra. U tom se slucaju (tcorelski) moze dohiti vise cncrgijc u cijeJom intervalu ad vul do ViI,' Podsustav regulacijc 7,a posredovanje u ispravku poslavnog kUla loraticc u cijelom raclnom intervaJu brzina vjetm, odnosno relati\'nih brzina (w) 0610 je dosta slozen i skup. Dakako, raz\'ltak tih SUSlav(l, koji su u bili mehanicki, odnosno hidraulicki, U sprezi s elektricnim suvremenim senzorima moze dovesti do jeftinijih tjdcnja. Primjer danskih turbina Niba B i A prikazanih u pogJnvlju 6, ukazujc na preclnosli s\lslava s aerodinamickom rcgulacijom.

3.5. Tok projektiranja vjetroenergetskog snstava

35.1. Ciljevi projektiranj(l vjetrocnergctskog suslava

Tri cilja projekliranja obrazlozena II nastavku medusohno se razlikuju prema potrebnim ulaznim podacima i toku projektiranja.

1. IskoriSlcnjc raspolozivih potencijala energije vjetra lokacijc, regije iIi zemlje fadi potpore postojccem clcktroenergetskom sustavu u paralelnom melu s drugim clcktranama, poglavito s hidroenergetskim elasticnim stlstavom.

VjctroeJcklranc Danske, skandinavskih zem<llja 1.e Englcske, rade II Elektrocnergctskom sust3.VU svoje iIi susjcdne zemljc (Danska - Svedsk<l), skup;] sa HE zbog mogue-nosti njihova e!aslicnog ulaska 11 sustav za vrijeme ncdoslatnih po!cncijala vjetra. To doprinosi ustcdi akumulacijc vade HE pri vclikoj raspolozivoj encrgiji vjetra. U nas 5C porast potrosnje clektricnc encrgije poklnpa s najvecom raspolozivosti cncrgijc vjctra.

Prethodni podaci za poslizanje cilja jcsu: a) geolo.sko-urbanisticki podaci radi odabira broja i vclicine lokacija za izgradnju VE b) ulazni podaci metcoroloskih mjerenja na odabranim lokacijama i vise visioa nad tlom

(10-50 m) potrebnib za izracuna\'anje potencijala encrgije vjelra.

Pretbodni proracun ocekivanc encrgijc A) Izhor tipa i veliCine agrcgata VE za danu lokaciju B) Izbor hroja (agrcgata), jedinica VE C) IzraclIn specificne j ukupne ocekivaoc cnergije na izlazu iz VE.

2. Koristenje energije vjetra iz VB u kombiniranom sustavu s drugim prirodnim izvorima (snncnna e1eklnma SE) na razini potrebne potrosnje ogmnicenih potrosaca lokalne eleklricne mrez.e uz prikljucak na intcgralni clcktrosllslav fadi podmirenja potfeha u intcrvaIima vremena neaoslalne f::tspo!ozivosti prirodnih izvora i prcuzimanja neplaniranih viskova VE i SE od rnreze.

3. Korj.~lenjc VE u zalvorcnom uulonomnom sustavu sa SE i Diesel-agregatima s akumuJacijom energije oa razini potrebne energije ogranicenog podmcja i razine potrasnje. Mogucnost koris!cnj8 komhinacije VE i SE mora sc oslanjati oa dostatnim raspo]oz.Jvim potencijalima vjetfa i sunca. Za izracunavanje, prcma ciljevima 2. i 3. osim nahrojenih podataka potrcbni Sll ulazni podaci pod a) i b), sarno se oni nakon izbora lokacija odnose nu ograniCcnu razinu potrcbne snage u skladu s planom udjela VE u ograniccnoj potrosnji odrcdcnih potrosaca. Podaci plana POlrosojc takodcr su potrebni za projekliranje ovog sustava.

Sustavi pod 2. i 3, bitno sc razlikuju od sustava 1. prema ogranicenosti udjeJa VE u kombininmom sustavu, dok jc u 1. maksimum koristcnja cnergije VE c1anih lokacija zbog prcd!\je inlcgralnoj mrczi. OSlvarenje cilja 1. i 2. moze se provoditi u etapama po lokacijama.

AI':iWlii\ERGETSKA POSTIWJENjA

3.5.2. Programiranje vjctroencrgetskog sustava

Programiranje VS sastoji se iz cetiri potprograma: obrade potcncijala YjeLra izabrilllc lo~ kucije iz kojeg slljcdi projektna brzina turbine, projekl iIi izbor turbine iz kojeg slijcdc znacajke snage P ::;: f(v) i kodicijenti Cp = f(v), proracun broja jcdinica vjctrodektrane tc proracun plana proizvodnje encrgije VE. Algoritmi za 5va cCliri paketa programa formiraju se iz navedenih jeunadzbi u poglavlju 2. i 3.

Ako se radi 0 kombinirauolll autonomnOIll ellcrgdskom sustavu, poln.::bno jc prelhodno ima1.i plan potrosnje energije da bi se II skladu s tim odredili udje!i energije iz svi11 izvof!.t sllstava, pa tako i udio iz VE, odnosno potreban broj VE agregata.

Obrada potcncijala energije mjesta ~ regi.ie (dncvni, sczonski, godi.~nji) W/m2, kwh/m2 -----t f(m/s); v m/s·- % Vsr m/3

3.6 Literatura

Projckliranje (izbor) turbine (VE) j gcncralora, tip, Jlmcnzioniranjc. znai::ajka, P = f(v); Cp :::: f(v)

Proracun broja jcdinica Vb

Dijagram plana proi~\'oJnjc cllcrgije iz VE (dllCYna. scwn~ka, godisnja)

Dijagrami plana potrosnjc energijc j snage W:::::: [(1-24); W (solOnsk!) W (godisnje)

Dijagram plana pulrusnjc i proizvodnje encrgijc

111 Lj. Pilic-Rabadan, Kori.\ter(ie energije vjerra, Strojarstvo no. 27. 1985. 121 Lj. Pilic-Rabaclan, M. Jdavlc, Anulbi mdu turiJin~ I/U 1jdU/; ll(jeCi{i l!elilih urtlo!::(l, Stro

jarstvo no. 28, 1986. PI Lj. Pilic-Rabadan, aile llpmuch to Designing a Wind Turhine. Int. Symp. AlLernativ.

energy sources, Dubro\'uik, 1987.

141 Lj. Pilic-Rabadan, Pummel,-; uUeC(~ju fUl ellerxefske kamkteristike eIektrun(' no. Ide/a/', Mcl1ullmodno sa\jctovanje., Koristenje suncc\'c cncrgijc u priubalnuill podruZ:ju, Split, 1987.

151 Lj. Pilic-Rabadal1, M. J.-:1a\'16, Jedlla k()I/cepq"ju prr~jektimllja ()plhliLilne turhine tW ujetar, Int. skup, Brijuni, 1988.

161 Lj. Pj1ic~Ri.lbadall, M. Jc!aviC, Wind turhine de.<,igrl cOllcept cONcerning WEe'S place (~f (J{Jerut{(1f/ with given wind jJo/en/jut, predavunjc na SkUpll bilatcralnc suradnjc, Glasgow, 1989.

171 I.j. Pilic-Rabadan, D. Vucina, Radne karakteristike uks{julne turbine lUi ujetar, Slrojarstvo no. 4, 1990.

4. Elektroenergetski podsustav vjetroelektrane

Elektroenergctskl poJsuslav vjdroelcktranc ukljllcuje snl potrebllU oprcmu 7.[1 prctyorbu mehanicke cncrgije u dcktrlcnu. On 5C prije svega sastoji od clcktricnog gcncratofa, ali i cijelog niza drugih llreuaja, prirnjerice transfunnatura. un.:ctaja za ukljllcl\'[lnjc generatora u potrosacki krug i uredaja La \'odcnjc i nadzor gcnGwlora, bel, koji11 St, lako proiz\·cJcna elcktricna encrgija, nc bi mogla koristiti. U nustavku UV~lg pugla\'l.ia prikaza! cc se pudjda vjcLfoelektrana S obziroIl1 na tip i osobinc ckklroencrgctskl)g pousustaYiJ, Le naglasiti 0sobilu"ti gen<:ratora koji se 1;:o1'i5[(; u vjctrocJcktranama. Urcdaj za vuctcujc i nadzor obicnu sc lzdvaja kao poscban podsust;w za voaenjc i nadzor vjctrodcktr{1I1C, p:1 CC 0 njcnw bili vise gu\'()l';l U

pog!avlju 5.

4.1. Podjela vjetroelektrana U odnosu prelTIa e1el(troenergetsk01TI podsustavu

Dva su osnovna naCina pod.ida \jclro~kktruna II odnosll prcIlw dektrocncrgciskulll pudsllstavu. Prvi .ie prcma naCinu prikljueivanja Yjctroclck!ranc a drug) prcma tipu koriskihJg. gcncratora. Stika 4.1. prcglednu prjk,lLujc oba ni.lcina pudjdc.

Vjctroclcktrana JllULe bili prikljucena na postojccu mrdu La distribuciju ckklricnc cncrgijc (tz\,. )}H.u/ ria mreZu«) iIi raditi samoslalno (lLY. »U!lIDIW!!)!!i (Ud,,).

Vi:o.c od 9Y'![ puslujcti.h \:jc\.wclcktrana u k01l1..:rdjalnoj primjclli prikljuc'cllo .ic na postojecu dislribulinlu dektrot.:nergdsku lllfdu. U ta.kvu sUslaYU vjdroclcktrall<l .ic d()d~llllj<

pomocni izmr dcklricnc cncrgije. Zakunoda\'st \"0 brojnih I.cmalja, primjcricc DLil1skc i SAD-a (Kalifornija), pravno je reguliralo lakiJs naCin proi7.vudnjc elckt.ticnc ctlcrgijc. D\-a su USnOVil:l prisLupa. Kod prvoga sc radi 0 pojcdin:lcnim, indj\-iJualnim vjdroclcklrall<lllla, (ibieno pudignutim na guspodan;[villla scoskog, fannerskog lipa, koja su !akoGer \'i;/.<lnH i na POS!ojccli dislriilutiuiU mrc:lu. Vjdruckktrana .Ie pn.::ko odgU\'amjutih prilagodnilt :.kJupU\'Ll izravtlu vczan a na mrc7.u na koju jc vczano i domaCinstvo. Siluaciju shcmalski prikazujc ;~ii.ka 4.2.

VjC!rodeklran~l ::;talnu prcdaje jlL'oiz\'cdcnu elckLricnu ,;ncrgiju lllrdi, a kulicin;l pn:dalJe cncrgije hiljcii sc odgovarajuCim mjcfiioJl1. S drugc sluille, Jomaclnsn'o prcku ::,vog uLtznug mjcrila normalnu llz.ima cncrgiju iz mreZe. Na taj nacin eIeklruJisl1'iblJ!lvnu poduiCcCe isto~ dobno i kupujc i pruJaje eJcklricllu encrgiju. Cijclla kupljcnc i prodanc cncrgijc nijc isla, Za[o

Slo prod ana ellergija mora ukijuci\'ali i troskovc dio;lJ'lbucijc, kao i izgl'adnjc prim;u-nill izvora elcktricne encrgijc kojima Se garalllira cvrslucil mrc!.c. Vladc ubicllO putpumaLU III proiL.\·odnju sufinancirajuci olkupljCllU cnergiju proizvcJcnu vjctrom.

Drug1 jc pristup prcko fanni vjclrodcktrana i lllnogo je ;:;lien1ji klac,jcllull n[lcinu proizvoJnjc cleklricnc cncrgijc. Vlasnici c1cklranc, k(~ja na prinljcr u Kaljforniji uk!jucujc i po llckoliko stotina jcdinica, punasaju sc blo sYi oslali proiz\'uJaci cJcktricnc cllcrgijc, pa po odrcdenoj proi7sodackoj cijcni tu ene1'giju proJ,-~ju d~kiwdislfibuLi\'nim puJuzc;Cima.

142

, , , , , , , I ! ! ! ! !

AEROENERGETSKA rOSTROJENJA """-~-~"- """--------

vjetar

r-----------, ! ! ! , ! ! ! , I , ,

U=kon , I

U=kon 1 f(ro) ,

'--..---1

, , , I , , , ! , , , ! ,

U=kon U=kon \ f=kon f=kon I

COSCfJ=f(l) cosqbkon!

DC/AC pretv.

autonomni rad

i , i i i

, , , ! , , i I rad na mrezu L ____ . ___ ". ______ .•. ________________ _ • ______________ ..1 L ____________ ~ ______ _

Sf. 4./. l'llrUd{lljclrne!ektran(/ II minosl{ prnlw etcktro-enen;,?ISKmn pods!t.stat'll IG -- isto.l"lIIjerni g('!i('ru!or

SG _. sinkmni R('IJCr(!lor

AG - (Finkroni generat(Jr tPE U::hUi/d r:,cflerrlforll

6JR - /iCiWi l"rfni(' Ljcfrofurhine w - br::.in(l l:rrnje gcnerlltom f" -- fi'f'kl"cncUa l,mi::u?t/,-:ne elektri{:,u; (,1!erNijl!

Snmostalan iii autonomni nacin rada \'jctroelcktranc rjcdi je i korisLi se prije svcga za ')jl-skrhl.iivanje elcktricnom encrgijom potrosaca do kojih nc dopire postnjcCa distributivna mrcZil. Ohicr,o sc rad! \I \ldvojenim objektima :mage ad nckoliko stotina vala pa do nckoliko stotina kilovatil, a do kojih sc ne isplati dovnditi di~!rihutivnu mrc:iu intcgralnog sustava. Tipican primjcr stJ tclcvizijski repetitori, radarske i nldl:Drolo.<';kc slanicc, opservatoriji, izolinmc otockl.' zajcdnice i sli(?no. U whim sustavima, zhc;g promjcnjivQs!i pllhanja vjetra, vje-

Eleklf(x;ncrgc!ski P()dS_"_Sl_"_"_,::'je_'_n_~_'_'k_"!_n_,"_' ___________________________ 14 ___ 3

-vjetar _

potrosae

St. 4.2. '~icfrodf'klrall(J II lI.\'porednf!m radII ,\" mreZ()/Il

distributivna rnreza

troelektrana je obicno jedan od izvora koji se kombinira s dizel-agregatom, sunccvom centra10m, ccntralom nn bioplin i s]icno. Osim izvora najcesce se koriste i sprenmici clektricne energije, akumulalorska baterija ZIl dugotrajnn pohranu i ponekad ra7JiCiti rot[!cijski spremnici (Z,ffi1asnjaci), termicki spremnici iIi srremnici !Iak<! za kralkorocnu pohranu. Stika 4.3. she~ mal-ski prikazujc (lntonotnlli naCin rada vjetroelektranc.

vjetroelektrana

diesel agregat

sunl:ana elektrana

akumulator rotacijski spremnik

potrosae

toplinski spremnik

'------- ""-- -~'---------------y- ~--

pohrana energije

u, o~p sprem~';B pritiska ----'

Sf. 4.3. Vjcrmdcktrmw koo clio (/Ilt(!Il(!l1l110N SIH!m'O ::a npkr!m cfekrrihwm cf/c'f:(jm/J

Druga jc podjela vjetroelektrana prema tipu koristenih generalora. U vjetroelcktranarna mogu se 1wristit1 svi tipovi istosmjernih i izmjenicnih generatora, ukljucujuci i sinkfOne i asinkrone izmjcniellc generatore. Puglavlje 4.2. ubrauuje osnOVllC 050bine genc[alora i zahtjeve koji se pred njih postavljaju kada se koriste u vjctrodcklranama, dok ce se ovclje samo ukratko komentirati veza izmeou tipava generatora i nacina prikljucivanja vjctroclektrane.

U uutononmim sustavima mogu se nnCi svi tipovi generalora, s tim 5to se obicllO zbog potrebe pohrane cncrgije u akumulatorskim batcrijul1la, proizvcd.:na izmjenicna dcklricna energija odmah pretvara u istosmjemu, n izmjenicni polro5aCi napaj;:(ju sc prcko istosmjcrno-izmjcllicnih (DC/AC) prctvaraca. Uzbuda generalora moze se i regulirati i nereguLirati. U slucaju nereglllirane llzbllde, napon i frckvencija proiz\'cdene clcktricnc erlergije izta\'l1o su O\'isne 0

brzini okretanja gencratora. Za aulonomtlc silstavc promjena frekvencije nije toliko zn::tcajnll zato 5tO se clektricna cncrgija obicno odmah ispraYlja, pa se 0 njoj ni nc voJi racuna. Promjcnil napona irna znatno vecll val.nost. AkuHlulatorskc sc baterije pune i nadopunjavaju po tucno odrcdenim znacajkama, pa je u slucajll nereguliranc uzbude nuz!1o llbaciti Sllstav za prilago(1avanje napona, primjcrice iSlosmjerno-is[osmjemi (DC/DC) prctvarac. U slucaju rcgulncijc uzbude tc (cSkoce ncstaju.

Pri radu na mreZll koris1.e se asinkroni i sinkroni izrnjenicni genera tori. Kad m;mjih jedinica prevlada\'uju asinkroni gencraiori, zbog toga stu 5C oni laksc prikljllcuju nil. mrcZu. Kod \'eCib jedinica u proSlosti su bili korislcnl obicno sinkroni gcncratori, ali se u posljcdnje v1'ijcme svc vise korisic asinkfOni gc:ncraluri. cak i koe! m.ivcCib jcuinica.

4.2. Gcneratori vjelroelektrana

Turbina vjelrodcktrane odrcuuje uvjctc cksploat:lt:ijc gencralOra. Medu najvaznijim za-hljc\'ima kojc oni muraju ispuniti jCSll:

a) Zil!J~jCVj kOllstrukcijc, b) zahljcvi udrzavanja i c) zah~ievi iskorislcllja. Uvjcti u kojim:l vjctrodcktranc fade il:uL.ctno Sll ldki. Cijdi Sllsla\' podvrgnutjc sna:.?nim

dinamickim naprczanjirna, pa generator mora biti tako napf<.n-ljcn da izdrzi uuare pri ll

kljuCi\'iluju i iskljllcivanju gcneratora, odnosno u slucaju kralkih spujc\'a. Poscbni zabt,ic\'i su na rotor g,cncralora, koji mora bili dimenzloniran U odno"u prema I1<Uvo.::Cll1l dupuslenilll brzinama vjctra, bez obzira sto se one pojavljuju samo u izuzetnim sluc;:~jt;\·ima.

Kod \'jeLroelektranajcoan ud \,<12nill zahljevajesL <::i1hljcv za malim lruskovima (Jdrz.!iViloja llZ ve1ikll pouzdanosl rada. To sc odnosi i na gcncra(un:. LeL,-~je\'i moraju imali dug vijck cksplu;llacijc (pn:ko iO godina) LIZ minimalno oJrZCl\'anjc. Zbog lakseg odr:!.a\',mja pri izburu generalot'a prcJnos[ se da,ic bcskonlaktnim gCllcratorima bel. cclkica. Kak voca makrijala mora bili pn'orazrcdna, zbog iznimno tcskih uvjcta rada: vlaznust, slana atmosfera, pr<lsinn. pijesak, temperatura.

Vrlo vazan zahtjev l1a gCllcratorc jc i zahtjcv za sto vccim stupnjem it>koristenja u sto sire111 podrllcju brzina okretanja gcncratom.

Zadovoljavanje "viII tib zah~k~\'a lntz.i posdmc tdmolo.skc pustupke i upof:lbu materij,-dil najboljc kakvocc, pa samo najbolji pruizv(,(1aCi u svum proiz\\)dnum progranlU imaju i posebne gcoeratore namijenjenc vjetroelcklranama.

Obratimo pozornosllw osnOYl1C usobinc pojcdinih lipova gcneratora, poscbno na njih()\-u primjenu II vjetroeltktranmna.

ElcktruencrgeL\ki podsllstav vjctwdektralJe 145

4.2.1. ISlosmjerni generalori

Istosmjemi generatori najslabije su zastupljclli u vjetroelektranama, s mulim jedinicama snage do nekoliko kW, i to obicno u autonomnom rezimu rada. Ni.ljveei je ncdostatuk istosmjernib generatora odrzavanjc i to prijc svega zbog postojanja kolcktorskih Celkica.

Istosmjerni genera tori mogu sc koristiti s reguliranonl ill ncrcguliranom uzbudom. U prVOIll slucaju izJazni napot1 izravl1(j ovisi 0 brzini okretanja gencralora, pa jc 11U/110 u11lClanjl:;

sustava za prllagoJavanjc napona izmcdu akuUlulnlora i gCl1Cralora, primjerice iSiosmjemo-islosmjernog (DC/DC) prdvaruca. Te se teSkoce uklanjuju u slucaju rcguliranc Ul.bude pomotu posehnog uzbudnog namota.

G G u

i,,=konst ffi,<ffi2 <013

~, i J I

W,

1

H

G u 1

!u=1 ffil<ffi2<ffi;)

Ik=stanja ~ra1kog spoJa

I / / L / /

Sf. 4.4. Shenl(l .lIJOja i cunj.\/:a ~:lJa:ajk{/ iSi!J.Il!ljernog genera/ora .1' (I - 1I1!(J(:isIlO/li uzblldolJl b - pamle/nolll IIzhwl(j1lJ c - .I'erijst;om u-:.huil{}1II d - kOmpalidlJolil ilzbudom

/

146 AEROE)'JEROETSKA POSTROJENJA

Van.iskc znacajkc generatnra (nnponsko-slrujna ovisnosl kod knjc je brzina vrlnje gcncralora .- (l) parmnc!ar) (lyj:;,' 0 nacinn spa.ianja 117hudnog nnrnotu. Cctiri su osnovna naCina spajanja, pn sc i iSlosmjerni gencmlori dijclc U ccliri skupinc:

- iS1()<;m.icrni genera tori s ncoyisnom uzbudom - istosmjerni generator; s usporednom tlzbudom - iSlnsmjcrni ge.neratnri sa scrijskolTI uzbudom - iSlosmjcrni generator! s kompaudnom uzbudom. Slika 4.4. prikazujc shcme spajanja i izlaznc znaeajkc raznih tipova is\osmjcrnih gcne

nl!ont. Krajc"l armalurnog namola oznaccni su sa A-B, krajevi numola pomocnih polova sa G-I-l. a krajevi uzbudnog momenta sa K-L, D-C iIi F-E, ()visno 0 na{:inu spajanja uzbude.

Kod generalorn s nc()"isnom uzbudorn, poraslom stfuje armature 1, kojaje ujedno i slruja pn!rosacil, napon generatora sni7uje sc zbog reakcijc arm<:l1ure i pada n;lpona na otporu anmllurc. Slal!1o';( ii'.l:lZDog napona uz ntzlic!tn oplerccenjc generatora i promjcnjivu brzinu vrlnje gcncl"illol"il poslii.c sc rcgu!acijom tl7hudc (promjcnom slrujc uzbude III)'

L~J'l?)1(~ zr.;H~ajkc g,enera[(lrll s usporcdnom ll7ohudom vrl0 su slicnc izlaznim znacajkama genen110ra S Tlc()visnom uzbudom, ~am() ~!() sc II I\vom slvcaju narnl1 op!creccnog generatora vise smanjujc. Jznwl ncke vrijecJnosli slrujc tcreta pnslnji i mogucnos! samnrazhll(1ivanja gcner;\tont. Za gClll'.ral(1rC S llspn)"cdnnm 117hudom ka/.e se (1;] imnju »Jl1l'ksu« znacn.iku, slo znaCi det imje izla7011i n,lrr)!) osjclljivi.ii U Odn(lSll prema promjcnama slruje lereW.

Istosmjcrni generator sa serijsk(lm uzbudom im!] pnlpuno »mCkantH znacajkll, pa se obic!lo ne upotrehljava. Za njega jc s,,;")jsln~n() da neoptereccil (I ::;:: 0) unpee IlC d,0c napon na i70laznim S!cz'lljkmrw. zalo ,~!o rnu jc s!:-uja uzbude jednab slfllji Icreta.

Najvc.l·tJ f1ek<;ihilnml im!l generator s kompauu11om uzhudom. On mo/.c biti potpuno knmpaudirHn (1). kwla .o,crijska llzhu(b Upr:1VO pokriv<t guhitkc Tl ! i,(llla zbog reakcija armature i padov'l napena, natkompUlldiran (2). kada .ie serijska u7.buda .lata od uzbude pOlpllno kompauclirarwg gcncralora. pa i71;]7.ni napon raslc s tcrel01l1 i pr()luk(\mp!1udiran (3), s vrlo ',mckanOl1l« znaca.ikom, zalo .slo je scrijska uzbuda sllprolna paralclnoj, pa napon jace pacta.

4.2.2. Sinkroni genera tori

Sinkroni ggncl"i]\nri koristc sc CCSCC ocl istosmjernih, posebno II vjelroelcktranama kojc rade samoslalno, a u pnsljednje Yrijcmc i kod wlo vdikih jedinica koje fa(1e ),na rnreZll«. Ohicno ~e ,;a ciljt'!1l lakseg odrl.i1yanja koris!c <;amouzhudni generatori II izvcdbj hez ccLkica. Kod m:lf1jih gc.neratora do rcdll vcliCine neknliko kW, obicllO sc mdi 0 UZblldi pomocu perl1lanen!niil magnet!! tl rntnru, dok SL' leod vceih .ieciinica do r<.:da vcliCine jeJnog M\V koristi he~k(\nUlktna lIzhuda s pnmo('nirn gencralofOlli i rolirnjuClm ispra\'ljacem. Vanjske znacajkc sinkrnnih gcneratol"i.\ u syim su sluCa.icvima vrln slicne i dm!!] ovisne 0 faktoru snage (cos (p) j"lnlrnsaCr], ](,1(1 ~1() prikd(ujc: slika 4.5.a. Vidljiv0.ie cia jc induklj\'fl() uplcn:(cnjc ncpoyoljnije ud knpacitivnog. Sli"n 4.S.b. pi'iknzll.ic nH1J1ll:nlnu zmc:ljku sinkro!1og gen~ntIOra. w~ jt:: sinkron:l hri'ina i nna (ldrcdtljl~ rn.;b·~'nci.ill n;ljyma (0 tl ()\'i~nnSli () broju polova generatora (p): (j), = 4Tiflp. Ako gcncrillof sa sWlnim brojeJl) poi ova okreccmo hrzino1l1 (!l,]. fr~kvl:ncija ce izlal.!1og napon<l bili f], dok jc za brzinu (0,2 frekvcncija il.laznog napona 1"::.. Ako je (1),2 > O)~). lada je i f2 > fl'

Tipican prim.in malog san)(1u~budnog sinkroilog gencralor<l s pcrmanenlnim magnelima II ro!oru po<;cbno razvijenog za upotrcbll II rnalim aUl0nomnim "jelroclektranama jes\ ERICSSON-o\' alternator 11 fz\'. ,'pancake(' i.hvcdbi sa S6 pari pc:rmnnenlnih magnCla. \1agncli su poslilvljeni na perireriji clvaju rolorskih diskova izmedu ko.iihje smjesten sta-

u

a)

vjetroclcktrane

CosqJ=O,8 cap

cosq;=1 cos'P""O,8 ind

cosqJ=O,B cap COSCp""1

cosqJ=O,6 ind

M

b)

SI.4 . .1. Vanjskr napol1s/(c Zl!ot:(~ike .I·;nkmnih genera/ora (a) /.,.1omenlru: 7.n{I(~{/j/(e sil1/(ronih generatora (b)

147

lorski nalllo! zalivcn u sloj kompo7.ilnog matcfijaln be70 primjesa zeljeza. Shemalski presjck

gencratora prikazlljc slika 4.6. Generator ima ve1ik broj poloy:\ kako bi sc mogao inilynO prikljuCili na vjetroturbinu.

U konkrctnol1l sJucaju radi se 0 pngonu s Darricusovom turbinom, a yjelroelektrana je bila clio mjcS(1\"ilog (hibridnog) susla\'il nazivnc snage 500 W namijenjenog narajanju izolirane telekolllunikacijske opreme. Prednost takvc izvcdbc jest i u tome SIO statorski namol nema ?cljczl1u jczgru, pa pormanenlni magneli pri pokretanju ne mogu ;,blokirati« l.urhinu, sto je od iwzcl11e vazIlosli u slucajcYima kada sc 70ahlijcva iskori.sti\\'anje i najl11anjih brzina vjelra. Za vrijeme pokrctanja gcncralorajcdina sila koju treba savladati jest sila trcnja u lczajevima turbine i generatora. 0 cijelom hibridnom suslaVll, koji ukljucuje vjetroclcklranu, sunccvu elektranu i diesel-agrcgnt, bil ce vise rijeci u poglavlju 5.3.3.

Sp0l11cnil11o jo,s i 10 da jc RO-il1 godina na Imperial Collcgu u Londonu razvijcn ~ijeli nil, nllernalora s pcnnanenlnim magnelima. Radilo se 0 tzv. Ruthefordovom sfroju sa 48 polova, snagc 8 kW, nazivl1e brzinc 12,6 md/s, mase 220 kg, u tcojCl11U je za izradu pcrmancnlnih magncfa koristcn "do skup matcrijal tCl11cljen na rijetkoj zemlji i polimcrima. Zbog toga je i cifeni! proto(ipa bila prilicno visolw. Kao allernativu tom generatoru izradcn jc alternator s jc'ftinim feritnim materijaJima nazivne SIlage 6 kW kod 167,6 rad/s. DakIe, u prvom sc slucaju 'fadi 0 izvedhi hOI. multipJikatora, a u drugom 0 izvedbi s 111ultiplikatorom. Znnirnl.iivo jc spomcmlti cia jc !dina pryog alternatora pribIizno odgo\'arala te7.ini drugog zajedno s multiplibtoroJ11 i Ja jc RUlhefordov alternator imao cak losiji stupanj iskoris!cnja.

Sf.4.(j. S!wllla[ski pn:.ljl'k allerna/oro .1' pamal/entnim magnefill1(1 posehl!o ro~L<ijcl1(!f.: ;-:(1 primjenu It !jetme/cktmna/l!r!

148

Na kraju jos 0 prednoslima i manama altcrnatora s permancntnim magnetima U odnosu prema altcmatorima S ul.budnim namotom. Osnovne prednosti su:

- nesLo bolja uCinkovitost - nema cetkica pa jc odrzuvunje lakse - uvijek Sll spremni za rad - nema regulacijc gencratora, sto znaCi manjc kliznih prS1CnlWil i zlea na sturn vjetro-

elektranc, dok su mane:

- nem<l mogucnosli regulacije i optimalnog iskoristavanja potcncijala vjetnt bel". vanjskih prilagodnih jedinica te

- mali braj komcrcijalnih slrojcva na [riilitu. Kod veCil1 jedinica, do reda veliCioe jcdnog MW, takoc1er S0 najvise koristc bcskontaktni

sinkroni generatori ali u iz\'cdbi s roLirajuCirn ispravJjaCcm i bcskontaktnim sustavom uzbudc. Slika 4.7. prikazuje princ.ipijdllu biok-sbe.rllll takva SUSU1\'il. Clavni (I) i pomocni (2)

generator smjeSlCni su u z,~jcdnickom kuCistll. P0l1locni generator, Cijaje snaga znalno manja

Sf. 4.7. Shemuuki pril\dz ,\U/lWlIZ/)WiIiOg .\inkrollog generato/'([ .1 wlirujllCim i,\jJwL'Ud(;em J - t:furni sinkmlli fief/crutur 2 -{Nil/IO(tli sinkmni gelwm/ol'

od snage glavnog gcnc:ratora, konstruiwn jc tako da mu uzbllda bude na Slalorskoj sLrani, a t1'o1'azno izvedcni sekuJldar na rotorSkllj strani. U.dmdni l1amot glavnog gcncratora "napaja sc pomocnim generalorom prcko 1'Olirajucc ispravljacke jedinicc, dok st: u;:,budni namoL pomocllug gcneratora nap<:\ja iz rnrcl.c prcko S\'og &t[tlickog ispravljaca. I\ap\.ll1 na kn~jcvl11W narnota sekundara glamog gcncratora (l) rczultat .Ie uvostruke indukcije, pa se ti generator! cesto i nazivaju gcncmtorima s Jvostrukom illllukcijom. OSIlOVlla prcdnost lakvog sinkronog gencratora II odnosu prcma sinkron.im gcneratorima s izravnom ULbuuOlH preko celkica jest lakse odrzavanje i cinjenica sto se iz!azni napon gJavnog gcneralOra reguliw ltwlorn llzbudnom strujom p0l110cnog gencrafo1'a.

U vjclroelcklrananlJ. se ponckaJ nalaze i sinkroni generatori s promjcnjivim brojcm P(JIo\'a. Oni se pokrecu dvjcma sinkronim brzinama i pritom daju napon iste frekvencije.

Ekktruenc:rgc15ki Po(bU~l;JV vjdrudckWJilC: 14lJ

4.2.3. Asinkroni gencratori

Zbog svoje robustllosti ijcJnostamos!i prikljuCi\'anja lla mrczu, asinkroni Sll gcneralori najvise zastupljeni u vjetroclektranama, pooajvise u susta\'irna kuji su spojcni na clc-klrodistribuliVIlU mfdu. Ti gencratori lie zahtijevi~ju slistave za regulaciju napona ni slozenc reguLcijske ureJajc za rcgulaciju broja okrctaja turbine. Generator iz mrczc uzima I)(Jlrcbnu n;~lktjmu strujll i vrata waiY!lu suagll pI'cnc:>cnu s pogonskc turbine. Osnoma znacajka gcn:.:raloUl jest ta sto se prenescna soaga samougaua i u svakom casu tucno odgO\'ara sna~.i kojL: turbina u tom trenutku moze dati, dakako umanjclla Zil gubitkc prijenosa. Vazno.ie svujst\'o i to sIn napon i frckvenciju odnx1ujc mrcza a ne puscbni regulacijski urcuQji. Asinknmc gCJlCraLurc ponckad nal.'lzimo u aUionomnim sl!starima, a llzbuda im sc tada osigma,'{l dodavanjcm kondenzatorskih baterija (vidi pog1avlje 5.3.2).

U vjctroclcktranama prctczno so korislc kavc,wi ilsinkrolli gcn.:raturi, ali sc pOllckad ugnl(luju i klizno-kulutni. Oni sc koristc kada se leU ofllimirati snaga prcncscll<t S turbine na generator. Rcgulacija se pro\'odi promjcllom ulpura 11 krugu wlma gcnCrall)l':i.

Vise govora 0 tom specificnom nacinu reglliacijc hit ce u pogbvlju 5.3, gdje se ubral1u.iu razlieiti pristupi vodenju vjetroelcktrane. Ovujc CG ':>e ukratko prikaz:lti osnovna svojstva razli61ih Lipova asinkronih gCllcralOra, le naglasiti .c,pecificnostJ gcncratOl'<t prcdvi(lcnih za rad 1I vjetrueh:klranarna.

U pocctku su u vjdroelektranama kor.istcni slandardnl asinkwni generatori, ali su se vn:mcnom razvili posebni lipuvi prilagodeni spccificnim zahtjcrima lakvug Lipa (;;ksploulacijc. prije svcga u Od110SU prcma stuJlnju iskorislcnja i zalnjcvima odt'Lllvanja.

Murlll.!ntnc zn;.l'::~0ke ka\'eLllog i klizno-kollll!log asinkwllog gCllcratom pr.ibLujc stika 4.8. locka u kojoj momcntna Zllucajka d\.)ticc ap:-:.cisnu os odgovara sinkmooj br'7.ini vrtnjc

g.cneratora W, "'" 4'TIf/p, gdjc .Ie f frekvencija mrci.e, a p broj polova genaatora. Kod klizoo-kolutoog gCl1eraIDra. promjcnulll vanjskug otpOri! mlom mol.e se utjccati nil slrminu momCl1-tne znacajkc, kao ,~t() prikazujc slika 4.8.b. To sc S\'ojstvo ponckad kuristi pri optillliranju

prijcnosa ~mage " vjetroturbinc na generator. Va7.110 je i [0 sto asinkroni generatori rack na slabilnom stnnOll1 dijdu znab~jkc. pa su

na slikama ucrtani samo ti dijclovi momelllnih znacajki asinkronih gcncratora. Asinkroni se genera tori ponckad kor.islc i u autonomnim stlsta\'ima, ali je tada nuzno

osiguraLi kondenzatorsku UZhlldu tako da se kondenzalOri spoje na izlaznc prikljllcke gcnc-

M 1* asmk ~~~7hg2~~rat'7! M SPO:O_h~dnl

e' Me'

radni dio i karakteristike ,

St. 4.8. ,-\1oIfl2Iline ZJldCdjkt' u.\inkmrwg gellertif(;Fd a - dULl kave;:Jw (lsinkrOfId ge!/l'hlWrii

Rv=vanjski otpor rotora

Av,<Rv2<Rv3

-+---J-W n2 W n3 '"

b - klizJlo-kolllill! asillkl'lJl1i Jjenemlor s razli6tim wlljskilJl ol{X)rililu mluru

150 AEIWE!'<'ERGSTSKA POSTROJENJA

ra!oriL. Naron on izlazu gencratora razmjcran jc brzini generatora, a obmuto razmjeran kapacitctu prikljuccnih kondenz(ltora. Tipicnu o\'isnost napona asinkronog gcneratora prikazuje slika 4.9.11, dok jc na slici 4.9.b. prikazana Qvisoos! napona 0 kutnoj brzini i kapacitetu prikljucenih konclcnzalora. Tndeks n oznacava nominalnc vrijednosti.

n)

U/U, ! (%) 1 100 - ----"

>oJ;{ ""'"-" ~~----,~,j 50 75 100 125 P/P,(%)

1,~--

70

SI. 4.9. Ovi.l'lJo.l'l n:;pOI1(i Cis;nkrol1tJ.'; gnremtoro II (Jf/l(}f/0!l111011/ radu ()

kapacitf'tll i {/ - optcrd:enju II!. sW!nu .?r"inu, i b - brzinu w:: stu/no (Jplere{;CI~ie

Posebnim kons!rukcijama asinkronih generatora nas!oji 5C povccati stupanj iskoristcnja 11 OdllOSU prcma standardnim asinkronim generatorima. Slika 4.10. prikazuje kvalitativnu ovisflosl slupnja iskorj,~lenja 0 razvijcnoj snazi genera tara.

Radna locka sustava asinkroni generator - vjetroturbina obicno se nalazi na stml0m, stabilnom dijdu momcn(ne znacajke. To ne omoguc:l\'a oplrmillnn iskoristavanje svib brzina pul1anja vjctra, 0 6:~mu cc sc dcw.ljno govoriti u poglavlju 5, pa se vjelroelektrana obicno oprcma iIi dV(lma asinkronim gencralorima ra7JiCitc brzobodnos!i iii jednim dvobrzinskim gencralorom. Za generator manje hrzohodnosti krivulj,l s(upnjll iskoristcnja pomice se ulijcvo prema manjim snagam<l, pa se podrucjc uCinkovitc ckspioatacije jos viSe prosiruje. Pri snazi prckrctanja PPI' prekJapnju sc generalori iIi 5C prespaja hroj po]ova generatora s jedne brzohodnosti nil drugu. Momentna krivulja generalOra manje brzohodnosti, koji je ujcdno i manjc nominalnc ~>nagc, pomaknula jc ulijcyo U odnosu prcma momcntnoj zOilcajki hrzohodnijeg gcneratora (slika 4.8.a).

Elcklrocncrgclski podsusWv vjelrociektrane-

stupanj iskoriAtenja

vjetrogeneratori //\

oo~ 00,

l'slandardni asinkroni generator

i

ppr

" snaga prekrotanja

• opterecenje

Sf. 4.10, Usporedhcnc kripulje uhnkovitosfi .l"tanr/art/nog asinkrrJlJof,; f,;('/1('r[lfOra i rjcrr(}gcllera/or(/ za nu

zivlle brzine OJ [ i (I.l2

151

Zahljcvi 7.<1 smanjcnjc lczinc genera!ora provodc sc u izvedbama kod kqjih je hlaaenje rijcscno prinudnim strujanjcm zraka kmz generator (tzv. »drip-proof« izvedba). Kod ovc izvcdbc 7.rak ulazi u kuciste genera!onl i izravno hladi ak!ivllc dijcJovc namo1<l ijczgru. pa takvi generatori mogu dati vise snage u istom volumenu nego standardni vanjsko blClocni gcncratori. Slika 4.11.

tefina (cijena)

unutra.§nje hladenje

---,---I

_ .. ,_.-.. _ .. -

! 'lunutraSnje

f--- ----I hl.denje

.~

vanjsko hladenje

-

.. --'-- L vanjsko

/' hladenje L--71

"7 /t~ V I snaga

st. 4.1 I. Shem(1tski prik(1T, Rcnerafora s unl-lfrtl,i"njilll i l'tmjskim hladenjem i kvalilativni odnos fetina (cijena) - snaga za ohjc izvedhe

UL AEROEi\'ERGETSKA POSTlWJENJA

shematski prikazuje jedan i drugi naCin hla(1enja lC daje kvalitativnu ovisnosl teiine i snage. Kako je cijena generatora izravno razmjem<t [dini, krivulja cijena - snaga odgovara krivulji teiina snaga.

Kod malih snaga prednost unutrasnjeg hladenja nije to!iko uoCljiva, ali razlika posti\je sve veca kad jedinica veee snage. Kako vjelroeiektrane cesta rade U leSkim almosferskim uvjetima, prasine, slane atmosfere, takvi llvjeti rada postavljaju stroge zahljeve na kakv06u izvcdbe generatora s unutrasnjim hlaaenjcm i to pasebno na korislcne malerijah~ i srcdstva za impregniranjc. Zbog toga sarno najbolji proizyouaCi proizvoue takve asinkroHC generatore.

4.2.4. Smjcstaj gcneratora u vjetrodektranama

Generator se u vjetroelcktranama s obzirom na Yjdrolurbinu moze smjesliti na Lri raLl.icil.:l naCina:

- usporedno s osovinom vj-.:troturbine okomito na osovinu vjctroturbinc

- dislocifano u odnosu prema vjctroturbini. Slika 4.12. shematski prikazuje naCine smjl'staja generatora.

Q_ ~J r-;-;-, ('1;:\ T~~

T*turbina

O-osovioa

M-multlplikator

G*generator

HP*hidrau!Jcka pumpa

HM*hidraulicki motor

Sf. 4.12. Slllje:\laj gellcralora II odnoslI prelll(f Ljelrutllrbilli a - u,I'/JoreJflo b - okomi/o c - disfocirallo

Okomiti smjcstaj obieno se izbjegava zbog slozenosti izvcdbe multlplikatora i slozcnije konstrukcije vjetroturbine. Izvodi se uglavnom u prolotipnim konstrukcijama. .

Sustav s dislociranim gcncralororn re1,'llivno jc novijcga nadnevka. Osnova .Ie suslaV,i hidraulicki prijcnos snage s vjetroturbine na generator. Vjetroturbina pokrcce hiJraulieku crpku koja POillOCU prijenosnog sustava i hidrauli0kog motOfiJ okrcce generator. Stika

EJek!rut;!nt;!rgel~ki PUd~U5[a\' vje!roekktranc 153

4.13. prikazuje principijelnu shcmu tahug sustava. Glavni ncdoslaci ovak:vog !jesl:nja U odnOSH na kb.sicllO ljcsenje su:

- veca pocetna investicija i - zahtjev za spccijaliziranom radnom snagom pri odrzavanju sus!aVa,

uok su prednosti: - vjetrolurbiua izravno pokre(:c bidrauliCku crpku, pa nije pOlr~ban mchanicki multip!i-

kator - generator i veti clio opreme smjeslaju sc na zemlju, slo olaksilY(l konstrukciju i udrzaval~je -hidraulicki prijenos djcluje kao ublazi\"ac trcnutnih promjena bainu \-jdra - regulacijol11 hidraulickog rnotora, generator se maze okrctali slalnom brzinom, bez ob-

zira na brzinu okretanja vjetroturbinc - moguce jc prikljucivanje vise turbina na jedan generator vc1ike snage - umjesto dektricnog generatora hidraulicki motor mo~.e pukretati i drugu oprcmu, pri-

mjerice kOl1lprcsore, crpke za vodu i s1.

()

vJetroturbma hldraullcka pumpa I / c---· /,eduke,on, ventil

\ cIJ8vi

~rcc--( - - -7 ventll za regulaciju protoka

i \ ~ / prekotlacni ventil

U ....... : M:J ~{--:Jv JJr3;:;o //9 I N[ t1~t~~t<gene,ato,

spremnik hidraullckl motor

Sf. 4.13. S/u:l!wuki prika:'. Lie/meld/mne s hidrulI!itkifll/N)jdW.I()J!l "I!wgt'

Smje.staj generatora usporcdo s OSOV1110111 vjetl'()lUrbine svabko jc !l~~irasproslr;mjcni.Ji pa zahtijeva detaljniji prikaz. U pn:thodnom poglavlju naglascnu.ic da Sll vjdl'Uclcklranc obiello opremljene iIi dvobrzinskim gencratorima iIi, sto jc CCSCl sluc;:~j, d\'Luna gcncralorima razlicitc brzohudllosti, kako bi se iskoristilo stu sire pourucje br;tjna vjdra. Manji sc generator osim toga koristi i pri pokretanju turbine tako da radi kao motor POI)lOCU kojega sc cijdi sustav iz stanja mirovanja uovodi do nckog pocdnog broja okretaja.

Ako vjetroclcktrana illla elva gcncralora, oni se mugu smjcsliti tako da buJu mcaumbno uspofcdni iIi da budu jcdan iza drugoga. U prvom slucaju konslrukcija mOLe biti taJi..v<:l da multiplikator ima Jvijc izlazne osovlne, na kojc je svaki generator prikljul:en, iIi da .Ie ved generator prikljllcen na multiplikator, dok se manji pokrccc V - remcnicom pricvfsccnom na straznji dio veceg gcncratora. Slika 4.14. prikazujc bokoert jedne od Kumercijalnili vjctro* elektralla kod koje su generatori tuku smjdteni. Na slid 4.14. prikazanc su i ostalc konslrukcijske cjelinc vjctroe1cktrane, kao sto .Ie ovjesiste lopatica, glavna usuvina, kociolli sllstav, multipli.kator, spojka i sustav poziclunlranja U odno::;u prcmD. smjcru pUhanja vjetra. U OVOIll slucaju radilo sc 0 vecoj jedinici snage generatora ad 30 k\V i 200 kW.

154

vratilo disk prljenosnik

kocnica snage

lopatica

AEJWENf,RGETSKA POSTROJENJA

vael generator

manii generator

St. 4.14. PONted rjt·frncfdtmna kod k(!jih.l'1I Nf·I!(,/"u/ol"i \·n!ic.ii/cui IIs{lorl'r/no S (lsi t:ietm(urhine Ii"!. Xillidtai g('lIcra!ni"(/ jedwl ha dru[;oga

4.3. Literatura

111 .1. Akcrlunrl, Ericsson Surnvind, Ericsson Rcyiew, 1, 1982, str. 40-47 121 H. R. Bolton, V. C. Nicodcmov, Permanent Magnet Alfana/orsjnl" ,mud! Wind S1'stems,

Proc. of 1 ~l British \'lind Energy Association Workshop, London, Apri11979, sIr. 1'65-180 131 I. K. Buchring, L. C. Freris, Some Aspects oj'.r/l1al1 Agrogenerator Design and Testing,

Proc. of 3,-,1 Int. Symp. on Wind Energy Systems, Lyngby, Denmark, Aug. 1980, sIr. 297-305.

141 V. Pokraj.sck. N. Srb, Al"inkroni genera/ori, Elektrotehnicar, 4, 1984. str. 123-126

5. Podsustav vodenja i nadzora vjetroelektrane

Elektricna energija proizvcdcna v.ietrom promjenjivc je koliCine i trajanja, U suvremenim vjetroeleklmnama nasloji 50 U svakom casu 17.vu6 maksimalna raspoloziYH soaga iz promjenIjivih brzina i smjerovD. vjetra, Osim toga, u trenllcima zapuha vjetroturbina je izlozena naglim skokovilim promjcnama ulaznc snage vjelra, pa takve ncstacionarne pohucle uzrokuju mehanickll i elektrit-ka napre-zanja c~jelog sus.lava. Od vjetroelektrana trazi se pak dug radni vijck, kako bi 5e osigurala maksimalna dohit ad ulozcnc invcsticijc. Ti 5C zahtjevi ljesavaju U okviru poscbnog poclsustnva vjetroeleklrane pomocu kojega se, s jedne straoe vjctroelektraoa nastoji rtll!omalSki vooiti, a S omge s!raoe, posehno razrac1enim postupcima nadzora nasloji sc osigurati njezin siguran, pouzdan i dugovjccan rad. Radi se 0 podsnstavu vOdcnja j nadzora. U prvom dijclu anilliziraju se oSl1m'ni zadaci vooenja i nadzora. Nakol1 toga ohraduju se aerodinamicki i l1lchanicki urcdaji \'ooenja j zastilc, dok se u trecem dijclu obradujc nekoliko razliCitih naCin:ll'Calizacije zadaca vodcnja "jctroclcktrana primjcnom rczlIltata suvremene teorije voc1cnja.

5.1. Zadace vodeuja i nadzora vjetroelektrane

Osnovne zadace podsustava vodenja i nadZ(lra vjclroclcklrane mogu se svrstati u slijedece skupine:

a) Rt:TINSKO VODENJE VJETROELEKTRANE kojc ukljucujc: -postupak pokrctanja vjctrolurhine pomocu motora za pokretanje (ako je brzina vjetra

nedostatna) - regulaciju polozaja vjctroelektranc u odnosu prema smjeru puhanja vjetra - ukljucivanje i iskljuCivnnje gcncratora koje je u izravnoj vezi s brzinom puhanja vjctra

tc reguladjom napona i frekvencijc proizvcdeoe elektriCne energijc. b) VODENJE S CJLJEM OPTIMIRANJA PRENESENE SNAGE ima zadacu ugoditi radne

znacajkc vjetroturbine i elektricnog generatora kako bi sc: - maksimirala iskorislivosl SUS lava i optimalno prenijela snaga turbine na generator - ograniCila prencscna snaga u Casu kada snaga turbine dosegne nominalnu snagu gene-

ratom. c) S!GURNOSN! NADZOR ukljucujc nadzor lIvjeta u kc~iima vjctroelektrana radi, te nad

zor same vjetroeJeklrane radi otkrivanja kvarova. Ustanoyljayanjem kvara vjctroelektrana se aulomalski zaustavlja.

d) RADNI NADZOR VJETROELEKTRANE ubraja se u prcventivni nadzor, kojim se :leli predvidjeti pojavn k\'ura vjetroeleklflmc, kako bi se na vrijcme reagiralo, tc na laj nado smanjiJa evcntualna sleta. Ukljucujc nadzof osnovnih vc1icina sustava, primjericc znacajki vjetra, clektricnih vcliCina. llvjeta rada i slicno.

e) Svi podaci znacajni za rad vjetroeleklranc neprekidno so mjcrc a najvazniji od njih i biljezc, kako bi sc naknadnom analizom magle provjcrili znacajke vjctroelcktrane ili rekonstruirati siluacija u kojoj jc doslo do poremee:aja rada. Ponckad sc stanjc vjeLroelcktranc moze nadzirati s udaljenos{i, kori.stenjem telemetrijskog prijenosa mjcrenih vcliCina.

AEROENERGETSKA POS";R01ENJA

5.1.1. Rutinsko voaenje vjetroelektrana

Rutinskim voc1cnjem vjctroclektrane osiguravil se njczin sanlOstalniji rad bez ncposrcdnc nazocnosti covjeka opcratera. Ovo vodcnje obicno ubuhvaca:

- postupak pokretanja vjetrolurbinc - regu!aciju poloz<J,ja vjetroclcktrane II odnosu prcma smjeru puhanja yjctra - postupak ukJjuClvanja i iskljuCivanja generatora. Da bi se vjelroturbina pokrol1ula trcba biti pruvjefCu cijeli niz radllih U\'jda, od llw.,-:ova

u hidmulicnom suslavu vjctroelektranc, do vanjskih faktora, i to prijc svcga brzine vjctra. Ako brzina vjelra nijc dostatna da bi s..: savladalc silL; otpora, vjetroturbina so prisilno pokrcec pOlllOGU

motora za pokrctanjc. Nakon sto dosegne radnu brzinu motor se iskljucujc, a 1;:ako su sada sile koje je potrebno savladali znatno manje nego pri pokretanju, vjetroclcktrana sc prcbacujc u radni rcZim u kojem proiznxli elektricnu cncrgiju. Poslrojenje molam za pokretanjc kod malih jodillica nijc isplatiYO pa sc kod njih turbina pokrent.: lek kad brzina vjetra pr~jcdc brzinu samost:llnog lX)kretanja. Kod vjetroelcktrana S Jsinkronim gencmlorilll<t ulogu motora za pokrctanjc oblcnu ima m[Ulji asinlu-oni gl'l1Crator koji se. nakon sto turbina doscgnc radnu buinu, iz 1110lomog, fez.irna prcbacuje II gencratorski rd.im. Uz mogucuosl auLomatskog pokrctanja svaki pudsuslav vuJenja obicno dopusta i meno, prisilno pokretallje kojc ukljucuj;.; i iskljucuje up~ratcr.

Regulacija poloiaja \jr.::troclcklrane u odnosu prcma smjeru puhallja vjetra vazna je iskljuCivo kod propdernih turbina S \'oduravnim vraUlom. Snaga vjeLra prcdana turbinl rnal..:.simalna je u slucaju okornitog nailaska vjetra na povrsinu wdnog kola turbine. VeCinu mjesta

~ W

---

~ C _.-

-->--St. 5.1. Re!JlI!ucUu j)(}!ozaja vjeif'o/lir/;inc 1/ odrliJ.\U pl"emd .l'mjen, plIhunja tje!ra

a ~ jJd.I'iL'IIU lil. postaL'1jdllje IIi::: vjdar b - pa.,ivnu s repllim sta/;i!i::.aiol"olll

c - pasivna s pi/ot-tjetrenJacuma d - aktivnI.l sa ,l"cn'(Jsuslavo/ll za po;:.iciolliralljc

157

oznacuje promjenjivo:>t sm.icra puhanja vjctra, pa O1ko se /,cl1ll101ksimalno iskoristiti mugu6Llosti turbine, treba joj slalno rcgulirati polozaj ovisno 0 smjeru pllilanja vjetra. To se mol.c provesti pasivnom i aktimom rcgulac.ijom, kao sro prikazujc slika 5.1. Kod pasivlle fegubci.ic turbina se pozicionira ponlOcu souge vjetra, dok se kod aktivnc regulacijc koriste p05cbni motori za pozicloniranjc.

Analiza pasivne regulacijc, i to poscbno pomocll rqmih srabilizatonl i piloHurbilli1, dana jc II pogJavlju 5.2, dok se ovdje obraollje aklivna regulacija ponlOcu serVOSusUl.va za pozicioniranje. Radi se 0 klasicllolll sLijcunom sern>sustavu prikazullom na slici 5.2.a. Uluzni signal kojega jc potrebno pra!itj dobije sc i1. senzora smjcra vjctra. Scnzor sc [reba srnjestili tako da utjcca.i turbine. bude minimalan, primjerke senzor sc postavlja na posebaJi fitLip. Meuutirn, zbog prakticnih razluga on se obicno smjcSul na 1sti !:>lUp na kojcmujc i turbina, pa su smclnjc neizb.icl.ne. Utjecaj im sc ub1aZi1\'~l i;a<lcunavanjt.:Hl srcunje vrijcJnusti smjew U odre;uenorn vremenskom intcrvalu ko.ii jc duzi kod jcdinica vcCih snag a, a krccc se oct 1 .. [00 sekundi.

sanzor smjera vjelra

+ --. _~t~~prilagodnj _ L. ____ ! L clan

y

o}

izvrsni clan (motor)

c ____ " senzor zakreta

referenca, Y~Er

odziv sustava, y

L--t·o--------~t-

b}

Sf. 5.2. S(ijutini .\t~nu.\u.\liIL·;:(I j)o;kioIJihifije Ljdme!f'/:!runu iI OdIlO.\'1I {JrClllii .lInjcm jJilJiUllja Ljdni (u) Til1il:an ::.uli!jn __ !hi od;::iL' SU't'{).lil.lhiUIU;:. ,\Kukocif;; pmllijrfiil reF'JTIlLt: (h)

OJziv scrvosuslavi! [reba biti priguscn ali i dOSl,ltuo brz. To znaci da se iz .i~dllUg po!oza.ia u drugi [reba doCi sto prijc, hez oscilacija i prcbacaja nove vdjednosti. Tipican oct1.i\' J'.<1 skokovitu promjcnu reference prikalujc slika 5.2.b.

Danas se u III sHllu prete2.no koriste razni algoriLllli digilalllug \'Uucllja, a ponckac1 i klasicni PID regllialori.

Jcdna od slozcnih zaJaca prj projdairanju \jdroagn:gatajcsllje~l.!!1j(; prijcnosa ckktricnc energijc od gcnef<l(ura, koji se okrccc skura S lurbi!lum, do ostalog dijcla cncrgctske oprcmc i potrosaca koji se nalazc na zcrntji. Kod vjetfOagrcgata s rcpnim stahilizalorom iii piluHufbinama koriste se klilni prstcnovi. a kod \'jelwagrcgala sa scrvusustavom 7.a puzidoninmjc posebni prijclluSrli kabeli koji dopustaju uccsiaJu U\Ttanjc, ali llajvii::e 2-3 U\Tl,-U1ja U jcdnorn iIi clmgoill smjcru. Puslojanjc kabela postavlja doJatnc uvjdc ;;USlavu n:gulacijc pOlUl.ilja vjelrdlurblne. Broj uvrtanja utvnluje se poscbnirn brojaccm, pa SC, nakon stu u jcdnorn smjeru prijec1e maksimalno dopuslenu vrijcdnost, poziciuniran.ie turbine pro\'odi okrctanjcm u supmtnoUl smjerll, bez obzira ,~tu se pritom turbina IIluzua [reba zakn:nmi /.<1 \'c6i kut. Priilljerice, neka se turb.ina treba zakn:nuti 1(/' udcsno. Ako .Ie uoscgnut tuaksimalan broj llvrtanju.. ona ce u novi polozaj doCi zakrelanjcm za 3500 ulijevu.

158 ACROENERGETSKA POSTROJE;-..I)A

Slika 5.3. prikazujc tipicni smjeslaj scnzora za smjcr i brzinu vjctra i SCfVomo!ora za pO?icioniranje. Senzori brzine vjctra i smjcra vjctra fizicki mogu biti razdvojeni, iIi Sl1 spojeni LI cjc1inu. Radi Sf' 0 vc1ikoj vjctroe!cktrani silage 1 .rv1W kod koje postoje tri I1covisna clck{ficnil serV(lmo(ora, waki S i'lastitim fcduktororn kao na slici.

senzor smjera i brzine vjetra

servomotori za pozicioniranje

Sf. 5.3 Smj('.{I(~ji S('II::'om zo s/l~ier i hr;,illlll:ielm i SelT{!.I'US!U

('II 7(1 jlO?.icirmimnje t:ietmelektrol1u .\'IWf{(' J 000 k'\V s p,,~ici(!nir(1l~i('ll1fJ!'C11J(1 ljelnl

Treen zadaca rutinskog voucnja jest postupak ukljuCivanja. iskljuCiYilnja i prcspajanja gencralpnl. On jc s jednc stram; u iZra\'TlOj vczi s brzinolll pUhanja vjctra, a s drugc s regulacijpm l1ilpOna j rrl~kycncijc proiz\'C~d~'ne clcklri(~nc cncrgijc.

Slika 5.4. prik:tzujc tipicllU shemu spajanja vjclrncJcklrane oa mreZu. Na slici su ucrtani rckjni skl()pnici, iako :-'1..' u posJjcdnjc vrijcme svc vise koristi )mcka!1{w ukljllCivi1nje tiristorskim sklopnicima.

ProizvodaCi nude tirisfol'skc sldopnike r;:r/JiCifc snage poscbno prilago(1enc radu u vjetroclcklranama. Naglas:t\,il sc da sc n.iiho\'in1 korL~tcn.iem produiuje zivotni vijek vjetroelektrane, poschno mulliplikatora i ld.ajc\'J.. PO!llOC!1 lirislorskib skJopnika, turhina se postupno oplerccujc, l\ nc skok(1vitn k!w u SIUC!1jll kJilsicnog ukljuC:i,'anja. Tako ncma mchanickih sokova, slo produ/i\\'<l zivolnr \'i,iek kOl1lponcnata.

Kod vjctroclcktrana kojc imaju dVH gcneralora obicno pos!oji mogucnost prikljuCivanja generatorn j1(:iedinacno ill skupa. VdiCina kl~ia odrc(1uje koji ce generator biti prikljucen ohicno jc brzina Yjctra. Kod malih brzina najprije sc ukljllcuje sarno mali generator, zalim p(~jaca\'nnjel1l vjctra same veel generator i na kraju, kad brzina vjctra doscgnc odgo\'ari\jucu Yrijcdnost, ukljucuju sc oba general ora skura. Dakako, smanjivanjem vjelra dolazi najprije do iskljuCi\';mja nlanjcg gcneratora. zalim daljnjim smanjivanjem do iskljuCivanja veeeg a ukljucivanja manjcg generaLora, i na krilju iskljuci\'anja obaju generalora.

159

U vezi s postupkom ukljuCi\'anja i iskljuCivanja generatoru, na ncki je nacin povczana i rcgulacija nnpona i frekvencije proizvedenog clektricnog napollH.

Spomenulo je da "jetwclcktrane mogu biti prikljuccnc 11(1 postojecu elektrocncrgetsku mreZ,u Hi da l1logu raditi samostalno. Pri radu na mreZu, rcguJacija napona provodi se samo

6

Sf. 5.4. Shell/a .I'[7(1janja l:fetrodeklmnc fl(l mreZlf J ~ cjetl'odekrmna 4 - prik(illtd: no di.l'trilmrivl1u mrezu 2 - ['ods!anfea L'iso/.;og napolla 5 - /.;Ol1lm!1I napO!1(! iJi'(,kvel1c(jc 3 - prjf-liubll'crI !·i.l'okoji l1apO!1ti 6 - r·i.l'o/cr)IJapollski kahel

u s!ueaju sinkronng genera lorn regllJiranjcm naron!! uzbudc. Gencm!or se 11l07.C- prikljuciti na mrd.u samn ako mu jc napon \1 doposlcnim granicama. Pri aut0!10mnOlTl je raclu rcgulacija napcm,i pOSe.hllO \'aj,na u <;U~t;l\'\l s pobranom cJcktricnc encrgije u akumulntorskim batcrijanw, 0 cemu cc biti vise rijeci u pagJavlju 5.3.

Prj raclu na mrcZu, rcgulacija frckvcncije jc \'(1zna aka sc koriste sinkroni generatori. a obicno sc provodi rcguJiranjem broja okrclaja turbine. Pri (lutonomnom radu ;lcktricna 'sc cnergija najccS(~e najprijc pohranjujc u akul11uJatorirna, pa se tck nakon toga, ako je potrcbno, pret\,'ll:n u izmjeni(:ni abEl<. Zbog toga nije pOlrcbno pw\'odili rcgulaciju frekvencije cJjclovanjem na broj okrelaja vjelroiurhine, vcc se rcgulacija provorli prj iSlosmjcmo-izll1j~nicnoj pretvorbi. . .

160 AElI.OE:,'LRGETSKA POSTROJENJA

5.1.2. Vooenje radi optimiranja prcIlcscne snage

Cilj ovog vodenjajest prije svega l1laksimiranjc iskorisLivosti vjctroclckl.ranc tako do. sc znacajke generatnra i turbine medusobno optimalno ugodc.

U ovisnosti 0 brzini pullanja vjctI"a, zauaca voc1cnja maze bili optimiranjc prCIlcscne snage iIi ogranicavanjc snagc. Optimifan.ic se provodi svc uok.ie razvijcna snaga generatora manja ad nOl1liualne, a ogranicavanjc nakon s[O se dosegnc nominalna snaga generatora.

Slika 5.5. prikazuje tipicne radnc znacajkc vjctroturbine za opLimalno postavljen kut lu~ palica, i to znacajku snage i momcnlnu znacajku. Maksimumi krivulja snage, spojeni linijom Pmax odrec1uju kutnu brzillu turbine kod koje je za Jane bainc vjetra stupanj korisnog dje1o\'anja najveCi. Na m()l11cntnim znaeajkama te tocke lde na krivulji Mopt> koja je pomaknuta udesno od maksimuma momenlnih znacajki.

p 'Pmax M

ml'

/ ogranicavanje _

Sf. 5.5. 71picne mdne znuZiJjke ljclI"OIurhiM (I .M macajka ,\fwge

h - ;lwZujkfl IIWlliellld

ml'

w

Oznacimo Ii na slici 5.5.a. sa PGN nominalnu snagu pokrenutog gCl1Cralora, yjetroturbina ce biti muj.;:simalno iskoriiilena aka se njezino opterecenjc clo !lominalnc .:mage generatora poklapa s krivuljom Pum ;.:.. Za brziuc vjclra vece od brzine koja raL.vija nominalnu snagu r\-:;N' prcnescnu jc snagu potrebno ograniciti na iznos nominalnc snagc gcncratora, kao stn jc i prikazano na slici 5.5.a.

DinamlCka ravnoteZa vjctroclektranc opisuji;:; se jcdnadzbom

(5 1)

gdjc jc: J - moment incrcije rotacijskog sustava m - kutna brzina \'l."at11a turbine MQ - moment torzijc turbinc MG - moment torzije generalora v - brzina vjctra.

U stacioJ1arnom stanju za stalnu brzinll vjetra susla\· so vfti stalnom kutllom brzinoJI\ (dco/dt::::: 0), pajcdnudzbu (5.1) prelazi u oblik

(5.2)

161

Ako sc povcca iIi smanji brzim \jelra, dolazi do razlike momenta MQ i [vic;, sto 5C oC.ilujc u ubrzavanju (dwld./-\ > 0) iIi uspOn.lV[lllju (dw/di\ < 0) cijdog sustava, svc do uspustilYljanj'-l novog slacionarnug stanja.

Zadace rcgulacijskog sustava optimalizacije snage turbine mol.emu podijeliti II zadace dinamickc optirnalizacije u prijdaznum razdublju j zaJate :-.laticke optimalizacijc u stacionarnorn stanju. U prijdaznom fuzdublju potrcbno .Ie minimajizirali raLljku 1vI Q - MG_ a u slacionamOl11 sl:mju IV'lG ugodili tako cia odgovam optimaillom iznosu momGnt;, tmbine MQ za Lrcnutnu brzinu vjctra. Kada 5e prijedc nominalna snuga PN, tacla .1e prcnesz.:llu snagu potrcbno ograniciti na vri.ielinust PON.

U poglilvlju 5.2. ubnll1uju se nacini ogranicanmja snagc lurbillc /1i.l vrijcdnust P(JN d.icInv<tlljcm na aerodini.llllicke zllacajkc ]opatica, lIok se 11 poglavlju 5.3. obral1uje pristup lwd kojcg se d.ielujc na dcktricni dio vjctrodcklrane.

5 1.3. Sigllrnosni nadzor vjctroclcktranc

Sigllrnosni nacizor podraJ.Ul'llijc\'<l prilccn.ie ,·i.wj"kih U\jct:\ u kujim:i \"jcLroeidoranii wdi i praccnje rada svih P()J:,u~la\·a \'jelrudektnuw. lzmjcrcni se rczulla!i lliipurel1uju s d1."lpLi.~(cnim vrijcJnoslima. Ako sc prijeuu granicnc nijednu:-,[i. aktivira s.e kocionl podsu:>ta, i lurbi:UI sc zauslil\·lja.

Od vanj:,kih uvjcta nwJzirc sc prij.:: s\"cga brl'jna Yjdra. Kite! IjctLU· dustigllC ocirc:kllu brzinu V;/, kojaje obicnu u poJrucjima ulujnib brzini.l. Yjcu"Oturbina ,ciC prisilno J.<1US(;lYJ.j:l. OJ znaca.iki vjetroelektranc pratc :-,c temperature mulliplib.lunl, gcncralora, !ei.aja i kocnic<l, (Jakov! i razina uJ.ja hidraulickog podSuSla\·u, brzina oKrdanja turbine, napUIl, frekvcn.:ija i ra1.vijena snaga gencratora.

Izlaskum bilo kojc od till vc1iC;lo<l iz sigunlosnih gmnica, vjdrucld:.lmllLl se zau:>[:tl'i.ia. Razlozi sigllrnosti zahtijevaju postojallje Ilckoliko usporcJnih koCiullih P()stllp~ika kuji se dctaljno obra(1uju u poglavlju 5.2. Svaki od poslupaka mOlc II putpullosli z<luslaviti turbinu. pa je zbog toga Cimbcl1ik sigumusti cijGlog SUSUlYa vrlo velik.

Na kraju navedimo .ios nekoliko spccificllill postupaka sigumusl1ug nadmra \".idroclek~ trane, pogJaviw clcktricl1og.

Zastita od pobjega: Pobjeg !:>e oCituje nagjim povdanjeJll bruja ukrclaja turbinc, a do njcga obicno dolazi naglim raslcrecclljem turbine. primjcricc iSj)<:ldunl gcncralora iz pOlrosackog kruga. U pogJavlju 5.2. dew.ljno sc ubral1ujc pojav<i pobjega Ulrbinc. Zaslita od pubjcga obicno jc visestruka. Pn'a.ie elcktricna i sasloji sc u naumru 1"rckvcm."ljc, napuna. prellcsenc snage i brzine okrelanja generatora. Pun;can.ic bi!o kuje od tih vdiCina mol.c llkal.j\"~lLi Il~! pob.icg, a pogOIOH) ako jc promjena !Iag.la. PrijcliiLOm gwnicnih nijcclllusLi llklju(ujc se kuciol1i podsusw\'. Druga je zastita rnchanicko-clcktricntl, a S£lstoji :-.e uc! l."cntrifugalnc !ok!upke koja sc aktivira prj brzinama Z:1 olprilike iCJfic vecinl od brzina koJ kujib :-.0 llkljuC:uje c!cktricna zastita. Tfda .Ie zastita obicno cLto mciJanicka j ucituje sc u prisi!nul1l ,~a).;r(;l:Ulju lGpalica turbine tlko brzina prijede odre(1cl111 .ins vccu vrijcdnost.

Detektor ,·ibracija: Vihracijc roLiraju(cg su:-,lay;:i. Y.ic1roclcklranc prijc1azum dopuslenih vrijcdnosti ukljucuju posclmu yibracijsku sklopku kuja akt.ivira poslupak zausl:1vljanja. SliJ';:f~

5.6. shematski prikazuje llpicnu Yibracijsku I>klupku. Sastoji sc oJ mClaJne kugle u lcL.i:;m koja pri odrcL1cnim Yibrucijama ispada iz lc)i~la i uki.iucujc sklupku, it prcku njc i poswpak kocenja. Ponovno vracauj.:: u pogun mogucc.ie tek nakun ncpm;reullc ruclle inlcl"\\;ncijc upcwtera i deaktiviranjem sklopke. PrClj)oslayka jc Ja sc \"ibracijc mugu pojariLi samo u !11ucaju vcceg hara. primjerice kod pobjcga, a ela pritom llisu pruradili uSlaJj mci1anizmi zasUw, iji pri ll1cbanickom os[~C(;njll konstrukcijc, pa .Ie nuzan ddaljni prcglcJ vjctrodcktrane.

162

aktiviranje postupka zaustavljanja

AElWCNERGETSKA POSTROJENJA

Sf. 5Ji, Shr'!'wrski pri/';w. rihracijskr: sk/ofJ/ic

Rucno ZHnstavljanje: Uvijck mora pos[ojati l1logucnost za rueno zausta\'lja!~je vjetroclcklranc. S!cJopka 7a fllcno zauslavljan.ic ohicllo se posla\'JjD. !cod glavnog razvodnog ormara, koji jc l1iljccsce smjcstcn u poc!nozjll slupa vjClfoelcklranc, a kod vcCih jedinica posloje i dod~llnc sklopkc u kuci.~l11 vjelroeleklranc. U sJu(;aju ll<ld70ra na daJjinu vjetroelcktrana sc rno~c z:ms!aviti i 1Z sre(/j,snjc,g nadzornog mjesta,

U nckim slucajcvima vjctroe1cklrana automutski ponovno slarla, primjericc kad brzina vjctra dode 11 dopu~tetlo podrucje, dok .Ie, 11 drugim shlcajevima nuzna intcrvencija opcratcra, primjericc !lko se u!djuci vibraciona sk!opka, iIi ako neka lcmperatura prijeac dopustcnc vrijccinoslj,

), .4. Radni nadzor vjctroclcktranc

Suvrcmcnc hi vjdrocleklrane trcbalc traj<l!i J\'adcsct peL do trideset godina. Garancija dugog zivotnog yijek<! redo"i! je prevcn!jvni preglcd svil1 dijcJova stlstava, ali .Ie .los vcea gnrnncija slalan nadzor svih dijelova sustava i svih syojstav;J slIstavH liZ mudru inlcrprctaciju nadzir;mih vc]iciml, Na taj se Daein mogu prcdvicljcti kvarovi i djclovati na vrijcmc, Ie sprijcCili evcnt1J!llnc !1avarijc ili hal' skralit] vrijcmc U kojcm je vjelroclcktrana izvan pagona.

Ncprckidno se trcbaju nadzirati sljedecc vclicinc: - hrzin:t vjetra - smjer vjetra - izlama t?lck(ricna snaga - nilpnn nil slezaljkama gcncratora - stru.ia gcncratora

frelivcncija .- brzlllil okretanja v!'alila j gcneratora - temperatura okolinc - temperatura l1111ltipJikalPfn - temperatura gcnernlofa -- lCmperalura koc,nic,) - nvinil uljn hic!raujike - lJak uJja hidraulike.

POdS115tav \'onenja i natlron! vjclfoclek!rane

Uz to postoji i potreba za periodickim nadwrom koji ukljucuje mjerenje i analizu: ~ harrnonika struje generalora - prijelaznc pojavc pri ukljuCivanju sustava na mrezu - naprezanja i vihracijc konslrukcije - razine buke - ucinkovitosti sustava.

Takooer .Ie nuzno povremcno napraviti: - vizuulni nadzor svih doslupnih dijelova vjetroelektranc - nadzor naprSOllca konstrukcije penctrirajuCim sredslvima - ultrazvucni prcglcd dije-lava kOllstfukcije - kernijsku i mehanicku analizu sredstava za podmazi,'anjc.

163

Vecina tib prcglcda i analiza mogu se proves!i bez iskljucivunja vjetroelektranc. Poscbna se pozornosl Ireha posvetiti posebno oplcrccenim sastavnim dijelovima, primjerice lezajcvima, mUltiplikatoru, lopalicama, Neke od tih dijelo\'3. naprave i do 107 radnih ciklllsa godisnje,

Kod malih turbina do nckoliko slotina kW nije isplativo provodili sva ta mjercnja i analizc-, TabliGa 5.1. prikazllje koja je mjerenja i anrrlize uputno obavljati kod manjih a koja kod vctill vjetroclektrana.

Nekc od nadziranih velicina po!rcbno jc i zabiljcz.ili, 0 ccmu ce bili vise rijeCi nakon anillizc [czultata najuccstalijih kyaro\'<1 vjetroclektrana.

U casopisu })Magazine Wind Mounth.!y« od svihnja 1987, abradenj su rezultali analizc tipicnih kvaw"a lisu(;u praeenih vjctroelek[rana. POdSl1S1av vodenja i nadzora m~kriticniji je dio, pa je njcgo"u izboru i izradi pOlrehno posvelili nnjvise pozomosti. Podsuslav zakrctanja turbine prerna vjetru, kao i -"pc:i vjetroclek!rane s rnrcZ.om, po Llccslalosti kvarova na drugom su i trecem mjcstu. Najmanje jc tcskoca bilo s temeljirna i stupom, sto .Ie za ocekivati S obzirom nn njihovu sluticku funkciju.

Tablica 5.1. Tip("wi nacizora i nacizinmc vclit~inc II Dvisno,'ti 0 vc!ii'ini vjclroclcKlral1C'

5,1.5. Biljczcn)c izmjcrnih podataka

Naj"aznijc izmjcrnc veliCinc nuz,no .Ie i uhiljeij[j kako bi sc rnogJa provoditi periodicka analiza svojstaya vjclroe1eklmne Ie rckonstruirali silullcija II kojoj .Ie dosjo do odrea-cnc havarije. Za :Jnulizu svojslHva nUZan .Ie i upis radnih sati vje[roelek[ranc,

Pri analizi svojsta\,il ponekad je ncpraklicno koristiti stalno llpisivane podalke. poscbno ceslo promjenjivih vciiCina, kao s10 .Ie brzina vjcll"U, pa sustav nadzora ohicl1o dOpllsta j \'fCrnensko usrcdnjavanje tih vclicina,

164 .-\EI{()E~LRGLTSKA PUST!<OJE;"\JA

Suvremeni sustav vodenja i nadlOra obicno je izvec\en mikroprocesorski, pa se PUdilCi kratkorocno, primjerlce dncmo, biljeie u lokalnim mcmorijama, a pOlOm prenosc u mcunaL u kojima se provudi analiza.

Najvazniji podaci brzina vjctra i proizvcdcna elcktricna snaga generatora, biljez.e se na pisacima.

5 1.6. Primjcr oSlvarenja zadaca \'oucllja i naclzora vjclrocleklrallG

Pod~u~{av vOlicnja i nadl.ora sve radnjc ol~jedilljujc u sreJisnjoj jcdiuici, koja ujcduo upraYlja i svim zaJacillna vLX1enja i nadzura, to hiljezi mjeme velicinc. Ulogu sn .. xliSr~jc jedinicc obicno ima mikroraCiJll~L1o, kojc sc oJgo\'an~juCim sklupovilna puvczujc sa svim scnzor.illlJ i iL.\T~nim Cli.UlOvima. Slika 5,7. prcglctlno prikazujc mjcmc lucke i iixrsne clanoyc podsustaya vudc11ja j nadzora.

Osnovne nauzirane vclicine su: ~ brzina vjetra ~ smjef vjctra - brzina okrctanja turbine ~ elektricna snaga generatora ~ polozaj (azimulni kut) vjelrudektranc _. temperaturc ~ vibracije.

' , '1 a--'~'

SI. 5.7. SIu:mu/ski prikaz POdli/.I'IUL'd wilenja i nudzo/U

tlakovi

stup

Glavne izvrsne [ullkcijc su: ~ ukljuCivanje malum za pokretanje ~ llkljllcivanje-iskljuciyanje gcncralUta ~ llkljuCivanje parkinw kuenice (ublcno di:-.k kocnic.: na glavl1urn vrati!u turbine) ~ zakretanje vrhova lopatica zhog reJukcije snagc yjclwlurbine ~ azimutno pusta\'ljanjc yjdrockktranc (upravJjanje poloLJjem vjdroc1dmanc U odno,:,u

prcma smjcru puhanjiJ vjelra).

MikroraCl!llalu. kojc ima ulogu srccJisnje jcoinicc, moze hiti stalldardn() inJuslrij.-)k() 1':1-

cunalo, prirnjcrice induslrijsk:..t iz\'cdba PC raclillala, iii poscbno rnikr-UI'{ICl1llaiu prilagullc!l() zalilj:::\'ima voc1cnja vjetrockktnwG.

Jedno tipicno komercijHlno lllikroracunald Zi.l \\"Jt1cnjc i nadwr yjctru8lcklraut: s~idr;:.i sljc-decr clemente:

1. pilot-zarulja kuja o/.llacanl ukijutCllost SU,c,lil\,:!, 2. pi!ot-zarulja koja oL:nac:\v'-l pujavu pogrcskc, 3. alfa-nurucricki pukazivac veliCiw: (dvljc linije. s\'aka sa .:j(J kamk(c/'il koja "jui.l za korllU

nikaciju S opcralcnnn). Na njemu sc ispisuju rcL.imi r~l(b, radni paramclri, prdhodno upisani poclaci, i sIieno.

Moze se prikazati cak 16 razlicitih cluana koje kllrisnik "am prctprugwillira. 4. rucno okrClanjc turbine pu kutu <lZimula. 5. rucno pokrdanje turbine UkljUCClljClll llll)!m~l za p()krc~:l1l.ic kuji IUOZC hili i manji gene-

rator U 11101urnum reJ.illlu rada. 6. start aULoillilhkug rada, 7. rucno zaUSla\'ljcmjc i ukljuccnjc kocionih sustava, /). tast;1tUfa za izbor paramctara l«~ji cc se prikazali na pobziviiCU. IZfLlH1U se lll~)gll ocitati

sljedece vc!iCine: s!rujc. llapuni, faklori snage, vrijcmc rada, Ie J'<lzlitilc lCllljlcrUlln: i hrojevi okrctaja. SUS!~lnlUm tipk,jm IllOgl! sc prikazaLi i drugi podaci te izabraLi jcdan od pl'dProgr:.l1niranih cknma polwzi\ a(-;l,

9. kljuc za ukljucivanjc, iskl.illcinnjc i brbanjc upra\'ljackc jediniCl~, 10. scrvisni kljuc kojim sc oclrcdu.ic nacln racla upra\'ljackc jcJinicc i to n()rnd~iJl rad ili scr

visiranje.

Osnovu upravljackc jcdinicc cine dva 8/16 bi{n:l mikwpHlccsora. a pC\'>luji i EPROM vdicillc 24 kbyla i R .. ;i\l vc1iclnc 4 kbyla, ud cegaje 2 kbyUi s balcrijskim sigunlusninl nap;t

janjcm. Van.iska komunik:ieija pnAod.i 5e preke> scrijskug ulaZlJo izlaznug prikljucka RS-232. Jedinica l1lo7.c uj)l'adjali sust<:nom koji sadrzi jedao iii Jya ;:lsinKruna gcncralufa du ukupnc snage 250 kW. UkIjuclvwlj(>iskljuCl\'anjc gcncratonl pluvl!Lii "c mckanu prcku llris(urskih sklopki.

PJ'ed\'ilkn~) nurmalnu f"adllO pudrucjc vjcll'uckklranc j :fll<lca.ikc jcdinicc 1.(1 vuu~:nj\; "u: brzina okretanja lupaUca

~ b1'zin(\ okrdanja gcncralc)r::l (1) ~ brzina okrelanja generator[; (2) .... brzina vjctra ~ l1ljercnje kmper~l1ura (okolinl.':, Idajcva,

multiplikatora, genentlura) ~ (oenns( mjcrenja smjera vjcLra ~ naponski Sli.llldarJi (Europa, Indija, SAD) ~ frekvencija ~ I (j on/orf ::iklopk.i S lcrmislOl'a, inJikalura

vibracija, indikacije U\Tlilnja kabda. prC;,usla!a itd.

O~lO,47 racJ/s O~189 rael/s 0-·194 racJ/s O~70 m/s

~JOO()C do +150"C ± 5()

3x380 V, 3x400 V, 3x480 V 50 Hz jli 60 Hz i

166 /\CROr:~ERGETSKA POSTROJENJA

Cijela llpravl,iackll jedinica s Jirislorskim sklopkamu i kondenzatorima za kompenzaciju smjcStena .Ie U ormaru dirnenzija 1 OOOx 1 600x300 mrn.

Kod drugog tipicnog nacina i7'vedbc jcdinicc za vodenje i nadzol', osnovu sustava clui ()sobno racunalo Pc' u veza S vjetroeleklranom izvodi se preko posehno projcktiranog rnedusklopa koji ukljucnje svc mjer~e pretvllnlCe i prilagodnc sklopove izvc'inih Clanova. Prednost te izvedbc je u tomc ,<;ro sc .iednoslavoo, prirnjcnom odgovarajllceg programskog paketa, mogu pro\,oditi razliCiti postupei optimalizacijc prenesenc snage proizvedene elektricnc energijc gcneralon!, 0 kojima cc bili vise rijeci 11 pogJavlju 5.3.

5.2. Aerodinamicka i mehanicka nacela vodenja i zastite

CiJjeva vooenja i zllstite vjctro!Urbine ima, s izuzctkom podesDvanja polo~,aja namjeStanja kohl !Urhinc spram smjera \'jelfa. i kod klasicnih propelcrnib turhoslrojcY1\ (vodnc turbine), gdjc su oslvareni s djelotvornim i pnuzdanim sus!avimn. Svnjs(\'Cnosl os!\'arcnja islih ciljeva kod 1urbine nil vje!!!r proi7Jazi iz uv.lcla rada u atmosfcri - ncomedenim uvjctima, s izrazitim i br71m prom,icnama encrgije vjcfra privedene kolu. Sbodno lome sc u ra%Vilku modemih vielrogcnCfQwra veta rOZOftlo:~t posvccujc zasliti od preopfereccnja gonjenog stroja pri velikim brzinmn:l Yjclra j!i preoplcrecenjn lopntice kola U llvjctima pobjega (pri naglom rastcrecenju kol;) turbine - gonjenog S!rojll) ncgo rcguJaclji radi najvcccg iskorislenja raspolozivc cncrgije. Prililgodljivos! poJoJaja osi kola spram sm,icrn vjetra naizgled pruza mogucnost cia se zakretanjem kola, zoog promjcne powsinc nastrujaYanja vjelra nn kolo, bitno utjcce nn veHeine energije privedene koJu, a tako na isti nacin kao kod vodnih turbina (utjecajem na privod lCoergijc) OStVDrl ulogu Z(ls(jlc. Razmjcrno tome vcliki moment tromosli masa i nepo;fdjne popmtnc pojavc pri brzom prisilnom zukrclanju kola cine takav vid zastitc ncprikJadnim za veee turbine.

5.2.1. Podcsavanjc polo"zaja kola spram smjera vjctra

Prom,ienjh'ost vjclra uzrokujc odstllpanje polozaja osi vrtnje kola od smjcra vjetra iIi tocnijc oclrcdcnn, moguenos! da tokom rada turbine vjelnr naslrujava pod odrcdcnim kutom YI_ na ycrtikalnu rayninu U kojoj IcZi 0S \Ttnje kolil. Ta toenija odrcdnica polrebnaje zbog toga S10 sc- cesto os kola turbine poslavlja pod stano vi tim nagihom U odnosu prcma vodoravnoj ra\'nini. Tako je kut nagiba osi kola vrlo malen (y\ < 0°), te predstavlja samo jcdan konslrukti\'rm delalj, zanimljiv je zhog neposrcdne veze s lemom poglavlja. Temeljni razlog za uvodenjc nagiba osi kola y\ jesl povecanje razmaka izmedu (vrha) lopatice i stupa ili izvcdba kola sa s!anovitorn konicnoscu (pri ccrnu uzduzoa os Iopaticc nc ldi u ravnini okomitoj na os kola) llZ jqodobno s10 nwnji rn7111ak ()Yjesi.~ta lopn/ica od stupa.

Prvom ic svrha da se smanji mcc1udjclovanje lopalice i stupa (koje uzrokuje :;labije iskoristenjc cne;'gije v.ielra j pojac;va dinamicko oplereccnje slupa i lopatice) iIi smanji ukupni moment s[lYijanja lopaticc djclovanjcm ecntrifugalne sile lopatice.

Drugom je svrha da se smanji moment aerodinamickih sUa kola s obzirom na OS stupa, pa stoga uljece na reglllaciju poJozaja.

Utjecaj Izv. zako.~cnog vjetra na rad turbine s nezakrctljivim lopaticama i 0} ::::: konst. prikaznn je na temelju ekspcrimentalnih podataka na slici 5.8.a. iz koje proizlazi: _ snaga turbine (occki\'ano) smanjuje se s porastom kulova zako5avanja Y l.i to priblizno;;;: cos2 Yl·

Znalnije promjenc :mage nastupajll pri kutovima y,- = (20-30(1), dok otkloni reda velicine y < 6" uopee nemaju tltjccaja. Pri otklonu YI, > 70" snaga turbine prakticki je zanemarivn

PodsuslilV vodenja i nacJZ()ffl vjclf()l.'-!cktrane 167

- u podrucju vclikih brzina vjetra snaga avog !ipa turbine cak se i povecava za 0 < Yz < 40°, [lakon cega slijcdi njczino naglo smanjenje. Gubi se ocekivana podjednakost utjecaja ncgativnih i pozilivnih otklona, tj. simetricnost P(y;).

Prvi zakljucak je vazan za brzinu djelovanja Sllstava za regulaciju koji ima svrhu da zakrctanjem kola aka osi stupa svede yz --» O. Brzina pode.suvanja polozaja kola smjeru v.ietra stoga maze bili razmjerno malena j bez veceg je znacenja za iskoristavanjc cncrgije vjetra.

Neocekivano povecanje snage (u podrucju vecih brzina, gdje dolazi do izrazaja stall-efekt) s paraslom Yl. moze se objasniti utjecajem zakasenasti vjetra na isti efekt, dok se gubitak simetricnOSli moze objasniti utjecajcm promjcnc brzinc nastrujavanja vjetra s visinom i interakcijom slupa i lopatice.

Slika 5.8.b kao rezultat tcoretskog prorncuna, osim slO je poopcenje u bezdimenzijskom obliku ep (Kr, y;), prikazuje lltjecaj y~, na koeficijent brzohodnoSli (K1Jr ~ za ep ::::: 0, dok je smanjenje (Kp\ S rasluCim ku[om otkJona osnovil za korislcnjc zakrctllnja kol2 za sprecavanjc pobjega (poglavJje 5.2.2).

P/Pn

1,2

1,0

,-- ]] I I v=23 m/!!.!-' I

0,8

0,6

0,4

0,2

1

I" v-11 m/s - _.

--~ I v=8 m/s

I [~ 0) -40 -20 ° 20

Cp

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

o

t--

--

b) 0

---: !1

80'

2

b"yzl=oo .-1-

~ i-::::c"\ !\ 45' ,\ I 75' \

5 6 k ""Rw p v

3 4

SI. SHu i 5.8.h Utje(:aj l''1{lkd[eno.vlirc !:ielnl nil sna,p,u Iw/;ine P ('11.) - srednja prijcdnost mage -- lISredl!i{'l!(I !Udwm ei.I\'lIIinlitnog intervala

Treba spomcnuti da se rezultati teorctske analizc utjecaja zakosavanja na snagu, tj. CP/C;l (Yz::::: 0), za razliku od pokusnih, tocnije aproksimiraju krivuljom cos3 yz.

Slicfll1 odnos izmedu znacajke turbine sa i bez utjecaja zakosenja vjetra na temelju normaine komponentc brzinc okomite na ravninu vrlnjc kola v1 = v cos y, proizlazi iz pokosnih rC7.ultata na modclnoj turbini. Nonnalizaciju dijagrarna el' (Kp) za razlicite kutove zakoscnja Yz u jcdinstven oblik epy (Kpy)' gdje je KI'Y::::: Kp I cosx Yz, cpy = c/cos:1yz)x, daje najbolje rezullate. tj. najmanjc rasipanje mjcrnih tocaka za razli6le Y~ od krivuljc aproksimacijc, kao sto prikazuje slika 5.9, za x ::::: 1--2/3.

Prikaz trokuta brzine II uvjetima zakoscnog vjetra na sUei 5.] 0 ukazuje na proll1jenll relaljvne brzine vjetra w i odgovarajuceg kuta vjefra ~ Zil razliCite polozaje (<p = 0, n) iopatice pri vrtnji oko osi kola. PosJjediee su nestacionarnosl strujanjn, )}nesimetricnost« optcrecenja lopatice zbog cega se u opterecenju kola pojavljuju pcriodicki promjenjive komponente sile i momenta u svim koordinatnim smjerovima, Xl> Yh zJ (51. 5.11).

Radi tcorefske analize aerodinamickog optereccnja lopatice svrhovito .Ie vcktOf brzinc vjetra v (0',) dalcko isprcd turbine) prikazali u koordinatnolll sustavu (KS) vezanim uz geomctriju lopatiee. U obzir ce se uzeti i moguCi kut nagiba osi kola YI i konicnost kola Yk (kut otklon(l JopaUce iz, ravnine okomitc na os kola), k~ji slieno U\!eCll na optereccnje lopatice kao i kllt zakosenja Yz.

c"

0,2

0,1

o o 2

Sf, 5,9. ,\'orJIhdi;:uc Uu ZlIli,'Uj!:C IUl-hille /I ohlikli ['p( (J(p,,)

x

SI.5.10. Trokllli /Jrzil/{I pri zuko.lcnoJlJ I.jefru

Rezultat l1iza prd\'orbi kompUllcnti brzine vjetra, pocevsl od prikaza bCLine u koordinat" nom sustavu KSO (xu, Yo, zo) vezanim uz stup vjetrogCl1cratow

\' cos Yz -v sin yz

o (5.3)

,

:il·;u··

z,

as zakretanja kola oko stupa

Sf. 5.11. Pri/wz kouniil!Uilll!;; ,}iI.lfIlL'1i furhillf:

do KS3 vezanog liZ Jopalicll

oZllako - slIljer kUIII{,uJlcl!te br;jnt'

! obodna - obodna brzimi Vl'lnjc "xo \,:0: Vo "" I Vyo

Vw

, "'- : llOrIlulna - OKuwltd llJ ohodnu i uzJulJlU I uzullzna - uzduz. Jop:1lice, uJ Kocijcna du vrha !opalice i

mOle se prikazilli Jwo:

169

(5A)

T'j, T2, 1':; matricc su prc!\'(Jl'lx~ vcklora brzinc pri pO.icdinacnil1l zakrclima kounlilli.'Ulog SlIS(,lYa

VI :::0 T 1 \' () - KS I zakrcnut za It oko osi xl) U odnosu prCIllJ KSO

\'2 :0: T 2. \'1 - KSl zakrenllL za (r oko osi Y I U odnosu prClllii KS 1

\'10::: T:; \'2 - KS3 zaiu<:llut za Yk oko osi X2 II odnosu prnna KS2.

Za odrcoivanjc rclatlvl1c brzinc vjClra w spram odsjccka lopalJcc, vcktor apsolutnt: hrzin0 izn:ucn prcIlla jcdndlbi (5.4)

170 AElWENERGFTSKA rOSTlWJENJA

- v sin YI. cos tjl - V cos Yl sin Yl sin (p v :;;: V:l:::: V cos YI. cos )'1 cos Yk + v sin Yx sin cp sin Yk - v cos YI. sin YI cos (P sin Yk (5.5)

v cos y~ cos YI sin Yk - v sin y~, sin cp cos Yk + V cos y/ sin Yl cos {f} cos Yk

potrebno jc nadopuniti ohodnom brzinom odsjecka lopaticc

-wrcosYk

o o

gdjc jc r - polnz.aj odsjccka duz lopaticc,

i komponcntama inducir;me brzine II ohodnom smjeru Vt i abijalnom smjeru (smjem osi kola) v".

Uvodcn.icm indukcijskih faktora aj, a2

II I :::: v[I I v cos '1~ cos '11 (5.6.1 )

(5.6.2)

gdjc .Ie \' cos I~, cos YI komponenta brzine vjctra u smjcru OSI kola, tc rastlanjivanjem incluci-rane tn'zinc u KS3 na komponenle . .

- (U r cos Yk ilz

v:::: - V cos YI. cos '(1 cos Yk al

- v cos '1~. cos YI sill Yk al

vektor rclativne brzine \'jetra \v sc moze prikazati kilO

\v::::

-{I)rcosYkCt I v cos Yz cos "It Cn .

\' cos Yz cos YI C, I

(5.7)

(5.8)

C t, en, C, bczdimenzijske 5U hrl':inc nas!rujavanja na odsjecak lopatice ovisnc 0 polo7.,aju 10-paticc prj vrlnji oko osi .

C t "" sin Y~, cos (f) kp + cos Yz sin Yl sin (f) kp + (l +82)

en;;;: tg 1'/. sin (p sin Yk/cos YI ~ tg Yt cos <p sin Yk + (1+al) cos Yk

Cs ;;;: - Ig '(~ sin <p cos Yk!cOS YI - tg YI cos (P cos Yk + (I-a]) sin Yk,

gclje je kp :::: (I) reDs Yk I \'. Relativna brzil1a vjetra

W :::: V cos Y/. cos Yt [C2 (~.~p __ J2 t cosy~.cosYt +C~+C~ ]

'12

(5.9. 1-3)

(5.10)

sadrz.i uzduznu komponcntu brzinc C~. Vektor w stoga ne lczi u ravnini okomitoj na uzduznu os lop!l!ice, odnosno u ravnioi profila lopatice. Ta zakoscnost relativne brzi~e w zoatno

Pod"uSl,lV wK1cnja i nild/,on! vjetroclck(fHnC 171

otc7,a\·a proracnn sila on lopaticc (postavlja se pitanje, primjerice u kojoj se mjeri mogu koristiti podaci za koeficijcnt uzgona - olpora eL, CD dohiveni ispitivanjem u lunelima s dvodimenzijskim strujanjem u ravnini profila) Ie sc stoga u ve6ini analiza zanemaruje. Treba istaknuti da je uzduzna r>radijalna«) komponenla brzine w nazocna i kad kola s Yz:;::; Yl "" Yk :::: 0 zbog radijaine "ekspanzijc« toka llzrokovanog promjcnom aksijalne brzine prije i nakon diska kola. Ispitivanja Stl pokazala nazocnos! nczancmarivc radijalnc komponenle strujanja, posebno u presjecima hli7.e korijenu lopatice.

Zanemarujllci lltjecaj uzduzne komponentc brzine vjetra kut relativne brzine vjetra ~ je

(C, I J ~=arctg -cosy ~

~ Ct

1. kp , (5.11)

Koefidjcnti inducirane brzine ai, (12 odrcouju sc izjcdnacuvanjem izraza za aksijalnu silu dT i moment sprum osi kola dM izvcdcnih iz jednadzbc (momenta) kolicinc &ribanja i teorijc krila

(5.12)

(5.13)

1 dM :::: "2 p w2 1 dr cQ B r cos '(k (5.14)

dM:::: elm ([1 x VI - [2 x "2)a F:::: 411: p cos '(~. cos YI COS4Yk a2{l - (11) w r:l v dr F, (S.lS)

gdjc jc: B - broj lopatica CT :::: cL cos ~ + CD sin q) - kocficijent aksijalne sile cQ :::: cL sin ~ - CD cos ~ - koeficijenl ohodnc silc F - faktor snwnjcnja aksijalnc j obodne sUe zbog kOllacnog broja lopntica - faktor

"rsnog gubitka ( L - komponenla u smjeru osi kola.

Jednndzbe:). 12.-5.15. strujanjc ako lopalice opisuju kao kvazistuciona.rno slrujanje, tj. u difcrencijalnom vrcmcnskom razdoblju tijekom kojega se lopatica zakrcne za kllt d,p:::: OJ dt veUCine w«V), ~«(l) se smatn~ju ncpromjel1jivima. Zanemaruje se i u~jecaj mcdusobne neujedllaccnosti naslrujavanja na B (broj lopatica) pri iz\'oclu indukcUskih koeficijcnata za lopaticu u poJoz.aju <p.

IndukcUski se kocficijenti odreduju iterativnim postupkom rjcs:wanja sustava jednakosti

gdjc jc (J - koeficijcnt )}knHosli«.

w2

vrO) F'

(5.16)

(5.17)

Za rcgulaciju zakrctanjem oka osi stupa ad neposredne su vainosti komponente Fx1 , M /.1,

My! koje doprinosc momcntu Mzo kola u odnosu prema osi stupa

(5.18)

gdje je 10 - udaljenost ovjcsisla 10pRticc od vcrtikalne OS1 zakretanja kola,

1 I L

Sf. 5.13. U{ic("(~i olUolio I,old 11(./ Mil

prijedliolll okn:hljil uko osi [.'rtllje kola

Ocisno.l/ IIsrednj,me urijcjnosli Fx], (!dl1o.I'IIO exl "" Fxl / (112 P 1,2 J?2J[) () kWII ::,aJ;U.IWjU LjelrCI

dok prcostaJe k011lPUflClltC pusrcdno ll~jeeu 0plerecujuCi glavni 1ezaj turbine (~j. duprinoscCi momcntu lrenjn lezaja skupu s prcoslajim sibilla kojc lcJ,aj pr0uzima kao. primjericc, !e'1ina kola i kuCisla iurbine, aefudinalllicko oplerccelljc kutlsta turbine ild.).

F,I, 10 MZl su za red vdiCilla manji od Myl tc i uz vdo maJene ku[ove nagiha osi kola (1',_ < 6U

) prvi Clan dcsne Slranc jcdn~ld2bc 5.18. mOLe bili ciominantan iIi b:lr l"<-l\'llOpnn an s preustalima. Ovisnost My! (::::: P/t) U "(/, slijedi istu zakonilusl kao i ::,naga kula \,"vl\, 1 ~ cos2 yJ.

Aerudinal1l1Z:ka slla'Fx1 rezuhat jc tJesimclricllc ruspodjdc .

U DOl f dQj cos (Pi = L J '?~ p v ... .2(r, cp;) 1r cQCr, (p;) elr COS (Pi' I (J ~

(5.19)

gc!jc je (Pi - poIU;{i~j i-tc lopatlcc II tn:nulku L

Na lemelju analize trokula brzina za dva poIuzajJ lopatice, (slika 5. [0) U Kdjimu .Ie l1ajllocljiviji utjec,-lj olk]ona (tp "" 0, ~1 :::: 'If, dQ "" :tdF\l) proizlazi Lla .Ie smalljcnjc dQ Zit (11 ;;;; U 1'ciativno manje ncgo za (p:::: IT (W~'" 0 > W~)=;,J Sbodno tume uCinak djclovanja rezultirajucc sile Fx); rczultall proracuna koje su prikazani na slici 5.12 kao usrcdnjenc \i'ijcdnusli lijckulll

21t

jednog okret3ja kola Fd ::::: JFx1 dcpl2n: U ovisnosli () kutu zakuscnja, .ie .'>£llllopude;arajuCi. o

Momcnt sile Fxl c!jclujc na k010 u smjcrtJ olk!OIl<l vjc!ra oc! osi kola tel,eei, dakle cia pu.swyi kola II smjcru z;lkosenog vjclra.

Ana1ogno Fxh moment M~l.ie pusljcdica ncsimelriCllC raspuJjclc aksijalnug oplcrccellia lopatica. Rczllllali proracu!la M~"l prema uobic<0cnoj podjdi lupalicc na niz ud;;jccaka i teoriji profila LIZ prctpostavke ugradene u jcdnadzbe 5.12.-S.1 S.

173

. Ii B D~ 1 . 1\11.1 "'" L fdT i r COS Yk Simpi = L f ;:; p w 2(1', (p;) 1(1') cT(1', (Pi) cos2 y~ S111 q); r ell' (5.20)

'1=1 1 {) L.

suvisc se raziikuju oct pokuSJlih da bi Se ta ral.ljka mogla obja.sniti Cinildjima neobullvil6:::11im proraclInolll (utjccaj stupa, stralifikacija slrujallja). Prjkaz j<: Sluga ognmiccl1 na iskljucivo poku"nc rczullatc. tao nn slid S.13. OSi111 izrazitih varijacija MI.l sa zakrctom kola, izustanka ocekivanog periodickog obiljdja (razmjcrno broju lopalica) La [uk krinl1jc s\"()j,;IVUlu je M~_I < 0 za --400 < y/ < 40".

Kombinacija utjccaja FXI i Mil II podrucju '/1_ < 0 stvara, dakle momeui kuji zakrcce kolo u smisiu smanjivanja '11., tj. kolo sc samo poddi1va pruflljeni smjcra vjetra. U podrucju y/ > 0 nijc mogu(; jednol,oat:<tn zakljucak 7.bog Jlj(.:;dusobno supr(;\o(lg Jjelovanja F'-x! i Mzl>

Z,-l proraCllll (M'1.0)k pri Yt=1) tnogu posluzili ckspcril1lcnlaJlli podaci rn..:d0C~!li tI hezdimenzionalnom obliku

(5.21 )

prema kojima.ie (C:V1)nm "" 0,04 za 30" < -(I < 4(Y'.

Prcma f1LlCiolJ djclovanja reguJacijski SllSIf\vi za puJe.~a\'anjc mugu sc podijdili na: '-I) aktivnc -- kod kojih sc momenl zakrctanja turbine oko osi stupa ostvaru.ic clcktricllo (lti

drau1ickim) sus!ayom pugon Iwjill .Ie tlClwiS,-,il 0 \jctru b) pa:-.ivlH: - llloment zukrelanja kuji jc reLullul djGluvanja aeruJiwllnickih slla v,ictra na bl)

kolo turhine. b2) dodatnc kriine povrsinc, kao stu je, priJlljcl'ice, rcpni slahilil'.ator, b3) piiol vjctrenjacu.

S obzirom na polozaj kola lurbilll: i nos(;ccg slupa prcma Yjctru, ra/Jikuju sc in cdbe »HZ vjetar« i »niz vjctar«. U prvoj izvedbi v.ictar prvo lJaslrujavJ. nil kulu turbine, a zatim na stup. tj. stup se nalazi u tragu kola, dok jc u izvcdbi nil. vjctar obrnulo. PrcJnusli j)J've izvedbc Sl! bolje iskoristenje cncrgijc vjc!ra i rnanjc izrazi{o dinamicku obiljCLjC ,)ptcrc6:nja pri pn;Ll/.u \opaticc uza stup. Ta izvedba prc:-bd<1va li kombinaciji sa sustavilll:i pucl a). b2}, b3). dok sc izvedba ,>niz YjCUlC« primjcnjujc 11 S:lillupodc~a\ ajuccm "u.:'lan: rod b 1). Ci.1:l.iC o"nU\'llil prcdnosl .iednos(~l\'nost konslrukcijc.

a) Aklivni suslavi za podc.sa\"anjc pulo/,a,ia kula turbine jcsu klasicni n:gulacijski suslavi :; osjetnikom smjem (sm.icStt:llll1l na kuci.<w turbine), reguJ::t!orum, Pos\;l\'llim Cl~lilptll. 1<_c<\lizac~ia pUSL~\'l1og clana je uubicajcnu cicklrun10lumi pOgOll. Uj::t jc poscbno';l 1',11<11";1 prijcnosni s11ljer (reda \'eliCin~ 1: I 0(0) prijcnosnika snage, koji za\'r~d\'il zalivatum u veliki mpcanik pricvrs6:il JUt glami ley,aj turbine (&1. 5.3). Ako prijcnosnik sn;.tgc !lema sVujsti'O samukuciyosti (kau PUZlll prijcnusnik. primjcrice). tadajc sustav, prosiren hidwulickilll kuC:nic<1mil kojc rasterccuju prijcnusnik ud i.-::razilug dinamickog optercccnja. ilrZ[nH zakretanja turbine oko osi stupa reda je veliCine 1 okrclJlO min. Razvojno glcdano donja granica primjcnc J.klii'nih (iii prisilnib; sust:ml p(Xli;!:a\'allja ]10-mieu se u podrucje sve manjih snaga « 10 kW) pOliskuju(;i upottcbu, primjcric;;, pilut vjelrcnjacc, pa sc ta izvcdba danas vrlo rijclko primjcnjujc. U jludrucju male snagc « 1 kW) jos uvijck se najvist: koristi n~pni stabili/,awr, Sl() se mULe (;l~iaC:!ljtl njcgovum pfih\'atljivum cijcnuIll, jcdnostnsJ]uscll izvcdbe iii upotrdxml, kau ;~usla\'a, z,astilc od preoplereccnja gonjenog stroja.

174

b) Rcpni stabilizalor U"jct samopodcsivoSli turhine

(5.22)

gdjc jc M 1r - moment trcnja u gluvoom lci.aju turbine Mr:::;: Plm\ - reakcija momenta na verlikalnom vratilu gonjcnog stroja brzine

vnnje (J)" (gencratora, pumpc), tC-meljenom na stupu (podnozju stupa)

jest temdj za (staticko) dimen7.ioniranjc fcpnog WlhilizlllOfa (s1. 5.14) povrsinc A r" polo~ z.aja E (spram nsi stupa) koji 1Tcha ostvariti moment sIl1llopodesavanja

(5.23)

Izbor obJika rcpnog slabiliza!ora (vitkosl) j njcgova profila, koji u~jccu na kocficijenl nOfmainc silt: en' ognnicen je lcinjom za jcdnostavnos{:u izvcdbe Ie Cinjenicom da jc Z11 sarno[Jodesavanje m~ipovpljnijj kut otklona - nastrujavanjc na ferni $labilizator Yl. =: 20~40o.

Dole iz prvog ogranicenja najccsce slijedi izhor rayne ploec leao profila, druga ukuzuje da velika vi!kos! (b 2/ArJ i nije bi!na.lako se pc>vccanom vitkosCllza male napadne ku!ove mogu osl\,ilriti vecc Yrijednosli en' II podrucju '(I, =: 20~40() najpovoljnije znacajke ima ploca vitkosti :;: 1. U 10m podrucju vrijcdnost )'/, ploca manje vitkosti, prema jednadzbi 5.23, zahtjjeva rclalivno J1lanju povrsinll od vilkije ploce

(5.24)

Njezini ncclostaci za Y /, < 2{Y' ionako ncm;:\jll yaznosli s cnergclskog stajaiista,jcr .Ie promjena snage turbine zbog otklona neznatna. Faktor smanjcnja hrzine u tragll kola moze sc procijenlti n<l temelju vrijednosli indukcijskog faklora aksijalnc brzine, t.1. p ;; (1 - ad.

5.2.2. Suslav zastite od poh,icga

Analiza rohjcga turhine t!smjercna je odrcdivanju; a) hrzinc vrtnje (Ilr koja hi sc Ils!alila pri pohjcgu. Usporcdha brzinc vrtnje pob.1cga i nomi

nalnc brzine vrtnje (j)n treha ukazati na povebmje mehllnickog oplerecenja kola turbine. Time jc omoguceno odluci\'anje pri i700ru dvaju moguCih projektnih (jcscnja vezanih s puhjegom: robusne konslrukcijc koje (e podnijeli sva mchanickll naprezanja 11 uvjetima nekontrojiranog pohjcga iii cko!1omicnijn izvedha l'H zH.~!itom od pohjega.

h) clinamike pnhj(~.!pl. Promjcna brzinc vrtnje tijekom pohjega \'aznajc za proracun vrcmens!cog ril;;dnhlja II kojcrn CC S8 brzina vrtnjc povccati od nominalnc do najvece dopustenc (J)~ na telllclju cega sc 1l1\'rduje potrebml hrzina djehwanja sus/av!) zastite.

Prikaz znacajkc turbine 11 bezdimenzijskom ohliku cp(Kp :;: R w/v) najpriklildniji je za ana!izu pona.sanj;l turhine uz promjenjivu br7inu vrtnjc (I), S ohzirom da Sll \'fijcdnosli Kp za cdrecenu brzinu vjetra nlzm.ierne brzini vrtnje kola. PoJozaj locke pobjega R na slid 5.14 kao slacinnarnog stmja 1urbine, odrec1cn je sa p::::: 0 ~j. cp =: O. Prctpostilvljajuci da \Urbina pokrcce generator prikljucen na mrez.u, zbog cega .ie kutn<l brzina vrlnjc Wn stalna, raelna se locka

POdSlIs!av v()(knjil i !1n(];-:Ofc. vjctroelektnmc

D

K 1, I

S/. 5.14. Opferei'cl1je rep/wI{ .\'ta/;ili;:alor(l pri POdf','!{lnmju p%zqia kola

175

tnrbine prj povecanju brzine vjclra pomicc II podrucje manjih vrijednosli koeficijcnla brzo·· hodnOSli K1,. Isp(ldom generatora iz 111reze i pobjegom turbine lJstajijo bi se stanjc u lockj R. Ako se prctpoSlayj nepromijen.icna brzina vjctra nakon ispacla, (ada .Ie konacna brzina vrtnjc pobjcga (1)1

S obzirom da vrijcdnost (Kp\ ovisi samo 0 geomctriji (i pos!,'lvtlom kulu e lop<11ice, koji .Ie Z .. <'1 pretbodno objasnjavanje slalan) sJijcdi daje za pohjeg nD.jkriticnija radna locka pri najvecoj brzini vjetra. Iako pokllsnc znacajke izvedenih propclernih v,iClrogeneratora ne daju mogllcnost tocnog odrec1ivanja (Kpl/Kp, .IeI' .Ie za vcCinu izvcdaba rad turbine ogranicen na podrucjc brzina vjetra (3-4,5) < v < (25-·-30) mIs, njihovom se ekstr:lpo1acijom do1azi do vrijcdnosli (Kp)/Kp ::; 10.

Pretbodna analiza pobjega turbine na tCllle~iu ciijagrama cp(K1" (3) izvedenog jz znac<~jkc Illrhinc PCv). gdje je ~) promjcna poswvnog kula ]opatice e poci\'a na prctpostavci jednozn;]cne

P(kW) D"" 15,3 rn.,~r----'~'---80 .1 ~~~~~

,n""O,84 s

40

20+-+'.Ji

krlticna tocka ispada turbine 'l (generat9ra)

za pobJe9 ',',._. -I l ~'- -4

prestanak rade i turbine Veo -,

16 20 24 28 v(rnls) a)

0.3 +-,I-+*4+4-!\-rl--l 0,2 +-4<1c--H~T"t+-l

0.1 +-r¥-LH++'o o 2 -l4-L'C61-..l4-~'''0c'-k "" R·w

b) P v

Sf. 5.15. Prika:;, p{!l~ie;.;a II/rhine pOll/ofll be::.dimenzUskih 7.I1atr~iki

liD

ovisnosti cp 0 Kp za oJrr.;(kni 13. U llvj~tima znalllug pove.6anja relativnc brzine naslrujanu1ja vjelra w':= (oi~ + V2)112 zbog pobjcga (w r» w) dolazi do izrazaja utjec;:~j Rcynoldsovog broja (Re ::::: w IIv) i Machova broja (M ::: w/a) na znacajke profila lopatice, odnosno na ep turbine (a - brzina zvuka).

Za razumijc\'anje utjecaja M broja nuino je podsjeliti da jc kOll':lcno stanjc pubjega ra\'~ notdno slanjc u kujemjc pogonski moment, kojega sl\'ara unmarnji dio lupatice, uravnotden momentom koccnja vanjskog dijcla lopaticc. Uljccaj promjenc Ivl broja najizrazcniji je upravo II podrucju n[~jvc6e rdallvlle brzinc w, tj. velike obodnc brzine u::: 0)[, 0 kujemu i 0\'1S1 me!,· ment kocenja. Za profile koji se koriste pri gradnji lopatica turbine, podaci za kocficijcnt uzgona - otpora CL - CD ogranic. .. ::ni su na podzvucno strujanjc (M < 0,3) kojctnu su profiE namijenjeni, le se zakljucak 0 uljecaju M broja na konacnu brzinu wlnje pob.icg<:< CDI' syocli na uUcctvanjc dVi~iu suprotstuvi,icnih cfckala: pri M < 1 vri,icdnosl ko;..::ficijcllla uzgotla CL pada, dok kocficijcnt olpora elJ rastc. S olrLlwl1l na dOfllinirajuCi doprlnos siJc otpora oboJnoj sili koccnja pri mulim napaJnim kUfOyima (ill cycntualno IlcgaLimim napadninl kutovima pri kojima i sib UZgOIlH duprinosi sili - momcntu koccnja) kao opCi zakljucak slijcJi cia ce i>e II

uvjctima povccanog M broja, zbog djdol\\lrnijeg kuccnja, brzinJ pobjcga CD" lj. Kpr smanjivali. Zakljucak se moze prosirili i na pugors<-lnje cjelukupuG b;..::zeiimc!lzionalnc znHCJ.jkc turbine, kao sto prikazuje ~1ika 5.16a.

M<0,4-0,5 (mYs)j ~'~O 300 , 0,8 I

~ .... 06 Ml 200 I '

0,1

o

, E 0,4 100 \ \ E=arc tg k pr 0,2

0 ; EI ""arc tg kprMl

0 o 0 10 20 30 40 vl(m/s)

a) ,vp

b)

Sf. 5.16. U(;ecaj MucliuL'U hrojd !Iii ku!wZ:rllt huinu unnje I!Oryega

ProraCUI1 koji ne uzima u obzir j utjccaj M hroja Sluga Jajc lcurctsk.i naj\'l.:;6u postizi\'L1 vrijGdnu;,[ brLinc Hlnje pobjcga, !l~j stu zumu ukaLlljc slika S.16b. G podzvucnulll poJruc.ju (M < 0,4-0,5) kutna brLina pobjcga Or (ili obodllil brzina vrba lopalice L') odrcuena jc poloz~jem na pravcu nagiba Kpp odnosno U::: (J)r D/2;:;;; Kpr v, gdjc}: V brzina vj;..::tra pri pObjCgll. Pri dOZ\,UCllOlll struj'-llljU (l''vJ < 1), lj. pubjcgu pri brzini V > vp konacllo slanjc PObjq!,il bit 6e odn.x1eno tockom na pravcu nugiba KprM « Kpr) S pripadaju6ulll vrijcc!noscu l'v'l Droja, kao SlO

prikazuje sEka 5.21. Osim oCiglcdnug povdanja mdmnickug OplCfCCG11ja kurijcna lopalicc uzroko\'anog cen

Irifllgalnolll si10111 (.:= (02), pobjeg turbine prateD .Ie j Zllalnim pon£anjcm uksijalnc silc T \lHi

lopaticll i s[Up). Slilw 5.17a prikazujc promjcnu aksijalne siJc na kola turbine u raunol1l poJrucju liZ Cl)::: kUIlSt., a njczinom prcinakulll II bezdimcnzljski obiik C,),(KI')k (s1. S.17b) uoCljiv je pomsl koeficijcnta aksijalnc sHe (>r s puraslOUl koeficijcl1l<! brzohodnosli Kp' Pobjcg ii: krlticnc radne locke (uz naj\'cCu brzinu \jctra veo. prj kojoj .Ie turbini uopuslen ln~jall fad)

J"()USU~{;\V voucnp ! flildl.uJ'a

0,25 l-i.--'+-+--.tlJJj···· ~rl.~jO'5 o 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 vlvn

a)

UI

Sl. 5.17,a i 5.17.h Oplerefen}e kola Ii/rhilie ahija!lIm!) .>iJom Til fWnI!dlnolll j/OgllllLl i Jlui~jegll

zbog pOraSla Kp 1mbinu dU\'oJi u podrucje zm!nu v8611 \Tij;:dnoSli ('-I m:go stu SlJ bile prije S<lJIlOg itipada c'I'i' Uz. llcpromij(;Cnjcflu brzinu vjdra 10 izuzi\'(t, raLn~icrnu omjcru cl'fcrl. pu\'ccanje ak.";ljalnc sile T ili, za cvrstocu lopaticajo.~ krilicnije, povc-Canje mumcula sayijanja lupatice,

Dinamika pobjcgil turbine, uz ..:arlcmarl\'anjG gubi!aka snagc u prijcnosniku snage od kola turbine do gelleralma, odre .. 1cllC: ,ie jcdnadzba Jinamickc 1'!lVnotcl.c

(5.25)

gdje .Ie .JmJ :::::.l!-; + .Jg i2 - mOmGlll Lmmusti sm'-lJljcn on os kola turhine

h - moment trulliosti l1l'I.C;C kola (lopalicc j O\'jcsi~tc lupatlcG) II odnusu preJila osi vrtnje kola

Jg - moment tromosti masc rolora gcncratofil i ::: WiD.) - prijcnusni omjcr mulLiplikalora

r·/l - aerodinamicki moment \'jelra u ounusu prcmH osi kola lijckolll pubjcga.

Na slici 5.18 dan je preglcd vrijednusLi 111UllKnla lromusti JopaticG kola [e lispurcJba momenta lromosti kola Jk i gencralora Jg i

2), jz cega proizlazi dominantan utjccaj kob turbinc.

Sf. 5.18. Iv/asCI i r!lmneI111ronW.lii !opJiice 1/ uds/w,lff () j!mmjl!ru ko1u fa) Mowellt fmlllusfi kuiu i g<!lIcm/oJ'(i (b)

178 AEI~OE1\'ERGETSKA PQSTROJENJA

Analiza pohjcga kilO h oallstacionarnog zbivanja, tj. niza tlzastopnih sumja od kojih je svako odnx1cno ndgnvan~iuc{)m !ockom na radnoj 7JIaC1\iki turbine, omogucuje definiciju aerodimmlickPI!: moment;) M t1Z kori~!enje pm-.naUb eksperimcntalnib znaeajki (urbina. Prelhodno je pOlrcbno mdnu znacajku kola (dijagram ovisno~!i snage nn vralilu kola Po hrzini vjclrn) preinaCiti u bezclimcnzijski oblik prikJadan I:a praccnje prcmjene snagc uz promjenjivll hrzinu vrlnje.

Umjcsl0 k!;lSicl1og prikaza znacajke turhine cP1l1 :::; f', ~, oblik kola, Re), medusohnom komDinaci,ioJn bezdirncnzijskih znacajki. uvesl cc se nova znilcajka snagc

U podrllcju vdikih !}cLina vjctr;l /l);lcajkc kl'nb) \'e6nc lurhinn na VjC!(lf, osobilo onih cij;! jc snagn ogra!1iccna - rcgllJirana slal!-efekloD1, izglcdnju kDo nn slici 5:19, tj. kpill :;;: konst.

St. 5.19. Prj/alZ pobje;.;u tllrhil/(' /I d(j:lgranlu kl'm ()~)

Poni>~an.ic turbine ncposredno Ilnknn rastcrcccnj<l kola pri brzini v.ietra "11 < v < ""'(" t.i. j1c)cetnnl:.va pohicga unutar koje hi trchala djclovati zastita turbine j sprijeCili c1aljnje povecanjc brzinc vjC!r:t (smanjcnje 't). moze sc, dak!C odrcditi kao

(5.26)

gdjc je PJi' ())n - nominalna snaga kola turhine j nOl1linalna hrzin<l vrlnje kola Pn ::::,P

gn/11 .

Pgn - norninalna snaga general ora 11::::. 11g 11[1 11g. 11[1'- S!llpanj,l djelovanja generalora i prijcnosnika SIlage.

Na temelju jcdnndzbc (5,26) proizlazi ovisnost acroclinamickog momenla k0111 M 0 brzini vrtnje kola

(5.27)

gdjc jc kM - konstanrna velicjna za odreoeno kolo (uz nepromijenjen polozaj lopatice) u podrucju An < A < /..(;0'

P()d~u~!<j\" vodcnja ; nmjzora 179

Uvrstenjem M :::: l(M Q)2 Ijesenje jednadzbe dinamicke ravnote:r,e kola tijekoI11 pobjega

odreduje vremenski interval £..tk u kojem sustav zastilc od pohjega mora djelovati da bi spri.ie-cin povccanje hr;>;ine vrtnje iznad (Ok

(5.28)

Na primjern turhine promjera kola D::;:: 15,3 m, nominalne elektricne snage Pn ::;:: 55 kW, 11 < O,g, f>inkronc brzinc vrmje genernlora reducirilne nil os koJn (I), = 5.26 s·-I. nominalne hr;~ine vr!njc kol::1 (:)n:;:: 5.73 s-I (uz 2% klizilnja gencnHora pri pllnOm oplcrecenju), momenta lromosli linl::;:: 15000 kg /11

2, mo;(e se prikllznli red velicine .6.tk' Uz d()ptL~tcno prekoracenje brzinc vrtnjc oel 20IJ() (Or. (ogranicenjc koje .Ie uobicajcno kod

yerine izvC'dnha) i odg(lVarajocc vrijednosti kocficijcna!<l kpm :::: 9.10-3 kM :=: 461, slijcdi (\t k ::;:: 1,0 s. Tllj rczultat ukazuje nn vazoost brzog i pOllzdanog djclovanja Sl1stava zaslile od poh.lcga. jer hl7.in;1 vrlnje dosegne dopDs!Cnll vrijcdnosl praktic'ki ti.iekom .iedoog okrcl<\ja kola.

Sprecilvanjc p0l:jcga kod Jnodcrnil1 turbina n<l vjeti.lI ostvnrcno jc jednim od sljedccil1 postllpaka iIi n;~iceSce, U ,',Yfhu rovebnja pouzdanosli, n,iihoi'om mcdusohnom komhinacijom.

1. Koccnjc POlllOCll momenta Ircnja i71nedu kocnih lamih oblogn i kocnog diska smjcS\cnog na vrati]u kola turbinc ill ge.neratora.

2. Aerodinamicko kocenjc kola turbine pomocll )'spoilem{{ - poscbno izvedenih dijclova Jopaticc, koji pri rrckoracenju (:J).. z<luzimaju lakilV polo7,~i da sl\'araju aerodinnmiCki moment koji koCi kolo.

3. Zakrctanje lopatica kola turbine mijenjrl znilc;~jkll cl'(Kp) turbine (s1. 5.14), pri cemu se 2nn!no smanjujc (Kp),' Promjcna pOS!in'nog kutr! lora/ice, ()sim one za pobjeg najznacnjnije posljcdicc:, rezultira i smanjcnjem C,]", !j. sma'1jenim oplerccenjem Jopatice i kola tijekom pohjoga (s1. 5.17). MOl11cnllromosti tog suslavu razmjemo .Ie malen, SIO tHU omogucujc brzo djclo\'anjc.

Kod turbina srcdnjc snage (p < 0,5 MW) prevlada\'a kombinacija sustava s kocnim diskol11 kilo primarnog, i aerodinamickih kocnica, kao sckundarnog suSlava zastile ad pol~jega. Turbine "c611 snaga (P> 1 MW) primarnu zaslitu oct pohjega oSlvuruju zakrc!anjem lopatka koj1111a se ujedno rcgulira i snaga, Ij. spreeava preoplerccenjc gonjcnog stroja, dok sekundarnu ulogu imn kocni disk.

1. Izvedba stlSlnva za.~tile s kocnim diskom (disk kocnicama) kod turbina TIn v.ictar ne rnlikujll se od sJicnih kocnih Stlstuvu u strojarslvu, od kojih su i preuzeti svi standardni dijelovi. Ugraduju se kako na sporokrctnom vratilu kola prije nmlliplikatora, tako i na brzokrctnolll vratilu genemlora. Taka\' poJozaj kocnice u prijenostJ snage zab(jjeva daleko manji moment kocenja. ali zauzvral mullipjikalor izlaze preoptereccnju. Broj kocnih elcmenata i njihov poloz;~i cIuz oboda kocnog disk:! odabirc se tako cIa se prj kocenju konslrukcija turbine oplercti iskljuCivo momenloJ11 koccnja Mk i lime izbjegne neurnvnote7.enosl razmjerno vclikih obodnih sila kocenja diska nn tarnim povcc;inama.

Vaznost pravovrcmcnog kocenja diska pri pobjegu za dimenzioniranje samog kocnog suslava proizlazi iz jednakosli 5.28

(5.29)

IbU AEfWLNEilGETSKA POSTIW;C<JA

koje ukazuje na IJovecanjc pom:bnog momenta koccnja s kasnjcnjem,il u akuviranju suslava. Prema naCinu akliviranja i djclovanja kocni susUn' zaslitc od pob.iega poslojeClh izvedhi

turbina maze se j)odijcliti n;}

a) akliviranjc - zbog signala ispada deklrogcnCr;}tora 1Z mrd.c .. , prckida slHljnog kruga - signalom urcJaja za mjcrcnjc brz.inc Htnjc kob - generalora

b) djeJovanje - elektromagnctsko - hidraulicko

Vccina sllstava Zllslite ima ugraoeuo svoj;;lvo j)samokocivoSli«, ~j. prckic! u djdovLtnju izaziva koccnjc cliska.

2. Zracnc kocnicc su sekunJm·l1i SUslav zastitc od pobjcga na lurbinam<-l s nczHkretlji\'im lupatieama, snaga kojih se ograniC<l\'d stall-efeklulll. Svrha im je da u slucaju olkaziranja disk-kocniea ogranice brzinu vrtnjc ((I) < Wk) rastereccnog kola st\'amjuCi moment kuccuja Mk pomucll j;:.spuilcri.l<<:. Na slid 5.20 prikazanfl Sll elya tcmcljna ublika spoikra u polol;:~ju u kojcm izazivuju aerodinamicko koccnjc kula. Vrsni jc spoiler u normal nom pOgullU vrh 10-palicc i kao taka\' doprinosi pogonskult1 ll]Olllcntlllupalicc - kola. Njegovajc upolrcba znalno sira od spoiJera na slici .'i.20b, Al0 sc iZ1l1cOU o.slalog mOLc pripisMi i lllUf!u{;llustijcdllOSU1\'" nijcg analitickog proracuna njcgova lllOIHcnla kuccnja. Vrslli S0 spoiler najcc~cc izw)(li kao ncprofilirana lopatica, ~j. kilo dcbda ra\'ll;.l ploca, za koju su poznati odgu\-arajuCi kocfieijclltl uzgona i otpora, za raIJiku od spoikr;J Ita :>lici 5.25b, koji u POlpullosli mijeflja aerudill<1111ickc znHcajke dijcla \upaLicc na kOjClllU se nalazc.

Tc prumjGoe acrodin;:uniCkih znacujki lopalice kau posljedica promjcnc opstruj;:m.lllja Jo" paliee, posebno u pud1.bclluj zoni, nijc jcdnusla\'110 analiticki obuh\'iltiti. Spoikr s nusc6im dijdom lopaLicc jest cjdina cija jc aerodinamicb znac;:ljka oJrcdiY;t jcdino poku:>om. THJnj~l o meClusobnol1l u(jec,~jll radnog C!ijcla lopalicc i spoikra primjcnjiva .Ie i za \Tsni spoikr (tj.

/ as kola

vrsnl spoiler

a)

Sf. 5.2(). hu;d!Jd .Ij!oilcrd (II jJ%zqjll/lri koi3ulili kula IInbi'ne) a - vr.i:l1i slmiie,. b - spoiler

b)

Pu(hu,;lil\~ v()(1cnjll i llliU/Onl vjdrockklnillc

Sf. 5.2/. Proll!ienQ v'ec~fiC!!{)!; iljJlen'lenja kola :.ho;; .\lili,l!~jeile rllI!}i!!!: fOj}UiicL/ {)ri ok[i/)irur~ill .\pof· {era

181

vr.~ni spoiler i pn,;o::,laJi raclni dio lopaticc nisu dYijc lH.'o\"isllC aerodinamickc pUHsilh.'), ali sc u znatno manjoj mj-:ri Odr<12<1,",1 nJ lUCllosl proracun.1.

Aktivirallje vrsnih spoikm sl\'ara momCllL koCcnja ~,Jb koji mOLe II pu(plInOo,(i ullliril;

kolo ili uspOslaviti J"a\"Ilo[cL.nu :'l:mj.: u kojcm s(: s\"a sllaga - moment fallOg dijda kola, apsorb ira na zracnim kocnic;.tmJ. pri brzini I,-rlnjc ()j < (iJf:' Snagll lCiUU(Jg uijcla kola turbine nak()Jl aktiviranja kocniea i usposla\-lj;ll1ja stacion;'ln1og st:mja pri brzini vrtnjc (1) prikJadno .Ie i7.LlZiti koristcC:i radnu z!lil.cajku turbine beL nklivimnih v1'.s01h spoiler:!

(5.30)

gdje jc: cp_" A, - klh.:JicijClll snagc i PU\T.sillJ. kola kojcm su uklunj:.::ni (:iklivii'ani) vrslli spoileri

cp' A - Kucficijcnt snagc i povrsina kola s ncakli,'iranim \Tsnim "poikrjlll~t f::::: cl'/cp ::::: (P,JA,)!(P/A).

Faktor smanjenja spccificllc snagc r kola jest pusljdicil prom.1cnc: obliL.: kola Il<.lkun sto su s lopalica »odslranjcni<\ spoikri. Smunjiyanjc Juljinc lop~\lica 1 (i umjera 1/1<.) izaziva rela[i\'Oo vet! uljccaj opslrujanUlja rubma h)pMicc zbug konaene duljinc ~amc jupalicc, lj. 1'0-vecanjc kocficijc:nla inuuciranc brzinc. Prornjc:na rdalinlc brzine yjc:tra w i kUtil ]wslt"Uj:]\-ililj;l

lil, kao posljcdica promjenc induciranc brzine, odra/.a\'a sc na f kao nil 0,1. 5.26. Uz ocekiY<tno smanjenje specificnc S!l:lgc zbug j!ojabmug upslI"ujavan.j~i i'UbU\':l 1\)paLicc.

njezino fX)yc:{anjc u pudruC:ju vebh brzitl<l H1Ul,C sc lUl1lacili hzJ.kasnjclom puja\·,Jnl slall,-cfck-1,1<\ zbog smanjcnja kUla <P i napaduog kula a \jdra U odnusu prcl1la pWfilll.

Ina7. za snagu Pk koju apsorbira zracna kucniea, mul.e Sl' pojednos!;l\'nili s obziJ'um ll~\

slican izvod za lopatlcu zbog rc1allvnu male duljine \'rsnug spuikra. ZallCll1:lwjuCi, d;llde promjenu relati\'lle br7.inc \,,' i kUla nastrujavanja \'jctra <p duz vrsnog spuilcra

(5.3 I)

gdje jc: rk - srcdoji polumjer spuilcra II odno-,>u prcm<l osi kola Lb Dk - sila lJZguna i utpora spoikra N .- broj aktiviranih spuikm.

1112 Ar:ROE:\fERGETSK/, POSTROJEN.lI'I

Ufjec~j o~struja\,ilnja ruhova vec je ugrac1cn u vrijednost CD i el, koji se, prirnjerice za ravnu plocu V!tkosli :::: 1 u podrucju a > 45° mogu izrazili kao

CL:= 1,17 cos fX, CD;:;;; 1,17 sin a, (5.32)

gdje .ie 0 - ktl! nas!rujavanjll vjetra w na spoiler,

Razradom izraza nil silu uzgona Lk i otpora Dk spoiJcra j relativnu brzinu vjetra w ::;: "" rk w(l + /\/)112 slijedi k

(5.33)

gdje je: )'k::;: v/rk (D

AI; - povrsina jcdnog spoilcra,

Promjenom izraza za snagu radnog dijcla kola jednadzbc (5,26) i snagu kocenja jed

nadzbc (.'),33) u bczdimenzijski ohlik (~p 00 3 R~ A), u njihovu omjeru

I P, 12" P (R w)' A

I PJ 2" p (R w)' A

1,17 (il')' (I + A[) sin(o: - q»

Cp A? (5.34)

U~cavajll s~ k(~~ficjjenli. snage kola kp11l (= cp II?) i koeficijent soage kocnice kpk • Na slid 5.22 pnkaza~aJe oJlh:)\'a OV1Snos! 0 koeficijen!u napredovanja A i hrqju aktiviranih spoilera N za pm!uvm kut spoiler;] 8k =:; 90° koji osigurava najdjclotvornije kocenje.

~a s~c.'lktiviran,c zracnc kocnice vccaje snaga kocenja 1\ > P od snage kola u bilo ko'o' r.adn~.1 tOCkl.' a kolo cc se u potpunosli umiriti. Dje1omicno ak!iviranje zracnih kocnica rez~l~ ilral cc vr!nJom kola co (= v / R A,.), gdjc jc Ie. odrcdena presiecistem k ,. k ~o k . , ,.v. .• . 'v.' . I J pm pk. l' U azuJc nn

V,1ZllOS1 Js!odobnog ak!Jvrranp vrsmh spollcra zbog ccga bi predoost u izboru sustava zastite

10

8

6

4

2

)

--N.:3

I-N=

N 1

o

-~lif ........ ",

,/ I- ~f-' Y i .. '- ~";

-;/- -- "/ ~ r= k"

,/ I: , .,.-

I j-

, , , / i I

0,2 A, 0,4 0,6 0,8 A=v/Rw

SI,5.22. Utjecqi aeroriinam;"(kog koc/!!{ja lUI pohjeg II/rhine

l'(\d~USfa\' v()(1cnja i fwdzora vjelroelckmwe 183

imala izvedhn sa sredisnjim urc(iajem za zakrctanje. Pojcdinacna zakrcfanja ~ aktiviranjc vrsnih spoilcra ostvarujc vcell pOllzdanosl S ohzirom nn visestrukost slIstava zastite. Daljoja bi analiza ukazaJa na prednost prvog S obzirom na ntvnomjemo optereccnje 8vih lopatica pri kocen,ju, dok pojcdinacno aktiviranjc omogucujc »jcdnoslavnu realizaciju«, posebno ako sc- aktivinmje odvija zhog povceanja ccntrifugalnc sile pri pobjegu. Slika 5.23 prikazuje cesto upotreblja~ vanu izvedbu te vrslc,

spoiler osovina

lopatica

osovlni

St. 5.23. Centrifugall1i vrlni spoiler

Pri (0 =:; (Ok ccntrifugalna sila spoilcra nadmasujc silu prednapona tJacne opruge zbog cega se spoiler pomice uzduz osovinc i izvlaci iz vodecih svornjaka na radnam dijelu lopatice (koji osiguravaju da u l10rmnlnam paganu spoiler nc odudara od konture lopa!ice). Izdanci oa osovini ulaze U odgovarajuCi Zlijeb u lijelu spoilera i prj daljnjcm radijalnom pomaku spoilcra uzrokuju njegovo istodobno zakretanjc oko osovine u koCioni polozaj 8 k . Nakoo smanjenja brzine vrtnje « (Ok) spoileri se vracaju u prvobitan poloZaj i postaju radoim dijelom lopatice.

3. Hidraulicki sustav Chs) za zukretanj~ lopatica prikazan na slici 5.24 osim za sprecavanje pobjega, namijenjenje i ograniccnju snage i regulaciji brzine vrtnje kola turbine. Slozenosti izvedbe hs, osim te viscstmkc namjene, doprinosi ired veliCine turbine (P == 3 MW, D = 60 m), oa koju je susfav ugradcn, zbog cega su zahtjcvi za pouzdanoscu sustava povecani. Primjcricc, susl3v jc u po!punosli zatvoren prema okolini i mo7.e djcJovati bez obzira oa svoj pOlozaj. Niskotlacni sprcmnik - akumulator tlaka osigurava doslatno velik Uak U SllS!aVU i hidraulickim ciliodrima - zakrctaCima lopatica smjcStenim na samoj lopalici, tj. neprekidna nazocnost u~ia pod tlakom u svlm dijelovima sustava (kao, primjericc, u zakretacima koji se u okomitom polozaju lopatice nalaze 21 m iznad osi kola).

Iz analizc djelovanja sustava uocljiva jc primjcna klasicnih postavkl u projektiranju zastitnih turbinskih Sllstava: - sustav je »otporan« na neispravnost u vlastitom hidraulickom krugu, tj. neispravnosl hs

zakrctac lopatice dovodi u krajnji po!ozaj, odnosno aerodinamiCki zakoceno kola, - u sustavu uvijek ima dostatno akumulirane energijc da se ol11oguCi djeloyanje u uvjetima

prekida opskrbe elektricnorn energijom iz vanjskih izvora,

akumulator niskog tlaka

akumulator visokog tlak

A pumpa

u..._<i---i-"'E<v'i.IO

AEROC;..'EiWC'I'SKA POSTIWJE"iJA

elektromagnetski ventn

""J4JLUservo ventil

...;;." enti

D 'k---.1 '~'"

I,

S/.5.24. lJidraufitki SiLI'hn' at 2.ukri!lunjf! t'1:11I0;': dije/a fOlk/lica lurhine

U uvjctima pobjega, tj. ispmla gcneratora 12 mreze, e1cktromiigllelski vcnril prekida dovod ulja pod visokim tlakolll na tzv. pilotski prikljucak A blok-vcntila. Time sc pfcbdu vcza zakrctaca i servovenLila (E-B-servo vcntil - C-D-zakretac), a uovud ulja ost\'arujc s~ prcko E-D. Zbog razlicitih pOHsina stapa zakn:taca, Hak kojeg neprekidno oSlgurava \:isokotlaclll akumulator zruka, stvara silu koja pomice stap u kn~nji polol,aj, ounosllo zakrd;e Jopalicll u krajnji - acrodinamicki zakocen poIo?"aj.

5.3. Provedbe zadaca vouenja vjetroelektrane

Zadaee voctcnja vjelrockktranc \Tlo su slicnc, bcz obzira da Ii jc \'j(;trockktrarHt prikljuccll<l na mreZLl iii racli au[onOIl1no. Meoutim. naCini provedbe L:uduca yuctcnja dosla sc razlikuju, pa ec sc u nast[\\'ku posebnu obraditi pron:dba zadaca \'odenja kod SUSl<l\,<1 koji su spojeni na elektrodistributivnu mreztl, a posebno kod suslava koji rade aUlOllOlllJlO.

5.3.1. Vodcnje vjetroelcktranc pri radu na mreztl

S obzirom na provedbLl zadaca vodcnja, vjctroeleklranc se l1logu pOdijditi na: - Kunstanino hrzinskc - konsiHnino frckveudj,ske (KBKFj kod kojih se brLina turbine

regulira l1lijlCnjanjem postavllog kula lopatica ilili se regulira geIll!wtor. Kod sinkwnih generatora to sc provodi reguliranjcm llzbude, a kod asinkrunill [cgul1ranjem otpOfil U

krugu rotora. -Promjcnjho brzinskc - promjcnjivo frehvendjskc (PEPF) kod kojih SI.': [urbina i

generator 110 fcguliraju, vee sc rcgulacija pr0vodi u prilaguJno1l1 sklopu prikljuccnom izmcc1u gellcraloru j mrt-/.e. Obii.:no se radi 0 susLavu s regllliranim ispra\'liacelll CAC/DC prctyarac) i reguliranim izmjcqjivaC01I1 (DC/AC pn.:lvarac). .

Ra:r.J.TIotrimo najprijc slucaj KEKF sllstava sa sinkrunim generalorom. Osnovnc zadaee yoacnja takvog sustava Sll:

-regulacij<l napona na stczaljkama gencralora

- reglllacija snage turbine, kako sc ne bi pn.::;la Jlominalna \TijcJnost snage gc:ncratunl Po",.

185

Upravljacke varijabJe sustava jesu llapon ul.budc sinkron(Jg generatora i postavni kut lopaLica turbine.

Prije rjdavanja zadaCa vodenja potrd_mo .'Ie ouredi!i luilcri.jt.: k1!kvocc voucnja i ogranicenja upravljackih varijabli. Primjcricc, LipiCni krilcriji kakvoee voucnja odredcni za stvarnu turbinu snage 6 MW bili su:

- lranzijenlnc promjcnc napona ne smiju biti veee od Stir) i ne smijc bili odstupanja napona U slacionarnom stanju

-ne dopusta sc prckoracclljc snage turbine veee ad 140 C;y! nominainc wijcdnosti, kako bi se sprijeCiJa velika l1lchanicka naprczanja ror[Lcijskog Sustava.

OSi01 toga postojala su i ograniccnja za upra\'ljacke varijablc: - brzina pronuene pllS!~lvnog kUla lopatica maksiIllalno jc iznos11a ± 10 SIUp11jC\·a U sekundi - minimaln<i promjena poslUvnog, kula lopal'lCc bila .Ie ± 0,20

- rcgulacija napona uzbude bib .it: moguca u gnmiCalll<.l ± 20 V. Postavljcne zadace voucnja mugu se oSlvw-i[[ na elva naCina: -klasicnom tcorijom vuuenja, r.ic.~a\'anjCln pu.:.dmo zadacu rcgulacijc napuna generatUr'-l

a poscbno zadace regulacije prcl1tscne sflage j

- modcrnolll tcorijom optimalnog \'uzknja viscvdicinskib su;:;la\'", lwjom sc sve zadacc voaenja rjc,savaju skupa.

Primjer klasicnog rje.senja prika/.lljr.; slika 5.25. Ulazna vciicina rc:gulalora lIzbude gcl1Cralora.iest pron~jcna izlazll(Jg napona gCllcmiora 2..U(" a izlaztla rdicina fWpOIl l1zbudc Ug[C'.

Taj je rcgubtor bio poscbno razvijcn II okYJru am(;riClwg projck!a l1lultimcgavatnc \-jdrucleklranc. Regulacija smtge pro\'odi :-,c klasicnim PI rcgulalorom kuji Lto ulazi1u vdiCillU iIlla razliku izmcuu nominalnc snage i sl\',U'1O proizvcdcllc clcklricllc snagc gCIH:ralOr[( .6.Pc;, it kao iZial.llU varijablu promjcnu pos[[lVnug kuw lopalica 6.[3. Razlika iWlCc1u sillkrunc i sl ';~',mc jcutnc brzine okrcl::mia 6.w kuristi 5C kao stabilizirajuCi signal. Vrijcdnusli rcgulatura pmwcunale su na temelju 1;OSU1Vljcllih zahtjeva voucnja i lincariziraIlut', mudcla sustava lcoj"1 .Ie ukljucivao vjetroturbinu, prijc!lusni Jllchanil.am i slnkroni generator. DelaljuJ. analiza po.',(upka prOfiiCUfla regu!:ltora prdazi uksirc ovog. ud2bcnlka 1 mULe S'': naCi u nit\-cdenuj jj(craluri.

Primjena modcmc lcorijc optimalnug Wx.1i.-:njH \'iscvclicinskih sustavd dajc buljc wzultalc od Idasicne tcorije \"i.xknja. Uhll.nc yelicinc algoritHm \'O(1cllja jesu od.sLupanjc Jl:tPOllil ,--\Uc:, r<l;.lika iZllledu ::-;intrunc i sl\,';'m; kutnc brzine ..J.(j) i faLllkd L::mcdu !lOmioalnc snage i sl\-J .. w() proizvcdclll-' snage 6.Pc;, a izlazne vclicine prumjena puSta\'JlOg kula lopatiut L\13 i promjena rcgulaci.hkog napon<l uz,bude 6.UIU:.O. Treba oJrcditi matricl! i/.!aLlwg rcgulalora K taku dOl vrijcdi

gdic je u uprav!ia.cki veklOr, 1I = [~0l) Ji , a )' vdUor il.laza, Y::;;;; 'Ir~~~oJ . . . _0. RE(, _ .o.Pe

Proraclln K tcmclji ;;c na lin..:aTiziranOln modclu "u:~!a\'a i zallljevu za miJlll1lalil.acijom inlegralnog kvadratnog kritcrija. DJ'ugim rijeCima, potn:bno je regulator projcklirali tilkll da udslupanja j,u, 6.Uo i 6.Po budu m.illimalna UL najman.lu IllOgutu illtcIY0nciju, sto znaCi uz !li~jnwnjLl promjcflu L'l13 i .:1UREG . Pritom sc koristi dubro raz\'jjcaa tcorija optimalnog \'odl.':ll.ja.

Slika 5.26 priicazuje tiplcnc odzhc vjctroagrcgata nil. naglu promjcllu batne vjctra za slueaj<.!ve (a) khtsicnog voucnja i (b) \"odenja yl.scvcliclnskim oplimalnim r0guliuorom. Rijec je 0 yjctroelektrani snage 6 M\V. PrcdIlosl optimalnug \'odcnja je 06[[(.

1116 AFROE'JERGFTSKA rOSTRO.lENJA .--------------------------------~~~~~~

1----, , , , i , : , : , , , , , L _____ .!~~.~!~.~?~_!:!~~~~<: ___ ._._.

.- ----- -----_ .. _- .- ---------_ .. ------, , I : ,

SI. 5.25. Kfasitni priSfl1{J v(}(1enju l:i/!!ror:lcktmne so sinkrrmim generatorom

mreza

U prethodnom primjeru kod rcgulacije snage govorilo sc 0 ogranicavanju snage na nominalnu vrijednost snagc gcncratora PON ' Posehna je ldkoca pitanjc optimiranja prenesenc ,mage u slucajcyima kada sc brzioa vjctra mzlikuje ad one koja moze razviti nominalnu snagu.

Slika 5,27 prikazuje momcnte znacajkc vjetroturbinc j sinkronih generatora (krlvulje 1 i 2). Pod pojmom optimiranja snuge podrazumijeva sc pracenje krivuljc Mop!' Ona spaja 010-

mente za kojc .ie, uz danu brzinu vjetra, snaga maksimalna. (J) ... je sinkrona brzina okretanja turbine odredcna brojem [101ova gcneratora. frekvencijom mreze i prijenosnim omjerom multjplikatora. Oeito .Ie da za tacno odrcc1cni broj po]ova generatora i tocan prijenosni omjer mulliplikatora nijc mogucc sIijediti krivulju Mopl . Primjerice, generator Cija je sinkrooa brzina ())sl bit ce blizc optimalnom radu za veee brzine vjetra (v > 7 m!s), a !!eneralor sa sinkronom brzinom w,2 z[t manje hrzine vjctra (oko 4-5 tTl/sek). Radi sto boljeg iskoriStllvanja SID sircg podrucja brzinc ".ielra, vjetroelcktrann se obi coo izvodi s dva gcneratora razliCitih brojeva po]ova iii s multiplikatorom s promjcnjivim prijenasnim omjerima. Mjeri sc brzina vjetra, a

Pndsllslav V()iJcnj~ j nlld,ow vjc[roc1darane 187

P/PN

1,6-1·~··--~ .... , /1 'I 11

1 ,6~-------··,·---,,··

1,4.j t :, 1 1\ i\ ,\ I r 1" ,.

1,2- I' t~ 1 N ' , ' t·

1 ", II \: '\ ,0 ,It tt \1

0,8 ~ ~ I!

0,6

UdUaN 1,04

1,02

WI

1,00

0,98'

1,4

1,2

1,0

10·

5

o

r"\ , , ,J

u \) V

, ! y

,'" , '\ " ... ... I. V

·5 ·5 1 v{m/s) :1 ~"~':l ~ 13~~ 13~~

o 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20

S/. 5.26. Odzivi rjelm('/ekrmne na nagfll promjenu hrzine vjetra liZ: (I - klasicno t'o(ienje b - optimail1o vi.feve/i{Hnsk(! vndenje PT - melumi{ka snaga turhine PG - e1ektribw snaga generatora UR - napoli regulatora VG - napoli genera/om f3N - zahtijevani postavni kilt /opalica f3s - ,\·tuarni postut'lli kut tapaliea v - hrzilla vjetra

ako je Dna manja od neke granicne brzinc (Vg), na mre7!l sc prikljuCi generator s verim brojcm polo\'a iIi se ukljucuje multiplikatar s vcCim prijenosnim omjcrom. Sustav se tada okrcce manjom sinkronom hrzinom. 7.a veee brzille \'jetra iskJjucuje se prvi i ukljucuje drugi generator s manjim hrojem polo\'a iii se prelazi na manji prijenosni omjer multiplikatora. Slika 5.27. prikazujc slucaj kod kojeg je VG:::; 7 m/s. Za VG < 7 mfs prali se znacajka (1), a preko 7 ruls prati se znacajka (2). (Preiazi se iz tocke A u tocku A'). Ako se fadi 0 dva generatora, onda je generator s vcCim brojem polova manje nominaJne snage.

Snaga je jednaka produkw momenta i kutne brzine

P=Mro . (5.36)

Uzmemo Ii toeku A za nominalnu radnu toeku manjeg gencralora, njcgova cc nom.inalna snaga biti jcd.naka pO\'Isini iscrlkanog prilvokulnika odrcdcl1og rrhovimu 0, M j, A, CD,2- Snaga veccg gencralora, Cijajc nominaJna radnu locka B. bit ce jednaka porrsini veccg pravokulnika odredenog vrhovima 0, M2, B, (Os!, Spomenimo jus i to da 50 izborom sinkronc brzinc CDs U

odnosu prema lllomcntnoj znac<-\jki turbine odrcdujc i donja bain<l vjclra pri kojoj l)i generator poceo proizvodili ekktricnu cllcrgiju. Kod generatora (1) to je brzina ou priblizno 3 mIs, a lead gencratora (2) od oLprilike 4.5 m/s. Prema lome, da postoji samo generator (2), brzinc vjetra ispad 4.5 m/s 11C bi S0 iskoristilvule.

CD ® MOPf

M,

M,

ro

Sf. 5.27. i\IOlllen/nc ;:JldZqjkt.' L:ielrufllrhine i .I"inkmnih ;;elli::rD

{ora

U danasnje se vrijeme u vjetrocleklral1dIWI &10 fude na mrdu svc vise kOli<,!c aSlnkroni generaturi. Oni imaju dvijc osnovnc prcdtlosti:

a) nije potrcbno pro\·oditi regulaciju napuna gcner:.tlora b) odgo\,im:uuCim izborom kliz:.tnja s mogucc jc buljc pwtiti krivulju 1'v1

0 1(; pa na taj 1136n

vise iskoristiti potencijak \julra. K!i7.:lnje s izracunava se izrazom I

(5.37)

gdje.ic ill~ sinkrona brzin:l a w sl\·ama tnzina generalora. Slika 5.28. prikazujc momcn(nc znacajke asinkronih genera!ora 1 \'jclIoturbine. Prctpo

stavimo najprije dajc brzinJ. \jctra 8 m/s i da imamo sarno asinkroni generalor, cijaje znac<.\jka oznacena brojcm 3, koja za brzinu vjctta od 8 mts upravo presijecfl kri\'ulju rvlopt .

Ukupna razvijena aklinw snaga bit cc Pc;::::: M3 0)3, sto.ie jednako povl"sini pru\'okutnika odredcnog tockama, 0, M], C i (\)3. Kuko je ill] ::::: (l + s) 00,3, gdje je ill,) sinkrona brzina, a s klizanjc general ora, snagu Pc; mozemo podijcliti u dva dijela

(5.38)

189

gcljc jc Ps aktivna statorska Sluga pn.:Jana mfdi (po\Tsina pravokutnika 0, ,:\1:" D, Wd), a I\~ aktivna snaga rolorskog kruga (powsina pravokutnika CD,." D, C, ill:J. Kalco je glavna zadaca vjelroelektrane prolzvodnjn i predavanjc clektricnc cllcrgije mrdi, samo j0 Ps korisna s[Ji.tga. a PR jc snaga gubitaka iaku se pOllckau i ona 11I0ze korisno upotrijchiti. Tipi(an primjer .ie slucaj kada je generator kolutni ilsinkroni slroj kod kojcga prcvladava Y:.mjskl regulacijski otpor rotoru. Tada se snaga I\~ mOL,e upotrijcbiti za clektricno grijanjc, ali ona ipak l)~laje dodatni proizvod II odnosll prema glavll(~j zadaC:j vjdrocleklrane. Nepovoljno je to !ito je za asinkroni generalor znacajkc 3, (£0 dodatni proizvod skoro dvostruko n:;(;j od oSIlO\·nog proiz~ voda.

Ml 0')

"~3:5l M /:/~ , D ,

I

I I

Sf. 5.28, :\IUflit'l/flil: ;)/(iZcd!.c t:ietl'(l/lirhifll: i uyillkrorlih ,liClle

Tutoro

Promotrimo na slici 5.28. usinkroni gellerator Cija mOmCl1tilLl I.nacajka, OZIli1Cena brojcl1l .:1. prolazi maksimumom momcntnc L:nacajke turbine I.a brzinu vjctra od 8 m/s. Sinkruna brzina ostala .ic isla m,}. Ukupno proiz,Vl.:-uena snaga PO\'fsln'-l je rrJ.\'Oklilnil~a 0, ;\l'l> E, (J)4, a korisna snaga puYrsina pravokulnika O. M'i> F, W,3. Iako .jc UkUPllll proiZ\'CUC1l<l ;-;llaga ruilllja U odnosLI pn:llla gcncraturu zIl:.JC:l.ikc (3), korisn:l nktl\-IJa .snagLl stalom prl·'.bnil mn:;,i n;c~l.ic za pOYrsinu iscrlbllog pra\'ukumika l'v1:;, Mol, H D.

Prema lomc, ako se teli stu vise silage prcdali mrdi, treba pratili maksimumc fllUlilcll:nib zn<lcajka turbinc, a ne znac~dku IvIopl . Ako .Ie va/.na ukupno proizycucn<l snaga, lada se na:.[uji pratili I.ni[cajka MoPI .

U slucaju aSlukrOllUs generatora, rijclko sc mOle pomocll SJlllU jeJnug fik>'!log gcncra[ora postici dobro praccnje, bilu mumcnlnilJ rmksil1lunl,-i, biJo znacajkc lvtp~. I lu ~C naji:'-cs{c kombinir<~iu elva asinkwn<1 gencralura rai'.lici!og broja polova, ili jcdan asinkroni gcncr~ll(jl' s moguCim prcspajanjcm broja ])olo'l-"a. Koristc sc i kombirwcijc olMju pos!upaka. Tipican jc primjer vjetroelcktrana DEBRA~25 nominalnc snage 100 k\V, kod kojc po.slujc d\-a asinkrona gcncfatora: jcdan sa 4 iji 6 prckJupiyih polo\'a, snage 30 kW za 4 poJa j ~1S kW za 6 ])010va. i jcdan generator sa 4 pol a snage 55 kW. Prijcnusni omjcr mllltipliRa!OfJ. jc 30. Pri malim brzinama vjelra mikroproc.csorski SUSla\' \'oacnja ukljucuje samo manji generator sa 6 pO\()\'Ll,

190 AEROENL,gCr:TSI(A POST!WJE~JA

pa jc sinkrona brzinil turhine 3AR rad/s. Brzina okretnnja turbine za nominalnu snagu ad 30 kW, kc~ja se postize prj 6.5 mIs, jest 3.64 rad/s. Brzina vjetra od 6.5 m/s ujedno jc i granicna

brzina '''jctra koel koje se najprije iskljucc oba genCr:llora. Nakon prijelaza na nOVu sinkronll hrzinll ~d 5.23 rad/s. najpri.ie sc ukJjucuje manji general or, koji sada ima 4 poJa, a 5 sekundi nakon njcga ukljucll.ie Sf: i yeti generator. Nominalna snaga od 100 kW postiic sc pri 10.5 mls nz bi'zinu okrclan.ia susta\'a od .").42 mel/s. Prijelaz s jedne sinkronc brzinc nil drugu trajc pribliz!1o 24 sckundc.

1 lwcl asinkrnnog gcner[l!Of<1 pOlrchno jc ograniCiti prcncscnu snagu za orzine vjctm veee od OIK br/ine kojn daje nOl11inail1u snagu. Prim,icrice, kod DEBRE-25 to su brzine v,ielra preko 10.5 m/s. Jedan or! naciml pnwoticnja (e regllJacijc jest regulacijii poslavnog kula lopatica turninc. Obicno sc i ttl lwrislc jednosla\,pi PI regulalori prnjck!irani klasicnnm Icorijom voocnja.

U do saela npisanim Stlst;l\:ima, bilo sa sinkronim ili asinkronim generatorirna. l1ijc se djc!ovalo na momcn!nu zn;\ciljku generalora. Regulacij:1 ~nage provoclila sc djeJnvanjem na lnp!l(icc lurhinc i (ili) ukJ.iucivanjem i iskJjuciqn.icm vise generalonl razlicitih znaC;.~iki. Osnovni Jlcdnstnlak li1k\'ih sllslava jest Sl():

- 11C OJT)nguC'in'i\iu nptimalno isknri.~t:l\'(\!1jc brzina vjctra kod kojih jc proizvcdcna snaga lllllnj;l nc! nominalne (priltCnjc~ kri"uljc M(\I'~ ili mnksimum;l nwmenlnjh zllilcajki turbi·· nc) i

.- !:ilhtijc\'::,In slo:!,cni mcll:miz:lm rcgulacijc POS!;l\')1og kula lnpaticc. Ti sc ncd(lstaci Il1(lgU uklo)1iti kcrislcn.iclll kulu!nog asinkronog gencratora llZ e1cklro~

nicku rcgtl]aci,iu nlpor:l II krugu rnlf!ra. Pozo:;!o je da kJizanjc :lsinkrollog generatora ovisi razmjerno 0 rcgulacijskom otporu,

koji,ie preko kliznih kolDlova prikljuccn [(1101'\1 gcneratora. Hns(\lanimo n:ljprije optimirnn.ic sl1age lurhil1c uz prctpt1Sl;!vku da se zcJi maksimirati

ukupnn proiz\'c;c!cna snaQU Qcncratora. To znaCi da trehll praliti znacajkc MO"l'

Slika 5.29. prikawjt~ m~lTnen!rw znacajkc turhine i asinkrnnog gc~eraton;. PrctpoSlaVilllo clajc hrzina \'jc.trd.icc.nakn nominalnnj brzini od 8 m/s. Uz wijcdnos( rcgulacijsk,og otpora R)

Mt ®

M+ ML--~ , i

J ~ MJ f.LZ2Z7-j ( r

M'L~-."'+-+-~ .. , __ ... SI. 5.29. Momenlne Zl1m'(qjh tjetmturbine i a.\·inkronoR Rene

ratora III regufaciju olpom I( krugll mfOra wtneratom

]>odSUSlil\' v(lr1cnja i rwdznm vjetJ"oeick!rane 191

radon tocka sustava bil ce na mjestu oznac~nom slovom A. a snaga prcdana mrd:i (koja je za 8 rn/s nominalna snaga), jednaka povrsini pravokutnika, 0, M" A', (IJ.\. Aka brzina vjetra padne na:') m/s, llZ nepromijenjen rcgulacijski otpor, nova je radnn locka sustava locka B. Na slici 5.29. vidi se oa ana ne lcZi na znacajki Mop!' Pocnemo Ii sada smanjivati regulacijski olpor, smanjivat ce se i klizanje genera1ora, a momcntna cc znncajka pnS!ajali svc slrmijom. Za vrijednosf olpora R2 (R2 < R 1) radna CC locka tocno pasti na znacajku Mop!> odnosno u loC:ku C. PO\T.~ina pravoku!nika 0, M." C, (l)J vecaje od povrsinc pravokutnika 0, M 2, B, 0)2, .~10 znaCi dajc lIkupno proizvcdena snaga veca. Zimimljivo je cia je, dos!o i do promjenc odnostl

snage prcdanc mrdi i snag(,j rolora 1I korisl snagc prcdane mrcii koja jc veea za povrsinu i~crlbnog pravokutnika M 2, M." C', B'. DakIe, promjcnom regulacijskog otpora od R2 do R) mo;;uce .Ie za svc brzine vjelra, izmcdu 5 m/s i 8 m/s radnu locku slIs!ava poslaviti na znacajku M il :'1' Poslllpak jc iSl1 i aleo treba prntiti mnksimullH: momCDlnih znacajld. '

Ispilajmo ,-,ada 7ndacl! ogrnnicnvanja snagc na nominalnu vrijcdnosi. Kako sc rotorska "nng;] trosi na \'anjskim otpornicima, osnovna zl1daca ogrnniccnja snagc jest ograniccnie statorskC' ~mage. Pre!posll1vimn da se norninalna vrijcclnnst Slal(Wskc snage postize pri 8 m>s i da jejerinnka pOYrsini pr~l\'Okulnjka 0, M!, A', ills. Za brzinu \'jelra od 9111/s radoa tocka sustava bCl rcgulacijc bila bi na mjes!u D, a r()vr.~ina iscrtkanog pravokutnika Mj, M4, 1)', A' bib bi \'i.~Jk: aktJ\'!lc snagc sla!o{'a. Po\'cea Ii sc vrijednosl rcgul:lcijsk(1g olpora, j)oveca sc i ldizanjc, a rnnrnc111n:1 l!l!lcajka gencralonl poslaje polozenijoJil. Za ncku vrijednosl otpornika R:> (R:> > R j ) 11:,!l'ajka gcncra!ora jc oblika 3, a radna locka za hrzinu Yjclra od 9 m/s prellljesHl se lllo{:ku A". Aklivna snaga stiltoraje isla kan i pri 8 m/s. PovecaJa sc !11cdUlim snaga rotora za povrsino pravokulnika fUj, A, A", ws. Ona, kao SIO smo kaza]i, ne oplt:rccllje generator, vee se trosi II vanjskom Olporu rolora i moze sluziti, prim,ierice, za grijanje vode. Slicno se dogac1a prj hilo kojnj nrzini yjctra \'c('oj nrJ nominalne (8 m/s) a lllHnjoj ad graniene izlazne hr7.ine "i/. pri kojoj sc (urbina zilusla"lja. Val,no je- ll!lpomctlu(i dn se vanjski olpor ratora treba dimem;ionirati u skladu Sil snagam koja ec sc na njemu trositi pri izlaznoj brzini vjetra "i/,'

Znacajka na slici 5.29. namjcrno .Ie nacrtana poloicnije ncgo sto jc llobicajcno kako bi se boljc lloeili ndnosi. U s(varnoj primjcni obit'no je snaga slalora pri norml11noj brzini vjetra 2 do 3 puta veea ad :mage rotora. Na slid 5.29. snage Ps i PR skoro su i7jcclnac,ene, sto nisu llobicajeni odnosL

Slikil 5.10. prikazuje blok-dijagram regulacijslwg .<;{L~L:l\"a za oplimiranjc j ogranicavanje snagc. Na Icmelju izmjerenc brzinc 0) i poznntih znacajki "je(fQ(urbine. izracnnnva se maksirnalno moguca snaga Pma\ slatorskog kruga ZIl In brzinll okrclanja. Primjerice, za turbinu sa siike :i29. i kutnu brzinu C)l maksimalna snaga slatom jcdnaka jc povrsini pravoku!nib 0, M 5, E', 0),.

Usporedbom Pl1li1X generatora j poznate nominalne snage turbine PN odreduje se re7:il1l r:lda rcgulacJjskog Sllslava. Za Pmax < PN provodi se oplimiranje snage, pa se stvamo proiz~ vcdena snaga st:-l!ora Ps usporcduje sa Pn1ax ' Za Pm,lx > PN snaga so ogranicDva, pa se Ps usporec1ujc sa PN • Razlikc Ps - Pmllx iIi Ps - PN sluze kao ulazne vdli:ine suslavu vodenjil. Vanjski Olpor rotora elektronicki se reguJira mijenjanjem frekvencije izmjcnicnog ukljucivanja radnih 01-pornika. Dvije moguce i7.vedhe sbem;:1lski priJGlzuje slika 5.11. Kod jedne izvedbe olpornici se ukljucuju trijacima, a kod druge liris!orima.

Oznacimo Ii sa !o:-.; vrijemc ukljucenosti Irijaka unutar peri ode T, uCinkovit vanjski otpor rolora po jednoj fazi iznosi

(5.39)

turbina

mreza multiplikator

+

~- rt komparator 7

Sf. 5.30. Blok-sht'lild l<!gUlcicij.lkog .IU.lhiL'd W lij!limil'(Jl!ie i (Jgmni:uuJII.lc slwJ.{e pr{)lI~inlUm orporu 1/ kruga to/ura j!,1~IiCraf())"(i

multiplikator

4

rotorski klizni prstenovi

5 6

SI.5.31. Eleklrolli{;ku rq;u!{i(.'(ju otj){)hl u m/orskOIll kru;;u (lsinkl'Oliog ;.;eJJaaloru

P"J~llstllV Vl>Uenja i naU/.lira vjclw..:kklrmJe 193

DakJe, izburom vremcn<1 tON moguce .Ie toeno mijc:njali vrijednost ulpora wturskog kruga u grallicarna od (RL . RH)/(RL + RH) do RH te na taj naCin regulirati snagu prcnescnu s [urbina na generator.

U drugom slucaju regulacija \-anjskih olpornib rotorskog huga oSLYarena.k ::.klupom koji sadrii diodni trofazni ispravljac i par otpornika RH j RL koji sc ukljuClljU i iskljucuju tiristorima. Tiristori se izmj.:nicno ukljucuju tako dEl se IlloLe mijenjatl \Tijcme ukljucenosti tiristora tON unutar periude T. Ucinkovit vanjski otpor rotora odrcucn je u tum ,::,JuCaju iZl'Hzum

R :::: ~l(",)r.;,-' "R:cH,-T,-' 'c(T~-_' :clo"CNC'lc:R20L d T (SAO)

i rnUcnja se u granicama ad RL do RH.

U prikazilnom Sllstavu kutnH je brzina promjcnjiva, ali jc fr.:kvcncija narona slalnn j

ocircc1cna frckvcncijom mrdc. Zbog toga se takav sustav mol.c l1<izv;tli promjcnjivo brzinskim - konstuntno-frekn:ncijskim (PBKF), pa jc on 11<1 I1cki nacin prijclaz sa KBKF nil PBPF sustavc.

lspj(ajrnu na kn~ju .los i primjcf prolllj.:njiv() br!j!lsku-pron~jclljiH) frcki-cncij:-'Kug (PBPf) sustava. Generator se 11C prikljucujc iZral'110 na IIln:zu \'(~c wdi u aulunumnol1l rc;.imu rada. a sva se rcgulacija pruvodi u mcuusklopu spu,ienolll iLmeuu gcncfalora i mrc7.c. Zbog tuga ce ovo razmatranjc PBPF su,::,lo.l'a dubHI duCi kao m'od alllUllOl1lnim sU . ..,!iwima \jdruck:klrana ko.1e se analiziraju 11 sljede6cm pogla dju.

OSllO\'lllJ svojsivo vjdroclcklranc s '-l.~inkronim gencr:ltorom U :lulo{lOlllllUm n.::Jirlill jest to SIO se radna tocka sarna n,lllljc:::;Ul na taj nacin da generator il. turbinc u\'ijek uzirna mak...,imalnu snagu. Drugirn rijeCirnn, Z!ldal'a optimiranja ,mage pruyuJi sc sawustalno bcz ikakyc vanjskc reguiacije. Posljedica wkY()g nacina rada promjc:njiv():,t.ie llapona i frckH'llcijc tla stezal.ikmna gcncralUfo.. Zbog [uga sc, iZlllcdu lakvug PIVIPF iz\ ma i distrihu([\"lk: mrc?c ULXlc.:UjG odgovarsjllCi prilagudni mcdusluop. Prlllljer prib.godnog mcdu:olJopa prika/.<:ill.ic na slid 5.32.

~) if [l ffi t_T.T IspravlJac ~ AC/DC

uzbudni kondenzatori

izmjenjivac DC/AC

mreza

sr. 532. Fjerf'oe!ekln:i1iu.\" {lsill;:!Vl.'il!l ;;cllcmli.'ru/!i Ii rudli flU mrcf.i.\' rC,1iil!u _'ijuni !Jd/)(mu i./i"ef:!.:enciic i.ljJUlc(juCk,;·i;:mj"I!jiwC/:11!! mCL1i1.1khi{!(!lIi

Pu::,lupak ~<: ",a:,l(Jji u isprad.i~lldu izm.kniCnog n'-1pona proizvcdcllog ,lsinkronim gcncralurum i n;li;:oll toga ponovllom prctv,-u·anju islosmjernog nap()lla u izn~jcni6nj lJapon stalne frckn;ncijc.

Zadaca regulacijskog pouSUSla\·a jest rcgulir[Ulje, odnosno boljc kazano ogranica\';m.k snage na nominalnu vrijcu1tost. (Sjclimo 5C cia sc opiimiranjc snagc au[umalSki provodi.) Za tu zadacu ogranic<i\-anja snage bio bi duslalan regulirani ispmvljac. Na:njcstanjcm kUla ispravljaca uj{ bilo bi moguce odriavali iSlosmjcmu Sll"uju IDe ni1 .zaJanoj nijednusli lRr.:<-.

Teskocaje u tome sto se poveCanjem kUla a" pm'ccavu i rCakll\'11a snag a, a to muLe inuli ozbiljne posljcdicc za generator, pa cak dovesLi i do njcgu\'a dcmagnctiziranja. Zbog toga Sl'

194 AEROENCRGETSKA POSTROJENJA

ubacuje j druga upravJjacka varijahla: litH rcglllacijc jzmjcnjiyaca (XJ. Njegova je zadaca smanjivanjc reaktivnog optercccn,ia generalorll. Zadacc vodenja mugu se ispuniti lako da sc;'

a) 5vnka fegulacijska pel!ja poscbno l:icsava (uE ---7 IDe) i (u-J -+ reaktivna snaga) b) ohje rcgulacijskc zadacc skupa rjcsavaju (UR' a1) ----7 (IDC, reaktivna snaga). U tom se

slucaju radi 0 viseveliCinskom voc1enju. GJ8vni ncdOSlatak PBPF sus!avajesl cijcna. Potrchnu oprcmajc, vee i za sustave srcdnje

snage, puno sknplja od oprcrnc kojn sc korisli u prije- prikazanim KBKF i PBKF, sustavima. Zbog toga.it' pnslUpak .ins uvijck 5a1110 na razini Jahorntorijskih ispilivanja, pa ga ovdjc ne~ (;Cl1lQ detaljni.ie rasc!anjiy:t!i.

5.3.2. Vodenjc vjctroclck!nHlc pri aulonomllom fadu

Autonomnc Slls(avc ".ie1welcklmna dijclimo na sus1l\\'c bez pohrane elcktricnc energijc sustnvc s pohm!lolJl elektric'ne encrgije. Ispltajmo nnjprije autonomnu vjetroeicktranu bez

pohrnne energije, s poscbnim nagJaskom na zadacc podsustava voacnja. Slika 5.:13. prikazuje vjc:lroclGklranu sa sinkronim generalorom s pcrmancntnim magne

limil i radnim opterc{:en.i\~m R". S!rujno-naponskc znaciljkc susia\'!l prikilzane su na slid 5.34.

u)

S'f. 5.34. ,,,'!rlljIW l!{fjJ(!I1y/:t. -;:nut ,.ike ljelro"!d:!l"dl1,' he-:. pohr(i/i(' cli,!:tl"i,\nc ('I1I'!"[.;:)1'

,Y/. 5.33. Vielmdckrm!lo hez po}mme e!ekrrihle cnn:r.:(j" (SG ~ sillkroni gel7cmtor s per!i!({Iwn!nim /II{lgl1r'fimo, R/\ t - radni (ere/)

UA(V)

150-

125~

I I

100~ I

--"-----,-2 3 4

Podsuswv v(l(\cnja i I1fldrora vjc!roclcktnlne 195

Kri"ulja Pnnx spaja locke u kojima je razvijena snaga maksimalna. Ako jc vrije~nost radnog olpora RAI staIna, radne tocke suslava Idat CC l1a znacajki RAt. 06to je da turbmu u l(lln SlllClljll necc biti optimalno iskorislena. Za svaku brzinu vjelra, 0 kojoj izravno ovisi i brzina okrctanja 0), generator necc iskoristiti svu snagu k(~ju vjetroturbina maze dati. . .

Rjdenje opt imalnog iskorislHvanja raZ"vijene ~mage vjelroturbine II slalnom je mijenJ<lnJu radnog olpora R/\, Inko da sc pri s\'akoj brzini okretanja na njcmu razyjje upravo maksimalno raspoloz,ivC) snaga Pm;p;'

Neprekidno mijenjanje Olpora RA slozcna je zadaca. Ona se pojednostavljuje ako sc fadni teret RA razbije II nekoliko diskrctnih vrijednOSfi. Slika 5.35. priknzuje primjer sa 4 diskretl:e vrijcdnosli olpora. Znacajke suslava Sll prikazane 11a slici 5.34. Ispod 44.5 rad/s ukljllcen .Ie samo olpor RAJ, izmeou 44.5 i 89 rad/s llkljuceni su olpori RAI i R A2, izmedu 89 i 125.6 rad/s ukljuceni su otpori RAJ, R,-\2 i RAJ, a iznad 125.6 fadls ukljucuje se djeJi 01POf R._\:::: R:\I + + RA2 + RAJ + R M·

podsustav vodenja m

t t r-

RM RA2 RA3 RM , , R,

SG

Sf. 5.35. \~i('lme!ekir{lI1a hez jJ(Jh,-,mc f'!eklrihrc cl1erglje s m{)gucl1o.{(1I rei:1t!{f('U(! ('I)/(:re(;(-'II]<I

U w.kyim sus!::n'im<l radni terct R,\ ohicno .Ie tcrmicko oplercccn.ic, pa nijc nulno odrl,UVtlII stalan IliljX)I1. Val.no.if' sarno sin nolje iskorislili razvijenu 'inagll vjetrolurbine.

Voc1cnje vjctroclcklrallc znatno .Ie ~Iol,enije aka J1roiz\',~denu clcktricnu encrgiju Ireba pohranili U Ilkumlllntorskim balcrijama. Akul1mJatorske balcrijc pllllC se tacna odreoenim znacajkama punjenja.

Slika 5.36. prikazuje naponsko-strujno pudrucjc !1oollalnog rada oJovnog (Pb) i nikal-kndmijsk0g (Ni/Cd) akulTIulalora. Navcdcni su i svi va/ni naponi po ccliji akumulatora, o.d naziytJog llJj)()llil do narona polarizacijc. Nckc od moguc'-ih nacina punjenjll akurnulatora pn-

U(V)

N,IC,

1 '71

,,551

1 ,4o~1 ',35j

1,2 J

P, 2,65

w

zabranjeno podrucje

U 2,40 -.-----1------ napon po!arizacije 2,35 -------~-------T-.. -.~--~---. granicni napon punjenja

'" -__ J ----l- --1----' ""' "-" ,.,0,", 2,20' - -- -- ~J poddav8Jub napon punJenJ8

2, '0t-- I - - c- ----I uklopnl napon

2,0 r--- 1--1 ----I----- j naz<,m napon

I, I I 1 ! , ! r------~--+_________T" --+---o 4 8 12 16 I(N100 Atl)

SI. 5.36 ,\'djJ(ln.lk{!·s!n~illu p,)dm(ie n,mliu!IiO!i md(.l otUW{/A i nihd·kw!m{hkog (Ni/Cd) akW!)U!d/om

U karaklaristlka

"I~, UlklUJ L~_---O:-'I l ....... --:

Wa karakteristika lola karakteristika

l-, Ul~~ ~ ___ L~Lr

I t "b~"W~"

t t IU karakteristika ill karakteristika

197

knzuje slika 5.37. Prikul.anc iiU Ilaponsko ;:,trujoc zll<lcajkc i nCfllcHslcc j)Hlrnjcnc napona 1 struje za vrijemc punjcnja.

U vjetroe!ektranama akumul,ttori su obicno spojcni usporcJo S pOlrusaCima, pa ih je najpog,udnijc punili prcma tJ: iii iu znacajkama kod kojih sc batcri.ia ydi diu Hcmcna puni ~t:ilnim

naponom jcdnakim naponu llcpn..:k..iunog ili lrajllog punjcnjrr. l\'1cl1utim, kako jc u \jc!fuckk(rani tesko dr/.ali sUdan napun iIi struju, lIwdcnc su u i iu znac;:~jkc kod ku.iih sc dopusta odredeno lolcranlnu podrucjc. Tipitnu iu znaeajku prikazu,ic s!ib 5.3"Li.

SwInos! napon;J gcneratora mo/.e se osigurati acrodinamickim rcguliranj<:Ul hrzinc'

olu"elllnja vjclroturbinc, primjcricc rcguliranjem poslavl1oga kula lopalicc. I\-1cdulill1, kako Sli

ti postupci slo'l.eni j isplalivi .iCrlillU kud vt:Cih jcdinic;t, ft:gulaeija napmw obicno sr: pl'Ovudi d.ic!ovUl~km nil elcktriclli din vjdrucJcklranr:. Nck()liko razliciLilllwcina r\;c\lizi.tcijc tc n;gulacije pril1ljenjivih kod sinkronog gC!ll:ralura S uzbucinim namotum, "inkwllog gcnC1'illl)r,-~ s pennancnlnim magnelima i aSlllkrunog generatora u auiOilomnum radu prikazat Cc sc una·· stavku. Kod nekih od lih ljcsenj,1 posloji mugu{:ll<Jsi i rcgul~lCi.ic prcncscl1,; ;magc, sIn cc biti

poscbno nagJas':llo. OddL\vanje slalnog napona ~jnkron()g gcncratora rcguiw:.:ijolli :-,bnja uzbudc Juhru .jc

poznat i cesto koristcn postupak. Slika 5.38. prikazuju unl n;ici!lL\ pruvuucnjil m'e fcgubcijc. Prvi je pumocu elcklfOw.;llaniCkog. a drugi PUlllUCU ckktrunickog rcgulalOnl. Oba pc ,;lllpL:l

--£' 0+ I

ill ~-, '

0' D+ II

[, , ,R, ,

OF OF ~~ SG

_~R I') ~ -',-U ro-

D- O-j ~

L_" ,

~,

/

I, B' elektro-rnehanicki regulator

I, AI<U ;

T

elektronicki regulator

Sf. 5.38. Odrfuumje Sic/!IiO.'; f!UpUtU ,li/l!.rolliiJ; geillJ,,!u1"U n!iilh jjofIJ .I/mjc udJld" (/ - efektro .. mehunia;i regula!!.>! h - ete.i;lror;i,:'ki regillatur C - slndllll·llilj)()II.\!:" ?IWc\;j!;1i

19B ACROC~EI~GETSKA POSTROJENJA --------------------------

osiguravCljll odriayanje sta!nog napon:1 punjenja akumulatora u sirokom podrucju promjcne stanja punjenj;l, kao ,~to .Ie prikuzano nil pripadnom strujno¥naponskom dijagramu.

B,ttcrijc 5e autClmatski 1'0611j11 puni!i !ej< kada ispravljeni na1'ol1 sinkronog generatora postane vecj od napona nkumulatonl. To cc sc dogoditi lck kad brzina vjclra, a s njim i brzina turbine, prijcuu nekll granicnu vrijcdnosL Tu hrzinu vjetra nuzivamo ulaznom brzinom.

Kod eleklromchanickog regulatora povccayanjcm napona gencratora preko vrijednosti n;1])()J")ll punjenja dode do porasw strujc uzhude Ie preka vrijednosti ICllHlx, te do ukljllcivanja relcja Rei i uZDlJde generaln!';!. Padom naponn relcj se ojJct iskljuClljC a s njim j uzbuda genermora, pa sc cijcli poslupaK ponavlja. Frckvcncija ukJjuCinlnja i iskljuCivanja relcja obicno je izmcc1u 50 j 200 Hz.

E)cklronicki regulator dajc bolju naponsko-Slnljnu znucnjku. IskljuCivanje stmje uzbudJ10g namn!a provodi s(' lran7islorom T] u casu kada napon sinkronog generatora prijedc dopnslCni Ilapon pnnjcnjn nkmnuJatora.

Prikaz:mi postupci regulncijc napona generalOra nis!! primjcnjivi u slucaju sinkronog genera/ora S pcrmallcninim magnclima. n prirnjena takvog lira gcncnllofa u \'jelroelekt1'anama p()~;lnjc c;vc zanimlji\'i.ia. Gcncra10r jc de!aljno nhradcn u pog!avlju 5.1. Rjescnjc zadaca rcgulacije i1ajJona li 10m je slucaju u prirnjeni is!Osmjerno-islosmjernih prctsaraca, Ciju pojednoSlT<;Jjcnu shcmu prikazujc slika 5.39.

r ~SG\

w

s

L

_C.C

AKU

Sf. 5 .. N. ,_\'/u;m(/(s/:i flri!CdZ Ijc/Foe/ekrrrmc S{I .I'illkml1im gcncratoml!! i is 1 {) SI! Ij(: I'll 0-' is 1 os/! ~ie 1"11 fm f! F(' 11:([ rrl(\'111

lzmjcnicni nnp(Fn sinkronog gcneratnra ispravlja se djodnim ispr:l\'ljaccm i II kratkirtl mzdob~ ljim'i : ipicnog: In\i:Jnja od prihliztlo 50 ps dCl\'odi na prigusnicll L, k1'07 kojll tada roenc te6i stmja. Elcklxnnickol1l skl()pkClI11 S prjgu,~nica sc odva.ia od generatora, ali slruja i daJjc Ieee, sada preko di()dlO D 11 ;l_kurnulator:;ku baleriju. Kako jc razd0hlje iskJjuccnosti rclati\'no kratko, slruja kroz pc'"""i,," [lri\·jdll(l \!;tlno lcCe, sto sc oCituje s!a!nim naponol11 na slezaljkama akumulatora.

Ako se nC(1\'iSI10 rep:ulira vri.ieme uklju{Cllosti sklopke- lo~ i vrijeme iskljucenosli skIopkc lor.T:, rno2,c sc ZMloyoljili j ;;lduc(l reglllacijc D(lpOna i rcg:ulacijc prijenosnc snage. Vrijeme torT obrnu!o.ic rnmjerno naponll na izlazu prctvaraca, a vrijeme 10:-':: !colicini cnergije prcuzcte iz genE'ratora i prcd;mc akmnulntofll.

tTz pnzJ1nle l"ildne /.nac[~ike turhine i pnznall1 izmjcrenu brzinu okretanja gcncratora (koja je II s!vari razmjernn br7ini v.ietra) moze <;e. pravilnim izhorom vremena [0;-.;'. u svakom casu optimalno op!eretiti turbinu. 11 reglllacijom vremena tor!' odrzava1i slalan napon punjenja. Cijeli ceo susla\' bili djclol\'oran samo iznad brzina vjetra, (odnosno brzine okretanjn) kod kojih .it: napon general ora veCi od napona akumulatora.

j>OdXllSliiV vo(lcnja i nadzNiI vjclrtlcJcktranc

•

I b~zina I vJetra

) struJa \ I ~ Igeneratorr~J

Itempera~ n~~[] r-----'---, 11m pulsnl gener~~_

--1 tOFF I tON

napan I generatora)

I L-__ ~"., hregulator L....

snage .\

I St.5AO. B!o/{·dWrIl(1 jedfw i-:.(wJhc is/oslI1jano-rSfO'iiJ\jernih prr!fl."(lra(:a prifagoae

nih 1:ir:fmc/cktmnall1{J

199

Slika 5.40. prikazujc bJok-shemu jedne od mogutih izvcdaba istosmjcmo-istosmjernog prctvaraca. Funkciju sklopke Sima tranzistor snage, a suslav vodenja ima i neke dociatnc zast11nc funkcije.

Vrijcmc i_"kljuccnosti skJoJ1ke tOFr' razmjcmo jc isprnvljenom Ilnpoou generatora, a 11a vri.icmc ukljuccnosti to;-; cijcluje:

- struja generatora - lw.pon akumlliatora - temperature pojedinih komponcnata. Struja gcncratora mjeri sc i ckwoc!i u sklop k(~ij, na temelju te \"fijcdnosli kao j vrijednosti

n:1ponll gcneratora, podatka 0 brzini vjetra i p07nalih znacajki 1urbine, odrec1uje op!ima!no optcrccenjc turbine. U ovisnosti 0 dohivcnom rezultalu regulira sc vrijemc tQj"+ a prenesena sc snaga pove6a\'a ili smanjuje.

Kadn jc akUDlulator u potpllnOsli napunjen, njego\' 6c napon poceti rastl. Ta se promjena o!kriva odgovaraju(;im osjctilom, pa se na temelju n.ic srnanjuje vrijerne tON kako bi se sprijecilo prekomjcmo punjenjc akumulatora.

Ako sllslav duga nldi punam snagom, moz.c d()(-j do pregrijavanja pojcdinih dijeJova. To se prije svega odnosi na namot generatora, ispravljac, serijsku prigusnicu i tram.istorsKU sklopku. Sustav vO(lenja omogucuje stalan nadzor lih temperatura, p<l sc U sluc<\ju pregrijavanjll bUn kojc komponcntc iskljucuje pretvarac slavljanjcm vremena tON na nislicu. Dodatno osiguranje s izravnim iskljucivanjem suslava omoguceno jc nadzorom slmje generatora.

Ostvarcnjc zadaca regulacije napona u slucaju sustava s 8sinkronim gClleratorom jos je slozenije. Prije opisa sarnog postupka pOlrebno je objasniti naCin rada vjetroelektrann 5 asinkronim generatorom u autonomnom radu i pohranom elektriene encrgije u akumuJalorima.

200 AL:IWEN[RGC'J SKA POS'riWJEt,Ji\

Slika 5.41. prikazujc O\'isnost snage vjctrockktrane 0 brzlni okretanja turbine i brzlnl puhanja vjclra. Na istoj je slici nacrlana i znacajka asinkronog gcncratora Zit nckollko lipicuih sJucajeva_

Pretposlavimo da vjetar {JUSt': brzinolU ad 10 m/s, Ako jc asinkroni generator neoptcn:.::cen, radna tocka sustava lezi na mjestu oznaccnom slo\'om A. Od raspoluzivc snage koju \'jelruturbina maze prcdati bit cc iskoris[c:n samo mali LIio Po, i to za potrcbe pokrivanja gubilaka. Broj okrctaja turbine bit ce 0) I_ Sada optcrccujcmo generator taku aa jc korisna snap. koja se predaje leretu Pk- Ukupoa snaga koju vjctrolurbina treba proizvcsti je PI ::: Pk + PO' Brzina turbine smanjujc sc na vrijcdnosl (02, a nova radna locka SUS lava seli sc na mjcsto ol.naCCllu slovom B. Prdpostavimo da sc hrzina vjetra smanjila na 9 JIll:;, a da jc uplcreccnje ustalo [sto,

p, r

/ ,I I I I

-----------'-

P,

P, o,sp G -I~--!---T

I I

,PMAX I I

I

/

/

karakteristike / vjetroturbine

karakteristike generatora

OJ,

12

radno podrucje

rl , I

I I

I

Sf. 5.41. Znucdjke snagc Ijetmtu:hinc i (.i.\illkrollo!{ gCllt:rdiom 11 UiI!(;jWI!Jlwm F"dil

RaJllil locka -"eli n<1 zu<-lcajku za brzil1u rjclra od 9 mIs, odnosllu u tocku C, a brzina okn.:wnja daljc paJa na vrij(;dnust 6.l.'l' Ako:;c brzina 'vjetra ponomo smanji, primjericc n:l vrijcdnost 8 m/s, vjeLroekktrana vise ne moze Jali snagu Ph vee maksimalnu sllagll P2- Radna jc locka na mjeslu oznaccl1om SlUVOlll D, a brzina okrctanja pada na vrijednost. w4 _ Na slican 5e mcin 11102e pronaCi rauna Locka za bilu kojc oPlere{;cl1j~ i brzillu pubanja vjetm.

U svim tim slucajev.ima u<-lpon j frekvcncija generalora mijcnj,\ju sc i odsc 0 brzini okrctanja turbine. Promj.:njivosL [rckvctlc~jl: nijc toliko znaeujna, zato sto se radi 0 suslavu koji sadri,i

Po(bus!av voJcnja i nauzora vjdrockklnUlC 201

akuillulator, pa jc izmjenicni nupon g~n(;ratora ionako potrebnu ispravlli. PromjlmjiYosl napona jc znacajnija, i zahtijcva dodama razmatranja.

Na slici 5.41 lIcrlano je i poJrucje pokrelanja kojc odrcGu.it: ulaznu brzinu UJuJ' Do tc brzine okretanja ispw.djcni napun gcm:r",[Ora manji jc uJ potrdlI1og napona punjcn.j",\ akumulatora, pa ne teee struja punjenja. To L:llilCi, primjerice u slucaju sa slike 5.41, btzi!)il \jctr:t ad 2 m/s nijc korisna brzina. Krilicna brzina okrdanja obrnuto razTlljcrnc} o<;isi 0 kapacitc1U uLbudnill kondcnzalofil.. Druga.ic vaLna locka granicna brzina ukrdanjn Ww zillzlaznu brzinu vjclra vii. koju oureduje izdrzlji\"ost i CHS[UCil lopaticc i os!alih mduniCkih dijcJ()\'iJ Y.ictroclcktrane, ((}i~ jc Vilz.all poJat;}.k pOdsusl:l\'U LasUre, ;to jc n;}.gbscno u pogladju 5.1. U siucaju

sa slike 5.41. ViI,:::: 14 In/S.

Podrucje iZlHCc1u brzina okretanja (j)1I1 i OJ;I, nazivumo radnim podruC}:m. L:Ilul~lr njcga napon gcneratora mijenja sc .izmeULl neke mini maine i maksima!nc nijednosti. Va;,nll jc 11;\pomenuti da.ic napon gCllcratora lakoucr obrnuto razmjcran optcn:ccnju gCr1Cl";';[Of<L a razmjcran kapacitetu uzbudnih kundenzatora, kao sto je Op[SLInU u pugla\'lju 5.1.

Akumuhltorske balcrijc punc sc po loelle llJn:ucnim J.nacajkanw pllJljc,nja, kojc obic!liJ zahlijevaju slainosl napon<.l pun.i>::n.ia. ivkllulim, kaku sc napon gcncratura ll1ijenja u rdalivIlo .~lrokom podrucju, nuzno jc pruYl:sli njegoHi rcgulaciju, To,ie ujcdnu pr\'a zadaca pocLus:<l \ a voucnja. Druga.ic: zadaca optlmirall,ie prcncscne snage, t::ku ua ;.;c U s\,;.lkom C~t.·,u iz vjclrulurhinc iz\'uce lllaks.imalnCi raspolol.i\'a snag;). Pri[um smo ogran.icelli ifabranim gCJlcr:tl<..}Wnl.

Svojstvo aSillkn.lHog gcncralOfil njl,-'guv;lje vdik<i usjcllji\'us( IU pn;gcij:.l\-anja i fal.budi\-alljc

u slueaju preoplereeenja, pa.ic na s!ici 5.41, llcrtana i nub;imwll<..l dUjluslC1U smga 1\" U slucaju opLimiranja prencscnc snagc radnc locke SUS\'ilVtl treba UllUUJL raunoy: podrucja pr:llili krivulju Pmax turbine, ali tako cia pn:ncscnil snaga gcncr;tlufu ne huck veCa oel iznllsa p(~.

muitipiikator

AKU

+ ~ PI REG.

Sf. 5.41. Prindpijdrw h!o!:".\!u:n-Iu rt':!iu!w,.-ije iW[)(!i/d [/,linkI<Jiluj{ j{enemlOru I)fD!i~i!;Ii(i1fi prividlloj{ f.;,.I/XiciIl!IU lI::.!Judnih /:onJ<.!fL:(/tora

202 AEROENERGITSKA PO:;TlWJr::NJA

I 1I tom se slllcajll illazni napon moze regulirati istosmjerno-izmjenicnim pretvaracem, aE asinkmni generator U [lufonmnnom radu irna i ncke drugc mogucnosti. Naglaseno jc cia asinkronom gencratoru u autonomnom rezimu rada lrehaju uzbudni kondcnzatori i dajc napon generatora u izravnoj (wisnos!i 0 njihovu kapacilctu. To st' svojstvo moze iskoristiti pri rcguluciji izlaznog napona gcneratora taka da 5e rcgulira kapacitet uUbucJnih kondcllzaLora.

Prind pi.\clnu blok-shemu posturka prihlzujc slika 5A2. Uzbudni kondenzafori su stalnog kap!lcileta, a mijcnja sc prividllo kapacitiyno oplcrecenjc asinkronog generatora pomocu tiristnrs)(i rcguliranih prigusnica. I.~t()"m.icrni referentni signal I REF, koji .Ie direktno razmjcran 7eljcDmn n;JfKmll generillora, usporcc1ujc se s ispravljenim naponom genera!0ra, Razlika f).U jest narOll pogrdkc. On se proPllSUl kroz proporcionalno,·jntcgracijski (PI) regulator radi nsigurilnja s!;lbilnosti rild~l sustaYl!. Naken toga se signal kao promjenjiva, upravljacka vari.iabla dovodi naponski upravljanoJ1l sklopu digilalnog kasnjcnja impulsnih signala. S drugc se stranc istom susla\'U dnvoJi i uprilvl,iacki signal. To je slijed impulsa koji su u cvrstu faznom odnosl.! prcma lini.iskom naJ10nu gcnera!ora, Ti sc signali daJ.ic rrenose tiris!nrima. Upravljacki signal upra\'lja kasnjwjel1l sjijcda irnpul,'Oa, pa tnko regulira i izno,'O prividnog illdukti"ileU!. Slika 5.43. prikazujC' oblikc n;lpona i strujc u jcdno.i nd faz:a sustava za razliCito kas-

0:=0

SI. 5.43. Naroll i I"tn(ja indu/::!iri!e{(! Ii j{'d!1!~jf(l:.i za mzli6!u t'njer/mgt a k{{\~lijel(i(/ lI[!rm'UoNdh i!llfJlI/.1'({

njenje upravljackog signal;] !irislora u, Priyidni uzhudni kapacitet kojeg »osjeci1(( asinkrolli generator, it s n.lim i napon generalor!l, izravno oyisi 0 tom induktiviteltl. Slo je induktivitet manji. struja kroz uzhudc kondcnzalora bit ce veca a napon cc sc na slczaljkam<l gencmtora pove-b1i. Mal1ji privjdni induk!i-dlct uzrokoyat ee veee kasnjcnjc u impulsnih upravljackih signala tiris1orn. Kod pt"ornall"ilnih suslavi\ izmjenicni nap(lll generatora I1rUcescc ,'Oe ispravJja ohicnim n1nsnim diodnim ispr:lv)j(lCem.

Na haju <;pomcnimo .los i rcglllacijski suslav vjetroc1ck1rane s asinkronim gencralorom projcktin!l1 na FESB-D. lwe! ko,icg .Ie ohjcdinjcflo nekoliko do sada opisanih rcgulacijskih poSIUpaKa, skura s rnsfupcima 7l1sti!c vjetroelcktranc.

Slika 5,44. prikn;.,;uje principije!rm shenm su<;!avil. OSf}ovni poC!sklopo\'i prikazane vjctroclcktranc jcsu: a) prope)erna turbin,1 s moguc[losctJ zakrcta loratica ccntrifugalnim regulatorom, b) rcpoi <;\ahj!jzator pokrctan ser\'omolorotl1, knjim se rcgulirn poloi[~j \'jctro!urbine U odnosu

prema smjcru puhanja vjetra, c) mu!!ip!ikafor, d) asinkroni gene,fator s pripadnim uzbudnim kondcnzatorima. e) diodni ispr;t\·ljac,

P(ld~uswv vp{)cnja i nac!/.Clra vj('lf(lclcklnmc 203

Sl. 5.44. B!{J/::~shel!hi t~ie!mefek!ral1e /I (lutmlmnnom radII WI s/oz{;nim sus/m'OIIl voilel(ja

f) tranzistO!"sKL istosmjerno··istosmjcrni prctvarac, g) akumuliltorske baLcrije, i) tran75s!orska sklopkll, j) doda/ni teret. . Sustav ie zamisljen tako da maksimalno iskorisli raspolozivu snagu turbine i osigura untomatsJci j" siglmm r;ld vjetrogeneralofll. Za slucaj kada S!J alcumulatorskc baterije pune i nema usporcdnih potrosaca, tranzistorskom sklopkorn ukljucuje se dodatni teret, pll se na laj naCin osigtlraVH maksimalno iskoristavanjc elektricnc encrgijc ~oja se II ton~ casu moz~ proiz:'csti.

Ulazni podaci pOdSllsta\'f\ \'odcnja jcsu: hrzina vJetra (v), brzma okretanJa turbIne (m), ,'Otmjll generator<! (1g). llilpon (Cru) i struja (Iu) nn ulazu istosmjcr~o-is(osl1ljcrnog pr~tv~ra~a.' i napon (U) i struja (Ii) na izl;lZU istosmjerno-i7.mjcnicnog prctvaraca. Podsustav .voaenJa I zasl1k d;clujc na zakrctanje rcpnog stabilizatora (aRE!')" promjcnu kapacile!a UZbUUOlh kondenzatora (b, ~adnj cikJus istosmjemo-istosmjernog pretvara(;<1 (ION, top) i ukljucivanje i iskljuCivan.ie tnmzistorskc sk!opkc, Centrifugalni regulator djc1ujc potpunG neovisno sa zadacol11 ogranic<lvanin snnne L! ocire(1cnom intervalu hrzine- okretanja.

S'ustav ~'odcnja i zastitc rndi na sljedeCi nacin. Prctpos!!\vimo situaciju praznib akumulntorskil1 batcriji!, ~dnosno tahitI potrosaea u usporednom spoju S okumulalorPm koji osigunlvaiu tmsenje' cjeJokupno proizvedcnc clektricne energijc. U tom slucajll podsustav voc1en,ia llz<!(1il radni ~iklus istosmjcrno-istosmjernog prc1Varaca (puJsno-,~irjn$ka modulacijll) tako da p;cnosl svu raspolozivu snagu j oplimalno optcrecuje turbinu, uz istoclobno odrza\'anjc staJ~ nog Dapona (Vi) punjcnja akumuilltara. Aka "jetar ojaca do br.zina pri koji~1~ ccntrifugalm reoulator nijc yii':e U Ologutnosti ograniCiti prencsc.nu snagu na lznos PG, aktlvlra sc frekvenci0ka rcguJ~tcija iSfosmjcrno-istosmjcrnog prct\'araca. Iskljucivanjcm pretvaraca U odrec1enim v;cmenskim intcrvalima, krugu akumuJator-potrosaCi i dalje sc prenosi samo granicna snaga. Kilo posljedica log postuplca jest povecanje broja okrctajn turbine, taka da se visak ~n~rgije t[(l,si U \'idu kinetickc cnergijc. Aka taj hroj okretaja prijcdc granicnu brzinu Q)G. ak!Jvlra sc repni stabilizator, pa se pomoctJ njega turbina zakrecc ovisno a sn1jeru puhanja vjetra, svc dak se broi okrctaja ne sownji na nominalnu vrijednost. CijeJi se postupak moze ponoviti sve do maksi~alnog zakrcta rcpnog stahilizatora um<lX pri kojem se turbina iskljucujc,

ALHOENERGFrSKA ]'O:'n'IWJC"J"

Pretpostavimo sada do. nernamo dostatno polrosaci! lwji mogu prcuzcti raspolozi','u sllagu i cia jc akurnulatorska batcrija puna, U tom slucaju poclsustav vodenju dajc nalog 'La ukljllClVJnje tranzistmske sklopke, u nu tuj nacin paraldno prikljuclvanje dodatnog [creta. Priwl1l jc odgoyarajuCim sklopom ,-,prijchno praznjenje akumulatora preko dodatnog tcreta. Dodatni teret maze biti, primjerice grijac vode iJi crpka kojom se voda doba\'lja 1Z crpoog Spn.::lllllika u tlacni spremnik. Ako je temperatura vode dosegla maksimalnu vrijednosL, ilije tlacui sprCl11-nik pun, sto jc potrebno ustanoviti odgovmajuCim senzorima, dodatni lerel i iSlosmjcrlw-is[osmjcrni pretv<U'ac se iskljucuju, pa [urbina rudi pri praznom hodu. U oYlsnosti 0 OdllOSU trcIlutne brzine okrelanja i granicnc brzinc (Do, repni se slabili;.ator vise ili manje zakrecc.

Kako je u!azni napon istosmjcmo-islosmjernog prclvaraca ipak ograniccn, a potrcbno je iskoristiti 510 sire podrucje brzinit \'j0tra, ukljucen.ie jos jedan dodalni regulacijski krug kuji znatno prosirujc podrucje radn vjetroclelnnmc. Pomo(::u rcgulacije kapacilda uzbudnih kondenzatora, za razliku od prije OpiSallC konlinuirane rc-gulacije napuna prollljcnolll kJpaciteta kondcnzatora, ovdje laj rwein rcgulacijc sluzi samo za prosircnjc mdnog podrucja. Zbog lugH

je regulucija diskretna, dvopolozi~jna i sastoji se ad skokovitc promjcne kapacilcta uzbudnih konuellL:alOra u casu kad napon gellcratura prijeJe ourcdcnu maksimalno dupu;[(;nu n-ijcuUO:;L VeliCina uzbudnill komJcnzawr::t razmjcm(l je i struji gencratora 19, Ii on~l treba bili ograniccn;1 da ne bi doslo do pregrija\'anja. Zbog, toga sc laj dio POdSUS{;lVa \'oll~nja kori::;!i i [adl zastile gencratora. U slueaju da slruja geJlcralora j nakon snwnjcnja bpacitetd prc1H~t;ujc lli<'lksimalno dopustcnll vrijcdnost, akliYira sc scn'usustaY za zakrctanje repnog s!abiliz{[iora tillle sc sIl1anjuje brzina ukrCl<ll1j:i i stnrja gencralora.

Douuum zastita, koja i.ljdujc llcoyisllO i 1ill;! prcdlloslll uunosu prclll<J Syil1l rcgulacijskim funkcijama, jest zastila od nJikih brzin<l vjetra, Ako brzina \'jctra prijclk brzinu iskljucj\'''lllja Vi~ vjelrugeneratora, turbina prcstajc radilj iskljuCi\';tnjcm is!osmjcrno~istosrujern()g prC!\'(l· mea i maksinlalnim zakretanjeill rcpnog slabilizJtura,

Rascli:tnimo Ii n<l kraju we za..sli!llc i rcgl!lac~j:-,ke zaJa(l" i naCinc njihovc realizacijc. JliOZt>UlU zakljuciti da se radi 0 hijerarhijskom su~tavll vodcnja. shenwbki prikazaJlom Ila slid 5.45.

F,; c=, ==~ h,,,:==;,,,,;O=,, = ====(11 dira~tno zakretanje \ I

'i repnog stablilatora regulacija ol\retanja turbine zakratanjem repilog stabii;za!ora I

L-__ U--;:a;-na--~ ==n 11

pmmi,"a lapadota "boda'h 'wad",,'oca I I II r:=="=-=-+===-=--=(I I "

, '",ma 'I 1 'I! UKijyC1Var)j8 I 1

regulaclja lslosmJdrno ISKljul:!lIanje J I I i "'o"alamog pca''''=L dodalaog Ie"" ), i

-----'---""~-4=F= - «I-:lli~ zaStila turbine 11 F, zaslita generatora regu!aci;a napo,a,] opl:mllanJ8 ! I

L _______ ,_J)L,"_~~ _______ "' )l~_, __ .' ___ '__ prenesene snage \)

Sf. 5.45. Hijerarh!hka stmklilra sh/f,t:IIUK SII.I'{mia !:0i1<!nja L!iermeldarw/e 1/ i//{/lll/fiffmOlIi mdlt

205

Sve rcguhcijskc i La..sLilne zactate 1l1cdusobno SU objcdinjcm:, isprcplicu Sl: i naJopu· njaVqju, s osnovnim ciljcrn Ja se nil sto raclonuJniji nacin maksimal:lO iskorisle ,s\'()jstYii raspolozive vjelw!urbinl:, ali da se takoder osigura sigman, pouzdan 1 autofll"d:;Kl rad vjetro~ elektrane.

5.3.3. Vodenje vjclroelektranc u hlbridnim llutolloHlnlm sustavima

Osvrnimo sc ukralko i nil nekuliko primjcra hibridnih sustuVa u kujima vjctniclcklrana weil lajedno s drugim izvorima eleklricnc tllcrgijc. Obicno se radi 0 SUSW\'imil u kojillla vjetroclektral1:l radi lIspufccio s diesd-agrcgalom, ili u puscbnim slucajcyinw usporc-Ju sa SlJll

cevom e1ekLranom (folo-naponskim suncG\'im pandinli.i). Susta\' SLC izvodi bel, ili sa mogucnoscll pohrane encrgije i [0 najcdcLC puhranc l:lcklri;::ne encrgijc U i.lkumul almsl.; im 'oatcfijama, a rade se pokusi i sa susti:lvinw kod kujih se cncrgija pohranjujc u rOlacijskim spremniciwil i sprcmnicima tbka.

Slika 5.46. shenwLski prikazujc !ipi6an ilibridni susla\' \jdroclcktrilJlC s dic:.d-agn..:garOI11. DieseLlgrcgat sadrzi sinkroni generator kuji, kaua je u rauu, udl'cdujl: llapon i fret vcnciju mrc2c pllLrusilca, Napon 51.: OdrZ~l\'Ll rcgulaci,iom uzbudc sinkronol,'. gencr,'1tora, a frckvcncija regulacijom brzine diesd-rnOlOl'a, Vjctroagr,.;gal saJrY.i asinkruni gCllC(llfOJ' U <lUtO!lUllifjum

nl;\U, k(~ji.ie u tom sJucaju spojcn na mrc./,u potwsaca prcko kumbirw.clJc i:;pra\'ljac-i;;:mjt.> njiv;1t. i(ada je c!icsel-agrcgat i:-;kJ,iucen. napon j frekvcnci,ia potrosilca l'c,i;uliqju sc iLmje

njiv;Jcem.

DC/AC filtar

, : I Ii AKUT-~ L_--1 : ! T :

" ! I ~ f , , \ 1 : ____ Jdiesel

T i ls-;";":---~j i 18"1', ! L_..j V;d;nia _______ J T L _________ J I L ______________ L ____ .J

L ____________________________ _

AC mreza

Sf. 5.46. lJibridni :UI/ullo/lilii swi<w s vjellm:!d!ruIlU!!i i dh,,\,~!,iiiin·!iill()!11

Sustay sadr7.i i akufllulal(JrSKc balcrijc. pa sc mogu pohraniti ograniCcne kolicinc pruil.' vedene cnergijc. Kao primjcr odnosa snaga i knpucitcta batc{ija, llZC[ celTio sustay pl\),ick!iran na Chal1lbm~(s Un1n:rsi!y of Technology, SVGusb, u uknru raz\ojnug plUgmma L'jcdi;;,iC:lih naroda (UNDI') za Cape Verde Islands i Somaliju, Susta\' .ie sadrZa\'ao \jdfOckktranu" s asillkronim gcneratorom snage 22 kW, diesel-agregal sa sink:.ru!1un gcncratmom :-;nage 3u kW, a kapacilcl akumulatorskih batcrija iZllosio je 8 kWh. Voaenje i oplimiranjc:, wda cijelug ~lis!,r,a

206 /\CROENE1~GETSKA POSTROJENJA

ccntrali7irano je \J jedinici za vOdcnje. Ona ima naclzor nae! stanjem akunlulal0nl, pa upravlja njihovim punjenjcm, optimira i ogranicava proizvcdcnu snagu vjctroclektrane, ukljucuje clicsc]-agrcgat kada polrosaCi zahlijcYQju vise snage nego ,slo yjetrnelektrana mOle dati i ukljucujc doclalni !eret koji apsorbira visak proizvedcllc cnergijc. Tipican primjer dodatnog tcreta Sll grijaci industrijsl,c vode iii vode za dOn1fICinstvo. Kada vjclroelektrana proizvodi dostatno encrgije, cleklromagnc!skom sc skJorkom diesel-molor oclvaja od 'lama~n.iaka i sinkronog general ora, pn se iskljucujc. Kada se pono\'oo pojavi potreba za viskonl energije, najprijc sc pokrcc't' diesel-motor, a nalwn toga se generator prikljucllje pOlrosacimll. Pokusna istrazivanja pokaz,ala su (iii se wkl'im Sllslavom moze ustcdjeti ZJ1alna koliCina diesel-goriva. Slika 5.47

l100

~ .§

'" " W ID

U m ~ 50-;,; o m E ~

U o

'"

koordinlranl fad diesel agregata ~

kontinuirani rad diesel agregata

~

srednja godisnja brzina vjetra (m/s)

Sf. 5.47 U.\'fcda dic.I'('/-go/"il'(I /I hih/"idl1(111! (llItOI)()I1IIIOIil

\llol"!{WU S ljr!!I"{i('/I'Kfmllolll

rribznjc po :totak ll~tcde diescl-goriv;! u ndnostl prcma godisnjoj srednjoj brzini vje1ra. Prikazan<l su (l\'(t rc!.itllii rada hihridnog susla\'a. Kod prvoga dicsel-agrcgal radi na prije opisani naCin, taku (Iil sc pa.li i gasi prcJ1111 potrcbi (koordinirani rnd), dok kod dmgoga diescl-agrcgat mdi stalno. it '\.iclnA~kklnlrl:l ga samo msterctujc (kontinuiran{ md). Ocilo jc cia jc prvi rezim rada poyoljpiji. Vallms( LlSi-cclc gorivi\ nijc samo tl cijcni gnrivil. AuloJ1(lrnni SIlSL(lvi ohicno napn.inju e1ck!rl("'nom encrgijnm izoliranc zajednicc do kojih .Ie dostaq wih \Tsla mHlcrijaia, pa lako i goriv(\, ok:l))J1!l. Smanjcnjc pn!rosnje die<;el-goriva o]ak~!\'''a j po<;!upak npskrbe izoliranc 7,~*dnice.

V.idrnekkfr:mil m07.c hiti i izran1(1 prikUllcena na mrczu polrosaca a nco kako jc prika;rano. prdw isrri1Ylja(;ko~izm.icnji\·ilckc kombinncijc. SJika 5.48. rrikazuje nes!o drukciju kOI1-figurnciju hihridnob sm;lav(1, koja sadrzi v,iclrockktranu S[1 sinkronim gcneratorom s permanenlnim l1wgnclim:], mali dicseI-agrcgal s istosmjcminl gcncralornm i fnto·napon<;ke pande. SuslanHl1 upravJja cenlraln!! jedinica Zit voc1en.ie, a namjcn:t mu jc nilp;~innje !elckol11unikacijskih radic;-.rckjnih urcdaja nomin:J!nc snage do SOO W. ZunimljiYosl sus(nvn jest u tome ,~to \jL~!r()cJeklranil sadrl,) kombiniranu Darrills·Savonius \"jetroturbinu j ,~1O jedinica za vodcnjc (lsigura\'!\ pOlptlnn an\onomni rae! sust,\VJ.

Prcgkdajmo na kn\ju elva prim,icrn hibridnih sustava koji kao kratkotrajnc sprcmnike enei'gije koriste rOlacijskc spremnike, odnosno spremnike tlaka. Blok-shcmu sustaVrl s rota-

Podsllstav vo(1cnja i ni!(V:Ora vjc1rnckklranc

foto-naponski

paneli

.------, !

vjetro· -1 -turhina t

I I L __ ~

r-----------------i , L_~~

IG'-----------&------

mini-diesel istosmjernl motor generator

potrosae)

51.5.48, Hihl"itlni (//Ifonomni s{{sf(w S Ijclroc!dfr({I1f!III. dir'.I'el·ogl"{'ga/o/ll i sll/!{~n'()m efek!ranoJII

207

cijskim spn:mnikorn prikazuje slika 5.49. S"i111 dijclovima SllS1aVil upravlja srcdisnja jeciinica za vodenjc. Rotaczjski sprcmnik kinetieke cncrgije (KESS-Kynetic Energy Storage System) lelmoJoski je slozen uredaj, u kojl se moze pohraniti odrec1e1l8 kolicina cncrgije II vidu Idncticke. e-ncrgije u pr:Lo,d1llo konstruiranom zamasnjaku,

TipiCim komercijalni KESS razvijen 1986. godinc u laboratorijima Brilish Petroleum a (BP) moze spremi1i 800 Wb cncrgijc, il rotor spremnika okrecc sc brzinon1 od priblizno J 400 rad/s (13500 okrctnja u minuli), i to u yakuum!l koji sc odfzava pnsehnorn vakuumskom crpkom. Tcz.ina.it' sprcmnika 140 kg, a projcklinmi vijck trajanja 50 000 sali (oko 6 godiTla neprekidnog rnda). Spremnikorn llpravlja mikroprocesorski susla\' vodenja koji nadzire sve veliCine V;ll.ne 7<1 njegov pouzdan rad. KESS f;C ubacnjc II Clulonomni sustav vjetroelektranc radi kompcnzacije kralkotrajnih promjcna u snazi vjetroagregala. Kada sc u Jokalnoj mrez.i pojayj viSak t'Jektricot' energije, ona sc pohranjuje U obliku kinelieke energije, a kada 1I mrezi ncdos\c\jc- cncrgijc, \ada sc kinclich cncrgiju pretvari.l opcl 11 clcklricnu c.nergiju. Klju61<l ICOl1lponcn!:! SllslaY3 je asinkroni motor-generalor (AMG), koji je preko mlll1iplikatora prijcnosa J:4 VC/.,m sa zamasnjako1ll spreOlnika. Kada se e1ektricna energijillreba prctvoriti u kineticku, AMG facti k,lO motor, a kada jc postupak suprolan, AMG radi kao generator. Pritom obicnu pos!oji j mcc111pretvorhil izmjcnicne struje u istosmjcrnu tc lokalna iSlosmjcrna mrda s kojom su vezanc j nkumu!alorskc balerijc. ISlosm,iclTlo-is!osmjcrni (DC/DC) prC!Var;lC osiguraY<l punjcnje akUl1lu!alorn premn odrcdcnirn wncajkama punjenjil. Kao 510 sIika 5.49. prikazuje, sustav mozc s:ldrlavali i diescl-agrcgal S:1 sinkronim gencr;ltorom (SO) Le dodalni [ere! koji sc ukljucu.ic kada posloji visak cnergije i kada su svi spremnici sprcmili doslatno cnergi.ic.

Na kraju, na slici 5.50. prii::a7.an je autc1l1omni suslav j-; vjclroagregatom Ci.'la 5e cnergija pohranjujc stlacivanjcm dusikn u sprcmnicim<1 tlaka. V.ielroturhina pokrcce asinkroni genc~ ralor, a diesel-InOior 5inkroni gcncr:llor. Tom sus!nvu pripada podstlS1RV za pohnmu encrgije koji sadrii lwmbinaciju mntor-crpka i f;landardne sprcmnikc tJakn. Motor-crpka .'Ie vezana sa !l.sinkronim gencratorom koji mn7e radili i kao Trlolor. Encrgija sc sprema stIaCivanjcm (ill.~ika. SuSl(lY ral'yi,icn 1986. godine na Reading University, Engleska, mogao je sprcmiti koliCinu cncrgijc koja jc biJa dOSla!na za saJ1l(l~talnn md potrosaca od nckoliko mimHa, pH 5e taj naCin rnhrane takodcr koristi samo Zil kompcnzaciju kratkotrJ,jnih promjcna u snazi vjctroturhinc.

LU~ AElWENE1,CETSKA PO,sTf{OJEKJA

W16J==- AG )---.---+

[~Ddatni terat

AKU,

~ DC mreia AC mreza

Sf. 5,49. fJibridni wllO/wlllnj .1:J.I'/{ll'.1 L:!droeld:lrwum. die. e/-uf,'n:;"'d!iJll! i {uhleij

.lUll! .1'jJn:mni/v!I1i killuiLke I:'lier;.:U<! (KESS)

akumulatori pritiska

diesel

tSbL pumpa:'~~tor

asinkroni motor/

generator

potrosaci I L. __ ~

AC mreza

Sf. 5.50. fIihriJni uullJlloJnnj SIISlelL" .1' Ijdrodd:rrunofll, di"se/ .. agn;gd!o!ll i (lkuIl!lilaiorilllu [taka

LUY

U ovum je pogJavlju Op.i>;iHlO nekoliko tipicnib naUna rcalizacije SUSl!lVa yodcnja vjetroelektrana kojc fade na mreZu, aUlonomnu j u sumdnji s drugim izvorima clcktricnc cncrgijc. Uz zadace vodcnja i to prije svega zadace optimiranja prencscne sl1agc, SUSUl\' oba\ lja i sve zadace nadl.ura i zaslite, pa u potpunosti osiguraya siguran i optimaJan rad vjelro..::lcklrane. U slucajevima kada postoji vise \jctrocicklrana obicno posluji jos jedan dudalni sn:disn.1i sllslay nadzora koji komunicira sa sllstayima \'Odcnja svih pojedinacnih Yjctfl)clcklrana i osiguraY<1 optimalan rad i nadzor cijclog slol,cnog SUSlilva. Vise uctalja () prlkazanim su:"liivima moze sc pronaCi II ni1vcdcnoj lilcraturi.

5.4. Literalura

III J. Akerlund, EriC.UOf; SWJll'ind, Ericsson Review, No.1, 1982, SIr. ¥)-47 121 P. S. Andersen. U. Krabbe, P. Lunc!sagcr, H. Petersen, Busi.l' IIWfcriulu F)!' lJaq.;ning (!f

P{"upehi!ldllwl/er, RISO J\1-2153, January 19RO. 131 rvI. Anderson, HorhJiIl!ui Axis ll'illd no·hint.: ill Yaw, 1 'I BWEA Cone J 979, sIr. 57-·()7 141 B. D. O. Anderson, J. B. }.,lourc. Linear Oplill1u! COlltml, Pn:nlicl.' Hajj Inc., Englcw(l[)d

Cliffs. Nl. 1971. 151 P. M. Andersull, A. Bose, Swhllify .1imllLui()il (~r 'Nincl iwLilie systems, [EEE Trans. on

Power App!. and SystemFl, Vol. 102, No. 12, 1983, str. 3791-3795 161 M. B. BreDnc, A. Abbunuanli, StU/IC' c'lciicrsfoT inductioN genera/on, IEEE Trans. on

Ind. Appl. Vol. 13, No.5, 1977, str. 423-429 171 C. Cchtyudhan, J. H. Bundell, A fleW (iUfOJ!ldtic gt'fIt'f'atiu!I c(JrJ!roifu f'ir (I wind~d/'iu{;1i

slip-rinK inductioil generu/or, Proc. ofIEEE, VoL 72, No.9. j 484, sLr. 1226-1229 181 B. R. Claylon. P. Filby. Impm,,",/ PCI.1i.'lIIlwe.e Aeu/.'.Ii\jimn /el.I I'n ,'chide! Wind ?infoine .

EWEC, Hamburg, 1984, 5tr. 487--492 191 M. Eriksson, J. Ottosson, OplimUlle the POH'Ci jiolll (I willd turbille, Erics:-'()n Review.

No.3, 1983, str. 159-163 1101 E. M. Fntaev, VetroduiguteUi, 1462. 1111 A. D. Gmrad, UK Wind Turhille Tcch!!ology DevelopmcJlt, DAN\VEA Coni'. Prucctd.

1986, str. 117-138 1121 Ch. Hirsch. R. Derdelinnk. A 77"<dUiud Ineesti~OIIion {it Ihe Dnige of u Horizon/o/

Axis Wind 7111))ill(;' EWEe, Hamburg, 1984, str. 124-129 1131 p, Hirst, D. H. Recs, ]1/(; f'q;uiLlfiun, s!ol'ug<! und Cuncer.l'iol! (~rl1'ifid pl'Ud!!ccd c1i."Cfr;,~·ui

energy al the {evd (~raIe\\' hundred WUlS, Pro.::. of Int. Symp. on Wind Energy Systems_ Cambridge, England, 1976, slr. F4/41-F4/48

1141 D. G. Infield, iFindlc/ic.ld SY.I'{CI!!.\ ,,·ill! jlyn.Ju:d eriC!};), Slorciije, SERe Report. Sept. 1989. En 89-002

115i P. Lundsager, H. A. Madsen, IVindldie.leI.IYS!UlI dwe/o/JIIlenr Ofl(! Uj)pIiLDfio)'n, Int. Wind Technology Exhibitiun, Scientific and Technical Conference, I-leming. DaIlJll:trk, J9H(1.

1161 1. G, McGmvan ct a1.. iVind/die.le! energy systems - RC!.'iclI-' ,,~/Dcsi61i Optiuris whl Recellt D<!ce/oprnent.\, Sular Energy. Vol. 41, No.6, 1988. str. 561-575

il71 D.1. Milborrow, Wind flu·hillt.: Rliti(IlYdY Spet'il, 5(h BWEA Conference, 1984, SIT. 35&--366 1181 1. P. Molly, Ailslegli!l~ und en/(} hetrieh.\Cf;r;c!m!Sse da DFI"LJ?25-!II-WindL'IDjfdl!lcigc,

Z. Flugwiss-\Vcllraml'orscb, Vol. 8, Hen 6. lY84, str. 419-424 1191 A. Murdoch, J. R. Winkelmall, S. H. Javid, Control dC_iign und jiulon!lUFII..'e ulwfy.,i.\ of

a {j MW \Vind turhine-;.;enerulOr, IEEE Tr:uls. on Power App. and Syslems, Vol. J02. No. 5.1983. Slr. l340-1347

210 AEROENERGETSKA rOSTROJENJA

1201 K. Na!arajan et ilL, Modelfing and control design for wind-energy power conversion .I'du:me using se((exc;ted induction generator, IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 2, No.3. 1987, SIr. 506--512

1211 T F. Pedersen, Air Brakes on slall Regulated Windmills, BWEA Conference. March 1984.

1221 1231

1241 125[

[26[

[27[

V Pokrajsck. N. Srb, Asinhroni generatori, Elekfrotehnicar, No.4, 1984, str. 123-126 O. Raina, O. P. Malik, Wind energy conversion using a se{f~excifed inducthm generator, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. 102, No. 12, 1983, str. 3933-3936 F. Rasmussen, Blade and R%r Loads for Vestas 15, RJSO M-2402, July 1983. G. Slack, P. Musgrove, A wind-diesel ,\'ystem 'tvith hydraulic accumulator energy butler, Proc. European Wind Energy Conference (EWEC), Rome 1986. " D. Slipanicev, V{J(lel~ic i ?a.\~ti!() 14c1mgeneratora U (Jl([Onomr1(}111 e/ektroellergetskont six/emIl, Sunceva energija, VoL 8, No.2, 1987, slr. 91-96 Kinetic Energy Storage System - possible energy storage scheme for wind turbine, Bri~ tish Petroleum Research Centre, Stromberg, 1986.

6, Kriteriji izbora mjesta rada vjetroelektrane i uvjeti prikljucenja na mrezu

Prerna iskustvima europskog laboratorija Risa, koji jc s drugim istrazivackim centrima za program EZ-a utvrdila kriterije odabira mjesta VE, u nasfavku se iznose uvjeti odabira mjesta postavljanja vjetroagregata, razradeni u okviru cetiriju glavnih tocaka.

1, Kriterij energetskih potencijala vjetra GIavni je odabir mjesta prema kriteriju doslatnog iznosa energetskih potencijala vjelra. Usporeduju Sf.". energetske znacajke vjetmva oa vise razlicitih mjesta: gala tIo, bez vegetacije; tlo s niskom vegetacijom i vodne povrsine te tlo pokriveno visokim raslinjem, Ciji su utjecaji hrapavosti fla energiju vjetra izneseni u poglavlju 1. - podrucja uz morsku obalu, Biraju se mjesta najvcCih potencijala. Konacan izbor avis] i 0 oslalim potrebarna i ekonomskim kriterijima otkupa i uredenja tla i morske povrsine.

2. Kriterij odabira zemljista s gledista ostalih potreba prema grupama. Zasticene su zone: povrsine odredenc za urbana podrucja (turisticka i druga naselja), aerodromi, odmaralista

~.-

i i i i i j !_.

I I

I !"' .. _,_,_._._._._._._.i

11

55 kW

2

6

17

100 kW

3

SI. 6.1. Principije/ntJ shemu upravljmifa su.rlaeom male efektrane!U1 vjetar t'czanc s elektmenergetskim su.\'tavom (Ebel/of Dansku)

I - meteom/o.W podad 2 - agreguti VT - elekrmgellertJtortJ od 55 kW 3 - VT - elektmgellerator 100 kW 4 - kontmlnu kutija 5 - centraltli mikroprocesor 6 - ekron za podalke 7 - plo/er 8 -.mugu 9 -modem

10 - printer 1/ - telefon

AEROEl\EI~GEj'.'iKA i'Os'mOJU\JA

ptica i vojni objekti, rezervali ziYolinja, poljoprivrcdnc plantaz.:, zone J"J.dija i TV. UdaljcnosL VE od urbanog podrucja nc smije biti manjJ. od 20{J - 300 m.

3. Krilerij gustocc broja agrcgJ.!a najwinici povrsine zcmljc ukljucujc udaJjcnosi izmcuu agrcgala koja se odrcQuje prema produktu 7 x D T, sto Cioi oU7,nu udaljcnost na kojoj .Ie Z;!nClllarlv utjecaj mcdusobnih smctnji (Dr _. promjer radnog kola turbinc). U svrhu veccg korislenja ponsinc zcmlje, lokacijc dobrih potcndjala vjelra, stavlj4ju st: agregali vodoravnog stroja na 2-3 razlicitc vi5ine ad tla kada se studijom sustrujanja u oviSIlOSti 0 vdieini i tipu turbine te obliku 11a odreduju udaljcllosLi izrncdu njih i visinskib razina postilyljanja Yjctroagregata.

4. Uvjeti izgradnje VE na murskoj puvl';ini Na5ute morske povrSinc isturenc liZ obatu (mola) prikladna su rnjesla za VE, jer ne zadiru u imovinske, najcesce privatne interese, sto je takmkr Y;1IDO. Puslayljan.i~ vjetroi.tgrcgata na morskc dokuvc %ahtijcva dubin8 mora veec oc! 10 111 (za dok dllbinc gal.a do 6 m). Za le.lokacije na morl! pOlreban.ie dogovor s poduze6em za plume puto\"{\ flholovnim organizacijama, leiekolllunikJcijum:t Ie \'Jadom, zbog navigacijc i 051a1i11 razloga u nadld.no:;li vladinib organa. PfUuca\,,~juC.i UloguCnosli pu"taYljanja vjdruagregala na lllurskim doko\'im<l, Danei su opr. ulvrdi112010kacija '1a 3 300 vjetrolurhill<l s gudisnjulll prUiL\'udn.iolll od 21 TWh/god na svom morskom pros!oru.

6.1. Uvjeti prikljucenja vjetroturbinskih agregata na mreZu energctskog sustava prerna danim prupisin1a

Tchnicld i opb uvjeti prik]ju6~nja

- Dijelovi za prikljucenje i ostala oprema za povczivanjc s mrez,om mora se udabrJ.li i koristili prema pro pi sima dcklroprivreJIllh i distribUk:rskih orgallizaclja. jer on1 prell .. zim,-~ju nadzor i odrz:l\'anjc, 1l,dceSce i rinanciranje izgraunjc clcktruna liCl \'jctar.

- Dijeluvl opreme Ulur;~ju saJr/.anl.li <lllLOmalsku sklopku za polrd)c iskljuCcnja lZlmdc, hilo zbog i'unkeije mreZc iIi loseg fada opreme.

-E!ektricna oprema vjclrosuS(aYiJ nc smijc hili uzrokom porcmecaja II mrdi. ~Osoblje ckklranc na vjetar koje fukuje prikJjucllom oprGmom mora biti struCllO l·adi

sporazlll1lijcv<lnja sa SI[lJi::nim raJllic.ima clcklrodislribuclje, odnOSnl) clcklfC)priYrede. - Odgovome tchniCke l)sobc imaju praHl iskljuciti iz mre/.G VE stlstav u slucaju pUlrcbc

fckonstrukcije i rada na mrdl. - Prava invcslilora (potrosaca) tl VE SllS[ave, ako to ni,ie ElcktI'opriHcLia, jcsll obk;icc.

oel invGsLicijskih krcdita do CijCIlC elcktricne encrgije koju kupujc, uJnosllu prodajc mrcZi. Vjetrolurbina -- c1cktrogcncr:.ttur VCl.lljc se na mrt:'Lu pri sinkMnuj brzini (pri Justatno,i brzini vjctra) a aulOmatski se Lkljucujec ako pocnc apsorbirali sn'lgL! iz mrc!,,:, ,J \'la~nik

VE. ako,ic i pOlro~ac, prcbacujc se au[omatski na ll1rc2u. - Poscbnim c1ektricnim urcuJ.jimJ sprecJ\':.t 50 !lagli 10K deklric:'nc slruj(; kaku ne bi duslo

do porcmccaja. - Promjena napona odnx1ena je mcdunarodnilll slandanlima a ograniCuvi\ Sc' Lirislorskom

oprcmom. -lndukcijski gcneratori, koji mde POHlUCU mreze, fcdoyito sc ugradujtl u VT agrcgalc. _. Zaslita frekvencije nalazt: tukranci.iu od 50 ± 1 Hz.

Kriteriji izbora illjbta raJa vjctJ'ockklranc i I.lvjdi pl'iklju<:cnj" na mrcZu 2JJ

- Prcko naponska zaslila propisujc ra7jnu pdjelaza napona kojc deklrog<::.ncrmori n\:. slnl

jll prijeei. - Simctrija faza mOLe S~ porcmcliti aka je jedna od njih iskljuccna vise od 10 - 20 sck.

Zalo pustoje aut0111aLSki priJdjuCl\'uci. Na otocima mora, gdje su veliki potcncijali vje1ra, zatvon:na dcktricn~l rnrda l1:lpa.iMlii.

1Z clcktrane oa vjclar mol.c fasterctiti clcktroenergclSki SUS1:t\' zcmljc. Prcma danskim iskust\'iJlla oto(nc su mrc;'h: kumblnlranl VE-Dr;,:,sd elekuosuc,[i.l\'i ko.'li

ustede 5()1)(. lckutcg gori,-a, a za 1St1 iznos i elcktricnu Gncrgiju 1Z Inwgralnug sUS!aV<l. Na sUbma 6.1, 6.2. i 6.3. prikazani su sustavi VE II Eumpi.

SI. 0.2. l,~it:[I'''I'!ckimlhi (id J{) MW Z"':!VU!;/iC

fJdgUu

SI. 0.3. CFilPU .\{iU'c'iiluli!J li/rhiUd 1/ radII

7. Putovi razvitka sustava na vjetar, gospodarski kriteriji

7, j, Putovi razvitka

Pwslo jc nepuno stoljece od vremcna kada .'ill m;l!e turbine na \'jctar uglavnom sluziJe za crpljenjc ,'ode, dok ih je smDa llckoliko pokrctaJo e1ektricne generatorc :ta proizvoclnju elck1ricHe slruje. Za lokalne je potrebc fnlcrnacionalna agencija za energijv odredila putove nlZ"itka 1I 10m podrucju poJrz.avajuci sllmdnjll na istra7.iv<lnju i razvitku slroje-va na vjetar na temelju hl"(}jnih nacionainih programa. U tom su se razdohl.iu razvile industrije za proir;vodnju vjelrosuslava II SAD-ll, Dam:koj, Vdikoj Brilaniji, Njemackoj ild. Velika s\'je!ska poduzeca, kao SIO Sll Milsuhishi (Japan), Wes!inghous, Nasa i drugc, usle Sll u proizvodnju turbina na vjelar. Tome Sll doprinijeJa dosligntlca iz aerndinamike, metoda obrade potencijala vjetra, novih millcrijaJil Ie clcklronickc kontrole i zas{ile. Posljednjih pet godina su u znakll llsavrsavanja mcgaviltnill jedinica, njihove uCinkovitosli prctvorbe energije, posebno u podrucju regulacijc snage turbine j c\Ts!oce, odnosno ln~inosti stlslava prj dinamickim optcrcccnjima. I nc\ustri,ia kompozilnih ma\crija!a staklo-plastika, <!rvo-epoxy i druge kombinacijc, omogllcila je lzradu vclikih rolOfa vjelroturbina kojc danas rade tl sustavu zajcdnickc eIektricnc mrcze. 'Lonalicc turbina od drvenib laminata, ili II kombinaciji s kompozitnim materijaJima i mctalin;a (5J. 7.1), di\je dobre rczultatc glede naprezanja i trajnosti. Tl.lkve lopatice ho1je odolijevaju pr0mjcnjivolll oplcrecenju snage vjctra. D(lprinos aerodinamickih istrazivanja Bovim oblicima (profihl boljib znacajki ali i otpornih na dinamicka optereccnja) oCitujc sc u navcdcnim

Sf. 7.1. Rjdenje loratiea flJrhina od rtlzliNtih /I1(1ferijala a - aluminij b ~ ('{dik ill kompozit c - d/lJ(), kompoz;t (epoxy-smole)

PUlOvi filzvilkll susll!va nil vjclar, gospodilrski krilcriji 215

radovima. Optimiranjc obrisa lopatice turbine posljcdica kojegaje manja koliCina materijala, pfikazujc se u rczultatima rndova ovdjc navcdcnih iz syjctske literature.

Razvitak vclikih megavatnih jedinica tekaa je sporijc, jer je zahtijevao puno veee troskovc za pokllsni rae! koji se obavljao na Slrojcvima u prirodnim uvjetima. Naprezanja i tesknee regulacijc kod lih su agregata slozeniji.

-- mjereno - - - - racunato

\

O~;l

:'.:~ 0.2)

0"1

0.0'-Ib-~~4i~~~--'8-~~1'2

Sf. 7.2. K()(jiC!jenl prermrht' Pl1erg(je t:jefra (ep) .l"UL'relll(!I1C l!ietmturhinc Niho B od 650 kW snage

Uspjesnost razvitka srcdnjih i ve1ikih turbina se nastavlja, Nibo A i Nibo B, danske turbine (65() kW) koje su u radu n:J clcklricnoj mreZ.i pokazale vc.liku u{:lnkovitost (s1. 7.2) nekc su od prim1era. Turbina se zakretanjem l()paticc~ Nibo B proizyodi veee snage U odnosu prema Nibo A koju ima fiksnc lopatice (s1. 7,3.), Na tim lurbin,una obavljcna su mjcrenja promjene momenta savijanja na lopalici turbinc, sIn su znacajni podaci za proracun naprezanja materijala.

POkllSi na dvjcma jedinicama Nibo obavljeni su za elektranu na vjetar Masnedo II Danskoj, koja danas ima 5 jedinica sa po 650 kW i 7,55 GWh ukupne godisnje proizvodnjc elek-

kW

700

600-

500

400,

300 I

200

100

,.,. .... ----_. , ......... -_ ..

·l' l B , .......

/

/ A , , , /

NIBO B N1BOA

Sf. 7.3. Snaga na vratilu turbine Nibo A - hez regufacije zakretanjem !opafice B - sa zakretanjem lopatice i Ilatlzorom Pmux

AE!W~:\E!i.('ETSKA POSTROJC0ijA

tricne energije on intcgralfl(~j mrc.zi danskog sus lava. Najvece turbine u Europi koje danas uspjesoo rade svedske su turbine, od 2 i 3 MW installranc snage, u vjctroclckr.rani Nasudc:o i Maglarp te u Engleskoj, turbilla od 3 M\V na Orknejslcim olocima, Maglarp clektralla, primjerice, opskrb~jujc oko 2 000 GOmaClllstava sa 8 milijuna k\Vh proiz\'t~dcl1e energije godisnjc. Znacajno je lia 1e svcdskc turbine imaju svoju konc·.:;pciju projckta obrisalopatlce, ra:.dicltu od danske i amcricke,

U USAjc raLYijena lurbina Mod-5 od 3,2 MW instaliranc snage za pOKrClanje gClleralora

prom.knjivc brzine. Inacc, II 10.1 zcmlji u ckktrocrwrgetskom sus1avu danas nidi oko 16000 agn':gal<:t Ila vjewr,

veliCinc od 55 do.:1 000 kW inslalir<Ulc silage po jedinici, kojc Sll U 1988. goJini prenw navedenoj literal uri proizvclc 1,8 bilijuna kWh energije.

Ostvaren jc spanjolsk(l-njcmacki projck! A \VEC-60 snage 1,2 MW. U t~icl\.u,ie izgraJuja clcktrana na \'.1etar II Grckoj s njcmackim j drugim isporuci[cljima. Pousticc sc IazYltak iskoristavanja cnergije vjcira 11 drugim curopskiw zcmljarna (Nizozemska, BeJgij<l i !talija) lc u zemljum<1 Azije i Australijl: ko.jc L«kuder U ok\'iru pfOgrama za iskorls!av:mjc cJlcrgijc vjetnl postizlI znatnc llspjehc.

Kao pokazatclji pomsta razvitka sustava na vjctar mugu posluziti pouaci jlo mjcsccnika ) \VinJ puwer AJOIlLhJ)'" od ozujka 1985. i 1990. U Danskoj SC, prin~jcrice, mjesecfla (uzujak) pruizvodnja cncrgijc POlllUCli \jdra od 1985,~ 1990, po\'ctaJa sa 2,3 G\Vh na 57,3 GWh (25 pUla). Tome .Ie pridonio veU broj instaliranih VE, loa 1ri pUla, i povdallil uCinkm'ilobt proiZHJdnjc.

Prema prije iznesenom, rezultati HIZ\'jtka sllslava dcktr:.ma S pogonskim sLcojt:-m, vjetro~ turbinl)m, za proiz\'ounjll dcktriene encrgije oCiti SU, sto dukazujc njihm' uSEjcsan rad nil zajednickoj eJektricnoj mreZi nekih zcmalja, TI su rezuItati pogoto\'o .znacajui kada se uzrnc U obzir fi.mloblje od j)fiblizno 15 godina u kOjclll Sll pustig'lluti. No, lllcc1uLim. cblje USUvrSil\':.Uljc

vjdrolllrbina za pogon gCllcrawra, a poscbllo elc-krfonickog poususla\'u La upnlvljuujrc II u\'jctima nestaciunarnog Hlda ovih agregala a pomocu sleeenib iskustava u narrWlll1H uvjcliIll<1 radJ lih eleklrani.l, opCi .Ie trend 5vi11 zcmalja koje su se odluCile ulagali u tc cncrgclske strojcve.

Svc veeC ukljucivanjc rjc1rodeklrana II rad te iskustva II radu sa suvremenim \'jclroagregatima u pusljcdnjcm dcsetljccu namccu Iljiho\' snazniji raz\'itak i USL\\Tsavanje r:JJi dobivanja vebh ucinkovilosti prct\'orbc cncrgijc vj0Lra, wee SigUfI10;;ti u wuu agrcgal<l, \'de lrajnosti

_ materijala, ;;10 live utjece 11<1 ni'lu cijcnu pruiz\"edcnog kWh cnergije. Osnovni pll(Ovi razvitka mogli bi sc sazcti U nastaVkll: ~ Razvijanje veJil(ih 111egavaLtlill jcdinicu agrcgala VE preko 4 M\\i Llo sada pruizvcdenih - Usavr,<avanjc sustava rcguladjc zakrewnjem lupatica, nCUViSll!fll upradjanjcm svakc

lopalicc blJraulicko-clektronickilll putcm. cija primjcna ponisla\'<1 yihracije sllslava agrcgala 1I poslupku regulacije.

- Usavrsi.lvi.lnje regulacijc gellenl!orskog pudsuslava ckktrunickim putClll (pugb\'Jjc 4 i 5). -Razvijanjc 1l00"ih Illalerijala (llemclala ~ kompoloita) i drveni111mnin<.lli\ prctezflo kao

njil)()\'c kombinacije za izradu lopatica lurbina, CSanSilyaqje ldll101oskog poslupka lLradc. -Daljc proucavi1njc w.:rodinamickilJ prufila hlpatica svc buljih znacajki za doslizanjc ve

cih acrodinalllickih s11a, - Usavrsavanj0 sus(ava z'i.~ti(c i kocenja, mclmnickih i ckktwilickih, za sigumiji i lr~~jniji

rad VE susbva. ~ Sislemallcan rad na olk.ri\'anjli vise mjc1>la vlsokih potcncijLlla Cll(;::rglje \'jclra, te novilt

mctoda prcciznijih oJrcSivanja njihovih p1'0sjecnih nijednDsli, Ukratko, planovi daljnjcg mzyitka eleklrana na vjetar, kako je istaknuto II prikazu Ko

misije Europske :.Gajcdnice od svibnja 1088, U ol,;:viru kojih se odvijaju Ja!ja istHlzivanja LI Europi, obuhvacajll sljedeca pOdrucja:

217

A _ potcncijali vjetra na mikrolokacijanu, proucavanjc optimalnog rasporcda agf(;gaw

B ~ optimalizac.ija rada VE na inlegnllnoj clektricno,l mrcZi C _ optimalizacija znacajk.i i izbor;.t rnatcrij;1la !ur~lnc . . D _ \'odcnjc i zastiw. primjcnom noYih ITlogucnost.l dcktroJ1Jke

E - optimalizaci.ja odrzavanja i remon.ra poslruJel1J~ ,VE .. ".. .:. F _ optimali:.Gl.lcija troskova pro.i:.Gyounj(; liZ :-,!allChlrJ1Z<lCljll i l~(k)PCIi.lCjJu,

7.2. Gospodarski kriteriji

Da bi sc pristllpilu llsporcJbi CijCllJ. pro.iz\wlnje cncl'gijc, iz .r~tzni1: iz::ora ilJ, gori\'.".~ c1eklranama, uu/.no,ic utvnJili C.ijCllU jcdinicG cncrgijc Jli.\. temelju \:-:.llh kLu,:n.FL ~drh.l.',n,: :~\'"lil veliCina koje na Jlju uljccu, Jcdnaku jc va/,no podatl(c 0 bilnlm vc1icmJ.Illa za ci.lCIlU K())'1S!,rll iz najm.!Yljib iZ\'U;';i jc;" se one, posdmu u podrucju tlovl1"~ iz\ ora cn~r~ij,c i njih,;\ iL pu.~trl).i''::nja hrzo miicnjaju. Propisi 0 ZHSl1l1 ukuliSa II Eurupskuj :-,u zaJcdIlIC! "tupIlll.':l "nagu,.tako (ia :se He J1lo'ze 'd~)bjli odobrclljc projCkUl D bilo koji indlLstrij::;ki oby:l<! ab.) n~J': pj(,;d\'l~ctJ~l 7,astila okolisa. Za sve objckte kO.Ji zagaduju OKolis na sn~l/.! .Ie. prupis pf~ma kO.Je m ') ,:;;a::\)\ ~( pJaca pn:::dvidcnc prislojbc (;>polluter pays principiks«),l(:nnoclek!l:auc. na c.vrsl:l g()r~>~l (TLJ j 1CrmOnllkk:ame deklrane mur<.lju spremiti (-Hsti otpad i rd!nralJ plmovde pulllCl.Ic. OV() zadnje uunusi S(; i Jla TE na teku6a i plillO\'ilU gur1\'a. stu l~tk()dcr ima ,svoju CijcllU,

'Stavka gudi,c.nj..::: otplatc (anUi!da), kuja st.; udnosi na S\'C inVCSlic!jskc tJ:lJS~~iY~;, ekklrane p01>cbno,ic \'a/Jlct /.a ut\'fui\'anjc cijcnl.': encrglje.Ta st;l\:ka znalno (;n!'l.u.J~ u.ie.nu ak.o jc rok olplatc anui[cta jcdnak wemcnu amortiz.1cij..:::, OLillUSJ10 pla;:,mall.1 pn)!I.\'; dny: C]l:ktl Ulj~" 'Eleklrocncrgctski objektl U S\'J}:W i u nas grade sc ncrijelku POl/WCll UlaE1C<.t ,~"t 1..n.:dll?,ku.i __ dajc drzavCt, sto u1jece oa cijcnu jcdinice cncrgije, POZlla!O jc Ja .lJlj;'~Ull. !::,l~l~U~)pu\ !.G,:u~ tn;sko\,c otplalc La f1(;kc objcklc solld~lmo snOi}C S\,l proiz\'odaCl :..:ncrglJc, stu t}1 Dill s!ll;bul1l. ill

iZIlOSI za izgraJnju pilot-poslmjcnja VE. . , . .. , Prijc svega, treba krcnuti oJ 1l00'ih pocblaka aku se mjefodavllo 2.c:l; SUd!ll 0 Cl.lCW mugu

ecg koriStcnja (;l1ergije vjetra i II nas, s10 ee hiti izlozcno u ua,,[adw,

7,2. !, Utjecajni Cinitc!ji na cijenu cllcrgijc Yjctwclcklranc

SlV:lranju cijcnc proiz\'odnjc cllcrgijc II VE pristupa sc ubmdom pod.llaka kuji sc IllCJgu

svrstali u celiri uJavne skupiJ1c~ a) cijcna p;-;troj(;nj~l yjClfUcickl!'U1C b) tllug:uca proizvodnja VE c) uvjeli kn:u.iliranja za illV(::-,ticijska srcdst\·a

d) cijen;l 7.<l.~[ilC ukulisa. . " .' .. . " Nil. clnitclja llljcCU n<l ,s \'akn od OYC cCllri c.Kupmc kOjc st \'afi~ll1 cl.J~.m,. J~j ulj:\ :)dn~c el.l,cr~

gijc VE. ~jillU\' odabir, prcma Jlo\'lm spoznajallla kujirna sc b,:t\'c spcCljalu.nanc mSULUCi.lC 1 strucn.iaci. uvjctuje uptim:.dn.: rczullak pm1'acuna,

Razrnutrimo struklllfU C.ijCllc Vc poslrojcnja kujc :ie, kao stu jc POZlldlU, s;:lsl()jl iz agrcg'-ll:.l.

ckktra!l(; (vjelfOlurbina, dektricn.i gcncralur), rcgulacijskug j pOlbuslil\'a zaslilc i komrolc iC

noscceg stupa agrcgata.

218 AEIWEN[-mOEnKA POSTROJENJA

Cijenu postr(~ienja VL osim nahrojenog, treba uracunati investicijske troskovc za teren clcktranc, doprcmu postrojcnja kHo i cijcnu prikljucivanja mreznom sustavu. DakIe, postrojcnjc V~.s dC::lfcmoffi:,monlaiom, !erenom i prikJjuckom Cini lroskove invcsticije VE. · Ut.JCC!1:1.1ma na CljCnl:.postrojcnj3 VE II uiem srnislu bavile Sll se mnoge ins!itucije u sviJCIU, od kPJlh Sl1 one novlJeg datumll aulon; ovog clank a bile doslurne iz navedenc literature ciji Ce rcz;ultati bili o\'dj(~ prikazanL '

. Cijen.a poslroj(:nja VE izravtlo ovisi 0 veliCini agrcgata lurhina-generator, koja se prikaz~:Je ~roz lznos naZH'ne snagc jn promjcr lurbinskog kola. S druge strane, razlike u jedinicnoj cljl:m ndnosc sc na turbine n17Jicile snage (sl. 7.4) iSing promjera radnog kola. Nadaljc, skup-

Sf. 7.4. !Jjvc{(itn(/ c{iel1(1 ptlsllr!ienju Ljelroi'fei:lralH' {{ 19R6 i 1987. g(ldilli U rwi,I'110-rli (J IlOmil1o/noi slIu::i

ljc su. turbine II kojih pos!oji rcgulaci}ski sustav zakrctanja lopaticc (pich control), odnosno clcktncna rcgulacija Zit Tazliko oel turhine s lzv. pasivnom rcgulacijom (iIi s1011 control). .. K?ia ce vcliCin<l agrcgal<l doci II obzir 7.a odredenu VE, (veliiina promjcra kola turbine III n:lnvna snaga agregata) pitanjc je kojc {reba obraditi na profcsionalan naCin uz poznavanje sljedeCih Cinjenica. .

· Promjer !t::.bi~skog k.ola u razmjernom je odnoSll nazivne snagc, iako nc apsolutno, vee .!e ona u funkcI)l tlpa turbme, odnosno broja Jopatica i oSlalih osohitosti znacajke turbinskog 1 gencrat(lrs~og k~~a a u ·odnosu prcma pOlencijalima vjelra izabrane lokacije VB. S druge r~ .stranc. dlmenZlJe prvog agregata odreduje koncepcija .sircnja elektrane na vise agregaia, CI.Jl .Ie broJ odrcden raspolozivim lerenoill, odnosno aerodinamickim razlozima odredenom udaljcnoscu pojedinih agregata u nizu, kako je feeeno u poglavlju 6. · TUr:Dina ~a zakretanjem JOP.ptica, koje se poglavito primjenjl1jl1 kod veCihjedinica, skuplja JC, ~ao ,I. (urb!~a ~ clektricnom rcgulacijom za razliku od onih s pasivnom regulacijom koje SU .. 1 vecII! l:a7:1vn.l~ snaga, sv~ do 300 kW i vise, kako se vidi iz podataka novijeg damma. Cljcne su lIh Jedmlca danas, ppanskog proizvodaea na primjer, pale na 565 dobra po kW. Vazno. je spomc~ut~, s~o .ic in~cE' poz~ato, da jc cijcna agregata na vjetar niza serijski proizvcdcmh ncg~ p:)Je:h~acno pro;zvedemh. Medutim, ako se korisli turbina serijski proizvedena, ma~o~ man.Je Jcdm.lCe'.t:eba !mati na !lmu detalje koncepcije projektiranja, odnosno njezine znacuJke kOje trcb[lJl1 bltl u skladll S pOlencijalima podrucja rada.

h) Moguf:a proiz.mdnja vjdroelekrrane

.~ sin~Hl1aciju mogu~e proizvodnje elektricne energije VB na danoj lokaciji poznatih pote.nclJala vJe.l:<l potrebno.Je skuriti niz podataka. Najprlje je nuzno imati obradene potencijale v.lclm lOkaCIJC na temelju podataka skupljenih kroz duze razdoblje ako jc moguec na visini

PIHovi n\1vitkl1 SUWn'll na vjctar, gosp0{!arski kritcriji 219

mogu6eg rada (vratila) agregata. Iz tih se podataka izracunavaju potrebne velicine koje se uvodc u znacajkc izabrane turbine (iIi sc na temelju njih projektira turbioa), s kojima se programira njczina mogu(;<l godisnja proizvodnja (pogJavlje 1, 2. i 3),

VCCll proi7vodnju encrgijc dati ce onaj agregat koji inla vecu povrsinu turbinskog kola, a s istirn povrsinama (lila turbina koja jc projektirana za srcdnju brzinu vjetra podrucja pri

kojoj cc raditi s najvisom iskoristivosti cnergijc vjetra. Iz prije izrazenoga vidi se koliko je za VE vazno izuhrali lokacije najvisih potencijala, a

prema njima i odgovarajucu turbinll, kako bi spccificna proizvodnja energije kWh/m2

iii kWh0\~ bila \'eea. Mc(1utim, ukupna proizvodnja agregala VE ovisi i 0 gotoyosti agregata da se uk1jllCl u rad u vrijcme raspolozivosti cncrgije vjetra njezina radnog intcrvala. Spremnosl agregat!l VB za rad lim je \'cca sto jc odrta\'anje boljc organizirano, a Cija se cijcna uk!jucujc u cijcnu dobivcnc encrgijc. 0010\105Ot, tehnicb 5Opremnost danasnjih vjclroturbina u razvijcnom svijetu, prema hrojnim izvjcsCima. iznosi 98Sf-. Utjcc(~i faktora kapacitivnosti agregata VE na cijeml cncrgijc dan jc u literal uri amcrickih autora (s1. 7.5.). U taj jc faklor ukljucen izbor mjesta VE, odnosno pot{'~ncijala, izhor agregata i njcgovc 'lnacajjcc, kao i odrZayanje i vodcnje VE,

koji utjcc.u nn hwjnik fnk!ora kapacitivnosti

EVE L; Pi tj C j = En = i\;'S760 '

EVE:;;:; L Pi tj - ukupna proizyodnja energijc agrcgata godisnjc tijekom vremena Lt;, kroz

PI1 8760 godinu dana ~ cnergija koju bi proizvodio agregat VE radeCi nominalnom snagom pUnu

godinu dana.

1'\<1 slici 7.5. prikazana je ovisnosl C,-a 0 cijcni instaJiranog k\V podsustava ;>kljuc u ruke« so. 12O,f kamala na !credit Ie 0,01 $ k\Vh za vooenjc i odrzavanje. Taj dijagram pokazuje kako cijcna inslaliranog kW postrojcnja osim C, utjece na cijenu energije iz VE.

. Prcma danoj literaturi navode sc podad 0 promjeni Cr u elektrani iz Altomont rcgije u Kaliforniji i jcdinicc MOD :2 u razdoblju od 1982. do 1985. godine. Postavlja sc cilj za iznos C

f =-;: 0,27 (z.a elcktranu ~ niz. agregata VE) i megav<ltnu jedinicu MOD 2 C r = 0,29-0,35.

Prcma najnovijim podacima danas su dostignute vrijednosti Cr:o:: 0,37 kod nekih VE ros trojcnja u ekspJoataciji (San Gorgonio - Kalifornija).

USO! kWh 0,08

0,07

0,""

0,05

12% kamata na kredlt cijena vodenJa I odr:i:avanja USD O,01/kWh

B

1 0,04 --+--------/---

j_i[jU~SD~/[k~W~=~6~O!O~J-~=:::::::;:~~_:_ \ (kljuc u ruke) 0,03 C

0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 f

SI. 7.5. Proll!ienll jedinicnf. cijenc enc'1i!ie It (xinrull premo koejicijenfu kapacitivno.rti

c) Uvjeti kredifirunju zp inun'ficije \IE

1znos kamaln8 stope flU srcdstva UZcta od kreditoru lc fonnirJ.njc anuitda u fuukciji vremenu vracanja znatno utjeee na cijenu energijc.

Na slici 7.6. prikazuje se cijena energije iz VE u funkciji Vl"Clllena olplalc anuileta. Ako sc otp1atu produz.i, primjerice kroz 20~25 godina, kolika je i amortlzacija postrojenja koje

SI. 7.6. Promjenl.AjeJini(ne C{iCf/f! (-IINx{iejcJillicl' VE (10-55 kW) IJ oL'is!Jos!i {} sm!r(jlij M{)di.\!(i(~i /Jrzini vjelra i xodina ullI()r1i(.{1cije po.\'ln~it:ilj[j

proizvoJqjom isplacujc svoje anuitct8, tada jc cijcna cncrgijc Hiza. Cijcna paJi.l s pows[om srcdnje goclisnje brzinc vjctra lokacijc VE. Tako cijena encrgije jednog agrcgala ocJ 3UO k W, koji radi na pOlcncijuliruu od V,r::::: 6 m/s. proiz\'udnjc od 110 000 k Wll godi~nje, rHu/.c iznositi ovisoo 0 godinamn atpiate, uz 8(7r~' Immata

5 godina olplatc 0,29 DM/k\Vh 10 godina otplate 0,18 DM/kWh 20 godill<1 olplatc 0,J3 DM/k\Vh.

d) Cijena z,(),{lile oholiXLi

Na tcme~jll poJalJ.k:.i 0 ugrozuwsti okuli.<;a. Ujcdinjcni n;.trodi 0:;110\'a11 su jlusdmc "ekcije. za zastilu okolisa, a EZ.i(; od preporuka pn:sla na zakone koji sc moraju po;tu\'i.lli radi zaslile, kao S[O je u uvodu spomclluto. Lugicno jt: S[o se poJrz,avaju one tvornice energije kojc JjuLlskom nep<-li.nj,)Ill ili prirounoIll silom lle rnogu ugrozi!i okolis. Dakako, ZJ non; L\'omicc cnefgijc muraju se po.~tOV~lti svi propisi. Poslojecc lcnnocJd::trai1;,:; ili !CfJllOlluldt:<-trnc dcktranc moraju postO\'ali propisc, ko.)ih !)eo inmaju pridri,aVJLi Clanice EZ-a, ;.t ~to podizc cijCllU proizvedene encrgijc. Danas jc u veCinj zcrnalja zauslavljt.::lw izgnldnja novih TNE zbog mnugih ncrijescnih tcskoca zasl.ite okolisa.

U radu Frmmhof0f instiLUla naruccnog za EZ iz c!ijagrama na slid 7.7. sazeti su rCLululLi istra1.ivanja utjcc~lja dodaLll<.1 za zasliLu okolisa na cijenu jedinice ellcrgije /k \.\'111 proizvdcl1u II klasiclllITl e1cktwnJ.llla i VE liZ prognuLU rasta, odllosno pada do 2010. godinc.

1z dijagrama se vidi bJng purast cijcne cnergije iz klasicnih elektrana i to, ako se UZl11U

U obzir piacanja za zastitu okolisa gornja (krivulja) uta, a donja ako se la platanja nt: uracuna-

DM/kWh t cijena 035.., \ energije vjetra , i (

0,30' \ \

ukupna djena konv. eJ. energije sa dodatkom

I 0,25 L~\\--------- _-----0,20 " __ ----- ....

0,15 !-----)::: .. -:== ..... ""'-" .......... I ..... .

o 1O~ ·,·1" I ------1------'~: i I I cijena e{ energije bez

0,05- C B A dodatka za zastitu okoline 0,00 ._-" -~

1980. 1985. 1990. 1995. 2000. 2005. 2010.

Sf. 7.7. PmllijcilO' ,\j)cL'ij'itri/: c!il'lii.! i·/d;iri:~!Ii-' <met!;!)c i; kU!iI'('IiCioilu/

!JiiJ dd:/l"uiJU ,\(l i /;1:';, cije//( :,I,\/i!c oku!i.\". i i;' ejl:frodel;/IUIIC

d(l20]O. ;,'uL/ifl<:

22t

\,L~iu. KrivuJ.ia koja sijcec tc crlc pribzujc pad prCllli.l ilpscisi S \'rclllcnum, oJnuc.llu prumjcnu cijt'nl~ enrrgjje i( VE. Dv~y:: bxo.kl,.:risi..tCllU lu(~',k.l:::iu To(ka C puka£u,ie- th!jc, vjctra vee u 19R4. godinc bila jedllako skupa bu i cncrgijil Ii. kbslcnill dck!ranil u koju.ic uraclIU<1la cijcna zastitc okoMa od njiho\'ih polucija i cijcnH sprcmanja utpada. Tocka A pokazujc <-ia cc 1904. god inc cijcn~l cncrgijc iz VE bili jcdnakil ci,ieni cncrgijc 11: klasiCuib t.:kktrana jcr nije upkrcccna din';mjinw za z!lslilu ukulinc. LL!slita okolinc i nG/dh oiJjckata od uUccaja VB na proi%.\'odnju bukc osigura\'il sc propjs~tl1om minimaltwm udaljello~cLl ck.:KlrLll1C oc! urbanib nasclja i TV ureaaja, kako je reecno u poglav1ju 6.

7.3. Literatura

PI G. c. Goy, F. Wittke. H. I. Zicsing (f-raunhofcr Instilul Karlsruhc ~ lSI). Enw/lI)(Ir('

Ener/-:ie;judlell, ivlLincllcn, 1987. 12[ H. Groslrup. ulr[~e Scale Ivill(l TuriJille,l, W. E. in Denmark, 1986. 131 R. Harrison, G . .Jenkins, R. J. Taylor. Cns! IIwdding id' fwrh'oliwl (lxis wind I/lrhine,

Glasgow, VII. 1989. 14\ E. Hou, Windkrqj!un!ugen, Berlin, London, New York, 1988. 151 D. Lindley (\VEG), T/U! ciJl),(:rcidi.~d!ilJJ! (;/':rind !!IleFg)', Southall U.K., Jl)KS. [61 R. Lynette, State,I' (~l US. Wind Pu,ve/' !lIdw!IY, US,:\. D. MuntL 10i-l8. 171 Lj. Pilic-Rllbac!an, EkU/io/,I!.IAi kri!erUi /:ori.::icnjil CIiClgi)C o)elnl, primljc!lo i reccllzirano

u casupi~u SunCann. cncrgija, lis[up,ld J Y\jU. IXi Cominissiull of the EurujJean COlllunilies, f'y'ind Em:!';.,'), R&D Pr(;g/'UlilIIW, J98H. ]91 Power 1'1'0111 the wind (Hydru-Elcctric-\VEG-Scotlandj, 19B8. IIO! Sosial costs {~r(!lIert:y C'Of!.lllfJlpfi(;l1, Fraunhof<:r Institut Z!I eump"ki komi[Cl za c!lCl"geliku

(Wind Power BO. 7, VII 19SB.) 1111 Wind Energy in Denmark, fnL Symp. Heming, IlJ86. 1121 Wind Energy in Sweden, SYlllp. Berlin, 1987. 113\ W. Power: :-I/1on(111)', IV 1989. 1141 Wind Power: I'vlo!llbly, IV 1990.

Skolska knjiga d.d. Zagreb, Masarykova 28

Za izdavaca dr. Dragomir Maderic

Tisak zavrsen u veljaci 1996.

enetgetika

Documents