Univerza v LjubljaniFakulteta za matematiko in fiziko

oddelek za fiziko

Vetrna energija

Avtor: Ivo Krajnik

Mentor: prof. dr. Denis Arčon

Ljubljana, 15. december 2010

PovzetekV pričujočem seminarju se ukvarjam z opisom delovanja predvsem horizontalnih vetrnih turbin.

Najprej na kratko predstavim zgodovinsko ozadje in začetke izkoriščanja vetrne energije. S prijemiiz aerodinamike ter mehanike kontinuumov, obravnavam moč in izkoristek takih turbin. Z modelomnavideznega diska, izračunam zgornjo mejo izkoristka vetrne turbine - Betzovo limito, kateri naj bi sevsaka turbina čim bolj približala. V osrednjem delu seminarja opisujem primer obratovanja sodobnevetrnice z regulirano obodno hitrostjo elis s pomočjo nevronskih mrež. Izkaže se namreč, da pridoločeni vpadni hitrosti vetra, obstaja natanko ena obodna hitrost, pri kateri je izkoristek turbinenajvečji. Seminar sklenem s predstavitvijo izkoriščenosti vetra v energetske namene v Sloveniji.

1

Kazalo1 Uvod 2

2 Delitev vetrnic glede na os rotacije 32.1 Optimizacija izkoristka, število elis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Dejstva in zahteve pri delovanju v optimalnem režimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Optimizacija izkoristka z nevronsko mrežo 73.1 Nevronske mreže - splošno z biološkega vidika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Diskreten model nevronske mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 Prilagajanje odklona elis s perceptronsko nevronsko mrežo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4 Rezultati in diskusija 9

5 Glavne značilnosti atmosfere 105.1 Struktura vetra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.2 Povprečne hitrosti vetra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.3 Značilnosti vetrov v planetarni plasti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

5.3.1 Verjetnostna porazdelitev hitrosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

6 Anemometrija 126.1 Hitrost pihanja vetra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.2 Smer pihanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.3 Merjenje temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.4 Merjenje tlaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

7 Trenutno globalno stanje 12

8 Stanje pri nas 13

9 Sklepna misel 13

1 UvodNaftna kriza leta 1973 [1] je svetovnim voditeljem, politikom in gospodarstvenikom širom sveta dalavedeti, da energetska prihodnost na globalnem nivoju le ni tako rožnata. Na univerzah in različnihznanstvenih inštitucijah so se pričele raziskave v smeri učinkovitejšega izkoriščanja obnovljivih virov en-ergije (sem spada poleg vetrne energije še energija vode - rek in oceanov, sončna energija, kemična energijabioloških odpadkov, hidrotermalna energija..). Kot ena najobetavnejših možnosti, se je takrat, poleg vod-nih virov, pokazala še energija vetra. V začetku osemdesetih let prejšnjega stoletja, se je po približnodesetih letih intenzivnega raziskovanja vetrnih turbin, in okoljskih pojavov, začel "vzpon" širše uporabevetrnih turbin za komercialne namene. Kvalitativno obravnavanje in ukvarjanje s tovrstnimi turbinamiobsega študij okolja in vremena, topologije prostora, oblikovanje samih ohišij in nosilcev turbin, meritvedinamike vetrnih tokov, itd. Vir energije, je kinetična energija vetra, torej so njegove lastnosti, kot sostruktura, dinamika, statistika1 pomembni faktorji, ki ob pravi "izbiri" omogočajo največjo učinkovitost,to je izkoristek turbin. V seminarju se ukvarjam z različnimi vejami fizike, ki jih sama obravnava vetrnihturbin združuje, to so meteorologija, mehanika kontinuumov, klasična mehanika, elektrodinamika, statis-tika. Najsplošnejša meteorološka definicija vetra je gibanje zračnih mas v atmosferi, kot posledica tega,da Zemlja na ekvatorju prejme več Sončne energije kot na polih. Meteorologi ocenjujejo, da se 1 % [1]Sončne energije spremeni v vetrno. Če hkrati vemo, da je količina prejete Sončne energije na Zemlji v10 dneh primerljiva s količino energije vseh fosilnih goriv na Zemlji, potem ugotovimo, da je potencialvetrne energije nepredstavljivo velik in dandanes minimalno izkoriščen. Kot povedano, Zemeljski poli sSonca prejmejo manj toplotne energije, na ekvatorju kjer je tudi morje, pa je te energije več. Ker ima

1Pojem statistika vetra definira pogostost pihanja vetra z določenimi lastnostmi na določenem območju. Turbine znajboljšimi izkoristki, kot bomo kasneje videli, delujejo le pri izbranih lastnostih vetra. Statistiko vetra določamo izključnoeksperimentalno.

2

voda (oceani) višjo toplotno kapaciteto, kot suha ilovnata - zemeljska tla, se le to počasneje ohlaja, inna globalnem nivoju poganja konvekcijske tokove zraka, kar predstavlja veter. Tako so izračunali, daje komercialno gledano, s sprejemljivih lokacij v svetu trenutno možno proizvesti 72TW električne en-ergije [1] izključno iz vetra, kar je petkrat več od trenutne proizvodnje elektrike iz vseh virov, in ustrezaporabi 54 miljard ton nafte na letni ravni [1]. Pri analizi so vzeli v račun le lokacije s povprečno hitrostjovetra več kot 7m/s na višini 80m od tal. Nazivna moč testnih vetrnic je bila 1.5MW in premer 77m [2].Na kvadratni kilometer bi po njihovem stala po ena vetrnica. Ob taki prostorski porazdelitvi, bi pokrili13 % skupne površine kopnega, kjer pa kmetijstvo ne bi bilo onemogočeno.

V splošnem je izhodna moč vetrne turbine sorazmerna z v3v , kjer je vv hitrost vetra na elisi turbine.

To pomeni, da zaradi različnih hitrosti vetra med letom, turbine delujejo z različnimi močmi. Zato vtem primeru raje govorimo o povprečnih vrednostih in se poslužujemo statističnega opisa. Upoštevatimoramo letno povprečje hitrosti vetra. Iz enačbe P = CpρAv

3v

2 dobimo P = 0.25v3vA, kjer je A =

πD2

4 t.i. "požiralna" površina, D premer elis, ρ pa gostota zraka. V primeru naše testne turbine [5]s polmerom r = 32m in največjim izkoristkom Cp = 0.42, na katero se bom skozi seminar skliceval,znaša nazivna moč P = 1.5MW . Preproste enačbe zgoraj so le za ocene in niso dovolj natančne,upoštevajo namreč povprečno hitrost vetra, in ne upoštevajo turbulentnega stanja ozračja, viskoznostzraka ni obravnavana. Vetrne turbine delujejo samodejno. Pri previsokih hitrostih vetra, elektronikaposkrbi za optimalno delovanje, sicer lahko pride do poškodb in lomov. Pri premajhnih hitrostih pa jeposkrbljeno, da se turbina zaustavi in tako ne deluje v neučinkovitem režimu. Vzdrževanja praktično ni,so le redne kontrole. Uležajenje horizontalne gredi je zaprt sistem, kar pomeni, da se, ko se mehanizemgredi na katero je pritrjena turbina, sestavi, ne razstavlja več. Vitalne komponente, precizna krmilnaelektronika in hidravlični deli vsake sodobne vetrne turbine so zaščiteni pred negativnimi vremenskimivplivi z ohišjem iz najkakovostnejših materialov. Cena 1 kWh električne energije na področjih vetrnihelektrarn po svetu niha, in sicer v odvisnosti od lokalnih hitrosti in pogostosti pihanja vetra, in sevedacen konkurenčnih distributerjev električne energije. Vetrnice so zaenkrat najbolj razširjene v Kalifornijiin severnih deželah Evrope, posebno na Danskem, kjer so vetrnice že leta 2008 prispevale 19 % deleželektrične energije. [2]Okoljsko bolj ozaveščeni ljudje si želimo, da bi bilo v bližnji prihodnosti tako tudipri nas, saj v Sloveniji še nismo začeli izkoriščati energije vetra v komercialne namene. Študije gledepotencialnih lokacij (Volovja Rebra, Nanos, Kokoš) so bile že izdelane, a do realizacije projektov še niprišlo.

2 Delitev vetrnic glede na os rotacije

Slika 1: Vetrnica s horizontalnoosjo (a) in vetrnica z vertikalnoosjo - Savonious - ov rotor (b) [3].

Prednost horizontalnih vetrnih turbin je predvsem vmožnosti spreminjanja kota elis β in s tem povečanje izko-ristka. Visok nosilni stolp omogoča umestitev na višje lege,kar pri vertikalnih turbinah ni mogoče, saj se požiralnapovršina v vseh primerih prične že pri tleh. Vsakih 10mvišine se lahko hitrost vetra poveča za 20 % in s tem moč za35 % [1]. Njihova glavna slaba lastnost je vizualno onesnaže-vanje, montaža je zaradi velikih dimenzij običajno draga inzahtevna. V vseh primerih pa horizontalne turbine zahte-vajo regulacijo zasuka okoli osi stebra, da se vedno obrnejočimbolj proti toku vetra, tak je tudi prmer obravnavaneturbine v tem seminarju. Trenutno je v svetu izmed vsehinštaliranih vetrnih turbin okoli 70 % [1] s horizontalno osjo.

Uporaba vertikalnih turbin se opušča, predvsem zaradi manjšega izkoristka, saj le ta zaradi pro-tismernega delovanja znaša največ okoli 15 % [1]. Vertikalna turbina namreč vedno obratuje protismerno(del turbine se med obratovnjem vrti proti toku vetra), kar pomeni, da se približno polovica požiralnepovršine porabi za zaviranje.2 Med vertikalnimi turbinami sta najbolj uveljavljena Savonious - ov slika1b in Darrieus - ov rotor. Slednji spominja na navaden konkavni anemometer. Zaradi protismernegadelovanja je njegov največji izkoristek le okoli 12 % [1]. Savonious - ov rotor, ki včasih lahko spominja

2Za lažje razumevanje si lahko predstavljamo, da se pribljižno polovica toka vpadnega vetra vetra porabi za gnanje,polovica pa za zaviranje turbine.

3

na obliko jajca, je nekoliko učinkovitejši, a kljub temu z izkoristkom zaostaja za horizontalno vetrnico.Princip delovanja horizontalne tubine je enak principu letalskega krila, kjer razlika dinamičnih tlakovpovzroča potrebno silo vzgona. Študije kažejo, da vertikalne turbine vizualno ne onesnažujejo okolicetako močno kot horizontalne. Pri ljudeh namreč vzbujajo blagodejen učinek, bolj so fascinantne. Medtem,ko opazovanje rotacije elis horizontalnih turbin marsikomu vzbuja nelagodje in slab občutek, t. i. efektfrekevence. V splošnem je montaža vertikalne turbine cenejša, kljub večji masi in količini potrebnegamateriala za dosego enakih moči kot horizontalna. Elektronske komponente so, za razliko kot pri hori-zontalnih, nameščene pri tleh, kar omogoča enostavnejše in cenejše vzdrževanje. Pri vertikalnih turbinahje potrebno za začetek obratovanja zagotoviti še dodaten zagonski moment, s pomočjo elektromotorja.

V tem podpoglavju si poglejmo bistveni princip delovanja turbin ne glede na izvedbo. Gre za t.i. Princip navideznega diska [1] - če povprečimo rotacijo elis po dolgem času, lahko gibanje smatramokot rotacijo diska. Omenjeni princip predpostavlja stalen, konstanten idealni vpadni tok zraka, ki jepravokoten na disk, ter neviskozno in nestisljivo kapljevino. Predpostavi tudi enakost tlakov na višini,ko je elisa na najnižji in najvišji točki. Vetrna turbina "črpa" kinetično energijo vetra. Tok vetra setik pred elisami nekoliko upočasni, in del tudi zaobide elise - glej sliko 2a. Tlak v toku vetra se predelisami poveča do svoje največje vrednosti in po prečkanju navideznega diska nezvezno pade na najnižjovrednost, (manjšo od normalnega tlaka). Na drugi strani vetrnice, tlak z oddaljevanjem od požiralneravnine, ponovno naraste do normalnega tlaka. Gibanje zraka za elisami je v realnem turbulentno inkomplicirano. Premer elis - požiralni premer (definira požiralno površino) je večji od premera tokovnecevi pred eliso (slika 2a), ter manjši od tokovne cevi za eliso (slika 2a).

Slika 2: Tok vetra pred in po vetrnici - vidna sta premera obeh navideznih tokovnih cevi (a), ter porazdelitevhitrosti in tlaka na mestu vetrnice (b) [1].

V sklopu izpeljave Betzove limite [1] si podrobneje poglejmo mehaniko elis:Ohranitev gibalne količine v kapljevini (v našem primeru zrak), predstavimo z Navier - Stokes - ovo enačbo [4]

za poljuben tok kapljevine v splošni obliki:

ρ(∂~v∂t

+ ~v · ∇~v ) = −∇p+∇ ·T + ~f (1)kjer ~v predstavlja hitrost kaljevine, ρ njeno gostoto, p tlak kapljevine ter ~T napetostni tenzor in ~f gostoto sile,

ki deluje na kapljevino. Pod predpostavko, da imamo opravka z neviskozno kapljevino, nam odpade viskozni člen.Z zanemarjenjem notranje napetosti v kapljevini velja ~T = 0 in upoštevamo, da je tok preko požiralne površinevselej laminaren, se enačba (1) poenostavi v preprosto partikularno kontinuitetno enačbo, ki sicer ne daje točnihrezultatov.

Iz ohranitve masnega toka vetra z leve in desne strani vetrnice (slika 2a) velja kontinuitetna enačba ρv1A1 =ρvvvAv = ρ2v2A2 [1]. Hitrost vetra vv na mestu vetrnice lahko zapišem kot vv = (1 − a)v1 [1], kjer uve-dem koeficient osnega toka a. Koeficient je odvisen od aerodinamike in dimenzije elis. Merijo ga na eksperi-mentalnih modelih v vetrovnikih v različnih simuliranih pogojih. Spremembo gibalne količine vetra, katere silopovzroča tlačna razlika, na mestu vetrnice prepišemo kot: ∆G = ∆vρAv(1 − a)v1 [1]. Potrebno tlačno razlikodobimo iz Bernoulli - jeve enačbe3 p+

v − p−v = 1

2ρ(v21 − v2

2) [4]. Moč sile vetrnice na vpadni zrak je končno:P = Fzrvv = 2ρAvv3

1a(1 − a)2 [1]. Izkoristek v splošnem zapišemo kot razmerje izhodne in vhodne moči, obupoštevanju enačbe ki povezuje hitrost v območju 2 s hitrostjo v območju 1 na sliki 2 a je: v2 = (1 − 2a)v1,dobimo: [1]

3Z enačenjem vsote energij na mestih kjer je vetrnica, pred in za njo.

4

Cp = 4a(1− a)2 (2)

Slika 3: Graf prikazuje nelinearno odvisnost izkoristkaod razmerja hitrosti v2/v1.

Za obratovanje v režimu z največjim izkoristkommora veljati dCp

da = 0, od koder dobimo Bet-zovo limito: Cp,max = 16/27 = 0.593 [1], kar jedoseženo pri razmerju hitrosti v2/v1 = 1/3.Doslejnajvečji doseženi izkoristki pri konstantni hitrostiobratovanja vetrnih turbin so na vetrnem poljuna Švedskem, in znašajo okoli 0.32, [2] kar kaže,da je v2/v1 ≈ 0.74, torej še daleč stran od 1/3. Vnaslednjih poglavjih bomo spoznali načine kako jemogoče izkoristek še povečati za dobro četrtino,na vrednost 0.42.

2.1 Optimizacija izkoristka, število elisPo bolj površinski izpeljavi Betzove limite z dokaj idealističnimi predpostavkami4 smo videli, da je ob idealnihpogojih teoretični izkoristek turbine enak 0.593, česar v praksi ni moč doseči. Najboljši izkoristki, ki so jih dosegliza komercialno elektrifikacijo pri konstantni kotni hitrosti elis, se gibljejo okoli 0.32 [3]. V preteklosti so izde-lovali samo takšne vetrnice, ki vselej obratujejo s stalno obodno hitrostjo, če je le vpadna hitrost vetra znotrajdoločenega intervala. Kot bomo videli, tak način delovanja ne zagotavlja ravno najboljšega izkoriščanja energijevetra. Izkaže se namreč, da za vsako vpadno hitrost vetra in turbino s karakterističnimi gabariti,5 obstaja natankoena obodna hitrost elis, pri kateri je izkoristek največji. V nadaljevanju se ukvarjam z analizo sistema ki je vgrajenna vetrne turbine in zagotavlja delovanje vetrnih turbin z visokim izkoristkom, s prilagajanjem kota odklona elis.

Število elis zavisi od hitrosti vpadnega vetra, hitrostnega števila, mase elis, koeficienta upora, in v končni fazi odcenovnih zmogljivosti. V naslednjih odstavkih bom podrobneje utemeljil zakaj je za komercialno uporabo najboljšauporaba troelisnih vetrnic, torej so primerne za delovanje na širokih intervalih hitrosti vetra in hitrostnega števila.Za analizo, ki sledi v nadaljevanju, predpostavimo, da imamo najprej opravka z enoelisno vetrnico, ki jo bomo zvečelisnimi primerjali relativno, ne glede na dejanske dimenzije. Recimo, da je pri enoelisni vetrnici najmanjšafrekvenca obhodov - preden se izkoristek drastično zmanjša (optimalna frekvenca), enaka n1 = 60 /min = 1 /s.Večji del požiralne površine, ko elisa zaobjame na časovno enoto, večjo moč prejme od toka zraka. Potemtakem,je optimalna frekvenca pri dvoelisni vetrnici enaka n2 = 30 /min = 0.5 /s, podobno je za trielisno frekvencan3 = 20 /min = 0.33 /s in štirielisno n4 = 15 /min = 0.25 /s, da bo izkoristek optimalen. V splošnem velja,da se z večanjem hitrostnega števila moč turbine povečuje. Za izdelati neko turbino, rabimo hitrostni intervalvetra6 in hitrostno število, ki ga preračuna izdelovalec. Za določeno hitrost vetra, mora biti hitrostno številočim večje, a znotraj mej varnega delovanja (preobremenitve, lomi). Za našo testno turbino, ki z nazivno močjoobratuje pri nazivni hitrosti vr = 13m/s je hitrostno število λ = 7 [5]. Turbine, ki obratujejo pri višjih nazivnihhitrostih, morajo imeti manjša hitrostna števila, sicer pride do preobremenitev in lahko tudi do lomov.[1] Zaobratovalne pogoje naše turbine (tabela 1), ne oziraje se na možnost prilagoditve odklona elis, ocenimo številoelis in njihov optimalen polmer. Obodno hitrost elis zapišem kot ve = λvr = 7 · 13m/s = 91m/s. Velja tudive = ωeR = 2πνeR = 2πnR

60 , iz česar sledi nR = 873m/min = 14.55m/s. Produkt frekvence obhodov in polmeravetrnice, kjer je v primeru enoelisne vetrnice frekvenca obhodov n1 = 60 /min mora biti, v našem primeru zaoptimalno delovanje, konstanten. V primeru ene elise znaša ustrezen optimalni polmer R1 = 14.73m, za dvoelisnovetrnico z n = 30 /min je polmer R2 = 28.9m ter R3 = 43.6m za tri in R4 = 58.2m za štirielisno vetrnico.Vemo da, več elis ko imamo, manjša je lahko optimalna frekvenca za enako moč, in očitno obstajajo povezave medhitrostnim številom - hitrostjo vetra in številom elis. V primeru regulacije kota odklona lahko hitrostno številopovečamo.7 V primeru štirielisne vetrnice smo, ob predpostavki da deluje z optimalno frekvenco n4 = 0.25 1/s,

4Predpostavili smo stalen masni tok vetra na elise, laminaren tok, pravokoten vpad na vetrnico, kar v realnem ni nikolivse izpolnjeno.

5Gabarit pomeni besedo za velikost vseh dimenzij naprave ali stroja, ki se je udomačilo v strojništvu6Ta je dan izključno iz narave, nanj ne moremo vplivati.7Pri neki hitrosti vetra vv1 in kotni hitrosti elis w1 je hitrostno število λ1 = w1R

vv1, v primeru, da pri manjši hitrosti vetra

vv2 s prilagojenim kotom odklona β turbina obratuje pri nespremenjeni kotni hitrosti w2 = w1, potem je hitrostno številov tem primeru večje.

5

izračnali njen optimalen polmer R4 = 58.2m. Mislimo si sedaj, da troelisni vetrnici podaljšamo elise, s tem pa tudipovečamo moč obratovanja, saj je le - ta sorazmerna požiralni površini, ta pa kvadratu polmera. V tem primerumoč narašča hitreje kot izgube, ki so posledica zmajšane hitrosti rotacije. Torej lahko polmer troelisne vetrnicevedno povečamo nad optimalen, a v mejah varnosti in s tem pridobimo na moči. Smatrajmo hitrost vetra, hitrostnoštevilo in gostoto zraka za konstantno - in vse vključimo v konstanto C, potem lahko ustrezne moči preprostoocenimo. Moč trielisne turbine P3 z optimalnim polmerom troilisne vetrnice R3 je P3 = CR2

3 = 1900Cm2, čebi trielisna obratovala z elisami optimalnega polmera štirielisne vetrnice R4, torej daljšimi elisami kot so njeneoptimalne, pa je tedaj moč enaka P34 = 3

4CR24 = 2540Cm2. Na takšen način velikokrat maksimizirajo moč

vetrnic. Troelisne vetrnice z optimalnim polmerom štirielisnih vetrnic, predvsem zaradi količine porabljenegamateriala in enake življenske dobe, hitreje povrnejo stroške postavitve vetrnega polja. Zato so taka polja tudinajbolj razširjena po svetu.

Na naslednjih straneh bom predstavil način, kako lahko horizontalna vetrna turbina, z regulatorjem naklonaelis, obratuje z največjim izkoristkom pri dani hitrosti vetra. Kot vemo, vetrna turbina pretvarja mehanskoenergijo elis v električno. Moč, ki jo vetrnica prejme od vetra, upoštevajoč Cp zapišemo z nelinearno enačbo: [5]

Pm = 12ρAv

3vCp(λ , β) (3)

kjer λ = ωrRv1

[5] predstavlja hitrostno število. Kot β je naklonski kot elis proti ravnini navideznega diska. Moč, kijo turbina "vzame" vetru, je seveda odvisna od izkoristka. Vsaka turbina ima namreč, glede na svojo geometrijoznačilno odvisnost Cp(λ). V našem primeru smo za značilno odvisnost vzeli empirično formulo naše testneturbine: [5] Karakteristicno odvisnost Cp − λ, 1.5MW testne turbine predstavljene v članku, so eksperimentalnodoločili v laboratoriju proizvajalca vetrnih turbin VESTAS na Švedskem. Iz enačbe za Cp preberemo nelinearnozvezo med izkoristkom Cp in kotom odklona β ter hitrostnega števila λ Značilne odvisnosti prikazujejo krivuljena sliki 4 [5].

Cp = 0.4654( 116λi

− 0.4β − 5)e− 20.24λi . Za vrednost λi velja 1

λi= 1

λ+o.o8β − 0.035β3+1 [5].

Slika 4: Odvisnost izkoristka Cp od hitrostnega števila λ [5]. Pri večjih kotih β izkoristek v splošnem pada.Vidna je močna odvisnost izkoristka od hitrostnega števila pri različnih odklonskih kotih elis. Zaradi morebitnihmehanskih okvar in lomov, ali električnih preobremenitev, je delovanje turbin omejeno na določen interval hitrostipihanja vetra.

2.2 Dejstva in zahteve pri delovanju v optimalnem režimuPoglejmo si grafe 5, 5a - 5d [5]. Posamezne hitrosti so8: vci hitrost, pri kateri začne obratovanje, vr je hitrostvpadnega vetra, pri kateri je obodna hitrost največja, vs je največja hitrost vetra, pri kateri turbina še obratujein vco je hitrost vetra, pri kateri turbino zaustavimo.V praksi je potrebno energijo vetra čim bolje izkoristiti, obenem pa paziti na preobremenjevanje sistema priprevisokih hitrostih. Obema zahtevama ugodimo z montažo senzorja za obodno hitrost elis. Slika 5 prikazujerazlične fizikalne spremenljivke pri obratovanju turbine pri različnih hitrostih vetra. Značilne hitrosti 1.5MWturbine so: [5] vci = 4 m

s,9 vp = 11 m

s, vr = 13 m

s, ter Vco = 24 m

s. Senzor obodne hitrosti umešča obratovanje

turbine na primeren, optimalen interval hitrosti, na podlagi treh zahtev:• Območje največjega izkoristka Cp,• Interval konstantne kotne hitrosti obratovanja ωm,

8Pri označevanju hitrosti sem uporabil indekse kakršni so v uveljavljeni literaturi: [1] vci = cut - in speed, vco = cut -out speed, vr = radial speed.

9Pomeni tudi začetek pridobivanja električne energije.

6

• Območje delovanja z največjim konstantnim izkoristkom, pri čim večji hitrosti, ki je še manjša od vco.

Na intervalu konstantnega, največjega izkoristka Cp je obodna hitrost prilagojena (nadzorovana) glede nasunkovite spremembe vpadne hitrosti vetra, kar zagotavlja konstantno hitrostno število λ. Moč turbine posledičnonarašča s tretjo potenco hitrosti vetra v, obodna hitrost elis pa je s hitrostjo vetra linearno povezana. Pri največjihdovoljenih hitrostih vetra, ko obodna hitrost elis doseže mejno vrednost začne moč turbine počasneje naraščatikot na območju konstantnega izkoristka, izkoristek pa padati (Slika 5 a in c).Pri višjih hitrostih vetra, ki presegajo območje kostantnega Cp, je potrebno elise zavirati, in s tem zagotavljatikonstantno moč. Izkoristek na tem hitrostnem intervalu pada s tretjo potenco hitrosti vetra (Slika 5 c).

Slika 5: Odvisnost moči turbine, kotne hitrosti elis, izkoristka in hitrostnega števila od hitrosti vpadnegavetra [5].

Slika 6: Graf prikazuje odvisnost izkoristka od kotnehitrosti elis, pri dveh vpadnih hirostih vetra vv1 in vv2 [5].

S slike 6 vidimo, da vsaki hitrosti vetra pri-pada natanko ena obodna hitrost elis pri ka-teri je izkoristek največji. Če turbina obratujez obodno hitrostjo ωr1 pri hitrosti vetra vv1

deluje v optimalnem režimu. Če se hitrost ve-tra v tem primeru spremeni na vv2 , potem smoizven področja optimalnega delovanja. Iz tega jejasno, da z obratovanjem le pri konstantni kotnihitrosti ni moč doseči optimalnih rezultatov inje potrebno ωr stalno prilagajati.

3 Optimizacija izkoristka z nevronsko mrežo3.1 Nevronske mreže - splošno z biološkega vidikaV sklopu opisa delovanja nevronskih mrež, ki "posnemajo" delovanje človeških možganov, si poglejmo nekajosnovnih dejstev glede možganov.Središče centralnega živčevja v človeškem telesu so možgani. Imajo vlogo odločanja in regulacije celotnega telesa,poleg tega nam omogočajo lastno zavedanje in reagiranje na zunanje vplive, kar je posledica odvijanja določenihelektrokemičnih procesov njihovi notranjosti. Možgane, tako kot celoten živčni sistem sestavljajo živčne celiceali t. i. nevroni (slika 7). Njihova osnovna funkcija je prenašanje elektrokemičnih signalov. Tipični nevron jesestavljen iz celičnega telesa, od koder se razširja razvejna struktura, ki v premeru meri okoli 2mm. To je t. i.dendritsko drevo, na katerega so prek živčnih sinaps povezani aksoni drugih nevronov. Živčno vlakno, ki izhajaiz nevrona (akson), in je lahko tudi razvejan. Njegove veje se končajo s sinapsami, ki so stik z dendriti drugihnevronov. Tako so človeški možgani mikrostrukturno gledano velika (okoli 1011 nevronov) in kompleksno povezana

7

mreža. Nevron prejme živčne signale preko sprejemnikov - dendritov, in jih nato skozi akson pošlje do nevro -oddajnika, ki stimulira nove nevrone. To pomeni da so vsi nevroni v možganih med seboj povezani, kar nakazuje,da je število povezav med njimi veliko večje od števila njih samih. Glavna naloga vsakega nevrona je torejsprejemanje električnih signalov od drugih nevronov, ”elektrokemijsko” procesiranje ter na koncu signalizacijaostalim nevronom. Ko prihajajoči električni pulzi povzročijo, da se električni potencial nevrona prek membranedvigne nad vzdražnostni prag, se nevron aktivira in pošlje okrog milisekundo dolg električni signal vzdolž aksona,zatem, pa se znova vrne v stanje ponovne pripravljenosti.

Slika 7: Shematski prikaz možganske celice - nevrona.

3.2 Diskreten model nevronske mreže

Diskreten opis nevronov je bil že leta 1943 predlagan sstrani McCulloch - a in Pitts - a. Model opisuje stanjanevrona preko enačbe :

Si(t+ 1) = Θ(∑

j

wijSj(t)− νi)

(4)Slika 8: Shematska ponazoritev for-malnega nevrona. Prihajajoči signali Siso z utežmi wij sešteti v lokalno poljehi =

∑jwijSj , to pa se potem primerja s

pragom µi. [5].

kjer Si(t) predstavlja mirujoče (Si = 0) ali pulzirajoče (Si = 1) stanje nevrona i ob času t, µi je vzdražnostniprag i - tega nevrona, Θ pa je Heaviside - ova stopničasta funkcija. Vidimo, da se utežena vsota po vhodnihnevronih primerja s pragom. Uteži wij predstavljajo jakosti sinaptične sklopitve za pulze od nevrona j k nevronui ter so lahko različno predznačene. Model (enačba 3) vsebuje diskretni čas t, ki poteka enako za vse Si in tugovorimo o sinhronem osveževanju nevronov.

3.3 Prilagajanje odklona elis s perceptronsko nevronsko mrežoKot smo spoznali zgoraj, je najučinkovitejše obratovanje turbine zagotovljeno s prilagajanjem odklona elis, torejobratovanje pri spremenljivi hitrosti elis. S slike 4 je dobro vidna nelinearna odvisnost izkoristka od hitrostnegaštevila pri različnih kotih odklona elis. Hiter odziv nevronske mreže na nenadno spremenjene pogoje delovanjaturbine (močan sunek vetra), mora poskrbeti za ustrezno sunkovito spremembo odklona, in s tem ustreznomodifikacijo moči obratovanja na optimalnejši izkoristek. Najprimernejša je uporaba posebne nevronske mreže,imenovane perceptron [5]. Gre za večplastno nevronsko mrežo, ki je primerna za uporabo pri nelinearnih sistemih.V primeru raziskave objavljene v [5] so uporabili tako nevronsko mrežo. Tak perceptron ima v našem primerudva vhoda in 38 nevronov v skriti plasti, ter en izhod. Na prvi vhod, v našem primeru pripeljemo hitrostvpadnega vetra, na drugega kotno hitrost elis. V primeru, da veter ne piha v smeri normale na požiralno površino(oziroma njegova normalna komponenta hitrosti ni dovolj velika), je preko posebnega električnega mehanizmaomogočena poljubna orientacija vetrnice čimbolj proti smeri pihanja vpadnega vetra, vendar se v našem primeru

8

ne ukvarjamo podrobneje s to orientacijo. Število nevronov v skriti plasti je določeno z metodo trial - error,z namenom minimizirati napako učenja nevronov. Z uporabo nevronske mreže je natančno določen optimalenkot odklona elis na intervalu vpadnega vetra [vci = 4m/s...vco = 24m/s], čemur ustreza kotna hitrost elis od0.975 rad/s do 1.935 rad/s. Kot vemo, pri večjih hitrostih vetra od nazivne, mora biti moč regulirana na nazivnovrednost. Tak mehanizem udejanja elektromehanski regulator z značilno časovno konstanto Tβ . Večja ko ječasovna konstanta, počasnejši je odziv regulatorja,10 kar pomeni, da želimo imeti čim manjše časovne konstante.To ponazarja enačba regulatorja odklona [5]:

dβ

dt= 1Tβ

(βref − β) (5)

Ustrezen referenčni kot odklona, regulator sprejme od perceptrona.

Slika 9: Shematski prikaz nevronskemreže perceptron, na vhod pripeljemo dvapodatka: vpadno hitrost vetra vv in kotnohitrost elis ωr [5]. V skriti plasti (sredinskikrogi) je 38 nevronov, njihovo število padoločeno z metodo "trial - error."

Nazivna moč Pm = 1.5MWMax. izkor. Cp = 0.42Polmer elis R = 32m

Nazivna hitr. vet. vr = 13m/sZač. obr. h. v. vci = 4m/sKon. obr. h. v. vco = 24m/sZač. kot. h. ωci = 0.975 rad/sKon. kot. h. ωco = 1.935 rad/s

Tabela 1. Podatki turbine VESTAS 1.5 [5].

4 Rezultati in diskusijaPoglejmo si fizikalne spremenljivke pri optimalnem obratovanju vetrnih turbin pri naključno spreminjajoči sehitrosti vetra:

Slika 10 prikazuje fluktuacije hitrosti vetra v časovnem intervalu 50 s, ki se v času naključno pojavljajo.Vidimo, da hitrosti vetra presegajo nazivno hitrost (13 m

s) vse do časa 25 s. Variacije hitrosti vetra, momenta na

generator, odklonskega kota elis in variacija moči ki jo turbina pošlje v omrežje, so prikazane na sliki 10a, b, cin d. Po grafih sodeč, se vse štiri spremenljivke gibljejo okoli nazivnih vrednosti, pri hitrostih vpadnega vetra,ki močno presegajo nazivno vrednost. Po drugi strani, pa so te vrednosti pri hitrostih vetra manjših od nazivneprilagojene na maksimalne možne. S slike 11 vidimo, da je izkoristek pri višjih hitrostih vetra od nazivne hitrostimanjši, saj del moči vetra preko prilagoditve naklona elise zavržemo v območje za požiralno ravnino, kar pa zanas ne predstavlja težav, saj smo še vedno v področju nazivne moči. Spremembe odklonskega kota predstavljaslika 10c. Pri manjših hitrostih vetra od nazivne, kota ni potrebno prilagajati. Graf s slike 10d predstavlja moč,ki jo turbina pošlje v omrežje. Vidimo, da je le ta na intervalu višjih hitrosti od nazivne, ves čas skoraj konstantnain enaka nazivni moči, to je 1.5MW .

V dveh trditvah lahko prednosti obratovanja vetrnih turbin pri spremenljivem kotu odklona elis povzamemo:

• V območju nizkih hitrosti vpadnega vetra napram nazivni hitrosti je obratovanje z največjimmožnim izkoristkom pri tej hitrosti,

• Pri hitrostih vetra mnogo nad predpisano nazivno hitrostjo, je obratovanje turbin kontroliranos prilagoditvijo odklonskega kota, kar za te hitrosti pomeni manjši izkoristek, a konstantnonazivno moč v omrežje čim daljše časovno obdobje.

10Lahko si predstavljamo kot da je konstanta Tβ neke vrste masa, v tem primeru z večanjem le te povečujemo njenovztrajnost, s čimer se časovni zamik odmika dβ

dtpoveča.

9

Slika 10a,b, c, d: Prikaz fluktuacij vpadne hitrosti vetra vv, navora na generator Te, odklonskega kota β influktuacije moči Pm [5].

Slika 11: Prikaz fluktuacij izkoristka CP [5].

S slike 11 vidimo, da je izkoristek v prvi polovicičasovnega intervala - ko je vpadna hitrost večjaod nazivne hitrosti 13m/s, manjši, kar pa nepomeni, da "črpamo" manj moči iz toka vetra odnazivne. Pri manjših hitrostih vetra od nazivne,odklon elis ravno tako prilagajamo na optimalenza to hitrost. Nikakor pa ne dosežemo moči kotpri višjih hitrostih vetra, lahko pa dosežemo kon-stanten izkoristek, kar je tudi želeno stanje obra-tovanja turbine.

5 Glavne značilnosti atmosfere5.1 Struktura vetraObnašanje strukture11 vetra je odvisno od splošnih klimatskih razmer nekega področja; geografije - "hrapavosti";lokacije - severna ali južna polobla, ekvator, topologija površine. Energijski tok s Sonca na enoto površine Zemlje,je na ekvatorju največji, na polih najmanjši. S tem se tudi temperatura z geografsko širino spreminja, in posledičnotudi gradient tlaka. Na gibanje zračnih mas na različnih višinah torej vpliva gradient tlaka ter sistemske sile zaradirotacije Zemlje - Coriolis - ova in centripetalna. Atmosfero delimo na več plasti. Za nas je najbolj pomembnapovršinska plast, ki je spodnji del planetarne plasti, debeline 2000 m.V planetarni plasti velja da:

• hitrost vetra narašča z višino,• prihaja do slučajnih fluktuacij v hitrosti vetra - turbulenca,• turbulenca se v času pojavlja naključno, opisujemo jo s statističnimi prijemi, in za nas predstavlja neželeno

stanje ozračja.11Struktura vetra pomeni vse dinamične značilnosti gibanja zračnih mas, hitrostna porazdelitev, višinska porazdelitev,

smer ter intenziteta.

10

5.2 Povprečne hitrosti vetraPri analizi zračnih vetrov predpostavimo, da pihajo v horizontalni smeri, brez turbulenc in brez vpliva hrapavostiterena na hitrosti v višjih plasteh. Zavedajmo se, da se vetrne turbine nahajajo na višje ležečih krajih, z razgibanopovršino.12

Povprečna hitrost vetra na območju središčne višine vetrnic je v našem primeru, poleg kotne hitrosti elis, dobramera za optimizacijo izkoristka. Orientacijo požiralne ravnine regulira dodaten senzor za smer v kateri veter piha.Velikost hitrosti podaja enačba (6): [1]

vpov = 1T

∫ t0+T2

t0−T2

vv(t)dt (6)

kjer je vv(t) trenutna hitrost vetra v smeri povprečne hitrosti vetra ob času t. Čas T je običajno 20 − 60 min [1].

5.3 Značilnosti vetrov v planetarni plastiHitrost vetra z višino v splošnem narašča. Spodnje plasti vetra preko strižnih sil-trenja, zavirajo premikanjavišjih plasti zraku. To zaviranje se na neki višini (2000m) ustavi. Hitrost vetra od te višine dalje je neodvisno odhitrosti gibanja zračnih mas v površinski plasti. Zato rečemo, da veter nad višino 2000m ne "čuti" spremembehrapavosti površine Zemlje. To je višinska meja.13 Spodnji del planetarne plasti je površinska plast, nad njo pa jedo gradientne višine t.i. Ekmanova plast. V površinski plasti, to je do višine 100m je sprememba hitrosti zaradimajhne višine zanemarljiva. Tako povprečno horizontalno hitrost vetra na neki višini opišemo s Prandtlovimlogaritemskim modelom: [1]

vp(Z) =(v∗

k

)ln(Z

Z0

),

kjer je v∗ torna hitrost, k = 0.4 von Karmanova konstanta in Z0 parameter hrapavosti površine - dolžina hra-pavosti, ki nosi lokalno informacijo o stanju površja. Primeri parametrov hrapavosti podaja tabela 2: [1]

Vrsta terena Z0 [m]mirno morje 2 − 3 · 10−4

led 3 · 10−5

visoka trava 0.1gozd 1mesto 1

Tabela 2: Vrednosti parametra Z0.

5.3.1 Verjetnostna porazdelitev hitrostiČe vzamemo, da je veter izotropen 14 in ima komponenti hitrosti u in v, torej smer vzhod - zahod ter sever - jug,je rezultirajoča hitrost v tem primeru: [7]

v2v = v2 + u2.

Gostota verjetnosti hitrosti je Gaussovo porazdeljena: [7]

p(vv) = 1σ2 vve

−v2v

2σ2 ,

kjer je σ2 = (< v2 > − < v >2) 12 standardna deviacija hitrosti. Njena kumulativna porazdelitev: [7]

p(vv < v0) =∫ v0

0p(vv)dvv = 1

σ2

∫ v0

0vve

−v2v

2σ2 dvv = 1 − e−v2v

2σ2 .

in verjetnost, da hitrost vetra vv preseže v0:

Q = p(vv > v0) = 1 − (p(vv < v0)) = e−v2v

2σ2

12Obstajajo enačbe, ki nam iz nekih pogojev (ravna tla, veter brez turbulence, horizontalni veter), izračunajo stanje vetrapri dejanskih pogojih (veter na določeni nadmorski višini, prisotnost turbulence, neravna tla.)

13V meteorologiji tej višini pravijo gradientna višina.14Pomeni, da ima konstantno porazdelitev, in dve horizontalni komponenti.

11

6 AnemometrijaPod pojem karakteristike vetra štejemo najpomembnejše merjene količine vetra - stanja ozračja. Le te sobistvenega pomena pri načrtovanju in izgradnji vetrnih turbin. Kadar želimo vetrnico namestiti v neko območje,moramo le to prej stestirati in izmeriti. Med osnovne in najpomembnejše meritve štejemo:

• merjenje hitrosti ter pogostosti pihanja vetra,• določanje smeri pihanja,• zračni tlak,• temperaturo ozračja,

6.1 Hitrost pihanja vetraPri merjenju hitrosti vetrov se poslužujemo štirih glavnih metod.Hitrosti so sprva le ocenjevali, ne pa natančno določali. Tehnika sega v prvo polovico 15. stoletja. Osnova takemeritve je bila velika plošča, ki je visela v zraku, vpeta na zgornjem robu in postavljena v tok vetra pravokotnona površino plošče. Pri taki meritvi hitrosti je merodajen odklon od navpičnice, ki naj bi bil sorazmeren hitrostivetra.15 Tako merjenje je nenatančno.Drugi primer merilne naprave, za katero se je pri nas udomačilo ime konkavni anemometer, s tremi ali štirimikonkavnimi lopaticami. Vrtljivo so vpete na navpični nosilec, okoli katerega v vetrnem polju ravninsko krožijo.Pri tej vrsti anemometra je merodajna obodna hitrost lopatic, ki jo merimo z mehanskim štetjem obhodov načasovno enoto.16 Danes meritve obhodov potekajo elektronsko. Tretji primer merilnika hitrosti je dobro znananemometer na vročo žičko. Veter ima namreč hladilni efekt na žičko. Velika prednost tega je hiter odziv, slabostpa preobčutljivost same žičke na delce v zraku - aerosoli, prašne delce. Merimo padec temperature.Najnatančnejši so zvočni merilniki hitrosti vetra. Postavimo oddajnik in merilnik na eno stran območja, termerilnik in sprejemnik na drugo. Hitrost zvoka v mirujočem zraku je znana, tako po času preleta v gibajočem sezraku določimo hitrost le - tega. Ena najnatančnejših metod z napako le do 1mm/s.Zgoraj našteti načini merjenja imajo skupne pomanjkljivosti, in sicer:

• nenatančna kalibracija,• nenatančnosti pri določanju intervalov meritev ter čas trajanja meritve,• vpliv nosilnega stebra (ob stebru - nosilcu je gibanje zraka drugačno kot na samem obodu - lopatici),• težava pri merjenju zelo majhnih hitrosti vetrov.

6.2 Smer pihanjaObičajno jo merimo z manjšo vetrnico, ki je pritrjena na navpični drog okoli katerega se vrti. Gibanje vetrnice jeobičajno malo dušeno z namenom preprečiti prehitre, sunkovite spremembe smeri vetra. Smer vetrov določamotudi s pomočjo dveh ali treh med seboj ortogonalnih konkavnih anemometrov. V toku vetra se tak sistem sampostavi v ravnovesno lego - v smeri vetra.

6.3 Merjenje temperatureMerjenje temperature ozračja je namenjeno preprečevanju morebitnega zamrzovanja, ter pri inženirskih preračunihizhodne moči turbune. Največ je v rabi platinast uporovni termometer, ki mora biti ustrezno zaščiten preddirektnimi in odbitimi sončnimi žarki.

6.4 Merjenje tlakaTako kot temperatura, tudi merjenje tlaka služi naknadnim preračunom izhodnih moči. Najprimernejši instrumentje standardni meteorološki barometer.

7 Trenutno globalno stanjeGlobalno gledano, se je v letu 2009 svetovna proizvodnja vetrnic povečala za 31 % [2] kar nanese dodatnih37.5GW [2] energije k že inštaliranim 157.9GW . Vsaj 10 % povečanja števila vetrnic za leto 2009 je bilo naKitajskem, dodatnih 16 % pa je na Kitajskem predvidenih za leto 2012. Vetrna industrija po svetu trenutnozaposluje okoli milion ljudi, ki razpolagajo z 9692 [2] vetrnicami [?].

15Približna sorazmernost dejansko velja le pri hitrostih znotraj določenega intervala.16Frekvenco obhodov.

12

8 Stanje pri nasNatančnejše meritve vetra v Sloveniji, potekajo s strani ELES - a in Centra za Učinkovito Rabo Energije, šelev zadnjih letih. Tako imamo na voljo le kratek časovni niz meritev, primernih za natančnejšo analizo vetrovnihrazmer pri nas. Na meteoroloških postajah pa seveda že dalj časa ocenjujejo jakost in pogostotst vetra. Teocene temeljijo na opazovanju pojavov, ki se pod vplivom vetra dogajajo v naši okolici (ustrezna enotska skalaje Beaufordova lestvica). Najobetavnejša lokacija glede vetrnega polja je Primorska - Volovja rebra ter Banjšice,kjer hitrosti vetra in časi trajanja pihanja vetrov ustrezajo zahtevam. Vendar pa so po zadnjih podatkih, domačinina primorskem dokaj nenaklonjeni postavitvi vetrne elektrarne, predvsem zaradi ptic, ki jih zvok vetrnic privlačiin se vanje zaletavajo. Velik odpor pripisujejo tudi vizualnemu onesnaževanju okolice. Ratifikacija Kjotskegasporazuma Slovenijo obvezuje povečati delež proizvodnje električne energije iz obnovljivih virov za lastne potrebena 20 % do leta 2020. Vetrovi v Sloveniji so glede na razmere drugod po Evropi večinoma šibki, kadar pa somočni, so časovno in prostorsko omejeni. Nanje bistveno vplivajo Alpe, saj je Slovenija v njihovem zavetrju,kadar pihajo zahodni, severozahodni ali severni vetrovi. Splošni vetrovi iz vzhodnih kvadrantov pa so pri nasredkejši. Od močnejših vetrov naj posebej omenimo dokaj enakomeren jugozahodnik, precej bolj sunkovito burjoin viharnik, ter k sreči le občasno se pojavljajoči karavanški fen. Hitrosti jugozahodnika nad morjem, kjer pihakot jugo, so pri tleh do 15 m

sizjemoma 25 m

s[2]. Jugo ne seže dlje kot do kraškega roba. Ko nad morjem in

ob obali piha jugo, je tudi v notranjosti Slovenije vetrovno, vendar je prizemni veter nad kopnim zaradi večjegatrenja ob tla šibkejši. Trajanje juga je omejeno in večinoma ni daljše od dveh dni. Na leto je takšnih situacij okoli20 [10]. Burja, sunkovit veter iz severovzhodne smeri, je najizrazitejši in najmočnejši veter na Slovenskem. Poprehodu hladne fronte sredozemskega ciklona se okoli vzhodnega roba Alp v panonski bazen in ob tem tudi nadosrednjo Slovenijo zgrne hladen zrak, ki se prek dinarskih gorskih planot, po njihovih zahodnih in južnih pobočjihpospešuje navzdol proti Jadranu. Burja nastopi nenadoma, in je tudi sicer sunkovita: njena hitrost se v kratkemčasu lahko poveča ali zmanjša za desetkrat. V zahodnem delu Slovenije (Primorski, Obali in Notranjski) je redenpojav (nekaj deset dni na leto) in občasno zelo močna. Po podatkih zadnjih meritev ARSO imamo najmočnejšesunke burje na Kraškem robu, kjer je stalen pojav, in se hitrost lahko sunkovito spremeni za faktor 7 ali 8, karpo priporočilih proizvajalcev vetrnic ni primerno za vetrnice. Lokacija na Volovjih Rebrih je, kar se sunkovitostitiče, primernejša, saj se hitrosti v povprečju spreminjajo le za faktor 4 do 5, burja pa se tod pojavlja s povratnodobo med 5 in 10min,[10] kar bi se dalo dobro izkoristiti. V povprečju je na Volovjih Rebrih več deset dni naleto (med 60 in 100) zelo primernih za obratovanje vetrnic. Nujnost graditve elektrarn se utemeljuje predvsem stem, da ohranimo delež iz obnovljivih virov. Slovenija je ob vstopu v EU sprejela obvezo, da bo ohranila visok,delež oskrbe z električno energijo iz obnovljivih virov, točneje: 20 % domače porabe naj bi do leta 2020 pokrivalaiz obnovljivih virov, kar pa smo že dosegli v letu 2010, ko je Slovenija 24.5 % vse električne energije proizvedla izvodnih virov [10], pri čemer 70 % hidroenergije predstavlja reka Sava, 14 % pa Soča. V EU je pred nami le petdržav: Avstrija, Finska, Latvija, Portugalska in Švedska. Dosežek Slovenije je trenutno, predvsem zaradi vodnihvirov, zadovoljiv. Cilj postavitve vetrne elektrarne na območju Volovjih Reber je zagotoviti 60MW dodatneelektrične energije iz obnovljivih virov, kar znaša 1.5 % moči vseh elektrarn v Sloveniji. Postavili naj bi 30 vetrnihturbin višine 80m z elisami polmera 25m. Potencialno nevarnost onesnaženja bi predstavljalo 200 l olja na vsakoturbino, ki se lahko zaradi takšnih in drugačnih situacij razlije v naravo.

9 Sklepna miselEnergija sončnega sevanja se je miljarde let zbirala v obliki fosilnih goriv, kot so premog, nafta in plin. Prisežiganju navedenih goriv nastajajo emisije škodljivih snovi, predvsem ogljikovega dioksida CO2, ogljikovegamonoksida CO, žveplovega dioksida SO2, ter dušikovi NOx oksidi. Ti plini škodljivo vplivajo na zdravje ljudi,SO2 povzroča nastanek kislega dežja in je eden glavnih vzrokov odmiranja gozdov. NOx in CO2 sta toplogrednaplina in povečujeta učinek tople grede. Fosilna goriva bodo čedalje dražja predvsem zaradi omejenih zalog, znepredvidljivimi posledicami sprememb klimatskih razmer pa bodo vse bolj obremenjene prihodnje generacije.Izkoriščanje energije vetra nima nikakršnih posledic na zdravje ljudi in okolje, ne obremenjuje prihodnjih generacij,gre le za bolj ali manj estetski poseg v prostor. Vetrne turbine v vseh primerih vršijo pretvorbo kinetične energijevetra v električno. Potencial energije vetra v Sloveniji ni velik, ni pa zanemarljiv, predvsem v Vipavski dolini.Vprašanje je le, če smo sposobni izkoristiti naravne danosti in zapustiti prihodnjim rodovom čistejše okolje naračun uporabe električne energije iz vetrnih turbin.

Literatura[1] L. L. Freris - Wind Energy Conversion Systems, Prentice Hall International, New Jersey, USA 1990.[2] J. Wilkes - Wind in Power-2009 European statistics, European Wind Energy Association, February 2010.

Spletni naslov URL: http://www.ewea.org/fileadmin/eweadocuments/documents/statistics/100401GeneralStats2009.pdf

13

[3] http://www.sciencedaily.com/ URL: http://www.sciencedaily.com/releases/2010/11/101108140636.htm[4] L. D. Landau, E. M. Liftshitz - Fluid Mechanics, 2nd Ed., Institue of Physical Problems, U. S. S. R., Academy

of Sciences, Pergamon Press, Headington Hill Hall 1987, Oxford OX3 0BW, England.[5] K. Ro, H. Choi - Application of neural network controller for maximum power extraction of a grid-connected

wind turbine system Department of Electrical Engineering, Dongguk University, 100-715 Seoul, July 2004Korea

[6] J. Strnad - Fizika 1. del Mehanika/Toplota, DZS, Ljubljana 1982.[7] Douglas C. Giancoli - Physics, principles with applications, 4th Ed., Prentice Hall International, INC Engle-

wood Cliffs, New Jersey 1995.[8] S. Goldstein - On the vortex theory of screw propellers, Proceedings of the Royal Society, A123, pp. 440 - 66,

London 1954[9] R. Kladnik - Osnove fizike 2, visokošolski ucbenik za fiziko, DZS, Ljubljana 1998.

[10] http/www.ARSO.si. URL: http://www.arso.gov.si/podnebne20spremembe/porocilaC4//8Dila//20in//20publikacije//veter.pdf[11] BHRA Fluid Engeneering, paper paper no. H1, pp.357 - 75 Turbine and a comparison with modified Blade

Element Theory, page no 160. Proceedings of the Third International Symposium on Wind Energy Systems,Copenhagen, August 1980.

[12] I. N. Bronstein, K. A. Semendjajev, G. Musiol, H. Mühlig - Matematični priročnik, 2. izdaja, TehniškaZaložba Slovenije, Ljubljana, 1997.

14