VETRNE TURBINE

Nina Rogelj

April 2009

ZGODOVINA

Mlini na veter sodijo med najstarejse stroje, ki spreminjajo eno vrsto energijev drugo. V Alexandriji so izkopali ostanke temeljev mlina starega 3000 let. VEvropi so se prvi mlini pojavili v Britaniji in na Ceskem v 8. stoletju, v zahodniEvropi se je raba mlinov na veter zacela v srednjem veku. Tehnicno dovrsenimlini so se najveckrat uporabljali za mletje zita in crpanje vode.

Pionir prvih vetrnih elektrarn je bil American Charles F. Brush (1849 -1929). Izumil je generator na enosmerni tok, ki je bil vkljucen v elektricnoomrezje. Na prehodu iz leta 1887 v 1888 je zgradil prvo avtomatizirano vetrnoturbino, z vgrajenim elektricnim generatorjem. Za tiste case je bila to pravavelikanka, rotor je meril 17m in vseboval 144 elis. Turbina je delovala 20 let,in polnila ”baterije”grascine. Za tako veliko turbino bi pricakovali kar solidnomoc, vendar je bila njena kapaciteta le 12kW. Razlog za tako majhno moc jepocasno vrtenje rotorja.

Slika 1: Brush-eva turbina

V istem obdobju je na Danskem raziskoval Poul la Cour (1846 - 1908). Tudiza njega lahko recemo, da je pionir moderne vetrne elektrarne, ki je imela zeaerodinamicno dodelane lopatice. Zgradil si je tudi vetrovnik za svoje poizkuse.

1

Slika 2: Poul la Cour-ova ”elektrarna”

Med drugo svetovno vojno je Dansko podjetje F.L. Smidth razvilo konceptgradnje turbin z dvo in tri elisnimi rotorji, za kar se je potem ohranil vzdevek”danske turbine”. Turbine so proizvajale enosmerni elektricni tok. Za shranje-vanje elektricne energije so takrat potrebovali skladisce baterij. Leta 1951 pa

Slika 3: Skladisce baterij

so na Danskem nadomestili generatorje, ki proizvajajo enosmerni tok z 35kWindukcijskimi generatorji, ki proizvajajo izmenicni tok. Prvo vetrno turbino znovim generatorjem je zgradil Johannes Juul leta 1956 - 1957. Gedser vetrnaturbina je imela moc 200kW, postavljena je bila na severu Danske.

Prve nacrte za masovno produkcijo vetrnih turbin je izdelal nemski inzenirAllgaiger v zgodnjih petdesetih. Nacrtovane so bile tako, da bi oskrbovalekmetije izven dosega mestnega elektricnega omrezja. Po letu 1950 je, zaradinizkih cen fosilnih goriv, razvoj vetrnih elektrarn vpadel, in sele ko je nastopilanaftna kriza, leta 1973, je zainteresiranost za vetrne elektrarne spet narasla.

V danasnjem casu se najvec uporablja tako imenovane Danske turbine.

VRSTE VETRNIH TURBIN

Vetrne turbine delimo na turbine s horizontalno osjo rotorja, turbine z vertikalnoosjo rotorja in neopredeljene turbine.

2

Turbine s horizontalno osjo:

- enoelisna

- dvoelisna

- troelisna

- ameriske vecelisne

- vecelisna v obliki kolesa

- Down-wind

- Up-wind

- Enfield-Andeau

- Multirotor

- Sail wing

- kontrarotirajoca

Slika 4: Turbine s horizontalno osjo

Turbine z vertikalno osjo:

- Savonius

- vecelisna Savonius

- skodelicna

- Φ -Darrieus

3

- ∆ -Darrieus

- Giromil

- Savonius Φ -Darrieus

- Split Savonius

- Magnus

- Airfoil

Slika 5: Turbine z vertikalno osjo

Neopredeljenje turbine:

Slika 6: Neopredeljene turbine

4

ZGRADBA TURBIN

Tako turbine s horizontalno osjo kot turbine z vertikalno osjo imajo svoje pred-nosti in slabosti.

Generator in zavore pri turbinah s horizontalno osjo najdemo spravljenjena vrhu stolpa v kabini. Elise so izpostavljene konstantnemu stresu zaradigravitacije pri vrtenju, rotor mora biti pravilno obrnjen glede na smer vetra.Turbine postavimo na visoke stolpe, kjer je veter mocnejsi.

Slika 7: horizontalno:vertikalno

Pri turbinah z vertikalno osjo generator in zavore najdemo na tleh. Eliseniso izpostavljene stresu, tudi smer rotorja nam ni treba prilagajati glede nasmer vetra. Vendar z njimi ne moremo loviti mocnejsega vetra na visinah, elisepa so obremenjene s spreminjajocim uporom, glede na rotacijo.

Turbine z vertikalno osjo se izdelujejo v nekaterih podjetjih, vendar je glavn-ina izdelave usmerjena na turbine s horizontalno osjo in izboljsavo le teh. Zatose bom v svojem seminarju posvetila predvsem turbinam s horizontalno osjo.

Moderne vetrne turbine so v grobem sestavljene iz stirih komponent: rotorja,kabine, stolpa in senzorjev ter kontrol.

Rotor sestavljajo elise, te izkoriscajo vetrno energijo in jo pretvorijo v mehan-sko delo. Pesto je pritrjen na sredino elis, sluzi kot podpora elisam. Vecinaturbin ima se dodaten mehanizem ki obraca in spreminja naklon elisam, gledena hitrost vetra in zeljeno hitrost rotacije. Kabina varuje in podpira kompo-nente, ki spreminjajo mehansko delo v elektriko. Stolp podpira rotor in kabinoter jih dviguje na visino, kjer je veter mocnejsi. Moderne turbine za industrijskorabo so tipicno 60-100m visoke, elise imajo razpon 100m, rotor in kabina tehtata

5

Slika 8: Zgradba turbin

vec sto ton. Kapaciteta vetrnih turbin ima razpon od nekaj kW za samostojnevetrne turbine do nekaj MW za vecje obrate. Povprecna kapaciteta leta 2002 jebila 1MW.

KABINA

Kabino sestavljajo zunanji okvir, ki sciti pred zunanjim okoljem, notranji okvir,ki podpira in razporeja tezo notranjih komponent, generator, pogon, ki obracakabino na stolpu in elektronika, ki upravlja in nadzoruje celoten proces.

Slika 9: Zgradba kabine

6

Komponente kabine:Low speed in high speed gredi preneseta rotacijo s pesta na menjalnik

in z menjalnika do generatorja.Menjalnik pretvori pocasno vrtenje low speed gredi v hitro vrtenje, ki

poganja high speed gred generatorja.Mehanske zavore s hidravlicnim sistemom ustavijo turbino za cas pregle-

dov in popravil. Prav tako drzijo kabino v pravo smer.Generator pretvori hitro vrtenje s high speed gredi v elektricno energijo.Hladilna enota z velikim ventilatorjem hladi generator in menjalnik.Mehanizem za obracanje turbino obraca glede na smer in hitrost vetra

za maksimalen izkoristek.Senzorji: anemometer za hitrost vetra, vetrna roza za smer, termometer za

temperaturo v kabini in senzor, ki nadzira kable.

Slika 10: Komponente turbine

ROTOR

Rotor vkljucuje elise, ki so najveckrat narejene iz steklenih vlaken ter merijo do50m in ”pitch”pogon, ki kontrolira naklon elis.

Komponente rotorja:Elise izrabljajo princip vzgona za pretvorbo vetrne energije v mehansko.”Pitch”pogon nadzoruje elise in jim po potrebi spreminja naklon. Napa-

jamo ga s pomocjo elektrike ali hidravlike v kabini.Pesto je osnova elis, v njem shranjujemo kontrolne sisteme ”pitch”pogona.

Vrti se skupaj z elisami.

7

STOLP

Sam stolp je zgrajen iz jekla zvitega v prisekan stozec. V notranjosti ima lestevza delavce, ki vzdrzujejo turbino. Tipicno so visoki 60-100m in tezki 200-400ton. Baza stolpa podpira stolp in njegovo tezo prenasa na podlago. Velikostin material sta odvisna od same lokacije postavitve, najpogosteje je zgrajena izojacanega betona.

Slika 11: Stolp

AERODINAMIKA TURBIN

Aerodinamika vetrnih turbin je izredno zapletena, za lazji opis si pomagamo zraznimi modeli. Najpreprostejsi med njimi opisuje rotor kot 2D disk.

Predpostavimo, da je zrak, ki potuje skozi disk locen od okoliskega zraka.Rotor postavimo v cilinder, ki je za diskom sirsi, kar je posledica prisotnostiturbine. Turbina ne more prevzeti vse energije vetra, kar je razvidno iz konti-nuitetne enacbe.

S1v1 = S2v2

Ta nam pove, da se masa zraka ohranja. Ce bi turbina prevzela vso energijovetra, bi bila hitrost v2 = 0, kar bi pomenilo, da se povrsina S2 razsiri vneskoncnost, kar pa je nemogoce. Idealna turbina upocasni veter za 2

3 prvotnevrednosti hitrosti.

Masni tok zraka skozi turbino je konstanten

Φm = Sρv1 + v2

2,

S =povrsina rotorja, ρ =gostota zraka. S pomocjo te enacbe lahko zapisemo

8

Slika 12: Cilinder

moc, ki jo rotor prevzame vetru

P =Φm((v1)2 − v2

2)2

.

Dobljeno moc primerjamo z mocjo pri nemotenem pretoku zraka

P0 =ρ(v1)3S

2

in dobimo iskano razmerje moci:

P

P0=

12[1− (

v2

v1)2][1 +

v2

v1].

Enacba ima maksimum pri v2v1

= 13 , kar je ekvivalentno maksimalni moci 0.59.

Meja se imenuje Betz-ova limita. Zadnjo enacbo v literaturi preoblikujejo v

P = CpρSv3

2,

kjer je v povprecna hitrost vetra, Cp koeficient izkoristka odvisen od hitrostivetra.

Slika 13: Cp v odvisnosti od hitrosti vetra

9

AERODINAMIKA ELIS

Elise so po zgradbi zelo podobne krilom jadralnih letal. Zaradi svoje oblike

Slika 14: Elisa

izrabljajo princip vzgona; pod profilom je tlak nizji kot nad profilom. To velja,ce predpostavimo laminaren tok okrog elis. V resnici je tok turbulenten, ker

Slika 15: Porazdelitev tlaka po profilu

je simetrala profila nagnjena za dolocen kot glede na smer zraka, prav takoimamo na sami elisi majhne raze, turbulatorje, ki pripomorejo k turbulenci. Izenakomernega krozenja vemo, da se obodna hitrost veca z vecanjem radija, zatose konec elise giblje z vecjo hitrostjo kot pritrdisce elise. Razlika hitrosti namda razliko v vzgonu, ta nam eliso zacne zvijati. Temu se elegantno izognemo;vse elise so zarotirane.

10

Slika 16: Turbulenten tok zraka

DELOVANJE TURBIN

Mehanska moc, ki jo generirajo elise vetrne turbine se preko mehanskega prenosaprenese na os generatorja. Mehanski prenos je navadno sestavljen iz menjalnika,sklopke in zavornega sistema. Menjalnik je namenjen zvisanju obratov rotorskegredi na nivo, ki ustreza doticnemu generatorju. Cel mehanski prenos mora bitidimenzioniran tako, da vzdrzi visoke dinamicne sile, ki nastopajo med obra-tovanjem naprave. Nekateri konstruktorji zato poleg menjalnika vkljucijo sevztrajnik, ki na take sile deluje kot dusilni clen.

Moc vetrne turbine narasca s kubom hitrosti vetra vse do neke vrednosti,za katero je bila vetrna turbina zgrajena tj. nazivna oz. obratovalna moc.Elise se zacnejo pri neki hitrosti vetra vrteti, nato stevilo obratov z vetromraste, pri nazivni vrednosti pa zelimo kljub morebitnim vecjim hitrostim vetraobdrzati nazivno moc. To dosezemo z regulacijo aerodinamicnosti turbine oz. sspremembo faktorja Cp. Vendar ko je hitrost vetra znatno vecja od normalnevrednosti obratovanja moramo vetrno turbino zaustaviti, saj lahko pride donepravilnega delovanja in celo unicenja.

REGULACIJA MOCI

Moc vetrnih turbin lahko reguliramo na vec nacinov:

1. Moc spreminjamo s faktorjem izkoristka Cp. Lopaticam med obratovan-jem spremenimo vpadni kot vetra. Tako zmanjsamo aerodinamicno silodviga in povecamo silo upora lopatic. Rezultat je zmanjsanje Cp in s temmanjsa moc vetrne turbine. Spreminjanje gre le do neke meje, zato setakega nacina regulacije moci ne posluzujemo vec.

2. Moc reguliramo z navorom generatorja. V normalnem obratovanju je okolilopatic, ki so nastavljene na kar najbolj optimalen vpadni kot vetra, zago-tovljeno laminarno gibanje zraka. Tako je aerodinamicen izkoristek elis karse da velik. Ko pa nastopi hitrost vetra, pri kateri generator doseze svojo

11

nazivno moc, moramo nadaljnje narascanje navora na rotor prepreciti.Ker je elektrarna priklopljena na togo omrezje se indukcijski generators svojim slipnim momentom upira nadsinhronski hitrosti, kar povzrociprakticno konstantno hitrost propelerja. Ce hitrost vetra se narasca, seposledicno spremeni tudi vpadni kot vetra na lopatice, ki se se vedno vrtijos konstantno hitrostjo. Na elisah dobimo turbulenten tok, ki povzroci dase sila upora mocno poveca. S tem se zmanjsa faktor Cp in moc vetrneturbine.

3. Moc reguliramo z obracanjem vetrne turbine iz smeri vetra. Le v redkihprimerih lahko zasledimo tak tip regulacije. Vetrno turbino, ki je preobre-menjena enostavno obrnemo iz smeri vetra.

GENERATOR

Elise pretvorijo kineticno energijo v energijo vrtenja, ta se prenese na gredgeneratorja, generator pa pretvori mehansko energijo v elektriko. Poznamosinhrotronske in indukcijske, slednji so najbolj razsirjeni.

Elektricni stroji delujejo po principu akcije in reakcije elektromagnetne in-dukcije. Energijska pretvorba je reverzibilna, tako en stroj uporabimo kot motorali kot generator.

Slika 17: Generator

Generatorje gradita stator in rotor. Oba clena sestavljajo cilindricna je-dra, ki so locena z zracno rezo. Jedra so narejena iz magnetnega zeleza z ve-liko permeabilnostjo, na povrsini imajo razporejene prevodnike. Prevodniki solahko namesto na jedru vpeti na tuljavo, ki obkroza jedro. Tuljava proizvedemagnetni tok, ki potuje po zeleznih jedrih in tvori zakljuceno zanko. Elektro-magnetna pretvorba energije se zakljuci z interakcijo magnetnega toka tuljave

12

Slika 18: Zgradba generatorja

Slika 19: Precni prerez statorja in rotorja

z elektricnim tokom v drugih tuljavah.

INDUKCIJSKI GENERATOR

Stator indukcijskega generatorja je zgrajen iz treh navitih tuljav, ki se razlikujejopo fazi. Dovajamo mu trofazni tok. Kombinacija tuljav nam da rotirajocemagnetno polje, ki predstavlja glavni del delovanja indukcijskega generatorja.Kotno hitrost polja imenujemo sinhrotronska hitrost. Podamo jo z enacbo

NS = 60f

p,

kjer je f =frekvenca vzbujanja stacionarnega clena, p =stevilo parov magnetnihpolov.

13

Rotor indukcijskega generatorja je zgrajen iz trdnih prevodnih palic, ki sovgrajene v magnetno jedro. Palice so na koncih povezane z dvema prevodnimaobrocema.

Slika 20: Rotor indukcijskega generatorja

Magnetno polje statorja se vrti s sinhrotronsko hitrostjo. Polje lahko pred-stavimo kot vrteca magneta, kot je razvidno iz slike. Relativna hitrost med mag-netnim poljem in rotorjem nam da napetost, ki pozene tok po rotorju. Elektro-magnetna interakcija med tokom in magnetnim poljem statorja povzroci navor,ki pospesi rotor. Ce generator prikljucimo na breme, nam bo navor poganjalbreme z neko hitrostjo. Dobimo motor. Ce generator prikljucimo na vetrnoturbino in ga poganjamo s hitrostjo vecjo od sinhrotronske, nam proizvedenitok in navor obrneta smer. Dobimo pravi generator, ki nam mehansko mocpretvarja v elektricno.

ZAKLJUCEK

Vetrno turbino lahko uporabljamo kot samostojno enoto za napajanje odrocnihkmetij ali jih povezemo vec skupaj v vetrno elektrarno. Vetrne farme zavza-mejo veliko prostora, saj morajo biti posamezne turbine dovolj narazen, dalahko maksimalno izkoristimo moc vetra. Optimalno so v smeri vetra turbine8-12 polmerov rotorja narazen, v bocni smeri 2-4 polmerov. Ceprav potrebu-jejo veliko prostora zavzamejo dejansko le 5% zemlje, preostali del uporabl-jamo za njive, pasnike,... Ceprav vetrne elektrarne predstavljajo ekoloskocisti nacin pridobivanja elektrike, imajo svoje slabosti. Zaradi velikih in hitrihelis so nevarne za ptice, ki ob bliznjem srecanju s turbino nimajo moznosti zaprezivetje. Nekatere posrka v turbino vrtinec zraka, druge zletijo same, kerjih privlaci zvok turbine. Turbine na obalah s svojim zvokom motijo morske

14

Slika 21: Farma

Slika 22: Uporabnost zemlje

zivali. Turbine so razmeroma tihe, glasne so le pri obratih, ko lovijo smer vetra.Povzrocajo elektromagnetne motnje, zato ne smejo stati preblizu vojaskih bazali letalisc. Prihajalo bi do motenj z radarjem, ovirane bi bile tudi zracne poti.Veliko nevarnost predstavljajo pticam, katere lahko turbina poskra vase ali jihprivlaci s svojim zvokom, da same zletijo v elise. Pri gradnji vetrnih turbin jetreba upostevati tudi vizualno podobo. Veliki stebri z ogromnimi elisami nisoprivlacni na pogled, se posebej ce so postavljeni na obali in kvarijo pogled namorje.

15

Slika 23: Vetrne turbine na morju

16

Literatura

[1] ind and Solar Power SystemsDesign,Analysis, and operation, second edition;Mukund R. Patel

[2] nergy Conversion;D.Yogi Goswami, Frank Kreith

[3] ind Energy Conversion; Dale E. Berg

[4] ikipedia.org

[5] onus-Info: Wind turbine; 1998

[6] ind Turbine Development; George Sterzinger, Matt Svrcek

17