Ветроелектрана

Ветроелектрана – низа од блиско сместени ветротурбини, најчесто од ист вид, изложени на ист ветар и приклучени со посредство на заеднички раставен уред на електроенергетскиот систем. Ветротурбината е вртечка машина која ја претвора кинетичката енергија на ветерот прво во механичка, а потоа преку електрични генератори во електрична енергија. Притоа роторот на ветротурбината и роторот на електричниот генератор се наоѓаат на исто вратило. Ветроелектраната е обновлив извор на електрична енергија со погон на кинетичката енергија на ветрот.
Ветерната енергија всушност е облик на сончева енергија. Сонцето нерамномерно загрева различни делови на Земјата и тоа резултира со различни притисоци на воздухот, а ветрот се создава заради тежнеењето за изедначување на притисоците на воздухот. Постојат делови на Земјата на кои дуваат т.н. постојани (планетарни) ветрови и на тие подрачја искористувањето на ветерната енергија е најисплатливо. Добри локации се бреговите на морињата и океаните (крајбрежна ветроелектрана), како и отвореното море (пловечка ветроелектрана). Отвореното море се истакнува како најдобра локација заради постојаноста на ветровите, но цените за изградба и пренос на енергијата ги успоруваат таквите вложувања.
При претворањето на кинетичката енергија на ветрот во механичка енергија (вртењето на оската на генераторот, се користи само разликата на брзината на ветрот на влезот и излезот. Алберт Бец, германски физичар, уште во далечната 1919 година го дал законот за енергијата на ветрот, познат како Бецов закон. Според овој закон само 16/27 или 59% од кинетичката енергија на ветрот може да се претвори во механичка енергија со помош на турбина на ветар. Ова е теорискиот максимум, во пракса може да се претворат меѓу 35% и 45% од енергијата на ветрот заради разни загуби во системот.
За користење на енергијата на ветрот често се користат агро-хортикултурни називи, па така се зборува за ветропаркови, ветрофарми или ветрополиња. На тој начин и со самата номенклатура се прави обид да се каже дека не се работи за „прави“ електрани. Затоа треба јасно да се каже, ветроелектраната е електрана и тоа таква која како гориво за производство на електрична енергија го користи ветрот. Оваа електрана како и секоја друга електрана се состои од неколку делови, вклучувајќи ветроагрегати (турбина + генератор), трансформаторски станици, кабли и водови, како и останати припадни објекти. На тој начин се постигнува систематичност во именувањата на објектите за производство на електрична енергија (хидроелектрана, термоелектрана, атомска електрана, итн.) и јасно се искажува дека ветроелектраната е електроенергетски објект, а не елемент од земјоделски карактер или дел од пејзаж.
1 Историја на ветроелектраните
Историјата на ветроелектраните и користењето на енергијата на ветрот се протега до времето кога луѓето првпат поставиле едра на бродовите и со тоа овозможиле далечни патувања и одлучиле своите живот да му ги поверат на тој непредвидлив обновлив извор на енергија. Може да се каже дека на некој начин ветрот бил тој кој ја покренал ерата на истражување и овозможил пренесување на стока и добра во неслутени количини на големи далечини. Долго време после првите едра дошло користењето на енергијата на ветрот за извршување на механичка работа во мелниците, за движење на водените пумпи (особено во Холандија), на средниот запад во САД и во зафрлените делови на Австралија. Во модерно време со пронаоѓањето на електричната енергија, ветрот почнува да се користи за производство на истата, но дури во последните две декади, заради сè поголемото загадување на околината, го почнува својот значителен раст, за денес да биде еден од главните извори на енергија за блиската иднина.
2 Предности и недостатоци
Ветроелектраните ги имаат следните предности:
* не трошат гориво, т.е. енергијата не ветрот условно речено е "бесплатна";
* ветроелектраните се пожелен облик на обновливи извори на енергија во однос на електраните на фосилни горива, бидејќи хемиски и биолошки не ја загадуваат околината;
* ветроелектраните може да имаат умерено позитивно влијание на смалување на снагата на ветрот во подрачјата кои се изложени на многу јаки ветрови;
* борба против глобалното затоплување (протокол од Кјото);
* ветроелектраните се енергетски постројки без штетни емисии;
Ветроелектраните ги имаат следните недостатоци:
* повременост на погонот, зависност од метеоролошките одлики на подрачјето каде се имплементира. Нема ефикасно решение за акумулирање на поголеми количини на енергија за периодите без ветар, па заради тоа ветроелектраните треба да бидат поврзани на електроенергетскиот систем на областа и со него да разменува енергија. Како пригодна изгледа комбинацијата на хидроелектрани и ветроелектрани, која во период на посилен ветар ја штеди хидроакумулацијата, а во период без ветар, енергијата ја дава хидроелектраната;
* големите промени на снагата на ветрот технички потешко може да се совладаат. Техничките решенија мораат да спречат оштетување на ветерницата при бури и да извлечат максимална снага при слаб ветар, што ги поскапува решенијата;
* за усогласување на бројот на вртежи на ветротурбината со бројот на вртежи на вградениот генератор потребен е мултипликатор со автоматска регулација на брзината на генераторот, што исто така ја поскапува техничката изведба;
* трошоците за одржување знаат да бидат значителна ставка во цената на добиената енергија од ветерот, бидејќи во случај на големи ветроелектрани бројот на уреди е релативно голем, т.е. моќноста по еден уред е далеку помала отколку кај класичните електрани на фосилни горива;
* присутно е извесно „естетско загадување“ во случај на големи ветроелектрани, меѓутоа истото нема големо значење ако таквата ветроелектрана се гради во ненаселени простори.
3 Избор на положбата на ветроелектраните
Иако ветропотенцијалот е најважниот чинител за избор на положбата на ветроелектрнаите, постојат и други чинители кои треба да бидат задоволени. Изборот на положбата се спроведува во два чекора. Најпрво се одредува подрачјата кои се непогодни за изградба од следните причини:
* подрачјето има исклучително мал ветропотенцијал;
* подрачје заштитено заради исклучителните природни или културни вредности (парк на природата, археолошко наоѓалиште);
* подрачје наменето за изградба на станбени или стопански објекти;
* подрачје со многу изискувачки релјеф со обѕир на можност за градба.
Во вториот чекор се спроведува вреднување на макролокацијата врз основа на критериуми како што се:
* средна годишна брзина на ветрот;
* големина на локацијата, односно број на ветроагрегатски единици кои можат да се постават на таа локација;
* оддалеченост на локацијата од патната инфраструктура;
* оддалеченост на локацијата од постојната електрична мрежа;
* можност за одржување и надзор на ветроелектраната;
* значајност на теренот (шумовитост, погодност за земјоделство и друго);
* влијание на животинскиот свет (миграциски патишта на птиците селици, заштитени живеалишта и друго)
* положба на локацијата во однос на туристичките подрачја.
Во рамките на одбраните макролокации се издвојуваат микролокации. За вреднување и избор на најповолните микролокации може да се примени начело слично како за изборот на макролокација. По изборот на микролокација се тргнува во мерење на одликите на ветрот (брзина, насока и друго). На основа на анализата на измерените вредности во одреден временски период (минимално 1 година) се изработува студија на изводливост во која се одредува големината и бројот на ветроагрегати, односно оптималниот капацитет на локацијата. Спрема наведените чинители, идеална ветроелектрана е онаа која е сместена на место на која има поволен ветропотенцијали, се наоѓа близу до постојната електрична мрежа, има добар патен пристап, а нејзината изградба е во склад со намената на просторот и условите за заштита на околината.
3.1 Ветропотенцијал
Ветропотенцијалот е најважниот чинител за избор на положбата на ветроелектраните. Всушност тоа се одликите на ветрот на поедина локација. Најважната одлика е средната годишна брзина на ветрот на одредена висина над тлото. Имено, ветрогенераторот се придвижува кога брзината на ветрот ќе биде отприлика 3 m/s. При таа брзина производството на електрична енергија е многу мало. Со пораст на брзината, количината на електрична енергија се зголемува до максималната, која се постигнува на брзина од ветрот од околу 12 m/s. Со понатамошен пораст на брзината на ветрот количината на произведена енергија повеќе не се зголемува. Кога брзината ќе порасне преку 25 до 30 m/s, ветроагрегатот се исклучува бидејќи не може да ги поднесе механичките оптоварувања кои ги предизвикува толку голема брзина на ветрот. Од опишаниот начин на работа на ветрогенераторот може да се заклучи дека за идеално производство на електрична енергија е потребна брзина на ветрот од 12 m/s.
Тоа е само прв чекор во одредување на ветропотенцијалот. Потоа, потребно е да се разгледа како е распоредена брзината на ветрот во текот на годината. На пример, во годишниот просек може да биде содржан голем број на часови со брзина над 30 m/s или под 3 m/s, што всушност не е погодно за искористување. Може да се заклучи дека за енергетско искористување оптимален ветар до средна јачина, без големи осцилации и кој има што поголема честота.
Заради големата зависност на приносот на енергија (а со самото тоа и економска исплатливост) од брзината на ветрот (зависност на енергијата на ветрот од кубот на брзината на ветрот), потребни се точни мерења на ветрот на самата локација. Мерењата се вршат со помош на анемометар кои се прицврстени на столбови, приближно на висина на оската на која би се наоѓале ветроагрегатите (иако последниве години се бележи раст на т.н. далечински мерења). Обично треба да се постават повеќе столбови на локацијата во период од барем 6 месеци, а се препорачува тој период да биде неколку години. Брзината на ветрот е основен чинител од кој се тргнува при проектирање на сите ветроагрегати кои ќе се наоѓаат на локацијата, нивниот број и просторен распоред. Брзината на ветрот исто така служи како појдовна точка за сите пресметки за економската исплатливост и производството на енергија. Осетливоста на придонесот на енергијата од брзината на ветрот зависи и од брзината на самиот ветар. Заради тоа особено е важно точно да се мери брзината на ветрот на локациите каде брзината е помала.
За одредена локација битно е да се познаваат насоките од кои дува ветрот (ружа на ветровите), за да се одреди оптималниот распоред на ветроагрегатите за максимално да се искористи ветрот од сите насоки. Втора најважна одлика на ветрот, освен средната брзина, е распределбата на брзината на ветрот. Вајбуловата крива е алатка која служи за реалистична распределба на брзината на ветрот. Тригодишните мерења значително ги смалуваат отстапувањата на брзините на ветрот во однос на долгогодишните осцилации на ветрот, на 3% на брзината на ветрот и околу 4% во производството на енергија. Останати битни податоци за ветрот се долгорочна густина на воздухот на локацијата и интензитетот на турбуленциите на ветрот на локацијата. Овие чинители сами по себе не влијаат на производството на енергија од ветрот, но влијаат при одредување на оптоварувањето на лопатките на роторот и на очекуваниот век на траење на самиот ветрогенератор.
4 Видови ветроелектрани
Ветроелектраните може да се поделат на копнени ветроелектрани, крајбрежни ветроелектрани, пловечки ветроелектрани и воздушни ветроелектрани. Најголеми производители на електрична енергија со помош на ветар се САД, Германија, Шпанија и Кина.
4.1 Копнени ветроелектрани
Копнените ветроелектрани се градат на цврсто тло и се најчест облик на ветроелектрани. Најголеми ветроелектрани на светот се:
Ветроелектрана, Номинална моќност (MW), Држава, Координати, Опис
Џајсалмер, 1 064, Индија,
Роско, 781,5, САД,
Хорс Холоу, 735,5, САД,
Алта, 720, САД,
Каприкорн Риџ, 662,5, САД,
Фоулер Риџ, 599,8, САД,
Свитвотер, 585,3, САД,
Бафало Геп, 523,3, САД,
Дабанченг, 500, Кина,
Мидоу Лејк, 500, САД,
4.2 Крајбрежни ветроелектрани
Крајбрежна ветроелектрана (|Offshore wind park) е вид ветроелектрана со цврсти темели која се гради на море (има планови за изградба и на езера), главно во крајбрежни подрачја, каде длабочината на водата обично е помала од 60 метри (оддалеченост од брегот најмногу 50 km, за разлика од пловечките ветроелектрани, кои се градат на отворено море. Факт е дека водата (а особено длабоката вода) има помала површинска "рапавост" од копното, има големо влијание на брзината на ветрот, кои се многу поголеми на море. Факторите на моќноста се многу поголеми кај такви градби. Кај локации со продолжени плиткости (како на пример во Данска), ветроелектраните лесно се градат. Во општ случај, морските инсталации на ветроагрегати се вообичаено поскапи од копнените. Тоа е заради тоа што кулите им се повисоки кога се смета и делот под вода и самата градба е поскапа. Произведената електрична енергија до копното се пренесува со подморски кабли. Одржувањето е исто така поскапо, а мора да се внимава и на заштитата од корозија, заради што често се додаваат премази и катодна заштита. Таквите турбини се најголеми турбини во погон и се предвидува дека нивната големина (и инсталирана моќност) и понатаму ќе расте (преку 6 MW). Ветроелектраните сместени на море имаат и повеќе од 100 ветроагрегати.
4.3 Пловечки ветроелектрани
Пловечка ветроелектрана е вид ветроелектрана која се поставува на пловечки објект во подлабоко море, каде не е можно да се постави крајбрежна ветроелектрана. Пловечките ветроелектрани се сложени и бараат поголеми почетни трошоци, но поновите студии покажале дека заради нивните можности да пристапат на помоќни ветрови имаат исплатливост на примената. Обично повеќе пловечки ветроагрегати се поврзуваат заедно во ветроелектрана за да се користи заеднички подводен кабел за пренос на електричната енергија..
4.4 Висински ветроелектрани
Концептот на висински ветроелектрани се заснова на искористување на енергијата на ветрот во повисоките слоеви на атмосферата. Тие претставуваат дизајниран концепт на ветроелектрани кои на различни начини се подигнати во висина без потпора на кула. Може да се поделат во две групи: оние кои за искористување на ветрот на пониски висини и на оние кои тоа го чинат на повисоки висини. Во текот на последните 20 години, направени се неколку десетини проекти и концепти од кои се издвоиле неколку кои имаат шанси за реализација. Заедничко им е што се предвидени за искористување на ветрот на висини поголеми од она што можат ветроелектраните монтирани на тлото, можност за монтажа на која било локација на светот и во целост се еколошки прифатливи, бидејќи не испуштаат стаклени гасови. Висинските ветроелектрани на тој начин можат да произведуваат електрична енергија 90% од времето, додека оние на Земјата тоа би можеле да го прават максимално 35% од времето. Тоа би резултирало со поевтинување на електричната енергија и би барало помалку ветроелектрани за истата количина на електрична енергија.
5 Ветроагрегати
Ветроагрегат е вртечка машина која кинетичката енергија на ветрот прво во механичка енергија, а потоа преку електричен генератор во електрична енергија. Притоа роторот на ветротурбината и роторот на електричниот генератор се наоѓаат на исто вратило.
Ветроагрегатите ја користат енергијата на ветрот, која се вбројува во обновливи извори на енергија.
5.1 Изведби на ветроагрегатите
Постои цела низа на поделби на агрегатите, па така во зависност од некои конструкциски и работни особености се делат според:
* положба на оската на турбинското коло: ветроагрегати со водорамна и вертикална оска;
* односот на брзината на најоддалечената точка на роторот и брзината на ветрот: брзоодна и спороодна;
* бројот на лопатки: повеќелопатични, со неколку лопатки и со една лопатка;
* големината на моментот на сила: високомоментни и нискомоментни;
* начинот на придвижување: самопридвижуивачки и несамопридвижувачки;
* Ефикасност на претворање на енергијата на ветрот во момент на сила: ниско и високоефикасни;
* начинот на вртење на роторот спрема брзината на ветрот: променливи и непроменливи
5.1.1 Ветроагрегати со вертикална оска
Ветроагрегатите со вертикална оска се најстариот систем за искористува на енергијата на ветрот. Денес исто така постојат концепти на модерни ветроагрегати кои имаат вертикална положба на оската. Негативна страна на овој вид ветроагрегати е помалиот коефициент на корисно дејство во однос на ветроагрегатите со хоризонтална оска, а позитивни се:
* ветроагрегатот нема насочување, не мора да биде насочен кон ветрот, па не требаат дополнителни уреди за следење на ветрот и вртење на ветротурбината;
* потребен е послаб ветер за нивна работа;
* уредите за контрола на ветроагрегатот и претворање на енергијата можат да бидат сместени на рамниште на земјата заради вертикалната оска на роторот;
* поедноставна структура што го олеснува и само поставување.
Видови ветроагрегати со вертикална оска се:
* Савониусов ротор,
* Дарјеов ротор,
* H ротор,
* ветерница со ротирачки едра.
Савониусовиот ротор работи на принципот на отпорно делување кое го комбинира со потисокот. Се состои од две полуцилиндрични лопатки кои се отворени на спротивните страни. Близу оската, лопатките се преклопуваат така што пренасочениот ветер може да струи од една лопатка во друга. Овој вид ротор има поголема искористеност од ротор заснован само на отпорното делување, но помала од ротор примарно заснован на потисок. Овој вид ротори има предност која се заснова на тоа што може да почне да се врти на мали брзина на ветрот, додека лоша страна му е тоа што е потребно многу материјал за нивна изработка.
Дарјеовиот ротор го конструирал Французинот Жорж Дарје во 1929 година. Овој вид ротори се состои од две или три лопатки кои имаат облик на парабола. Профилот на роторските лопатки според обликот одговара на работа на принцип на потисок. Искористивоста на овие ротори е многу поголема од онаа на Савониусовите ротори. Главен недостаток на Дарјеовиот ротор е што не може сам да го започне вртењето, па заради тоа секогаш бара помошен уред за задвижување.
Со понатомошен развој на Дарјеовиот ротор развиен е H ротор или H – Дарјеов ротор. Овој ротор уште се нарекува Хајделбергов ротор според компанијата ''Хајделберг мотор''. Генератор со перманентен магнет е интегриран во самата структура на роторот и не бара систем за пренос.
5.1.2 Ветроагрегати со водорамна оска
Ветроагрегатите со водорамна оска денес се најзастапен вид ветротурбини. Ветроагрегатите стигнале до многу висок степен на техничка развиеност и стигнуваат до моќности од неколку мегавати, додека ветроагрегатите од 1980-тите години биле во рангот под 100 kW
5.2 Ветроелектрани во Македонија
Во Македонија првите ветерни електрани се изградени во периодот од 2011 до 2014 г, како дел од ПВЕ „Богданци“ близу градот Богданци во јужниот дел на земјата.
Првиот приватен ветропарк е ПВЕ „Богословец“, чија прва фаза е почната во 2021 г. кај селото Богословец, Светиниколско.
6 Поврзано
* Ветар
* Ветерница
* Електричен генератор
* Електрична енергија
* Ветроагрегат
* Енергија на ветрот