Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Sveučilišta u Splitu Ruđera Boškovića bb 21000 Split tel: (021) 305-777 fax: (021) 463-877

Sažetak: U radu su opisane mogućnosti i načini primjene manjih vjetroturbina u proizvodnji energije za specifične uvjete rada na Hrvatskoj obali i otocima. Dat je osvrt na način rada sustava s malim vjetroturbinama te prikaz određenih utjecajnih parametara na učinkovitost pretvorbe energije vjetra.

Manje vjetroturbine mogle bi se primjeniti u energetskoj podršci onih potrošača koji nemaju priključak na električnu mrežu. Isto tako, uštedilo bi se fosilno gorivo u autonomnim elektroenergetskim sustavima s Diesel agregatima te doprinjelo u energetskoj bilanci kogeneracijskih postrojenja.

Manje vjetroturbine su čisti izvori energije pogodni za podmirivanje dijela energetskih potreba turističkih objekata. U kombinaciji s fotonaponskim uređajima, manje vjetroturbine čine alternativu za opskrbu domaćinstava električnom energijom.

Ključne riječi: manje vjetroturbine, manje vjetroelektrane
 

1. UVOD

Dosadašnja istraživanja o mogućnostima proizvodnje električne energije u Republici Hrvatskoj, lit.[1] i [2], te dobivene meteorološke podloge ovih istraživanja, lit.[3], pokazala su da na Hrvatskoj obali i otocima postoje dostatni vjetropotencijali za moguću proizvodnju el. energije pomoću suvremenih vjetroturbina (VT) srednjih i većih nazivnih snaga (>100 kW).

Prema rezultatima navedenih studija, na izdvojenim makrolokacijama za kopnene vjetroelektrane s povoljnim vjetropotencijalima mogle bi biti smještene skupine vjetroturbina u vjetroelektranama (VE) priključenim na električnu mrežu, moguće godišnje proizvodnje od 375,9 GWh s 250 kW strojevima do 605,6 GWh s 500 kW strojevima. Ukupni proračunati troškovi ovako proizvedene el. energije na pojedinim makrolokacijama bili bi niži od cijene otkupa, te bi potencijalni ulagači mogli ostvariti dobit. Osim izdvojenih makrolokacija izabranih višekriterijalnom analizom, postoji i više manjih lokacija koje nisu obuhvaćene navedenim studijama a koje sadrže dostatni vjetropotencijal za pretvorbu pomoću VT.

Na ovakvim lokacijama s povećanim vjetropotencijalom nije moguće postaviti veći broj VT srednjih i većih nazivnih snaga, ali je moguće postaviti nekoliko VT manjih nazivnih snaga (<100 kW). Kako zbog razvedenosti obale ima više ovako pogodnih lokacija, moguće je pomoću manjih VT proizvoditi energiju, kako za elektromrežu tako i za posebne namjene.

Upotrebom manjih VT zajedno s većim VT u većoj mjeri bi se iskoristio tehnički vjetropotencijal, tj. onaj dio prirodnog vjetropotencijala kojeg je moguće pretvoriti u druge oblike energije, lit.[2]. Budući lokacija za postavljanje jedne ili nekoliko manjih VT ima veći broj, mala vjetroenergetika mogla bi imati primjetnu ulogu u opskrbi energijom u Hrvatskoj.

Postoje pretpostavke da će u 21. stoljeću mali sustavi na obnovljive izvore energije (vjetar, sunce, voda) imati najveći utjecaj na energetskom polju u svijetu, lit.[4].

2. PODJELA MANJIH VJETROTURBINA

Radi lakše analize mogućnosti primjene manjih VT, u literaturi se spominju različite podjele. Izdvajaju se osnovne podjele sustava u kojem rade manje VT:

1. prema načinu rada: samostalni rad ili sprega s drugim izvorima energije.

2. prema sustavima u kojem rade manje VT:

Tablica 1. Prijedlog kategorizacije vjetroturbina
 

KATEGORIJA VT	VELIČINA VT	SNAGA VT kW	INTERVAL SREDNJE BRZINE m/s	IZBOR LOKACIJE
mikro		< 1	<5	opažanje
mini	manje	1 - 10	5 - 6	proračun
male		10 - 100	6 - 7	studija
srednje	veće	100 - 1000	7 - 8	studija/mjerenja
velike		>1000	>8	studija/mjerenja

Stupac veličine opisuje VT prema gabaritima, načinu postavljanja i energetskim doprinosom. Interval srednje brzine predstavlja iznose srednje godišnje brzine na osi VT ispod kojeg nije preporučljivo ugraditi VT određene kategorije. Stupac izbora lokacije daje preporuku na postupak proračuna prilikom izbora: za izbor lokacije za smještaj mikro VT nije potrebno obavljati proračune vjetropotencijala, već je potrebno pribaviti mišljenje stručnjaka (meteorologa) te imati podatke opažanja u blizini mjesta postavljanja VT (Beaufortova ljestvica, ruža vjetrova), lit.[5]. Za izbor lokacije za mini VT potrebno je napraviti proračun vjetropotencijala (WASP ili sl.). U slučaju malih VT, potrebno je obaviti studiju (ekspertni sustav CRO-EOL, lit.[6]) a kod srednjih i većih VT potrebno je pored studije obaviti i najmanje jednogodišnja mjerenja vjetropotencijala na mikrolokaciji.

U tablici 2. dat je prijedlog kategorizacije VE preme kriteriju instalirane snage po istoj metodologiji kao i za vjetroturbine.

Tablica 2. Prijedlog kategorizacije vjetroelektrana
 

KATEGORIJA VE	VELIČINA VE	SNAGA VE MW	KATEGORIJA VT ZA UGRADNJU U VE				PILOT POSTROJENJE
mini	manje	< 1	mini	male	-	-	ne
male		1 - 10	-	male	srednje	velike	ne
srednje	veće	10 - 100	-	-	srednje	velike	da
velike		>100	-	-	-	velike	da

Nakon kategorije i stupca opisa veličine VE te instalirane snage u MW kao intervala potencija broja 10, slijede stupci kategorija VT za ugradbu u VE i stupac potrebe za izgradnjom testnog ili pilot postrojenja za ispitivanje ponašanja VE prije dovršenja izgradnje VE.

Tablice 1. i 2. prilog su standardizaciji pojmova u vjetroenergetici, lit.[ 7].
 
 

3. UPOTREBA manjih vjetroturbina
 
 

Vjetroturbine su prikladne za opskrbu energijom potrošača poput crpnih sustava na farmama, navigacijskih, telekomunikacijskih i signalnih uređaja na brodovima, svjetionicima i udaljenim postajama, električnih uređaja u vikendicama, udaljenim naseljima i slično, slika 1.
 
 

Slika 1. Primjeri upotrebe malih VT za opskrbu električnom energijom kuće (a), za crpljenje vode (b) i opskrbu signalizacijskih uređaja (c)
 
 

Poznato je da VT srednjih i većih snaga učinkovitije i ekonomičnije pretvaraju energiju vjetra u el. energiju nego manje VT. Razlozi za upotrebu manjih VT za proizvodnju el. energije su, lit.[8] : slaba elektro-mreža područja kao u slučaju naselja s manje ljudi i malom potrošnjom električne energije; manje su fluktuacije el. struje u mreži ako se VE sastoji od više manjih VT; niži su troškovi postavljanja manjih VT na lokaciji jer se izbjegava upotreba velikih dizalica; manja je osjetljivost isporuke el. energije iz VE zbog ispadanja pojedine VT iz rada uslijed nepredvidljivih okolnosti; ponekad se manje narušava estetski izgled lokacije s više manjih VT nego s nekoliko većih VT. Pretvorena energija vjetra može se preuzimati s vratila izravno na potrošača ili generiranjem električne energije. Razne mogućnosti proizvodnje i potrošnje pomoću malih VT prikazuje slika 2. Na područjima gdje postoji dovoljno energije sunca i energije vjetra, kao u slučaju hrvatske obale i otoka, moguće je kombinirati obnovljive izvore energije. Tako se VT upotrebljavaju u kombinaciji s fotovoltaicima i ovakvi hibridni sustavi reduciraju sezonske varijacije ukupne energije vjetra i sunca, slika 3. prema lit.[ 9] .

Slika 2. Prikaz mogućih tokova pretvorbe energije vjetra do potrošača ili elektromreže

Slika 3. Prikaz hibridnog VT-FV sustava, (LMW, lit.[9])
 
 

Jedan od razloga upotrebe manjih VT je i jednostavnost njihovog postavljanja na lokaciji. Ova značajka je bitna na teže pristupačnom terenu, bez uređenih puteva ili pristaništa ako je riječ o otocima. Osim toga, zbog manjih gabarita, manje VT lakše se transportiraju te omogućavaju jednostavnije temeljenje, slika 4.

Slika 4. Postavljanje manje vjetroturbine ("Köster", 100 kW, visina osi 22,7 m)(a), postavljanje većih vjetroturbina ("Ecotecnia", 200-500 kW, Tarifa, visine osi ?30 m)(b), samopodizni sustav većih vjetroturbina tvrtke "Enercon" (230/280 kW, visine osi 34-50 m)(c)

Manje VT mogu se postavljati uz pomoć polužnih sustava ili vitala, slika 4.a), dok se veće VT trebaju postavljati pomoću dizalica, slika 4.b) ili posebnim sustavima kojim se za podizanje koristi prethodno postavljeni modul stupa, slika 4.c). Vidljiva je prednost koju manje VT imaju zbog jednostavnosti postavljanja na lokaciji.
 
 

4. IZBOR VJETROPOTENCIJALA ZA MANJE VJETROTURBINE
 
 

Proizvođačke specifikacije i istraživanja navode da se za manje vjetroturbine koriste vjetropotencijali izraženi srednjom godišnjom brzinom prema tablici 1.

Vjetropotencijali izraženi srednjom godišnjom brzinom vjetra do 7 m/s na visini osi VT dovoljni su za učinkovit rad manjih vjetroturbinskih jedinica (<100 kW). U Hrvatskoj su česti vjetropotencijali do 7 m/s na visini od 25 m iznad tla, lit.[1] i [3].

Prilikom izbora lokacije za rad manjih VT treba imati u vidu i utjecaj površine terena na vjetropotencijal, posebno hrapavosti, oblika te prepreka, lit.[10]. Zbog utjecaja hrapavosti terena, razdioba vodoravnih vektora brzina vjetra mijenja se po visini. Ova promjena često se u literaturi opisuje logaritamskim zakonom, tako da korekcija mjerene brzina v₁ za visinu osi ima iznos v₂=v₁·log(z₂/z₀)/log(z₁/z₀), slika 5.

Jedna od osnovnih značajki priobalja i otoka Hrvatske je kompleksnost terena, koja u energetskom smislu može povećavati ili smanjivati vjetropotencijal. Na slici 6. prikazan je utjecaj oblika terena na brzinu vjetra. Ovaj utjecaj vrijedi samo ako se uzvisina može aproksimirati blagim oblicima i usponima. U suprotnom dolazi do većih turbulencija koje ometaju rad VT i smanjuju vodoravnu komponentu brzine vjetra, lit.[10].
 
 

Slika 5. Visinska razdioba brzina vjetra nakon korekcije s visine mjerenih podataka na visinu osi vratila VT

Slika 6. Utjecaj oblika terena na povećanje brzine (speed-up efekt)
 
 

Budući se osi vratila manjih VT postavljaju relativno nisko nad zemljom, od nekoliko m do oko 30 m visine iznad tla, prilikom izbora mjesta rada ovih VT potrebno je obratiti požnju na moguće prepreke koje bi remetile strujno polje te bitno utjecale na lokalni vjetropotencijal.

Prilikom postavljanja manjih VT jedinica treba paziti da zračno strujanje iz smjera dominantnih vjetrova bude po mogućnosti neometano jer se na taj način može pretvoriti čim veća raspoloživa energija vjetra. Iz navedenog razloga potrebno je poznavati ružu vjetrova na potencijalnoj lokaciji.

Slika 7. pokazuje utjecaj krute prepreke visine 10 m i širine 10 m (kuća) na visini osi od 10 m 100 m iza prepreke u postotnim iznosima od brzine u struji bez prepreke.
 
 

Slika 7. Utjecaj krute prepreke visine 10 m i širine 10 m (zgrada) na brzinu vjetra izražen u % od brzine vjetra za visinu osi vratila 10 m a na udaljenosti 100 m od prepreke (proračun prema Danish Wind Turbine Manufact. Association)
 
 

Iz slike je vidljivo da na visini osi kola proračun predviđa 90% brzine vjetra u odnosu na brzinu vjetra u neometanoj struji prije prepreke na toj visini.

Zatamnjeni dio slike podrazumijeva velika odstupanja brzine i turbulenciju u struji koji se proteže preko polovice udaljenosti od prepreke do promatranog mjesta postavljanja vjetroturbine.
 
 

5. MOGUĆNOSTI PRIMJENE MANJIH VJETROTURBINA
 
 

Proizvodnja električne energije pomoću mikro VT: Ovaj način pretvorbe energije vjetra u električnu energiju kod nas je najčešći ali i najmanje ekonomičan. Primarna zadaća mikro VT je podmirivanje potreba za električnom energijom određenih uređaja i zato je ekonomičnost u drugom planu. Mikro VT najčešće se koriste na vikendicama i brodovima: za rasvjetu, opskrbu rashladnih, radio i TV uređaja, navigacijske i komunikacijske uređaje i sl.

Mali hibridni sustav koji se sastoji od manje VT i fotovoltaika (FV) te sustava pohrane i transformacije električne energije predstavlja gotovo idealni ekološki prihvatljiv izvor za hrvatsku obalu i otoke i može u potpunosti zadovljiti potrebe za električnom energijom navedenih manjih potrošača ali i domaćinstava. S dodatkom solarnih sustava za zagrijavanje potrošne vode, moguće je podmiriti većinu energetskih potreba prosječnog domaćinstva podneblja bogatih energijom sunca i vjetra (npr. Mediteran).
 
 

Proizvodnja električne energije u mini VE: Prema lit.[ 11]iz 1991 god., na 303 otočna naselja živjelo je 120.000 stanovnika. Kako je prosječan broj stanovnika po domaćinstvu 3,1 (za cijelu Hrvatsku) to znači da je na otocima bilo oko 38.700 domaćinstva. Ako bi, uz poticajne mjere, svako stoto domaćinstvo investiralo u vjetroturbinu s npr. 15 kW nazivne snage za potpuno ili djelomično pokrivanje vlastitih potreba te akumulaciju ili prodaju viška proizvedene električne energije, to bi ukupno bilo 5,8 MW instalirane snage na otocima. Procjenjuje se da navedena instalirana snaga ne bi bitnije utjecala na stabilnost elektroenergetske mreže. Ove vjetroturbine mogle bi proizvoditi 14 MWh/godišnje po jedinici, za srednju godišnju brzinu vjetra od 5 m/s. Ukupno bi bilo moguće proizvesti 5,4 GWh električne energije godišnje, od čega bi se dio mogao isporučivati i na kopno.

U svijetu se primjenjuju VE u hibridnom sustavu koji uključuje Diesel agregat i sve češće fotovoltaike. Rad manje VE i FV u ovakvim postrojenjima na obali ili otocima služio bi za uštedu goriva, a Diesel agregat bio bi stabilan izvor električne energije, posebno na onim ograncima elektroenergetskog sustava kojeg u turističkoj sezoni opterećuje povećani konzum.
 
 

Proizvodnja pitke vode u reverzno osmotskim sustavima: Upotrebom hibridnog sustava koji uključuje reverzno osmotski sustav (RO) za desalinaciju morske vode (tlačna membranska separacija) pogonjenog električnom energijom iz VT moguće je dobiti pitku vodu, vodu za navodnjavanje, što je posebno važno kod otočnih poljoprivrednih dobra te sanitarnu vodu, važnu kod opskrbe turističkih objekata. Prema lit.[12], očekivana prosječna potrošnja vode je između 8 i 150 m³ dnevno po nastanjenim manjim otocima bez tekuće vode s kopna. RO sustavi troše 6 do 10 kWh energije za proizvodnju 1 m³ vode. Ako se usvoji optimalna prosječna potrošnja vode od 100 m³/dan po otoku treba osigurati do 1 MWh dnevno, što je moguće s manjim VT ili manjim VE. Primjerice, jedinica VT od 30 kW može pri srednjoj godišnjoj brzini od 5 m/s proizvesti 60 MWh godišnje. Prema navedenom, bilo bi dovoljno šest ovakvih VT na svakom otoku za podmirenje procjenjenih prosječnih potreba za vodom. Isto tako, RO sustavi su zgodni za preuzimanje viška pretvorene energije vjetra, jer bi u slučaju smanjenih potreba konzuma visokotlačne crpke RO sustava preuzimale višak električne energije te desaliniziranu vodu pohranjivale u bazenima za kasniju upotrebu.
 
 

Proizvodnja vodika: Vodik se može primjenjivati kao ekološki prihvatljiv energent u klasičnim izvorima energije, koji kemijsku energiju goriva pretvaraju u električnu energiju, lit. [12] i [13]. Kad se govori o ekonomičnosti ovakvih pretvorbi energije potrebno je imati u vidu da Hrvatska nema značajnijih pričuva energenata kao što su nafta ili plin, ali zato ima more te da je proizvodnja vodika iz mora ustvari proizvodnja energenta za klasične izvore energije, npr. motora na unutrašnje izgaranje, plinskih turbina tj. toplinskih izvora u kućanstvima, industriji itd. Na taj način agregati mogu proizvoditi i baznu električnu energiju za određeno područje. Osim navedenog, iz vodika se može izravno dobivati električna energija iskorištavanjem elektrokemijskog efekta u gorivim ćelijama. U ovom trenutku, izravna pretvorba energije vjetra u električnu ekonomičnija je nego pretvorba energije vjetra u električnu zatim u kemijsku energiju vodika pa opet u električnu energiju, zbog nižeg stupnja iskorištenja ovakvih energetskih sustava. Međutim, ovakvi sustavi rješavaju problem skladištenje viška pretvorene energije vjetra.
 
 

6. ZAKLJUČCI
 
 

- interes za pretvorbu energije pomoću manjih VT i korištenje za razne namjene postoji. Međutim, relativno visoko početno ulaganje, niža efikasnost pretvorbe energije te nestalnost vjetra kao energenta ukazuje na potrebu sustavnog pristupa ovoj problematici kako bi se, pored većih VT i manje VT mogle koristiti za dobivanje električne energije prihvatljive cijene

- uz određene poticajne mjere, opisani sustavi postali bi ekonomski prihvatljiviji. Domaći poduzetnici pokazali su da su u stanju izraditi kvalitetne manje VT (npr."Tehnoelektro") a na znanosti je da doprinese povećanju efikasnosti pretvorbe energije vjetra u električnu energiju

• prethodno navedene mogućnosti realno su izvedive na hrvatskoj obali i otocima, od kojih je proizvodnja el. energije pomoću mikro VT već izvedena na više mjesta.

- proizvodnja pitke vode ili vodika koristi kao sirovinsku osnovicu gotovo neiscrpni spremnik-more. Važnost vode za život na hrvatskim otocima nije potrebno naglašavati a u osvrtu na isplativost proizvodnje vode desalinacijom ili vodika kao energenta treba naglasiti da su beživotni otoci najmanje isplativi

• za masovniju primjenu rješenja navedenih u pogl.5 i drugih rješenja potrebno je razmotriti prilagodbu i optimizaciju rada VT sustava za vjetrovne prilike na hrvatskoj obali i otocima te izraditi ogledne sustave koji bi ukazali na stvarne mogućnosti male vjetroenergetike

LITERATURA
 
 

Potentials in applying small wind turbines for the supply of electric power in specific conditions on the Croatian coast/islands are presented. The mode of operation of small wind turbine system is reviewed as well as some influential parameters on wind turbine efficiency in converting wind energy. Small wind turbine capacities are applicable in supplying electrical energy to the consumers away from the electric grid. They can save fossile fuel in autonomous power systems and contribute to the energy balance of the cogeneration systems.

Furthermore as a nonpolluting source of energy, this power system can provide a part of the energy required by tourist accommodation capacities. Together with photovoltaics, small wind turbine makes a good alternative in supplying households with electrical energy.