Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko. oddelek za fiziko. Vetrna energija

Transcription

1 Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko oddelek za fiziko Vetrna energija Avtor: Ivo Krajnik Mentor: prof. dr. Denis Arčon Ljubljana, 15. december 2010 Povzetek V pričujočem seminarju se ukvarjam z opisom delovanja predvsem horizontalnih vetrnih turbin. Najprej na kratko predstavim zgodovinsko ozadje in začetke izkoriščanja vetrne energije. S prijemi iz aerodinamike ter mehanike kontinuumov, obravnavam moč in izkoristek takih turbin. Z modelom navideznega diska, izračunam zgornjo mejo izkoristka vetrne turbine - Betzovo limito, kateri naj bi se vsaka turbina čim bolj približala. V osrednjem delu seminarja opisujem primer obratovanja sodobne vetrnice z regulirano obodno hitrostjo elis s pomočjo nevronskih mrež. Izkaže se namreč, da pri določeni vpadni hitrosti vetra, obstaja natanko ena obodna hitrost, pri kateri je izkoristek turbine največji. Seminar sklenem s predstavitvijo izkoriščenosti vetra v energetske namene v Sloveniji. 1

2 Kazalo 1 Uvod 2 2 Delitev vetrnic glede na os rotacije Optimizacija izkoristka, število elis Dejstva in zahteve pri delovanju v optimalnem režimu Optimizacija izkoristka z nevronsko mrežo Nevronske mreže - splošno z biološkega vidika Diskreten model nevronske mreže Prilagajanje odklona elis s perceptronsko nevronsko mrežo Rezultati in diskusija 9 5 Glavne značilnosti atmosfere Struktura vetra Povprečne hitrosti vetra Značilnosti vetrov v planetarni plasti Verjetnostna porazdelitev hitrosti Anemometrija Hitrost pihanja vetra Smer pihanja Merjenje temperature Merjenje tlaka Trenutno globalno stanje 12 8 Stanje pri nas 13 9 Sklepna misel 13 1 Uvod Naftna kriza leta 1973 [1] je svetovnim voditeljem, politikom in gospodarstvenikom širom sveta dala vedeti, da energetska prihodnost na globalnem nivoju le ni tako rožnata. Na univerzah in različnih znanstvenih inštitucijah so se pričele raziskave v smeri učinkovitejšega izkoriščanja obnovljivih virov energije (sem spada poleg vetrne energije še energija vode - rek in oceanov, sončna energija, kemična energija bioloških odpadkov, hidrotermalna energija..). Kot ena najobetavnejših možnosti, se je takrat, poleg vodnih virov, pokazala še energija vetra. V začetku osemdesetih let prejšnjega stoletja, se je po približno desetih letih intenzivnega raziskovanja vetrnih turbin, in okoljskih pojavov, začel "vzpon" širše uporabe vetrnih turbin za komercialne namene. Kvalitativno obravnavanje in ukvarjanje s tovrstnimi turbinami obsega študij okolja in vremena, topologije prostora, oblikovanje samih ohišij in nosilcev turbin, meritve dinamike vetrnih tokov, itd. Vir energije, je kinetična energija vetra, torej so njegove lastnosti, kot so struktura, dinamika, statistika 1 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 vetrnih turbin združuje, to so meteorologija, mehanika kontinuumov, klasična mehanika, elektrodinamika, statistika. 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 v 10 dneh primerljiva s količino energije vseh fosilnih goriv na Zemlji, potem ugotovimo, da je potencial vetrne energije nepredstavljivo velik in dandanes minimalno izkoriščen. Kot povedano, Zemeljski poli s Sonca prejmejo manj toplotne energije, na ekvatorju kjer je tudi morje, pa je te energije več. Ker ima 1 Pojem statistika vetra definira pogostost pihanja vetra z določenimi lastnostmi na določenem območju. Turbine z najboljšimi izkoristki, kot bomo kasneje videli, delujejo le pri izbranih lastnostih vetra. Statistiko vetra določamo izključno eksperimentalno. 2

3 voda (oceani) višjo toplotno kapaciteto, kot suha ilovnata - zemeljska tla, se le to počasneje ohlaja, in na globalnem nivoju poganja konvekcijske tokove zraka, kar predstavlja veter. Tako so izračunali, da je komercialno gledano, s sprejemljivih lokacij v svetu trenutno možno proizvesti 72 T W električne energije [1] izključno iz vetra, kar je petkrat več od trenutne proizvodnje elektrike iz vseh virov, in ustreza porabi 54 miljard ton nafte na letni ravni [1]. Pri analizi so vzeli v račun le lokacije s povprečno hitrostjo vetra več kot 7 m/s na višini 80 m od tal. Nazivna moč testnih vetrnic je bila 1.5 MW in premer 77 m [2]. Na kvadratni kilometer bi po njihovem stala po ena vetrnica. Ob taki prostorski porazdelitvi, bi pokrili 13 % skupne površine kopnega, kjer pa kmetijstvo ne bi bilo onemogočeno. V splošnem je izhodna moč vetrne turbine sorazmerna z vv, 3 kjer je v v hitrost vetra na elisi turbine. To pomeni, da zaradi različnih hitrosti vetra med letom, turbine delujejo z različnimi močmi. Zato v tem primeru raje govorimo o povprečnih vrednostih in se poslužujemo statističnega opisa. Upoštevati moramo letno povprečje hitrosti vetra. Iz enačbe P = CpρAv3 v 2 dobimo P = 0.25vvA, 3 kjer je A = πd 2 4 t.i. "požiralna" površina, D premer elis, ρ pa gostota zraka. V primeru naše testne turbine [5] s polmerom r = 32 m in največjim izkoristkom C p = 0.42, na katero se bom skozi seminar skliceval, znaša nazivna moč P = 1.5 MW. Preproste enačbe zgoraj so le za ocene in niso dovolj natančne, upoštevajo namreč povprečno hitrost vetra, in ne upoštevajo turbulentnega stanja ozračja, viskoznost zraka ni obravnavana. Vetrne turbine delujejo samodejno. Pri previsokih hitrostih vetra, elektronika poskrbi za optimalno delovanje, sicer lahko pride do poškodb in lomov. Pri premajhnih hitrostih pa je poskrbljeno, 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 mehanizem gredi na katero je pritrjena turbina, sestavi, ne razstavlja več. Vitalne komponente, precizna krmilna elektronika in hidravlični deli vsake sodobne vetrne turbine so zaščiteni pred negativnimi vremenskimi vplivi z ohišjem iz najkakovostnejših materialov. Cena 1 kw h električne energije na področjih vetrnih elektrarn po svetu niha, in sicer v odvisnosti od lokalnih hitrosti in pogostosti pihanja vetra, in seveda cen konkurenčnih distributerjev električne energije. Vetrnice so zaenkrat najbolj razširjene v Kaliforniji in severnih deželah Evrope, posebno na Danskem, kjer so vetrnice že leta 2008 prispevale 19 % delež električne energije. [2]Okoljsko bolj ozaveščeni ljudje si želimo, da bi bilo v bližnji prihodnosti tako tudi pri nas, saj v Sloveniji še nismo začeli izkoriščati energije vetra v komercialne namene. Študije glede potencialnih lokacij (Volovja Rebra, Nanos, Kokoš) so bile že izdelane, a do realizacije projektov še ni prišlo. 2 Delitev vetrnic glede na os rotacije Slika 1: Vetrnica s horizontalno osjo (a) in vetrnica z vertikalno osjo - Savonious - ov rotor (b) [3]. Prednost horizontalnih vetrnih turbin je predvsem v možnosti spreminjanja kota elis β in s tem povečanje izkoristka. Visok nosilni stolp omogoča umestitev na višje lege, kar pri vertikalnih turbinah ni mogoče, saj se požiralna površina v vseh primerih prične že pri tleh. Vsakih 10 m višine se lahko hitrost vetra poveča za 20 % in s tem moč za 35 % [1]. Njihova glavna slaba lastnost je vizualno onesnaževanje, montaža je zaradi velikih dimenzij običajno draga in zahtevna. V vseh primerih pa horizontalne turbine zahtevajo regulacijo zasuka okoli osi stebra, da se vedno obrnejo čimbolj proti toku vetra, tak je tudi prmer obravnavane turbine v tem seminarju. Trenutno je v svetu izmed vseh inštaliranih vetrnih turbin okoli 70 % [1] s horizontalno osjo. Uporaba vertikalnih turbin se opušča, predvsem zaradi manjšega izkoristka, saj le ta zaradi protismernega 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 požiralne površine porabi za zaviranje. 2 Med vertikalnimi turbinami sta najbolj uveljavljena Savonious - ov slika 1b in Darrieus - ov rotor. Slednji spominja na navaden konkavni anemometer. Zaradi protismernega delovanja je njegov največji izkoristek le okoli 12 % [1]. Savonious - ov rotor, ki včasih lahko spominja 2 Za lažje razumevanje si lahko predstavljamo, da se pribljižno polovica toka vpadnega vetra vetra porabi za gnanje, polovica pa za zaviranje turbine. 3

4 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 tlakov povzroča potrebno silo vzgona. Študije kažejo, da vertikalne turbine vizualno ne onesnažujejo okolice tako 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. efekt frekevence. V splošnem je montaža vertikalne turbine cenejša, kljub večji masi in količini potrebnega materiala za dosego enakih moči kot horizontalna. Elektronske komponente so, za razliko kot pri horizontalnih, nameščene pri tleh, kar omogoča enostavnejše in cenejše vzdrževanje. Pri vertikalnih turbinah je 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 smatramo kot rotacijo diska. Omenjeni princip predpostavlja stalen, konstanten idealni vpadni tok zraka, ki je pravokoten 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 se tik pred elisami nekoliko upočasni, in del tudi zaobide elise - glej sliko 2a. Tlak v toku vetra se pred elisami poveča do svoje največje vrednosti in po prečkanju navideznega diska nezvezno pade na najnižjo vrednost, (manjšo od normalnega tlaka). Na drugi strani vetrnice, tlak z oddaljevanjem od požiralne ravnine, ponovno naraste do normalnega tlaka. Gibanje zraka za elisami je v realnem turbulentno in komplicirano. Premer elis - požiralni premer (definira požiralno površino) je večji od premera tokovne cevi 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 porazdelitev hitrosti 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 površine vselej laminaren, se enačba (1) poenostavi v preprosto partikularno kontinuitetno enačbo, ki sicer ne daje točnih rezultatov. Iz ohranitve masnega toka vetra z leve in desne strani vetrnice (slika 2a) velja kontinuitetna enačba ρv 1A 1 = ρ vv va v = ρ 2v 2A 2 [1]. Hitrost vetra v v na mestu vetrnice lahko zapišem kot v v = (1 a)v 1 [1], kjer uvedem koeficient osnega toka a. Koeficient je odvisen od aerodinamike in dimenzije elis. Merijo ga na eksperimentalnih modelih v vetrovnikih v različnih simuliranih pogojih. Spremembo gibalne količine vetra, katere silo povzroča tlačna razlika, na mestu vetrnice prepišemo kot: G = vρa v(1 a)v 1 [1]. Potrebno tlačno razliko dobimo iz Bernoulli - jeve enačbe 3 p + v p v = 1 2 ρ(v2 1 v2) 2 [4]. Moč sile vetrnice na vpadni zrak je končno: P = F zrv v = 2ρA vv1a(1 3 a) 2 [1]. Izkoristek v splošnem zapišemo kot razmerje izhodne in vhodne moči, ob upoštevanju enačbe ki povezuje hitrost v območju 2 s hitrostjo v območju 1 na sliki 2 a je: v 2 = (1 2a)v 1, dobimo: [1] 3 Z enačenjem vsote energij na mestih kjer je vetrnica, pred in za njo. 4

5 C p = 4a(1 a) 2 (2) Slika 3: Graf prikazuje nelinearno odvisnost izkoristka od razmerja hitrosti v 2/v 1. Za obratovanje v režimu z največjim izkoristkom dc mora veljati p da = 0, od koder dobimo Betzovo limito: C p,max = 16/27 = [1], kar je doseženo pri razmerju hitrosti v 2 /v 1 = 1/3. Doslej največji doseženi izkoristki pri konstantni hitrosti obratovanja vetrnih turbin so na vetrnem polju na Švedskem, in znašajo okoli 0.32, [2] kar kaže, da je v 2 /v , torej še daleč stran od 1/3. V naslednjih poglavjih bomo spoznali načine kako je mogoče izkoristek še povečati za dobro četrtino, na vrednost Optimizacija izkoristka, število elis Po bolj površinski izpeljavi Betzove limite z dokaj idealističnimi predpostavkami 4 smo videli, da je ob idealnih pogojih teoretični izkoristek turbine enak 0.593, česar v praksi ni moč doseči. Najboljši izkoristki, ki so jih dosegli za komercialno elektrifikacijo pri konstantni kotni hitrosti elis, se gibljejo okoli 0.32 [3]. V preteklosti so izdelovali samo takšne vetrnice, ki vselej obratujejo s stalno obodno hitrostjo, če je le vpadna hitrost vetra znotraj določenega intervala. Kot bomo videli, tak način delovanja ne zagotavlja ravno najboljšega izkoriščanja energije vetra. Izkaže se namreč, da za vsako vpadno hitrost vetra in turbino s karakterističnimi gabariti, 5 obstaja natanko ena obodna hitrost elis, pri kateri je izkoristek največji. V nadaljevanju se ukvarjam z analizo sistema ki je vgrajen na 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 od cenovnih zmogljivosti. V naslednjih odstavkih bom podrobneje utemeljil zakaj je za komercialno uporabo najboljša uporaba 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 z večelisnimi primerjali relativno, ne glede na dejanske dimenzije. Recimo, da je pri enoelisni vetrnici najmanjša frekvenca obhodov - preden se izkoristek drastično zmanjša (optimalna frekvenca), enaka n 1 = 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 n 2 = 30 /min = 0.5 /s, podobno je za trielisno frekvenca n 3 = 20 /min = 0.33 /s in štirielisno n 4 = 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 interval vetra 6 in hitrostno število, ki ga preračuna izdelovalec. Za določeno hitrost vetra, mora biti hitrostno število čim večje, a znotraj mej varnega delovanja (preobremenitve, lomi). Za našo testno turbino, ki z nazivno močjo obratuje pri nazivni hitrosti v r = 13 m/s je hitrostno število λ = 7 [5]. Turbine, ki obratujejo pri višjih nazivnih hitrostih, morajo imeti manjša hitrostna števila, sicer pride do preobremenitev in lahko tudi do lomov.[1] Za obratovalne pogoje naše turbine (tabela 1), ne oziraje se na možnost prilagoditve odklona elis, ocenimo število elis in njihov optimalen polmer. Obodno hitrost elis zapišem kot v e = λv r = 7 13 m/s = 91 m/s. Velja tudi, iz česar sledi nr = 873 m/min = m/s. Produkt frekvence obhodov in polmera vetrnice, kjer je v primeru enoelisne vetrnice frekvenca obhodov n 1 = 60 /min mora biti, v našem primeru za optimalno delovanje, konstanten. V primeru ene elise znaša ustrezen optimalni polmer R 1 = m, za dvoelisno vetrnico z n = 30 /min je polmer R 2 = 28.9 m ter R 3 = 43.6 m za tri in R 4 = 58.2 m za štirielisno vetrnico. Vemo da, več elis ko imamo, manjša je lahko optimalna frekvenca za enako moč, in očitno obstajajo povezave med v e = ω er = 2πν er = 2πnR 60 hitrostnim številom - hitrostjo vetra in številom elis. V primeru regulacije kota odklona lahko hitrostno število povečamo. 7 V primeru štirielisne vetrnice smo, ob predpostavki da deluje z optimalno frekvenco n 4 = /s, 4 Predpostavili smo stalen masni tok vetra na elise, laminaren tok, pravokoten vpad na vetrnico, kar v realnem ni nikoli vse izpolnjeno. 5 Gabarit pomeni besedo za velikost vseh dimenzij naprave ali stroja, ki se je udomačilo v strojništvu 6 Ta je dan izključno iz narave, nanj ne moremo vplivati. 7 Pri neki hitrosti vetra v v1 in kotni hitrosti elis w 1 je hitrostno število λ 1 = w 1R, v primeru, da pri manjši hitrosti vetra v v1 v v2 s prilagojenim kotom odklona β turbina obratuje pri nespremenjeni kotni hitrosti w 2 = w 1, potem je hitrostno število v tem primeru večje. 5

6 izračnali njen optimalen polmer R 4 = 58.2 m. Mislimo si sedaj, da troelisni vetrnici podaljšamo elise, s tem pa tudi povečamo moč obratovanja, saj je le - ta sorazmerna požiralni površini, ta pa kvadratu polmera. V tem primeru moč narašča hitreje kot izgube, ki so posledica zmajšane hitrosti rotacije. Torej lahko polmer troelisne vetrnice vedno povečamo nad optimalen, a v mejah varnosti in s tem pridobimo na moči. Smatrajmo hitrost vetra, hitrostno število in gostoto zraka za konstantno - in vse vključimo v konstanto C, potem lahko ustrezne moči preprosto ocenimo. Moč trielisne turbine P 3 z optimalnim polmerom troilisne vetrnice R 3 je P 3 = CR3 2 = 1900C m 2, če bi trielisna obratovala z elisami optimalnega polmera štirielisne vetrnice R 4, torej daljšimi elisami kot so njene optimalne, pa je tedaj moč enaka P 34 = 3 4 CR2 4 = 2540C m 2. Na takšen način velikokrat maksimizirajo moč vetrnic. Troelisne vetrnice z optimalnim polmerom štirielisnih vetrnic, predvsem zaradi količine porabljenega materiala in enake življenske dobe, hitreje povrnejo stroške postavitve vetrnega polja. Zato so taka polja tudi najbolj razširjena po svetu. Na naslednjih straneh bom predstavil način, kako lahko horizontalna vetrna turbina, z regulatorjem naklona elis, obratuje z največjim izkoristkom pri dani hitrosti vetra. Kot vemo, vetrna turbina pretvarja mehansko energijo elis v električno. Moč, ki jo vetrnica prejme od vetra, upoštevajoč C p zapišemo z nelinearno enačbo: [5] P m = 1 2 ρav3 vc p (λ, β) (3) kjer λ = ωrr v 1 [5] predstavlja hitrostno število. Kot β je naklonski kot elis proti ravnini navideznega diska. Moč, ki jo turbina "vzame" vetru, je seveda odvisna od izkoristka. Vsaka turbina ima namreč, glede na svojo geometrijo značilno odvisnost C p(λ). V našem primeru smo za značilno odvisnost vzeli empirično formulo naše testne turbine: [5] Karakteristicno odvisnost C p λ, 1.5 MW testne turbine predstavljene v članku, so eksperimentalno določili v laboratoriju proizvajalca vetrnih turbin VESTAS na Švedskem. Iz enačbe za C p preberemo nelinearno zvezo med izkoristkom C p in kotom odklona β ter hitrostnega števila λ Značilne odvisnosti prikazujejo krivulje na sliki 4 [5]. C p = ( 116 λ i 0.4β 5)e λ i. Za vrednost λ i velja 1 1 λ i = [5]. λ+o.o8β β 3 +1 Slika 4: Odvisnost izkoristka C p 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 morebitnih mehanskih okvar in lomov, ali električnih preobremenitev, je delovanje turbin omejeno na določen interval hitrosti pihanja vetra. 2.2 Dejstva in zahteve pri delovanju v optimalnem režimu Poglejmo si grafe 5, 5a - 5d [5]. Posamezne hitrosti so 8 : v ci hitrost, pri kateri začne obratovanje, v r je hitrost vpadnega vetra, pri kateri je obodna hitrost največja, v s je največja hitrost vetra, pri kateri turbina še obratuje in v co je hitrost vetra, pri kateri turbino zaustavimo. V praksi je potrebno energijo vetra čim bolje izkoristiti, obenem pa paziti na preobremenjevanje sistema pri previsokih hitrostih. Obema zahtevama ugodimo z montažo senzorja za obodno hitrost elis. Slika 5 prikazuje različne fizikalne spremenljivke pri obratovanju turbine pri različnih hitrostih vetra. Značilne hitrosti 1.5 MW turbine so: [5] v ci = 4 m s,9 v p = 11 m, s vr = 13 m, ter s Vco = 24 m. Senzor obodne hitrosti umešča obratovanje s turbine na primeren, optimalen interval hitrosti, na podlagi treh zahtev: Območje največjega izkoristka C p, Interval konstantne kotne hitrosti obratovanja ω m, 8 Pri označevanju hitrosti sem uporabil indekse kakršni so v uveljavljeni literaturi: [1] v ci = cut - in speed, v co = cut - out speed, v r = radial speed. 9 Pomeni tudi začetek pridobivanja električne energije. 6

7 Območje delovanja z največjim konstantnim izkoristkom, pri čim večji hitrosti, ki je še manjša od v co. Na intervalu konstantnega, največjega izkoristka C p je obodna hitrost prilagojena (nadzorovana) glede na sunkovite spremembe vpadne hitrosti vetra, kar zagotavlja konstantno hitrostno število λ. Moč turbine posledično narašča s tretjo potenco hitrosti vetra v, obodna hitrost elis pa je s hitrostjo vetra linearno povezana. Pri največjih dovoljenih hitrostih vetra, ko obodna hitrost elis doseže mejno vrednost začne moč turbine počasneje naraščati kot na območju konstantnega izkoristka, izkoristek pa padati (Slika 5 a in c). Pri višjih hitrostih vetra, ki presegajo območje kostantnega C p, je potrebno elise zavirati, in s tem zagotavljati konstantno 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 vpadnega vetra [5]. S slike 6 vidimo, da vsaki hitrosti vetra pripada natanko ena obodna hitrost elis pri kateri je izkoristek največji. Če turbina obratuje Slika 6: Graf prikazuje odvisnost izkoristka od kotne hitrosti elis, pri dveh vpadnih hirostih vetra v v1 in v v2 [5]. z obodno hitrostjo ω r1 pri hitrosti vetra v v1 deluje v optimalnem režimu. Če se hitrost vetra v tem primeru spremeni na v v2, potem smo izven področja optimalnega delovanja. Iz tega je jasno, da z obratovanjem le pri konstantni kotni hitrosti ni moč doseči optimalnih rezultatov in je potrebno ω r stalno prilagajati. 3 Optimizacija izkoristka z nevronsko mrežo 3.1 Nevronske mreže - splošno z biološkega vidika V sklopu opisa delovanja nevronskih mrež, ki "posnemajo" delovanje človeških možganov, si poglejmo nekaj osnovnih 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 določenih elektrokemičnih procesov njihovi notranjosti. Možgane, tako kot celoten živčni sistem sestavljajo živčne celice ali t. i. nevroni (slika 7). Njihova osnovna funkcija je prenašanje elektrokemičnih signalov. Tipični nevron je sestavljen iz celičnega telesa, od koder se razširja razvejna struktura, ki v premeru meri okoli 2 mm. To je t. i. dendritsko drevo, na katerega so prek živčnih sinaps povezani aksoni drugih nevronov. Živčno vlakno, ki izhaja iz nevrona (akson), in je lahko tudi razvejan. Njegove veje se končajo s sinapsami, ki so stik z dendriti drugih nevronov. Tako so človeški možgani mikrostrukturno gledano velika (okoli nevronov) in kompleksno povezana 7

8 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 torej sprejemanje električnih signalov od drugih nevronov, elektrokemijsko procesiranje ter na koncu signalizacija ostalim nevronom. Ko prihajajoči električni pulzi povzročijo, da se električni potencial nevrona prek membrane dvigne 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 s strani McCulloch - a in Pitts - a. Model opisuje stanja nevrona preko enačbe : ( ) S i (t + 1) = Θ w ij S j (t) ν i j (4) Slika 8: Shematska ponazoritev formalnega nevrona. Prihajajoči signali S i so z utežmi w ij sešteti v lokalno polje h i = wijsj, to pa se potem primerja s j pragom µ i. [5]. kjer S i(t) predstavlja mirujoče (S i = 0) ali pulzirajoče (S i = 1) stanje nevrona i ob času t, µ i je vzdražnostni prag i - tega nevrona, Θ pa je Heaviside - ova stopničasta funkcija. Vidimo, da se utežena vsota po vhodnih nevronih primerja s pragom. Uteži w ij predstavljajo jakosti sinaptične sklopitve za pulze od nevrona j k nevronu i ter so lahko različno predznačene. Model (enačba 3) vsebuje diskretni čas t, ki poteka enako za vse S i in tu govorimo o sinhronem osveževanju nevronov. 3.3 Prilagajanje odklona elis s perceptronsko nevronsko mrežo Kot smo spoznali zgoraj, je najučinkovitejše obratovanje turbine zagotovljeno s prilagajanjem odklona elis, torej obratovanje pri spremenljivi hitrosti elis. S slike 4 je dobro vidna nelinearna odvisnost izkoristka od hitrostnega števila pri različnih kotih odklona elis. Hiter odziv nevronske mreže na nenadno spremenjene pogoje delovanja turbine (močan sunek vetra), mora poskrbeti za ustrezno sunkovito spremembo odklona, in s tem ustrezno modifikacijo 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 primeru dva vhoda in 38 nevronov v skriti plasti, ter en izhod. Na prvi vhod, v našem primeru pripeljemo hitrost vpadnega 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 mehanizma omogočena poljubna orientacija vetrnice čimbolj proti smeri pihanja vpadnega vetra, vendar se v našem primeru 8

9 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 optimalen kot odklona elis na intervalu vpadnega vetra [v ci = 4 m/s...v co = 24 m/s], čemur ustreza kotna hitrost elis od rad/s do rad/s. Kot vemo, pri večjih hitrostih vetra od nazivne, mora biti moč regulirana na nazivno vrednost. Tak mehanizem udejanja elektromehanski regulator z značilno časovno konstanto T β. Večja ko je časovna konstanta, počasnejši je odziv regulatorja, 10 kar pomeni, da želimo imeti čim manjše časovne konstante. To ponazarja enačba regulatorja odklona [5]: Ustrezen referenčni kot odklona, regulator sprejme od perceptrona. dβ dt = 1 T β (β ref β) (5) Slika 9: Shematski prikaz nevronske mreže perceptron, na vhod pripeljemo dva podatka: vpadno hitrost vetra v v in kotno hitrost elis ω r [5]. V skriti plasti (sredinski krogi) je 38 nevronov, njihovo število pa določeno z metodo "trial - error." Nazivna moč P m = 1.5 MW Max. izkor. C p = 0.42 Polmer elis R = 32 m Nazivna hitr. vet. v r = 13 m/s Zač. obr. h. v. v ci = 4 m/s Kon. obr. h. v. v co = 24 m/s Zač. kot. h. ω ci = rad/s Kon. kot. h. ω co = rad/s Tabela 1. Podatki turbine VESTAS 1.5 [5]. 4 Rezultati in diskusija Poglejmo si fizikalne spremenljivke pri optimalnem obratovanju vetrnih turbin pri naključno spreminjajoči se hitrosti 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 ) vse do časa 25 s. Variacije hitrosti vetra, momenta na s generator, odklonskega kota elis in variacija moči ki jo turbina pošlje v omrežje, so prikazane na sliki 10a, b, c in 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 nazivne prilagojene na maksimalne možne. S slike 11 vidimo, da je izkoristek pri višjih hitrostih vetra od nazivne hitrosti manjši, saj del moči vetra preko prilagoditve naklona elise zavržemo v območje za požiralno ravnino, kar pa za nas ne predstavlja težav, saj smo še vedno v področju nazivne moči. Spremembe odklonskega kota predstavlja slika 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 konstantna in enaka nazivni moči, to je 1.5 MW. 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 največjim možnim izkoristkom pri tej hitrosti, Pri hitrostih vetra mnogo nad predpisano nazivno hitrostjo, je obratovanje turbin kontrolirano s prilagoditvijo odklonskega kota, kar za te hitrosti pomeni manjši izkoristek, a konstantno nazivno moč v omrežje čim daljše časovno obdobje. 10 Lahko si predstavljamo kot da je konstanta T β neke vrste masa, v tem primeru z večanjem le te povečujemo njeno vztrajnost, s čimer se časovni zamik odmika dβ dt poveča. 9

10 Slika 10a,b, c, d: Prikaz fluktuacij vpadne hitrosti vetra v v, navora na generator T e, odklonskega kota β in fluktuacije moči P m [5]. Slika 11: Prikaz fluktuacij izkoristka C P [5]. S slike 11 vidimo, da je izkoristek v prvi polovici časovnega intervala - ko je vpadna hitrost večja od nazivne hitrosti 13 m/s, manjši, kar pa ne pomeni, da "črpamo" manj moči iz toka vetra od nazivne. Pri manjših hitrostih vetra od nazivne, odklon elis ravno tako prilagajamo na optimalen za to hitrost. Nikakor pa ne dosežemo moči kot pri višjih hitrostih vetra, lahko pa dosežemo konstanten izkoristek, kar je tudi želeno stanje obratovanja turbine. 5 Glavne značilnosti atmosfere 5.1 Struktura vetra Obnašanje strukture 11 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 posledično tudi gradient tlaka. Na gibanje zračnih mas na različnih višinah torej vpliva gradient tlaka ter sistemske sile zaradi rotacije Zemlje - Coriolis - ova in centripetalna. Atmosfero delimo na več plasti. Za nas je najbolj pomembna površinska 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. 11 Struktura vetra pomeni vse dinamične značilnosti gibanja zračnih mas, hitrostna porazdelitev, višinska porazdelitev, smer ter intenziteta. 10

11 5.2 Povprečne hitrosti vetra Pri analizi zračnih vetrov predpostavimo, da pihajo v horizontalni smeri, brez turbulenc in brez vpliva hrapavosti terena na hitrosti v višjih plasteh. Zavedajmo se, da se vetrne turbine nahajajo na višje ležečih krajih, z razgibano površino. 12 Povprečna hitrost vetra na območju središčne višine vetrnic je v našem primeru, poleg kotne hitrosti elis, dobra mera za optimizacijo izkoristka. Orientacijo požiralne ravnine regulira dodaten senzor za smer v kateri veter piha. Velikost hitrosti podaja enačba (6): [1] v pov = 1 T t0 + T 2 t 0 T 2 v v(t)dt (6) kjer je v v(t) trenutna hitrost vetra v smeri povprečne hitrosti vetra ob času t. Čas T je običajno min [1]. 5.3 Značilnosti vetrov v planetarni plasti Hitrost vetra z višino v splošnem narašča. Spodnje plasti vetra preko strižnih sil-trenja, zavirajo premikanja višjih plasti zraku. To zaviranje se na neki višini (2000 m) ustavi. Hitrost vetra od te višine dalje je neodvisno od hitrosti gibanja zračnih mas v površinski plasti. Zato rečemo, da veter nad višino 2000 m ne "čuti" spremembe hrapavosti površine Zemlje. To je višinska meja. 13 Spodnji del planetarne plasti je površinska plast, nad njo pa je do gradientne višine t.i. Ekmanova plast. V površinski plasti, to je do višine 100 m je sprememba hitrosti zaradi majhne višine zanemarljiva. Tako povprečno horizontalno hitrost vetra na neki višini opišemo s Prandtlovim logaritemskim modelom: [1] ( ) ( ) v Z v p(z) = ln, k Z 0 kjer je v torna hitrost, k = 0.4 von Karmanova konstanta in Z 0 parameter hrapavosti površine - dolžina hrapavosti, ki nosi lokalno informacijo o stanju površja. Primeri parametrov hrapavosti podaja tabela 2: [1] Verjetnostna porazdelitev hitrosti Vrsta terena Z 0 [m] mirno morje led visoka trava 0.1 gozd 1 mesto 1 Tabela 2: Vrednosti parametra Z 0. Če 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] v 2 v = v 2 + u 2. Gostota verjetnosti hitrosti je Gaussovo porazdeljena: [7] p(v v) = 1 v 2 v σ 2 vve 2σ 2, kjer je σ 2 = (< v 2 > < v > 2 ) 1 2 standardna deviacija hitrosti. Njena kumulativna porazdelitev: [7] p(v v < v 0) = v0 in verjetnost, da hitrost vetra v v preseže v 0: 0 p(v v)dv v = 1 σ 2 v0 0 v v 2 v ve 2σ 2 dv v = 1 e v2 v 2σ 2. 2 v 2σ 2 Q = p(v v > v 0) = 1 (p(v v < v 0)) = e v 12 Obstajajo enačbe, ki nam iz nekih pogojev (ravna tla, veter brez turbulence, horizontalni veter), izračunajo stanje vetra pri dejanskih pogojih (veter na določeni nadmorski višini, prisotnost turbulence, neravna tla.) 13 V meteorologiji tej višini pravijo gradientna višina. 14 Pomeni, da ima konstantno porazdelitev, in dve horizontalni komponenti. 11

12 6 Anemometrija Pod pojem karakteristike vetra štejemo najpomembnejše merjene količine vetra - stanja ozračja. Le te so bistvenega 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 vetra Pri 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 take meritve je bila velika plošča, ki je visela v zraku, vpeta na zgornjem robu in postavljena v tok vetra pravokotno na površino plošče. Pri taki meritvi hitrosti je merodajen odklon od navpičnice, ki naj bi bil sorazmeren hitrosti vetra. 15 Tako merjenje je nenatančno. Drugi primer merilne naprave, za katero se je pri nas udomačilo ime konkavni anemometer, s tremi ali štirimi konkavnimi 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 na časovno enoto. 16 Danes meritve obhodov potekajo elektronsko. Tretji primer merilnika hitrosti je dobro znan anemometer na vročo žičko. Veter ima namreč hladilni efekt na žičko. Velika prednost tega je hiter odziv, slabost pa 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, ter merilnik in sprejemnik na drugo. Hitrost zvoka v mirujočem zraku je znana, tako po času preleta v gibajočem se zraku določimo hitrost le - tega. Ena najnatančnejših metod z napako le do 1 mm/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 pihanja Običajno jo merimo z manjšo vetrnico, ki je pritrjena na navpični drog okoli katerega se vrti. Gibanje vetrnice je običajno malo dušeno z namenom preprečiti prehitre, sunkovite spremembe smeri vetra. Smer vetrov določamo tudi s pomočjo dveh ali treh med seboj ortogonalnih konkavnih anemometrov. V toku vetra se tak sistem sam postavi v ravnovesno lego - v smeri vetra. 6.3 Merjenje temperature Merjenje temperature ozračja je namenjeno preprečevanju morebitnega zamrzovanja, ter pri inženirskih preračunih izhodne moči turbune. Največ je v rabi platinast uporovni termometer, ki mora biti ustrezno zaščiten pred direktnimi in odbitimi sončnimi žarki. 6.4 Merjenje tlaka Tako kot temperatura, tudi merjenje tlaka služi naknadnim preračunom izhodnih moči. Najprimernejši instrument je standardni meteorološki barometer. 7 Trenutno globalno stanje Globalno gledano, se je v letu 2009 svetovna proizvodnja vetrnic povečala za 31 % [2] kar nanese dodatnih 37.5 GW [2] energije k že inštaliranim GW. Vsaj 10 % povečanja števila vetrnic za leto 2009 je bilo na Kitajskem, dodatnih 16 % pa je na Kitajskem predvidenih za leto Vetrna industrija po svetu trenutno zaposluje okoli milion ljudi, ki razpolagajo z 9692 [2] vetrnicami [?]. 15 Približna sorazmernost dejansko velja le pri hitrostih znotraj določenega intervala. 16 Frekvenco obhodov. 12

13 8 Stanje pri nas Natančnejše meritve vetra v Sloveniji, potekajo s strani ELES - a in Centra za Učinkovito Rabo Energije, šele v zadnjih letih. Tako imamo na voljo le kratek časovni niz meritev, primernih za natančnejšo analizo vetrovnih razmer pri nas. Na meteoroloških postajah pa seveda že dalj časa ocenjujejo jakost in pogostotst vetra. Te ocene temeljijo na opazovanju pojavov, ki se pod vplivom vetra dogajajo v naši okolici (ustrezna enotska skala je 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, domačini na primorskem dokaj nenaklonjeni postavitvi vetrne elektrarne, predvsem zaradi ptic, ki jih zvok vetrnic privlači in se vanje zaletavajo. Velik odpor pripisujejo tudi vizualnemu onesnaževanju okolice. Ratifikacija Kjotskega sporazuma Slovenijo obvezuje povečati delež proizvodnje električne energije iz obnovljivih virov za lastne potrebe na 20 % do leta Vetrovi v Sloveniji so glede na razmere drugod po Evropi večinoma šibki, kadar pa so močni, 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 nas redkejši. Od močnejših vetrov naj posebej omenimo dokaj enakomeren jugozahodnik, precej bolj sunkovito burjo in viharnik, ter k sreči le občasno se pojavljajoči karavanški fen. Hitrosti jugozahodnika nad morjem, kjer piha kot jugo, so pri tleh do 15 m izjemoma 25 m [2]. Jugo ne seže dlje kot do kraškega roba. Ko nad morjem in s s ob obali piha jugo, je tudi v notranjosti Slovenije vetrovno, vendar je prizemni veter nad kopnim zaradi večjega trenja ob tla šibkejši. Trajanje juga je omejeno in večinoma ni daljše od dveh dni. Na leto je takšnih situacij okoli 20 [10]. Burja, sunkovit veter iz severovzhodne smeri, je najizrazitejši in najmočnejši veter na Slovenskem. Po prehodu hladne fronte sredozemskega ciklona se okoli vzhodnega roba Alp v panonski bazen in ob tem tudi nad osrednjo Slovenijo zgrne hladen zrak, ki se prek dinarskih gorskih planot, po njihovih zahodnih in južnih pobočjih pospešuje navzdol proti Jadranu. Burja nastopi nenadoma, in je tudi sicer sunkovita: njena hitrost se v kratkem času lahko poveča ali zmanjša za desetkrat. V zahodnem delu Slovenije (Primorski, Obali in Notranjski) je reden pojav (nekaj deset dni na leto) in občasno zelo močna. Po podatkih zadnjih meritev ARSO imamo najmočnejše sunke burje na Kraškem robu, kjer je stalen pojav, in se hitrost lahko sunkovito spremeni za faktor 7 ali 8, kar po priporočilih proizvajalcev vetrnic ni primerno za vetrnice. Lokacija na Volovjih Rebrih je, kar se sunkovitosti tiče, primernejša, saj se hitrosti v povprečju spreminjajo le za faktor 4 do 5, burja pa se tod pojavlja s povratno dobo med 5 in 10 min,[10] kar bi se dalo dobro izkoristiti. V povprečju je na Volovjih Rebrih več deset dni na leto (med 60 in 100) zelo primernih za obratovanje vetrnic. Nujnost graditve elektrarn se utemeljuje predvsem s tem, 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 pokrivala iz obnovljivih virov, kar pa smo že dosegli v letu 2010, ko je Slovenija 24.5 % vse električne energije proizvedla iz vodnih virov [10], pri čemer 70 % hidroenergije predstavlja reka Sava, 14 % pa Soča. V EU je pred nami le pet držav: Avstrija, Finska, Latvija, Portugalska in Švedska. Dosežek Slovenije je trenutno, predvsem zaradi vodnih virov, zadovoljiv. Cilj postavitve vetrne elektrarne na območju Volovjih Reber je zagotoviti 60 MW dodatne električne energije iz obnovljivih virov, kar znaša 1.5 % moči vseh elektrarn v Sloveniji. Postavili naj bi 30 vetrnih turbin višine 80 m z elisami polmera 25 m. Potencialno nevarnost onesnaženja bi predstavljalo 200 l olja na vsako turbino, ki se lahko zaradi takšnih in drugačnih situacij razlije v naravo. 9 Sklepna misel Energija sončnega sevanja se je miljarde let zbirala v obliki fosilnih goriv, kot so premog, nafta in plin. Pri sežiganju navedenih goriv nastajajo emisije škodljivih snovi, predvsem ogljikovega dioksida CO 2, ogljikovega monoksida CO, žveplovega dioksida SO 2, ter dušikovi NO x oksidi. Ti plini škodljivo vplivajo na zdravje ljudi, SO 2 povzroča nastanek kislega dežja in je eden glavnih vzrokov odmiranja gozdov. NO x in CO 2 sta toplogredna plina in povečujeta učinek tople grede. Fosilna goriva bodo čedalje dražja predvsem zaradi omejenih zalog, z nepredvidljivimi 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 energije vetra 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 na račun uporabe električne energije iz vetrnih turbin. Literatura [1] L. L. Freris - Wind Energy Conversion Systems, Prentice Hall International, New Jersey, USA [2] J. Wilkes - Wind in Power-2009 European statistics, European Wind Energy Association, February Spletni naslov URL: Stats2009.pdf 13

14 [3] URL: [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, Seoul, July 2004 Korea [6] J. Strnad - Fizika 1. del Mehanika/Toplota, DZS, Ljubljana [7] Douglas C. Giancoli - Physics, principles with applications, 4th Ed., Prentice Hall International, INC Englewood Cliffs, New Jersey [8] S. Goldstein - On the vortex theory of screw propellers, Proceedings of the Royal Society, A123, pp , London 1954 [9] R. Kladnik - Osnove fizike 2, visokošolski ucbenik za fiziko, DZS, Ljubljana [10] http/ URL: [11] BHRA Fluid Engeneering, paper paper no. H1, pp Turbine and a comparison with modified Blade Element Theory, page no 160. Proceedings of the Third International Symposium on Wind Energy Systems, Copenhagen, August [12] I. N. Bronstein, K. A. Semendjajev, G. Musiol, H. Mühlig - Matematični priročnik, 2. izdaja, Tehniška Založba Slovenije, Ljubljana,