Tehnologije i primene

Preduslov za efikasnu upotrebu energije vetra jeste dobro poznavanje energetskog potencijala vetra na nekoj konkretnoj lokaciji. Za investicije većeg obima (vetroparkovi) neophodno je meriti ključne meteorološke parametre: brzina, pravac i smer vetra, temperatura vazduha, vlaga, vazdušni pritisak i drugo. Merenje se mora vršiti specijalnnom opremom najmanje godinu dana, a poželjno je do tri uzastopne godine. Nakon toga treba uraditi detaljnu studiju koja uzima u obzir ne samo prirodni potencijal vetra već i mnoge druge elemente, kao što su pristupni putevi, raspoloživost prenosne mreže, uticaj na životnu sredinu i živi svet mikrolokaliteta, uticaj na zdravlje i bezbednost stanovništva, izbor vetroturbina i slično. Tek nakon toga, ako studija daje pozitivne rezultate po svim aspektima, može se pristupiti realizaciji vetroparka.

U slučaju izgradnje samo jedne vetroturbine relativno male snage, za potrebe napajanja nekog izolovanog sistema električnom energijom, nije isplativo raditi detaljne analize, ali je svakako poželjno doći do što preciznijih podataka o potencijalu vetra. Kao i prilikom preliminarnog izbora lokacije za vetropark, poželjno je pronaći mesto koje je na uzvišenju u odnosu na okolni teren, da nema nikakve zaklone iz smera odakle duva predominantni vetar za tu lokaciju, kao i da nema drveća ili visokih objekata u blizini same vetroturbine. Vetroturbinu, u svakom slučaju, treba podići što je moguće viljše, jer sa porastom visine raste i brzina vetra.

Slika 1 - A) Vejbelova raspodela učestalosti brzine vetra; B) Snaga vazdušne mase na jednom kvadratnom metru normalne ravni na pravac kretanja u funkciji brzine vetra.

Najvažniji uslov za upotrebu vetroelektrana je prirodno kvalitetna raspodela brzine vetra na željenoj lokaciji. Za analizu potencijala u praksi je najčešće primenjivana takozvana vejbelova raspodela (Weibull). Na slici 1.A) je prikazana jedna tipična vejbelova raspodela učestalosti brzine vetra dobijena na osnovu merenja na nekoj konkretnoj lokaciji, a koja opisuje ukupno trajanje određene brzine vetra na godišnjem nivou, sa korakom od po 1 m/s. Što je lokacija povoljnija to će maksimum krive na vejbelovoj raspodeli biti pomeren ka većim brzinama vetra. Na slici 1.B) data je ukupna snaga vetra (kinetička energija vazdušne mase u jedinici vremena) po jednom metru kvadratnom vertikalne ravni normalne na pravac duvanja u funkciji brzine vetra, pri prosečnim meteorološkim uslovima. Uočava se da je u slučaju brzine vetra do 5 metara u sekundi, energetski potencijal praktično zanemarljiv. Uz uračunavanje neminovnih gubitaka na pretvaranje jednog vida energije u drugi, zaključuje se da na tako male brzine vetra ne treba ni računati prilikom analize potencijala. Slično tome, brzine vetra preko 20 m/s mogu izazvati oštećenja na opremi. Zato se male vetroturbine (snage do 10 kW) najčešće konstruišu tako da optimalno rade pri brzinama vetra od 7 do 20 m/s. Velike vetroturbine se optimizuju za rad u rasponu od 5 do 10 m/s, a za brzine od 10 do 20 m/s imaju približno konstantnu proizvodnju. Na brzinama preko 20 do 25 m/s kvalitetnije vetroturbine automatski prelaze u mehanički neutralan položaj, bez proizvodnje i sa što manjim otporom vazdušnoj masi, kako bi se izbegli lomovi elise ili nosećeg stuba.

Sistemi koji podrazumevaju proizvodnju energije iz vetra za potrebe izolovane grupe potrošača (ostrvski rad), najčešće su malog kapaciteta i moraju imati odgovarajuću akumulaciju energije za period bez vetra. Njihova primena je isplativa tamo gde nema pristupa elektroenergetskom sistemu, ili je jeftinije primeniti ovakav model. U praksi postoje primeri gde vetroelektrane u sprezi sa odgovarajućim akumulatorima energije, recimo reverzibilnim hidroelektranama, čine okosnicu napajanja nekih ostrvskih predela, snage i po nekoliko desetina megavata[1]. Međutim, u Srbiji se do sada nije pokazalo da ima potrebe za tako velikim projektima ovog tipa. Najčešće je reč o individualnim sistemima za napajanje manjih grupa potrošača poput vikendica, objekata udaljenih od distributivne mreže, sistema za navodnjavanje i slično.

Sa druge strane, veoma značajnu granu elektroenergetike predstavljaju veliki vetroparkovi. Pri tome, razlikuju se vetroparkovi na kopnu ("onshore") i vetroparkovi van kopna, na moru ("offshore"). Ključna konstruktivna razlika između njih je u složenosti fiksiranja vetroturbina za tlo. Naime, gotovo sve vetroelektrane na moru koriste neki oblik fiksnog fundiranja za dno, a koje u najvećem broju slučajeva nije dublje od 60 m na mestu gde se vetropark postavlja. Složenost ovakvih građevinskih poduhvata nalazi svoje opravdanje u činjenici da na otvorenom moru, pogotovo u hladnijim predelima, iznad 50° geografske širine, duvaju stalni vetrovi koji omogućavaju veliku godišnju produktivnost vetroparka. U 2017. godini ukupno 153 GW vetroelektrana Evropske unije montiranih na kopnu je proizvelo 292 TWh, što odgovara godišnjoj efikasnosti iskorišćenja kapaciteta od oko 1900 sati (22%). Evropski vetroparkovi na moru su u istoj godini proizveli 43 TWh, sa instalisanih 16 GW, tako da je prosečna godišnja efikasnost iskorišćenja ovih kapaciteta čak 2700 sati (31%)[2].

Najčešće korišćene vetroturbine se sastoje od temelja (čiji oblik i dimenzije zavise od mesta montaže vetroparka i veličine same vetroturbine), stubnog nosača, kupole (koja sadrži generator, mehanički menjač, regulacione sisteme i drugu opremu) i elise. Elisa se sastoji od tri kraka (lopatice), koje se mogu zakretati tako da pri različitim brzinama vetra omogućavaju maksimalno iskorišćenje kinetičke energije vetra ili, po potrebi, omogućavaju potpuno zaustavljanje elise. Vetroturbine se najčešće ređaju u pravolinijske nizove, tako da prate putanju kabla (kablovskog snopa) koji ih povezuje. Jedan ili više nizova vetroturbina povezani su u sa transformatorskom stanicom, a preko koje se vetropark dalje priključuje na prenosnu mrežu. Jedna vetroturbina, zavisno od tipa, namene i proizvođača, najčešće ima snagu od 1,5 do 5 MW, a u poslednje vreme rade se i vetroturbine snage čak 10 MW. Visina kupole i prečnik elise zavise od parametara vetra i snage generatorske jedinice, ali obično je visina postavljanja ose elise na 90 do 150 m od tla (površine mora), dok jedan krak elise ima dužinu od 40 do 60 m. Ograničavajući faktor za veličinu same vetroturbine je najčešće tačka koju vrh lopatice elise najviše domašuje prilikom rotacije, a koja najčešće ne prelazi 200 m od tla, zbog znatno strožijih pravila po pitanju bezbednosti avio saobraćaja za objekte koji premašuju tu visinu.

Vetropark se ponekad sastojati i od nekoliko stotina vetroturbina, a priključna snaga može biti i više stotina megavata. Primera radi, sredinom 2018. godine pušten je u rad najveći vetropark na moru, do tada izgrađen u svetu, snage 659 MW, sa 87 turbina od po 7 i 8 MW, a lociran je u blizini severo-zapadne obale Engleske[3]. Tri najveća vetroparka u Srbiji, koji su do sada stekli status privremenog povlašćenog proizvođača, su Čibuk 1 sa 158,5 MW, Kovačica sa 104,5 MW i Plandište 1 sa 102 MW[4].