KORISNOST VJETROENERGIJE - eduidea.org · Dinamo pokreće snaga sušila za kosu, koje u ovome...
Transcript of KORISNOST VJETROENERGIJE - eduidea.org · Dinamo pokreće snaga sušila za kosu, koje u ovome...
Karla Srnec
Željka Toplek
Mentor: Karmena Vadlja-Rešetar, prof.
KORISNOST VJETROENERGIJE
Čakovec
11.02.2013.
Gimnazija Josipa Slavenskog Čakovec
Vladimira Nazora 34
40 000 Čakovec
Korisnost vjetroenergije
2
Sažetak
Vjetroenergija je obnovljiv izvor energije koji ne zagađuje okoliš. Čovječanstvo
stoljećima koristi snagu vjetra za ispumpavanje vode ili mrvljenje žita dok ju danas koristimo
za dobivanje električne energije u vjetroelektranama.
U posljednje vrijeme sve smo svjesniji činjenice da svojim načinom života izazivamo
velike promjene Zemljinog eko sustava. Te promjene, s obzirom da smo dio tog sustava,
utječu i na nas. Iz tog razloga sve se više budi svijest ljudi o potrebi za velikim promjenama
vezanim uz način dobivanja energije te smo odlučile napraviti istraživanje o dobivanju
električne energije obnovljivim izvorom energije - vjetrom. Cilj istraživanja je utvrditi
korisnost vjetroenergije. Ona je u sklopu obnovljivih izvora aktualna tema te nas je
zainteresirala da se više informiramo te provedemo istraživanje.
Kako bismo testirali korisnosti vjetroenergije potrebno nam je sušilo za kosu ispred
kojeg postavimo dinamo s lopaticama. Na ravnu površinu postavimo dinamo, a na određenoj
udaljenosti postavimo sušilo za kosu te pod različitim kutovima djelujemo na dinamo.
Dinamo pokreće snaga sušila za kosu, koje u ovome slučaju predstavlja vjetar, te nastaje
električna energija. Mjerimo napon i jakost struje kako bismo kasnije izračunali korisnost.
Parametar koji mijenjamo jest uložena snaga, tj. snaga kojom sušilo za kosu emitira vjetar,
razlika u udaljenosti sušila za kosu i dinama, kut djelovanja vjetra, te utjecaj prepreka na
korisnost.
Cilj nam je utvrditi uvjete pri kojima je korisnost vjetroenergije najveća za dobivanje
električne energije. Mijenjanjem parametara mijenja se i korisnost vjetroenergije. Hipoteze
koje smo postavile prije provođenja pokusa bile su slijedeće: djelovanjem sušila za kosu veće
snage korisnost će biti veća, udaljavanjem dinama od izvora snaga će biti manja, povećanjem
kuta smanjuje se korisnost, te prepreke iza lopatica također smanjuju dobivenu snagu.
Nakon provedenog istraživanja možemo vidjeti da se većina naših pretpostavki
pokazala točnima. Dakle, korisnost je najveća kada je strujanje zraka horizontalno, a prepreke
iza lopatica udaljene su dovoljno da je turbulencija nezamjetna. Ako se prepreka nalazi
neposredno iza lopatica, dolazi do vrlo jake turbulencije te se one uopće ne okreću. Kako
udaljujemo prepreku turbulencija je sve slabija. Povećanjem kuta smanjuje se korisnost zbog
toga što na lopatice djeluje samo horizontalna komponenta brzine.
Korisnost vjetroenergije
3
Sadržaj:
1. Uvod .................................................................................................................... 4
1.1. Vjetroturbine............................................................................................... 4
1.2. Budućnost obnovljivih izvora energije......................................................... 7
1.3. Zračne struje.................................................................................................. 7
1.4. Jednadžba kontinuiteta.................................................................................. 8
1.5. Bernoullijeva jednadžba................................................................................ 9
2. Mjerenja
2.1. Cilj rada....................................................................................................... 13
2.2. Pribor............................................................................................................ 13
2.3. Opis rada....................................................................................................... 13
2.3.1. Ovisnost snage o kutu djelovanja i udaljenosti dinama od izvora.... 15
2.3.2. Ovisnost snage o udaljenosti prepreke iza dinama........................... 15
2.3.3. Izračun snage i korisnosti................................................................. 16
3. Rezultati.............................................................................................................. 18
3.4.1. Ovisnost snage o kutu djelovanja i udaljenosti dinama od izvora.... 18
3.4.2. Ovisnost snage o horizontalnoj komponenti brzine vjetra............... 18
3.4.3. Ovisnost snage o udaljenosti prepreke iza dinama........................... 19
4. Rasprava.............................................................................................................. 21
4.1. Ovisnost korisnosti o uloženoj snazi................................................. 21
4.2. Ovisnost korisnosti o udaljenosti izvora od dinama.......... 22
4.3. Ovisnost korisnosti o kutu strujanja zraka......................... 22
4.4. Ovisnost korisnosti o udaljenosti prepreke....................... 22
5. Zaključak............................................................................................................ 24
6. Literatura............................................................................................................ 25
Korisnost vjetroenergije
4
1. Uvod
1.1.Vjetroturbine
Vjetroturbine, tj. vjetrenjače su sustavi za iskorištavanje energije vjetra, čiju energiju
pretvaraju u rotaciono ili pravocrtno gibanje, koja se poslije može iskoristiti ili za pokretanje
uređaja poput mlinova i pumpa, za što su se koristile kroz povijest, ili za pokretanje
generatora električne energije i proizvodnju električne struje, za što se danas najviše i koriste.
Spadaju u rotacijske strojeve na strujanje jer njihov rotor u kojem dolazi do pretvorbe energije
obavlja rotacijsko gibanje. One su izložene kinetičkoj energiji vjetra koju pretvaraju u neki
drugi oblik energije.
Vjetroturbine mogu raditi na principu otpornog djelovanja, na principu potiska ili
kombiniranjem ovih dvaju principa. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja
imaju manju iskoristivost od vjetrenjača koje rade na principu potiska, pa se zbog toga danas
pretežito koriste vjetroturbine koje rade na principu potiska ili koje rade na principu
kombiniranja otpornog djelovanja i potiska.
Vjetroturbine se mogu podijeliti prema položaju osi vrtnje. Uobičajene imaju
horizontalno postavljenu os vrtnje. Mogu imati i vertikalnu os vrtnje međutim one su manje
poznate i danas se manje upotrebljavaju.
Vjetroturbina sa horizontalnom osi vrtnje sastoji se od slijedećih dijelova:
1. temelj
2. priključak na elektroenergetski sustav
3. stup
4. ljestve za pristup
5. zakretnik
6. kućište stroja
7. električni generator
8. anemometar
9. kočioni sustav
10. prijenosnik snage
11. lopatice rotora
12. sustav zakretanja lopatica
13. rotor
Slika 1.1. prikazuje dijelove vjetroagregata
Korisnost vjetroenergije
5
Lopatice koje zahvaćaju vjetar moraju biti usmjerene na njega. Generator koji služi za
pretvorbu mehaničke energije u električnu se obično nalazi na vrhu stupa zajedno sa
multiplikatorom kojim povećavamo brzinu vrtnje ukoliko je brzina vrtnje lopatica premala da
bi se proizvela električna energija. Stupovi su vrlo visoki da bi lopatice mogle zahvatiti
vjetrove koji su brži na većoj visini. One moraju imati mogućnost zakretanja trupa zbog
različitih smjerova vjetra. Lopatice se mogu nalaziti iza te ispred stupa, a prednost lopatica iza
stupa je to što jače podnose vjetrove zbog mogućnosti savijanja lopatica bez opasnosti da će
se dodirnuti stup.
Broj lopatica rotora kod horizontalnih vjetroturbina ima utjecaj na njihove
karakteristike. Ako usporedimo vjetroturbinu sa dvije lopatice i tri lopatice, ona sa dvije treba
veću brzinu vrtnje da bi dobili jednaku količinu energije. Vjetroturbina s jednom lopaticom se
nije pokazala dobrom zbog velike buke i potrebe za protu-utegom na suprotnoj strani lopatice.
Slika 1.2. Izvedba sa stupom ispred i stupom iza lopatica
Korisnost vjetroenergije
6
„Američka“ vjetroturbina se često koriste na farmama za pogon pumpi za vodu. Brzina
vrtnje je mala unatoč tome što ima još više lopatica od prije navedenih.
Vjetroturbina s vertikalnom osi vrtnje ima prednost u odnosu na horizontalnu što se
ne treba usmjeravati u smjeru vjetra. Primjer vjetroturbine s vertikalnom osi jest Darrieusova
vjetroturbina kod koje su lopatice aerodinamičnog profila raspoređene oko rotirajućeg
središta.
Slika 1.3. „Američka“ vjetroturbina
Slika 1.4. Darrieusova vjetroturbina
Korisnost vjetroenergije
7
1.2. Budućnost obnovljivih izvora energije
U posljednjih nekoliko desetljeća obnovljivi izvori imaju sve veću ulogu u svjetskoj
proizvodnji energije. Neki od njih poznati su i koriste se još od davnina (npr. energija vjetra u
vjetrenjačama ili energija vode u vodenicama).
S druge strane danas su od obnovljivih izvora energije popularniji oni neobnovljivi
kao što su nafta, ugljen čija je cijena sve veća i veća. Čovjek zbog prevelikog iskorištavanja
fosilnih goriva nepopravljivo šteti okolišu.
Priroda nas svakodnevno "opskrbljuje", i to potpuno besplatno, velikim količinama
sunca i vjetra. Korištenjem energije Sunca i vjetra štedimo materijalna sredstva za postizanje
istog cilja kakav postižemo korištenjem fosilnih goriva koji donose mnogo veće troškove.
Proizvodnja struje iz energije vjetra povećava svoje kapacitete za 19 do 20 posto godišnje, što
se može usporediti s područjima za koja je karakterističan snažan razvoj. Nove tehnologije
omogućavaju nam iskorištavanje novih, obnovljivih izvora energije za proizvodnju električne
energije, a time postajemo manje ovisnosti o fosilnim gorivima. Svijest o zagađenju planeta
već je na snagu stupila 1997. godine kada su u japanskome gradu Kyotu osmislili protokol čiji
je cilj smanjenje stakleničkih plinova: ugljičnog dioksida, metana, dušikovog oksida,
fluorirani ugljikovodici, perfluoriranih ugljikovodika i heksafluorida.
U Republici Hrvatskoj je prihvaćena obaveza smanjenja stakleničkih plinova do 5%
do 2012. godine. Taj postupak će u Hrvatskoj trajati do 2020. godine. Jedan od načina
poticanja za smanjenje emisija stakleničkih plinova je poticanje proizvodnje električne struje
koristeći obnovljive izvore energije. Razvijene zemlje Europske Unije razvijaju koncept
povećanja udjela u proizvodnji različitih oblika energije koristeći obnovljive izvore za 50%
više.
1.3. Zračne struje
Vjetar je vodoravno strujanje zraka. Vjetar nastaje kao posljedica nejednakosti tlaka u
atmosferi zbog meteoroloških mijena, a određen je brzinom, smjerom i jačinom.
Zračne mase su velike količine zraka koje se pomiču duž Zemlje. Gibanje zračnih
masa u atmosferi javlja se zbog neravnomjernog zagrijavanja površine Zemlje na različitim
geografskim širinama zbog toga što se zrak zagrijava indirektno preko tla. Polovi Zemlje
dobivaju manje energije od ekvatora, a kopno se grije brže od mora. Zbog razlika temperatura
u slojevima zraka stvaraju se razlike tlaka koji se pretvara u kinetički oblik energije vjetra.
Korisnost vjetroenergije
8
Ciklusi strujanja zraka izmjenjuju se različitom snagom i različitim periodima trajanja ovisno
o utjecajnim čimbenicima. Promjene temperature i tlaka u slojevima zraka obnavljaju se
neprekidno ovisno o klimatskim promjenama na Zemlji.
Globalni vjetrovi pušu od ekvatora prema hladnim Zemljinim polovima. Kako je topli
zrak lakši od hladnog on se na ekvatoru podiže do visine od otprilike 10 km te putuje prema
sjevernom i južnom polu.
1.4. Jednadžba kontinuiteta
Dinamika fluida je dio mehanike koji se bavi gibanjem tekućina i plinova.
Gibanje fluida nazivamo strujanje, a ono nastaje zbog razlike u tlakovima ili vlastite
težine fluida. Protjecanje fluida predočujemo strujnicama. To su zamišljene linije u fluidu čija
tangenta u svakome trenutku pokazuje smjer brzine. Ako su strujnice gušće, brzina fluida je
veća. Strujanje može biti laminarno ako su strujnice paralelne te se brzina fluida ne mijenja i
turbulentno ili vrtložno kada se slojevi fluida miješaju, a strujnice su vrtložne.
Jednadžbom kontinuiteta objašnjavamo protjecanje idealnog fluida. Za idealni fluid
pretpostavljamo da je nestlačiv, konstantne gustoće, te se ne javlja unutarnje trenje.
Masa fluida se ne mijenja ukoliko se ne mijenja gustoća pa vrijedi da je protok stalan:
A1 v1 = A2 v2
Slika 1.5. Strujnice
Slika 1.6. Protok fluida kroz horizontalnu cijev
Korisnost vjetroenergije
9
1.5. Bernoullijeva jednadžba
Bernoullijeva jednadžba nam daje vezu između tlaka i brzine gibanja fluida (u našem
slučaju zraka). U skladu sa jednadžbom kontinuiteta, u užem dijelu cijevi brzina fluida je
veća, dakle, fluid treba imati akceleraciju. Sila koja izaziva tu akceleraciju dolazi od okolnog
fluida.
Kako je u užem dijelu cijevi brzina veća, a time i kinetička energija, potrebno je uložiti veći
rad za strujanje fluida.
Rad je jednak promjeni kinetičke energije
Slika 1.7. prikazuje gibanje fluida
Korisnost vjetroenergije
10
/:ΔV
Bernoullijeva jednadžba tako glasi:
Zbroj statičkog i dinamičkog tlaka u svim dijelovima horizontalne cijevi je konstantan.
Jednadžba opisuje zakon očuvanja energije čestica fluida određene mase. Kako je
potencijalna energija zbog male mase čestice zanemariva, slijedi da struja vjetra ima samo
kinetičku energiju.
Masa zraka m koja stupi kroz presjek A brzinom v i gustoće ρ jednaka je:
Kako je jednadžba protoka:
slijedi:
Ako to uvrstimo u formulu kinetičke energije dobijemo:
Ako u formulu za snagu uvrstimo izvedenu formulu kinetičke energije dobivamo:
P- snaga vjetra [W]
- gustoća zraka [kg/m3]
v- brzina vjetra [m/s]
A-površina turbine [m2]
Korisnost vjetroenergije
11
Iz dobivene formule vidimo da snaga ovisi o trećoj potenciji brzine. U prirodi postoje različita
strujanja zraka i nisu sva horizontalna. Kako na lopatice djeluje samo horizontalna
komponenta sile snaga također ovisi i o kutu strujanja zraka.
Pa tako za kut α=30°, odnos snaga je:
P30° = 0,65 P0°
Za α=45°
P45° = 0,35P0°
LOPATICE
SUŠILO ZA KOSU
vh
vv
v
α
Slika 1.8. prikazuje skicu strujanja zraka na kosini
Korisnost vjetroenergije
12
Za α=60°
P60° = 0,125P0°
Ili općenito možemo pisati
pa tako odnos snaga možemo računati za bilo koji kut:
Korisnost vjetroenergije
13
2.Mjerenja
2.1 Cilj rada
Zbog sve veće važnosti vjetroenergije i vjetroturbina u današnjem svijetu, ovim radom željele
smo odrediti koji čimbenici te na koji način i koliko utječu na korisnost vjetroturbina. U
našim mjerenjima mijenjale smo uloženu snagu, kut strujanja zraka te smo istražile na koji
način prepreke iza lopatica utječu na korisnost dobivene energije.
2.2 Pribor
Od pribora koristile smo sušilo za kosu kojim smo emitirale vjetar. Sušilom za kosu djelovale
smo na dinamo s lopaticama čija je uloga bila pretvoriti mehaničku energiju u električnu.
Kako bismo mogle izračunati korisnost mjerile smo napon i jakosti struje pomoću voltmetra i
ampermetra. Kut puhanja mijenjale smo pomoću drvene kosine, a kao prepreka poslužila nam
je knjiga.
Slika 2.1. prikazuje pribor korišten u mjerenjima
Korisnost vjetroenergije
14
2.3. Opis rada
Za početak dinamo s lopaticama spojile smo u strujni krug zajedno s voltmetrom i
ampermetrom te napravile dvije serije mjerenja. U obje serije mijenjale smo uloženu snagu, tj.
sva mjerenja napravile smo za dva sušila za kosu različitih snaga, jedno snage 1400 W, a
drugo 1500 W. Pretpostavile smo da što će uložena snaga biti veća, to će biti veća i dobivena
snaga, pa tako i korisnost.
Slika 2.2. prikazuje pripreme za mjerenja; podešavanje kuta Slika 2.3. prikazuje mjerenja
Korisnost vjetroenergije
15
2.3.1. OVISNOST SNAGE O KUTU DJELOVANJA I UDALJENOSTI DINAMA OD
IZVORA
U prvoj seriji mijenjale smo kut djelovanja vjetra te udaljenost dinama od sušila za
kosu. Kut puhanja mijenjale smo pomoću drvene kosine. Sušilo za kosu pričvrstile smo za
kosinu te smo kosinu smjestile na određenu udaljenost, koja je u jednome slučaju bila 10 cm,
a u drugome 20 cm. Provele smo mjerenja za kutove od 0°,10°,20°,30°,40°,50°,60°,70° i 80°.
2.3.2. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI PREPREKE IZA DINAMA
U drugoj seriji istraživale smo koliko prepreke iza dinama s lopaticama utječu na
korisnost dobivene struje. Dinamo s lopaticama kroz sva je mjerenja bio na jednakoj
udaljenosti (10 cm) od sušila, a mijenjale smo udaljenost prepreka od dinama te, kao i u
prijašnjoj seriji, uloženu snagu. Kao prepreka poslužila nam je knjiga. Udaljenost prepreke od
dinama mijenjale smo od 0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm do 20 cm.
Slika 2.4. prikazuje početna mjerenja – kut strujanja zraka je 0°
Korisnost vjetroenergije
16
2.3.3. IZRAČUN SNAGE I KORISNOSTI
Nakon što su sva mjerenja bila napravljena izračunale smo, najprije snagu, a zatim
preko snage korisnost. Snagu smo izračunale pomoću izraza.
Kako bismo mogle izračunati snagu, mjerile smo jakost struje I i napon U. Jakost struje u
vodiču je omjer količine naboja i vremena u kojemu ta količina naboja prođe kroz zamišljeni
presjek vodiča.
Fizička oznaka za vrijeme je t, a mjerna jedinica je sekunda.
Jakost struje označavamo slovom I i iskazujemo mjernom jedinicom A (amper) te ju mjerimo
ampermetrom. Ampermetar u strujni krug uvijek spajamo serijski.
Električni napon izvora je energija po jediničnom naboju koja se iz električnog
izvora prenosi strujnim krugom. Električni napon označavat ćemo slovom U i iskazivati
mjernom jedinicom V (volt) te mjeriti voltmetrom. Voltmetar u strujni krug uvijek
spajamo paralelno.
Pad napona na krajevima trošila je pretvorena električna energija po jediničnom naboju.
(1C=6,25x1018
e)
Slika 2.5. prikazuje mjerenja s preprekom
Korisnost vjetroenergije
17
Korisnost je fizička veličina koja nam pokazuje koliki dio u stroj uložene energije stroj
"vraća" u korisnom obliku.
To je broj koji je uvijek manji od jedan. Uobičajeno je korisnost izražavati u postocima, što
dobijemo množenjem navedenog omjera sa 100. Izgubljena energija najčešće se troši na
nepoželjno zagrijavanje uređaja uslijed normalnog rada, pa ne samo što na to gubimo dio
energije, nego u uređaje još treba i ugrađivati sustave hlađenja da to zagrijavanje ne ošteti
uređaje. U našem slučaju uložena snaga bila je snaga sušila za kosu, a dobivena snaga
umnožak napona i jakosti struje dobivene u prvoj seriji na istoj udaljenost pod istim kutom,
ili u drugoj seriji struje dobivene kada je prepreka na istoj udaljenosti.
uloženoP
Pdobiveno
Slika 2.6. prikazuje serijski spojeni strujni krug
Korisnost vjetroenergije
18
3. Rezultati
3.1. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI IZVORA OD DINAMA I KUTU
DJELOVANJA
Tablica 1. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1500 W na udaljenosti od dinama od 10 cm
kut/° U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%
0 3,30 22,10 72,93 0,0049
10 3,07 21,50 66,01 0,0044
20 2,84 18,50 52,54 0,0035
30 2,72 13,50 36,72 0,0024
40 2,53 12,40 31,37 0,0021
50 2,16 10,30 22,25 0,0015
60 2,10 9,40 19,74 0,0013
70 1,61 6,00 9,66 0,0006
80 1,40 4,30 6,02 0,0004
Tablica 2. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1500 W na udaljenosti od dinama od 20 cm
kut/° U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%
0 2,32 14,90 34,57 0,0023
10 2,14 12,50 26,75 0,0018
20 1,89 11,20 21,17 0,0014
30 1,67 10,10 16,87 0,0011
40 1,46 8,40 12,26 0,0008
50 1,27 6,70 8,51 0,0006
60 1,25 5,40 6,75 0,0005
70 0,95 4,40 4,18 0,0003
80 0,74 3,80 2,81 0,0002
Tablica 3. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1400 W na udaljenosti od dinama od 10 cm
kut/° U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%
0 2,84 20,50 58,22 0,0042
10 2,59 18,70 48,43 0,0035
20 2,48 16,70 41,42 0,0030
30 2,44 15,50 37,82 0,0027
40 2,18 14,60 31,83 0,0023
50 2,10 12,40 26,04 0,0019
60 1,95 11,00 21,45 0,0015
70 1,49 10,20 15,20 0,0011
80 1,27 8,40 10,67 0,0008
Korisnost vjetroenergije
19
Tablica 4. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1400 W na udaljenosti od dinama od 20 cm
kut/° U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%
0 2,54 17,40 44,20 0,0032
10 2,38 15,50 36,89 0,0026
20 2,27 13,20 29,96 0,0021
30 2,19 12,90 28,25 0,0020
40 1,90 9,50 18,05 0,0013
50 1,85 9,10 16,84 0,0012
60 1,68 8,70 14,62 0,0010
70 1,59 7,50 11,93 0,0009
80 1,47 5,50 8,09 0,0006
3.2. OVISNOST SNAGE O HORIZONTALNOJ KOMPONENTI BRZINE VJETRA
Tablica 5. Uspoređeni računski i eksperimentalni podaci
kut/° 1500 W 1400 W
Pračunski/mW Peksperimentalno/mW Pračunski/mW Peksperimentalno/mW
10 69.64 66.01 55.6 48.43
20 60.53 52.54 48.32 41.42
30 47.41 36.72 37.84 37.82
40 32.82 31.37 26.19 31.83
Odnos korisnosti s obzirom na kut djelovanja i udaljenost
dinama i sušila
0,0000
0,0010
0,0020
0,0030
0,0040
0,0050
0,0060
0 10 20 30 40 50 60 70 80
kut/°
ko
risn
ost/
% 1500 W, 10 cm
1500W, 20 cm
1400 W, 10 cm
1400 W, 20 cm
Korisnost vjetroenergije
20
3.3. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI PREPREKE IZA DINAMA
Tablica 6. Mjerenja s preprekom za sušilo snage 1500 W
l/cm U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%
0 0,00 0,00 0,00 0,00000
5 1,60 11,70 18,72 0,00125
10 1,66 14,80 24,57 0,00164
15 1,68 14,30 24,02 0,00160
20 1,72 15,90 27,35 0,00182
Tablica 7. Mjerenja s preprekom za sušilo snage 1400 W
l/cm U/V I/mA Pdobivena/mW ŋ/%
0 0,00 0,00 0,00 0,00000
5 1,60 7,50 12,00 0,00086
10 1,63 8,00 13,04 0,00093
15 1,66 8,30 13,78 0,00098
20 1,70 9,00 15,30 0,00109
Odnos korisnosti s obzirom na udaljenost prepreke
0,00000
0,00020
0,00040
0,00060
0,00080
0,00100
0,00120
0,00140
0,00160
0,00180
0,00200
0 5 10 15 20
udaljenost dinama od prepreke/cm
ko
risn
ost/
%
1500 W
1400 W
Korisnost vjetroenergije
21
4. Rasprava
4.1. Ovisnost korisnosti o uloženoj snazi
Kako se velika količina energije dobiva pri većim brzinama vjetra, dosta nam energije
dolazi u kraćim intervalima, odnosno na mahove, kao i vjetar. Posljedica toga je da
vjetroelektrane nemaju stalnu snagu na izlazu te postrojenja koja napajaju vjetroagregati
moraju imati osiguranu proizvodnju električne energije i iz nekog drugog izvora. Stalnost
snage kod vjetroelektrana bi nam mogao osigurati napredak u tehnologijama koje se bave
spremanjem energije tako da možemo koristiti energiju koju smo dobili za jačeg vjetra onda
kada ga nema.
„Više je tisuća vjetroagregata u pogonu, ukupno instalirane snage 73.904 MW, od čega je u
Europi 65% (2006.). Vjetroelektrane su imale najbrži rast od svih alternativnih izvora
energije na početku 21. stoljeća, kapacitet im se više nego učetverostručio od 2000. do 2006.
81% instalirane snage otpada na SAD i Europu. Procjene su da će do 2010. biti instalirano
160 GW snage vjetroagregata s porastom od 21%godišnje“ [5]
Iz priloženog članka možemo vidjeti da pomoću vjetroelektrana možemo dobiti veliku
snagu , ali isto tako ta snaga ovisi o uloženoj snazi, tj. snazi kojom vjetar djeluje na
vjetroelektranu. U našim mjerenjima uložena snaga bila je vrlo mala pa su zato i dobivena
snaga i korisnost vrlo mali, ali bez obzira na to iz dobivenih podataka možemo vidjeti kako se
korisnost mijenjala s obzirom na parametre. Pa tako, ako je uložena snaga veća, onda je i
dobivena snaga veća. U svim mjerenjima sušilo za kosu snage 1500 W dobili smo veći napon
i jakost struje pri istim uvjetima za oba sušila.
Korisnost vjetroenergije
22
4.2. Ovisnost korisnosti o udaljenosti izvora od dinama
Napravile smo mjerenja za dvije različite udaljenosti te se iz dobivenih rezultata
može vidjeti da korisnost opada s povećanjem udaljenost. Tome je razlog jače raspršenje
struje vjetra na većim udaljenostima. Raspršenjem struje vjetra smanjuje se horizontalna
komponenta brzine pa usporedno s time i korisnost.
Iz priloženog možemo zaključiti da bi korisnost vjetroagregata bila veća ukoliko bi
se oni nalazili na direktnome strujanju zraka, te da ovisno o mjestu postavljanja treba uzeti u
obzir gibanje zračnih masa. Vjetroagregati bi bili korisniji kada bi imali mogućnost okretanja
glave s lopaticama jer bi tada mogli slijediti promjene strujanja zračnih masa koja se razlikuju
uz obalu i u planinama.
4.3. Ovisnost korisnosti o kutu strujanja zraka
Snaga, pa time i sama korisnost, najveće su kod horizontalnog djelovanja vjetra.
Naime, na lopatice uvijek djeluje samo horizontalna komponenta brzine. Kako postoje zračna
strujanja različitih smjerova ni jedno strujanje nije u potpunosti horizontalno što bi nam
dopustilo da u potpunosti iskoristimo snagu vjetra. Rezultati naših mjerenja to su također
pokazali.
Pokusom smo pokazale da dobivena snaga zaista ovisi o horizontalnoj komponenti
brzine i da je snaga proporcionalna s kubom brzine. Računski rezultati veoma se dobro
poklapaju s onim eksperimentalnim za male udaljenosti i kuteve do 400. Kako se kut
povećavao tako se povećavala i udaljenost izvora struje zraka od horizontalne osi rotacije
lopatica i zbog toga je djelovanje bilo manje. Kod veće udaljenosti zbog raspršenja stuje
vjetra rezultati odstupaju od onih računskih.
Iz navedenog zaključujemo da je dobivena snaga najveća ako struja vjetra djeluje
po 0° s obzirom na os rotacije. Iskoristivost vjetroturbina veća je ako je glava s lopaticama
pokretna te se može usmjeriti direktno u struju vjetra.
Korisnost vjetroenergije
23
4.4. Ovisnost korisnosti o udaljenosti prepreke
Vjetroelektrane najčešće se grade na povišenim područjima zbog veće brzine, pa time
i snage vjetra u višim dijelovima atmosfere, ali također i zbog toga što na višim dijelovima
nema prepreka koje bi smanjivale brzinu pa time i snagu vjetra.
Turbulencija je nepravilno vrtložno gibanje koje se pojavljuje u fluidima kad struje
pored čvrstih predmeta. U našim mjerenjima, u slučaju kad je prepreka direktno iza lopatice
zrak struji kroz lopatice te se odbija od prepreka, tj. dolazi do turbulencije koja u potpunosti
sprječava okretanje lopatica. Kako se udaljenost prepreke povećava, turbulencija je slabija te
se lopatice brže okreću. Kada je prepreka na određenoj udaljenosti, u našem slučaju to su bile
male udaljenosti od 15 cm i 20 cm, turbulencija je toliko malena da ju možemo zanemariti jer
ne utječe na okretanje lopatica.
Dakle, zaključujemo da bilo kakvi dijelovi sustava smješteni iza samih lopatica utječu
na njezin rad. Da bi se njihov utjecaj smanjio oni moraju biti ili aerodinamičnog oblika ili
smješteni vertikalno na stupu kao kod vertikalnih turbina.
Korisnost vjetroenergije
24
5. Zaključak
Zbog sve veće važnosti vjetroenergije i vjetroturbina u današnjem svijetu, ovim radom
željele smo odrediti koji čimbenici te na koji način i koliko utječu na korisnost vjetroturbina.
U našim mjerenjima mijenjale smo uloženu snagu, kut strujanja zraka te smo istražile na koji
način prepreke iza lopatica utječu na korisnost.
Nakon što smo spojile dinamo, voltmetar i ampermetar u strujni krug, napravile smo
dvije serije mjerenja. U prvoj seriji mijenjale smo kut puhanja, tj. kut djelovanja vjetra te
udaljenost dinama od sušila za kosu, a u drugoj seriji istraživale smo koliko prepreke iza
dinama s lopaticama utječu na korisnost.
Hipoteze koje smo postavile prije provođenja pokusa bile su slijedeće: djelovanjem
sušila za kosu veće snage korisnost će biti veća, udaljavanjem dinama od izvora snaga će biti
manja, povećanjem kuta smanjuje se korisnost te prepreke iza lopatica također smanjuju
dobivenu snagu.
Iz dobivenih rezultata možemo vidjeti da se većina naših hipoteza pokazala točnima.
Kada je uložena snaga bila veća, veća je bila i dobivena snaga, ali zbog nepraktičnosti opreme
obje vrijednosti bile su vrlo male.
Udaljimo li dinamo od izvora strujanja zraka dolazi do jačeg raspršenja struje vjetra te
se smanjuje horizontalna komponenta brzine pa usporedno s time i snaga i korisnost.
Na lopatice uvijek djeluje samo horizontalna komponenta brzine. Kako postoje zračna
strujanja različitih smjerova ni jedno strujanje nije u potpunosti horizontalno što bi nam
dopustilo da u potpunosti iskoristimo snagu vjetra što su pokazala i naša mjerenja.
Vjetroagregati bi bili korisniji kada bi imali mogućnost okretanja glave s lopaticama jer bi
tada mogli slijediti promjene strujanja zračnih masa koja se razlikuju uz obalu i u planinama.
Dakle, povećanjem kuta korisnost se smanjuje.
Prepreke iza lopatica utječu na korisnost. Ako se prepreka nalazi direktno iz lopatica
one se ne okreću zbog turbulencija. Turbulencija se smanjuje s udaljavanjem prepreke te
korisnost raste. Zaključujemo da bilo kakvi dijelovi sustava smješteni iza samih lopatica
utječu na njezin rad. Da bi se njihov utjecaj smanjio oni moraju biti ili aerodinamičnog oblika
ili smješteni vertikalno na stupu kao kod vertikalnih turbina.
Korisnost vjetroenergije
25
6. Literatura
1. Korisnost
Rikard Podhorsky, Tehnička enciklopedija, Zagreb
2. Snaga, napon i jakost struje
V. Paar, V. Šips, Fizika 2, Školska knjiga, Zagreb, 2009.
3. Jednadžba kontinuiteta i Beroullijeva jednadžba
J. Labor, Fizika 1, Alfa, Zagreb, 2011.
4. Vjetroturbine
http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroturbine
5. Dijelovi vjetroturbine
http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroagregat
6. Budućnost obnovljive energije
http://novaenergija.hr/
7. V. Paar, Energetska kriza, Gdje (ni)je izlaz, Školska knjiga, Zagreb
8. P. Kulišić, Novi izvori energije i energija vjetra
9. Ideja za rad
http://www.all-science-fair-projects.com/project1393_29_1.html