U N I V E R Z I T E T U B E O G R A D U

E L E K T R O T E H N I Č K I F A K U L T E T

DIPLOMSKI RAD

EKSPLOATACIONA KARAKTERISTIKA

OBNOVIVIH IZVORA ENERGIJE

Kandidat: Mentor:

Mikica Mirković Prof. Dr. Slobodan Vukosavić

B e o g r a d, maj 2011. g o d i n e

SADRŽAJ Strana

1. Uvod ................................................................................................................................ 4

2. Solarna energija .............................................................................................................. 6

2.1 Uvod ............................................................................................................................... 6

2.2 Fotonaponski efekat ..................................................................................................... 8

2.3 Fotonaponski sistemi ................................................................................................... 10

2.4 I(U) i P(U) krive fotonaponskih ćelija ........................................................................... 11

2.5 Električne karakteristike solarnih nizova ..................................................................... 14

2.6 Uskladjivanje električnog opterećenja ......................................................................... 18

2.7 Tipovi fotonaponskih ćelija .......................................................................................... 19

2.7.1 PV ćelije izradjene od monokristalnog silicijuma (c-Si) ..................................... 20

2.7.2 PV ćelije izradjene od polikristalnog silicijuma (p-Si) ........................................ 20

2.7.3 PV ćelije izradjene od amorfnog silicijuma (a-Si) .............................................. 20

2.7.4 Polikristalne tankoslojne PV ćelije .................................................................... 21

2.7.5 Monokristalne tankoslojne PV ćelije ............................................................. 21

2.7.6 Multijunction strukture ćelija ....................................................................... 21

2.8 Poredjenje električnih karakteristika PV ćelija na bazi silicijuma ........................ 22

2.9 Akumulacija .................................................................................................................. 24

3. Energija vetra ...................................................................................................................... 25

3.1 Uvod ............................................................................................................................. 26

3.2 Snaga vetra ................................................................................................................... 27

3.3 Kriva snage .............................................................................................................. 29

3.4 Regulacija snage vetroturbina ...................................................................................... 32

3.5 Dizajn vetroturbina ...................................................................................................... 33

3.6 Nedostaci ..................................................................................................................... 35

2

4. Energija mora i okeana ....................................................................................................... 37

4.1 Uvod ............................................................................................................................. 37

4.2 Energija plime i oseke .................................................................................................. 37

4.2.1 Akumulacioni bazeni ......................................................................................... 37

4.2.1.1 Raspoloživa snaga akumulacionog bazena .......................................... 38

4.2.2 Plimski talas ....................................................................................................... 39

4.2.3 Dinamička snaga plime …………………………………………………………………………………. 40

4.3. Energija talasa ............................................................................................................... 41

4.3.1 Pelamis ............................................................................................................... 42

4.3.2 Plutajuće bove …………………………………………………..………………………………………….. 44

4.3.3 Komore sa oscilujućim vodenim stubom ........................................................... 46

4.3.4 Ostali principi ..................................................................................................... 47

5. Zaključak ............................................................................................................................. 49

6. Literatura ............................................................................................................................ 50

3

Razvoj i bogatstvo,uspeh naroda,

napredak cele ljudske rase,

odredjeni su raspoloživom energijom.

Nikola Tesla

1. UVOD Ekspanzijom ljudske populacije na zemlji, kao i globalnim razvojem društva, javlja se stalno povećanje potrebe za energijom. Trend rasta potreba na globalnom nivou iznosi 2,8% godišnje. Sa druge strane, trenutna struktura primarnih izvora ne može obezbediti takav rast proizvodnje električne energije. Razlog za to su sve aktuelniji ekološki problemi kao posledica sagorevanja fosilnih i nuklearnih goriva, na kojima se bazira sadašnja proizvodnja električne energije. Osim toga, postojeća dinamika kojom se eksploatišu fosilna goriva će u bliskoj budućnosti dovesti i do iscrpljivanja njihovih rezervi.

Izvori proizvodnje električne energije u svetu su prikazani na slici 1.1.

Slika 1.1 Izvori proizvodnje električne energije u svetu.

Kao direktna posledica ovih suprotstavljenih uslova proizvodnje i potrošnje javlja se stalni rast cene električne energije čime se već na sadašnjem nivou stvara ekološki i ekonomski

4

opravdana potreba uključivanja alternativnih izvora energije u globalnu strategiju razvoja energetike. Ovakvi energetski tokovi su zainteresovali visokorazvijene zemlje da ulažu ogroman kapital u razvoj sistema za korišćenje obnovivih izvora energije. Kao rezultat takvog ulaganja, osvojena je tehnologija, koja se stalno usavršava, i razvijena industrija za tehnički pouzdanu konverziju nekih primarnih obnovivih izvora. Osim toga, medjunarodni protokoli i obaveze o smanjenju emisije CO2 (Kjoto protokol), kao i lokalni ekološki problemi, primorali su vlade mnogih zemalja da različitim subvencijama podstiču izgradnju energetskih postrojenja koji su ekološki čisti.

Prema analizama medjunarodne agencije za energiju (IEA), u narednih 20 godina u Evropskoj uniji će zavisnost od uvoza energije sa sadašnjih 50% porasti na čak 70%. Do 2020. u Evropskoj uniji je aktuelan i program 3x20:

1) Smanjenje emisije ugljenika za 20%,

2) Poboljšanje energetske efikasnosti za 20 %,

3) Obaveza da 20% energetske potrošnje potiče iz obnovivih izvora.

Medjutim, postoje pokazatelji da će zacrtani ciljevi bar u nekim segmentima biti i premašeni. Ukupno 62% postrojenja za proizvodnju električne energije koja su prošle godine izgradjena u zemljama EU radi na obnovive izvore. Najviše su bile zastupljene vetroelektrane, sa 37% i fotonaponski uređaji (za solarnu energiju) sa udelom od 21%. Prema proceni Komisije, uz održanje sadašnjeg razvoja, 2020. godine iz obnovivih izvora bi moglo da bude proizvedeno 35-40% struje koja se troši u EU. Od obnovivih izvora energije u Srbiji može da se zameni 3.000.000 tona nafte ili 25% potrošnje energije.

Sunce nam svakog sata pošalje toliko energije koliko celokupno stanovništvo Zemlje potroši u jednoj godini. Zato je logično da se Sunce i njegova energija nameće kao logičan izbor izvora energije. Energija Sunca nam pristiže kao svetlosna i toplotna, ali se deo transformiše i u razne druge oblike. Fosilna goriva su takodje proizvod energije Sunca ali čovečanstvo se sve više okreće čistim obnovivim izvorima energije.

Energija obnovivih izvora može se koristiti za proizvodnju toplotne i električne energije. Hidroenergija ima značajan udeo u proizvodnji električne energije ali zadnjih godina i energija vetra se približila komercijalizaciji. Tu su još i solarna energija, energija biomase, geotermalna energija i energija mora (energija plime i oseke, morskih talasa, prirodnih struja...).

5

2. SOLARNA ENERGIJA 2.1. Uvod

Energija koja nam stiže od Sunca je više nego dovoljna da pokrije sve energetske potrebe čovečanstva jer se procenjuje da je 10.000 puta veća od energetske potražnje. Oko 37% svetske energetske potražnje zadovoljava se proizvodnjom električne energije. Ako bi se ova energija generisala fotonaponskim sistemima skromne godišnje izlazne snage od 100 kWh/m2, neophodna bi bila površina od 150 km2 za akumulaciju. Veliki deo ove površine mogao bi se smestiti na krovovima i zidovima zgrada, pa ne bi zahtevalo dodatne površine na zemlji. Energija sunčevog zračenja je dovoljna da proizvede prosečno 1.700 kWh električne energije godišnje na svakom kvadratnom metru. Što je zračenje jače na nekoj lokaciji, to je i generisana energija veća. Tropski predeli su u tom pogledu povoljniji od ostalih regiona sa umerenom klimom. Srednja ozračenost u Evropi iznosi 1.000 kWh/m2, a Srbija ima povoljniji geografski položaj za eksploataciju solarne energije od većine evropskih zemalja.

Slika 2.1.1 Fotonaponski solarni potencijal u evropskim zemljama.

6

U tabeli 2.1.1 date su vrednosti intenziteta sunčevog zračenja u Šimanovcima za 24 časa. Vrednosti su usrednjene za svakih 60 min. Podaci su prikupljani 05.04.2011. godine od 15 h. Srednja vrednost snage sunčevog zračenja u toku posmatranog perioda iznosi 297 W/m2, a maksimalna u periodu izmedju 13 i 14 h i iznosi 944 W/m2.

Datum Vreme [h]

Srednja snaga [w/m²]

05.04.2011 15 - 16 71805.04.2011 16 - 17 37705.04.2011 17 - 18 24105.04.2011 18 - 19 29605.04.2011 19 - 20 11005.04.2011 20 - 21 1305.04.2011 21 - 22 005.04.2011 22 - 23 005.04.2011 23 - 00 006.04.2011 00 - 01 006.04.2011 01 - 02 006.04.2011 02 - 03 006.04.2011 03 - 04 006.04.2011 04 - 05 006.04.2011 05 - 06 006.04.2011 06 - 07 2806.04.2011 07 - 08 16006.04.2011 08 - 09 34306.04.2011 09 - 10 53206.04.2011 10 - 11 70106.04.2011 11 - 12 83306.04.2011 12 - 13 91606.04.2011 13 - 14 94406.04.2011 14 - 15 918

Tabela 2.1.1 Snaga sunčevog zračenja u Šimanovcima.

2.2. Fotonaponski efekat

7

Električna energija se prizvodi korišćenjem sunčevog zračenja na dva načina: direktno korišćenjem fotonaponskog efekta i posredno preko toplotnog kružnog procesa. Drugi je pristup mnogo bliže ekonomskoj isplativosti ali se prvi princip brže razvija.

Fotonaponski efekat je u stvari usmereno kretanje nosioca naelektrisanja kada se odredjeni materijal osvetli snopom fotona. Znači, fotonaponske ćelije konvertuju svetlost u struju. Fotonaponski (PV) efekat je otkrio francuski fizičar Bekerel 1839. Godine. Sve do 1954. godine ovaj efekat se mogao dobiti samo u laboratorijama, kada su Bel laboratorije proizvele prvu silikonsku solarnu ćeliju. Vrlo brzo su ove ćelije našle svoju primenu u svemirskom programu Sjedinjenih Država, i od tada čine jako važan izvor energije za satelite. Nakon svemirskih programa, PV tehnologija polako pronalazi svoje mesto i u različitim zemaljskim aplikacijama.

Fizika PV ćelija je vrlo slična fizičkom procesu koji se odvija kod klasične diode sa p-n spojem kada se osvetli snopom svetlosti, što je prikazano na slikama 2.2.1 i 2.2.2.

Slika 2.2.1 Fotonaponski efekat konvertuje energiju fotona u napon duž p-n spoja.

Posebno konstruisan i dizajniran oblik p-n spoja, koji omogućava prostorno padanje svetla na što veću njegovu površinu, pri čemu svetlost (fotoni) ulaskom u materijal p-n spoja i prenosom svoje energije oslobadja slobodne nosioce naelektrisanja, elektrone i šupljine, naziva se fotonaponska ćelija. Pojava koja ima za posledicu oslobadjanje slobodnih nosioca naelektrisanja pod dejstvom svetlosti i stvaranjem električnog toka , naziva se fotonaponski efekat.

8

Slika 2.2.2 Prikaz fotonaponskog efekta.

Prvi korak na slici 2.2.2 prikazuje fotonaponske ćelije pre nego što se p-tip i n-tip poluprovodnika spoje. Iako su oba poluprovodna materijala električno neutralna, spajanjem p-tipa i n-tipa poluprovodnika nastaje takozvani p-n spoj, koji za posledicu ima stvaranje električnog polja. U trenutku kada se n-tip poluprovodnika i p-tip spoje, višak elektrona od strane n-tipa kreće se ka p-tipu strani. Rezultat ovog procesa je nagomilavanje pozitivnog naelektrisanja na n-tip strani ćelije, odnosno nagomilavanje negativnog naelektrisanja na p-tip strani ćelije (korak 2). Kada fotoni pogode fotonaponsku ćeliju oni se mogu reflektovati, proći kroz nju ili biti apsorbovani. Samo apsorbovani fotoni daju energiju za proizvodnju struje. Kada poluprovodnik apsorbuje dovoljno svetla, elektroni se istiskuju iz atoma materijala, sele se ka prednjem (negativnom) kontaktu ćelije dok se u isto vreme šupljine kreću u suprutnom smeru ka donjem (pozitivnom) kontaktu ćelije (korak 3). Napon na spoljašnjim kontaktima p-n spoja može se povezati sa potrošačem pri čemu će se stvarati naelektrisanje i teći jednosmerna struja sve dok postoji upadni snop svetlosti. Prizvod kvadrata struje i otpora kola je snaga svetlosti koja se konvertovala u elektricitet. Preostala snaga fotona povećava temperaturu ćelije.

9

Slika 2.2.3 Osnovna konstrukcija PV ćelije.

Na slici 2.2.3 prikazana je osnovna konstrukcija PV ćelije. Na obe strane spoja postavljeni su kontakti za prikupljanje fotostruje. Kontakt od provodne folije (kalaja) se nalazi preko donje površine i na jednoj od ivica gornje (osvetljene) površine. Tanka providna mreža na preostalom delu gornje površine sakuplja struju i propušta svetlost. Dodatak osnovnoj konstrukciji su i odredjena poboljšanja. Na primer, na gornjoj strani ćelije postavljena je antireflektujuća obloga koja povećava količinu apsorbovane svetlosti jer se smanjuje njena refleksija. Mehanička zaštita se obezbedjuje zaštitnim staklom koje štiti ćeliju od spoljašnjih uslova (grad, kiša, vetar, sneg...).

2.3 Fotonaponski sistemi

Fotonaponske ćelije predstavljaju osnovu za stvaranje blokova PV sistema. Obično je veličina jedne ćelije nekoliko kvadratnih centimetara i daje snagu od oko jednog vata. Kako bi se dobila veća snaga, veći broj ćelija se povezuje serijski i paralelno na panelu (modulu) koji iznosi nekoliko kvadratnih decimetara. Solarni niz ili panel definiše se kao grupa od nekoliko modula koji su električno povezani u serijsko-paralelnoj kombinaciji, a koja generiše potrebnu struju i napon. PV ćelija, modul i niz su prikazani na slici 2.3.1.

10

Slika 2.3.1 Nekoliko PV ćelija čini modul, a nekoliko modula čini niz.

Povećavanje efikasnosti PV ćelija se postiže na više načina. Jedan od načina je povećavanjem količine svetlosti koja pada na PV ćelije. To se postiže korišćenjem koncentratora svetlosti u vidu sočiva i ogledala. Kod sistema veće snage koriste se i sistemi koji podešavaju optimalni ugao ćelija u odnosu na Sunce. Ovi sistemi mogu vršiti okretanje panela po jednoj ili dve ose i povećavaju efikasnost i preko 30%. Mana je povećanje troškova izgradnje solarne elektrane a takodje i troškova održavanja. I sam nadzor takvog sistema je potrebno podići na znatno viši nivo.

2.4 I(U) i P(U) krive fotonaponskih ćelija

Električne karakteristike PV ćelije opisuju se krivom struje u zavisnosti od napona. Na slici 2.4.1 prikazana je I(U) karakteristika PV modula kada se on nadje u dve različite situacije, pod dejstvom sunčeve svetlosti i u mraku. U prvom kvadrantu, gornji levi deo I(U) krive pri nultom naponu naziva se strujom kratkog spoja. Ovo je struja koja bi se mogla izmeriti ukoliko bi izlazni terminali bili kratkospojeni (pri nultom naponu). Donji desni deo I(U) krive naziva se naponom otvorenog kola. Ovo je napon koji bi izmerili ukoliko su izlazni terminali otvoreni (nulta struja). U levom osenčenom regionu, ćelija se ponaša približno kao konstantni strujni izvor koji generiše napon koji odgovara otporu opterećenja. U osenčenom desnom delu, struja ubrzano opada sa malim porastom napona. U ovom regionu, ćelija radi približno kao konstantni naponski izvor sa odredjenom unutrašnjom otpornošću. Negde u sredini izmedju osenčenih regiona javlja se koleno krive. Ukoliko se primeni spoljašnji napon sa obrnutim smerom polarizacije, na primer za vreme kvara, struje ostaju na istim vrednostima a snaga se apsorbuje od strane ćelije. Ipak, nakon odredjene vrednosti negativnog napona, dolazi do proboja spoja kao kod diode i struja naglo dobija velike vrednosti.

11

Slika 2.4.1 I(U) karakteristika PV modula u mraku i na svetlosti.

Izlazna snaga panela je proizvod napona i struje. Na slici 2.4.2 data je kriva snage u zavisnosti od napona. Primetite da ćelija ne daje nikakvu snagu kada su napon ili struja jednaki nuli, a maksimalnu snagu daje kada napon odgovara tački kolena I(U) krive. Ovo je razlog zbog kog se PV kola proizvode tako da im se radna tačka nalazi u blizini tačke na kolenu I(U) karakteristike. PV moduli se konstruišu slično konstantnim strujnim izvorima.

Slika 2.4.2 P(U) karakteristika PV modula na svetlosti.

Američka firma Sunpower proizvodi solarne panele, koji imaju stepen iskorišćenja od preko 19%. U ovoj klasi proizvode panele nominalne snage 240 W i 320 W. U tabeli 2.6.1 dati su osnovni podaci za ova dva panela mereni u standardnim uslovima, tj. pri snazi sunčevog zračenja od 1000 W/m2 i na temperaturi od 25°C. Primećuje se da su im karakteristike dosta slične osim što je radni napon kod prvog panela manji za 15-tak volti.

12

E 19 / 240 E 19 / 320

Snaga (+5/-3%) Pmax 240 W 320 W

Efektivnost 19,3% 19,6%

Radni napon Vmpp 40,5 V 54,7 V

Radna struja Impp 5,93 A 5,86 A

Napon otvorenih krajeva Voc 48,6 V 64,8 V

Struja kratkog spoja Isc 6,30 A 6,24 A

Max. napon sistema UL 600 V 600 V

Temperaturni koeficijent Snaga (P) -0,38% / K -0,38% / K

Napon (Voc) -132,5mV / K -176,6mV / K

Struja (Isc) 3,5mA / K 3,5mA / K

Nominalna temperatura 45°C +/-2°C 45°C +/-2°C

Tabela 2.4.1 Električne karakteristike Sunpower panela E 19 / 240 i E 19 / 320.

Na slici 2.4.3 prikazana je I(U) karakteristika solarnog panela E19 / 240 za različite itenzitete sunčevog zračenja i pri nominalnoj temperaturi kao i I(U) karakteristika za osunčanost od 1000W/m2 i temperaturu od 50°C. Na slici 2.4.4 prikazana je I(U) karakteristika solarnog panela E19 / 320 u istim uslovima kao i za predhodni panel.

13

Slika 2.4.3 I(U) karakteristike solarnog panela E19 / 240.

Slika 2.4.4 I(U) karakteristike solarnog panela E19 / 320.

2.5 Električne karakteristike solarnih nizova

Najvažniji faktori koji utiču na električne karakteristike solarnih nizova su:

1) Intenzitet sunčeve svetlosti,

2) Ugao sunčeve svetlosti,

3) Uskladjivanje maksimalne snage i opterećenja,

4) Radna temperatura.

1) Intenzitet sunčeve svetlosti. Jačina fotostruje je maksimalna kada je i sunčeva svetlost maksimalna (1,0 sun.). Kada je delimično sunčan dan, fotostruja se smanjuje u skladu sa intenzitetom sunčeve svetlosti, a I(U) karakteristika se menja kao što je prikazano na slici 2.5.1. Kada je dan oblačan, struja kratkog spoja se značajno smanjuje. Smanjenje napona otvorenog kola je, sa druge strane, zanemarljivo

14

Slika 2.5.1 I(U) karakteristika modula u zavisnosti od intenziteta sunčeve svetlosti.

2) Ugao sunčeve svetlosti. Izlazna struja ćelije data je kao I=I0cos, gde je I0 struja kada sunčevi zraci padaju normalno na foto-ćeliju, a je ugao sunčevog zračenja u odnosu na normalu. Ovaj kosinusni zakon je odličan kada su u pitanju uglovi od 00 do 500. Za uglove veće od 500, izlaz značajno odstupa od kosinusnog zakona tako da za uglove veće od 850 ćelija ne generiše snagu, iako matematički, kosinusni zakon predvidja generisanje snage od 8,7%. Stvarna kriva PV ćelije naziva se Kelly-eva kosinusna kriva i prikazana je na slici 2.5.2, a odgovarajuće vrednosti date su u tabeli 2.5.1.

Slika 2.5.2 Kelly-eva kosinusna kriva za PV ćeliju za uglove od 00 do 900.

Sunčev ugao u stepenima

Matematička kosinusna vrednost

Kelly-eva kosinusna vrednost

30 0.866 0,86650 0,643 0,63560 0,500 0,45080 0,174 0,10085 0,087 0,000

Tabela 2.5.1. Kosinusne i Kelly-eve vrednosti fotostruje u silikonskim ćelijama.

15

3) Efekat senke (uskladjivanje maksimalne snage i opterećenja). Radi postizanja odgovarajućeg napona i struje, niz se može sastojati od velikog broja paralelno i serijski vezanih ćelija. Dva takva dela prikazana su na slici 2.5.3.

Slika 2.5.3 Solarni niz na koji pada senka.

Niz se može naći u delimičnoj senci usled strukture koja se nalazi izmedju datog niza i sunčeve svetlosti. Ukoliko je ćelija potpuno zaklonjena, izgubiće fotonapon, ali će i dalje prenositi struju niza zato što je serijski povezana sa ostalim radnim ćelijama. Bez interno generisanog napona, ćelija ne može da daje snagu. Umesto toga, ona se ponaša kao opterećenje usled čega se na njoj javljaju gubici. Ostale ćelije rade na povećanom naponu kako bi nadoknadile gubitke koji se javljaju na ćeliji koja se nalazi u senci. Veći napon u „zdravim“ ćelijama znači slabiju struju. Strujni gubici nisu proporcionalni zasenčenom delu slike. Ukoliko je broj ćelija u senci veći od neke kritične vrednosti, I(U) kriva pada ispod radnog napona niza, usled čega struja pada na nulu, tako da je krajnja posledica gubitak snage. Ovo je prikazano na slici 2.5.4 .

Slika 2.5.4 Efekat senke na delu PV niza. Degradacija snage je mala sve dok broj delova

u senci ne predje zadatu graničnu vrednost.

Najčešći metod za eliminisanje gubitaka koji se javljaju usled senke je podela kola na nekoliko segmenata pomoću dioda za premošćenje, što je prikazano na slici 2.5.5. Diode koje

16

se nalaze na segmentu koji se nalazi u senci premošćuje samo taj niz. Usled ovog javljaju se proporcionalni gubici napona i struje segmenta, bez gubitaka snage čitavog niza. Razvojem elektronike omogućena je konstrukcija DC-DC i DC-AC pretvarača koji rade u velikom opsegu ulaznog napona, tako da se u svakom trenutku koristi maksimalna raspoloživa izlazna snaga PV sistema.

Slika 2.5.5 Diode za premošćenje.

4) Temperaturni efekat. Sa povećanjem temperature, struja kratkog spoja ćelije se povećava, dok se napon otvorenog kola smanjuje. U tabeli 2.5.2 date su procentualne vrednosti promena struje, napona i snage za monokristalni i amorfni silicijum.

Vrsta ćelije Struja [%] Napon [%] Snaga [%]

Monokristalni silicijum 0,065 -0.50 -0,45

Amorfni silicijum 0,o15 - 0,020 -(0,20 - 0,30) -(0,15 - 0,25)

Tabela 2.5.2 Promena struje, napona i snage sa porastom temperature.

17

Slika 2.5.6 Promena I(U) karakteristike usled promene temperature.

Na slici 2.5.6 je prikazana promena I(U) karakteristike usled promene temperature. Pošto je povećanje struje mnogo manje u odnosu na smanjenje napona, ukupan efekat je smanjenje snage na visokim radnim temperaturama, što je prikazano na slici 2.5.7. Slika nam pokazuje da je maksimalna snaga dostupna pri nižim temperaturama veća od snage koja je dostupna na višim temperaturama. Znači, niže temperature su bolje za PV ćeliju pošto se u tom slučaju proizvodi više snage. Ipak, dve Pmax tačke ne odnose se na isti napon. Kako bi dobili maksimalnu snagu pri bilo kojoj temperaturi, PV sistem mora biti dizajniran tako da se izlazni napon modula može povećati na V2 kako bi se dobila snaga Pmax2 na nižim temperaturama i da se u svakom trenutku može smanjiti na V1 za snagu Pmax1 pri višim temperaturama.

Slika 2.5.7Efekat temperature na PV ćelije.

2.6 Uskladjivanje električnog opterećenja

18

Radna tačka bilo kog sistema predstavlja presek funkcije napajanja i funkcije opterećenja. Ukoliko PV izvor, koji ima I(U) i P(U) karakteristike kao na slici 2.6.1 pod a) i b), napaja otporno opterećenje R1, njegova radna tačka će biti tačka a1. Ako se otpornost poveća na R2 pa na R3, radna tačka se pomera na a2 i na a3, respektivno. U ovom primeru maksimalna snaga iz modula se dobija kada je otpornost opterećenja jednaka R2. Ovakvo uskladjivanje opterećenja sa izvorom energije je uvek potrebno ukoliko želimo da iskoristimo maksimalnu snagu PV modula. Rad sa konstantnim opterećenjem prikazan je na slici 2.6.1 pod c) i d). Kriva konstantnog opterećenja ima dve tačke preseka sa krivom izvora, koje su označene kao b 1 i b2. Jedino je radna tačka b2 stabilna, pošto će bilo koji poremećaj sistema stvarati rad koji će vratiti radnu tačku u tačku b2. Potreban uslov za električnu radnu stabilnost solarnog niza je:

| dPdU |opt .

>|dPdU|izv .

Slika 2.6.1 Radna stabilnost i uskladjivanje električnog opterećenja sa otpornim i

konstantnim opterećenjem.

Neka opterećenja, kao što su grejači, imaju konstantnu otpornost, pri čemu njihova snaga zavisi od kvadrata napona. Sa druge strane, neka opterećenja, kao što su indukcioni motori, ponašaju se kao konstantna opterećenja, pri čemu im je za veću struju potreban niži napon. Kod većine velikih sistema sa mešovitim opterećenjem, snaga varira približno linearno sa naponom.

19

2.7 Tipovi fotonaponskih ćelija

Fotonaponske ćelije mogu biti izradjene od različitih vrsta poluprovodnih materijala, koji mogu biti složeni u različite strukture sa ciljem postizanja što bolje efikasnosti pretvaranja solarne u električnu energiju. Za izradu fotonaponskih ćelija koriste se sledeći poluprovodni materijali i tehnologije:

- Silicijum (Si) – uključujući monokristalni silicijum (c-Si), polikristalni silicijum (p-Si) i amorfni silicijum (a-Si).

- Polikristalni tankoslojni materijali (polikristalni tanki film) – uključujući CIS spoj poluprovodnih materijala (Bakar-Indij-Diselenid), CdTe (Kadmij- Telurid) i tankoslojni silicijum (većinom amorfni silicijum).

- Monokristalni tankoslojni materijali (monokristalni tanki film) – većinom izvedeni od Galijum-Arsenida (Ga-As).

- Multijunction strukture materijala – kombinacije raznih poluprovodnih materijala.

2.7.1 PV ćelije izradjene od monokristalnog silicijuma (c-Si) . PV ćelije izradjene od monokristalnog silicijuma imaju tzv. homojunction strukturu, što znači da se sastoje od istog materijala koji je modifikovan tako da je na jednoj stani ćelije p-sloj, a na drugoj n-sloj silicijumskog poluprovodnika. Unutar ćelije, p-n spoj je lociran tako da se maksimum sunčevog zračenja apsorbuje blizu spoja. Površina takvih ćelija zavisi od preseka monokristala od kog se proizvode. Prečnik ćelije iznosi od 5 cm do 10 cm a debljina im je od 200 m do 300 m. Napon takvih ćelija je od 0,55 V do 0,70 V. Teorijska efikasnost im je oko 22 %, dok je stvarna efikasnost oko 15 %. Jedina mana ćelija izradjenih od monokristalnog silicijuma je visoka proizvodna cena zbog komplikovanog procesa proizvodnje.

2.7.2 PV ćelije izradjene od polikristalnog silicijuma (p-Si) . Kao i monokristalne silicijumske ćelije i PV ćelije izradjene od polikristalnog silicijuma imaju tzv. homojunction strukturu. Suprotno monokristalnom silicijumu, polikristalni silicijum sačinjen je od više malih kristala, zbog čega dolazi do pojave granica u njegovoj strukturi. Granice sprečavaju tok elektrona, pa se povećava njihovo rekombinovanje sa šupljinama što rezultira smanjenjem izlazne snage takvih ćelija. Proces proizvodnje ćelija od polikristalnog silicijuma je znatno jeftiniji od procesa proizvodnje monokristalnih ćelija ali zato imaju manju efikasnost.

2.7.3 PV ćelije izradjene od amorfnog silicijuma (a-Si) . Atomi unutar amorfnih materijala nisu složeni ni u kakvu posebnu strukturu, odnosno ne formiraju kristalnu strukturu. Takodje, amorfni materijali sadrže veliki broj strukturnih defekta i lošu povezanost atoma. Zbog navedenog razloga elektroni će se rekombinovati sa šupljinama umesto da „udju“ u strujni krug. Budući da defekti limitiraju tok električne struje, ovakvi materijali su inače neprihvatljivi u

20

elektronskim uredjajima. Defekti se mogu delimično ukloniti ako se u amorfni silicijum ugradi mala količina vodonika. Posledica takvog tretiranja amorfnog silicijuma je kombinovanje atoma vodonika sa atomima amorfnog silicijuma koji nemaju suseda (nisu vezani) tako da elektroni mogu nesmetano putovati kroz materijal. Još 1974. godine istraživači su otkrili da je amorfni silicijum upotrebljiv u PV tehnologiji ukoliko se kontrolišu uslovi polaganja materijala i pažljivo modifikuje njegov sastav. Danas se amorfni silicijum koristi u uredjajima koji koriste sunčevu energiju kao izvor napajanja i imaju male energetske zahteve (kalkulatori, ručni satovi i sl.). Amorfni silicijum upija sunčevo zračenje 40 puta efikasnije naspram monokristalnog silicijuma, tako da sloj debljine 1 m može upiti oko 90% energije sunčevog zračenja. Upravo to svojstvo amorfnog silicijuma bi moglo sniziti cenu PV tehnologije. Ostale prednosti amorfnog silicijuma takodje su ekonomskog karaktera. Moguće ga je proizvesti na niskim temperaturama i može biti položen na jeftine podloge (plastika, staklo, metal i sl.) što ga čini idealnim za integrisanje PV tehnologije u sastavni deo objekta (kao krovni pokrivač ili fasada).

2.7.4 Polikristalne tankoslojne PV ćelije. Termin „tankoslojni“, tačnije „tanki film“ odnosi se na tehnologiju polaganja filma (sloja), pošto se tankoslojne PV ćelije polažu u izuzetno tankim, uzastopnim slojevima atoma, molekula ili jona. PV ćelije izradjene tehnologijom tankog filma imaju puno prednosti naspram ćelija izradjenih klasičnim metodama, kao na primer:

- Pri izradi tankoslojnih ćelija koristi se manje materijala pošto debljina takvih ćelija varira od 1 m do 10 m, dok su klasične Si ćelije debljine od 100 m do 300 m.

- Tankoslojne ćelije prizvode se automatizovanim, besprekidnim procesima i mogu se polagati na jeftine podloge (staklo, nerdjajući čelik, plastika i sl.) a zbog fleksibilnosti proizvodne tehnologije, ćelija standardnih dimenzija 125 mm x 125 mm može se prizvesti istom aparaturom kao i jedna velika ćelija dimenzije 75 cm x 150 cm.

- Ćelijama izradjenim tehnologijom tankog filma nije potrebna metalna mreža za gornji kontakt (kao kod c-Si ćelija), već koriste tanki sloj transparentnog vodonik oksida.

- Slojevi tankog filma polažu se na odabranu podlogu, uključujući antireflektujući sloj i transparentni sloj vodonik oksida, čime se skraćuje proces proizvodnje.

Teorijska efikasnost ovih ćelija je oko 15% a stvarna efikasnost je puno manja.

2.7.5 Monokristalne tankoslojne PV ćelije. Monokristalne tankoslojne PV ćelije većinom su izradjene od Galijum-Arsenida. Osim što se koristi u PV tehnologiji, Galijum-Arsenid se koristi kod LED dioda, lasera i ostalih elektronskih uredjaja koji koriste svetlost. Ćelije sačinjene od Galijum-Arsenida uglavnom imaju tzv. multijunction strukturu koja se često naziva i kaskadnom strukturom.

21

2.7.6 Multijunction strukture ćelija. Multijunction strukturom PV ćelije postiže se visoka efikasnost pretvaranja budući da se obuhvata veći deo solarnog spektra. U tipičnoj multijunctuon strukturi, ćelije sa različitim energetskim procepima su naslagane jedna iznad druge na takav način da sunčeva svetlost prvo pada na materijal sa najvećim energetskim procepom. Fotoni koji nisu apsorbovani u prvoj ćeliji se prenose na drugu ćeliju koja upija visoko-energetski deo preostalog sunčevog zračenja a ostaje transparentna za nisko-energetske fotone. Ovakav selektivan proces se nastavlja do zadnje ćelije koja ima najmanji energetski procep.

Ovo su dosta istraženi materijali i metode eksploatacije PV efekta, ali eksperimentiše se i sa novim materijalima organskog porekla kao i nanotehnologijom.

2.8 Poredjenje električnih karakteristika PV ćelija na bazi silicijuma

Posmatraćemo četiri različite fotonaponske ćelije:

TIP PV ĆELIJE ANTIREFLEKTUJUĆI SLOJ POVRŠINA ĆELIJE [cm²]

Monokristalni silicijum NE 65

Monokristalni silicijum DA 52

Polikristalni silicijum NE 156

Amorfni silicijum NE 146

Merenja su vršena pri intenzitetu svetlosnog zračenja od E=50.000 lx (73,21 W/m 2) dobijenog od halogene lampe, i pri intenzitetu svetlosnog zračenja od E=130.000 lx (190.33 W/m2) dobijenog od prirodnog, tj. sunčevog zračenja. Kao opterećenje je upotrebljen promenljivi otpornik vrednosti od 0,5 do 1000 Ω. Pomoću dobijenih rezultata nacrtane su odgovarajuće I(U) i P(U) krive za sve četiri ćelije. Krive su prikazane na slici 2.8.1.

22

Slika 2.8.1 I(U) i P(U) krive za sve četiri testirane PV ćelije.

Deo slike 2.8.1 pod a) odnosi se na fotonaponsku ćeliju od monokristalnog silicijuma bez antireflektujućeg sloja, pod b) je karakteristika monokristalne ćelije sa antireflektujućim slojem, pod c) je karakteristika polikristalne ćelije i pod d) je karakteristika amorfne ćelije. Crnom bojom su iscrtane I(U) i P(U) karakteristike kada je intenzitet svetlosnog zračenja E=130.000 lx i zelenom tačkom je označena maksimalna snaga. Plavom bojom su iscrtane I(U) i P(U) karakteristike kada je E= 50.000 lx a crvenom tačkom je označena odgovarajuća maksimalna snaga. Na prvi pogled primećujemo da se električna karakteristika ćelije od amorfnog silicijuma značajno razlikuje od preostale tri. Tu razliku primećujemo i kad je u pitanju efikasnost ćelija, maksimalna snaga kao i faktor popunjenosti (fill factor). Efikasnost ćelije računamo po obrascu:

Umpp I∙ mpp/E S) 100% , gde je: U∙ ∙ mpp - napon ćelije kada je izlazna snaga maksimalna [V],

I mpp - struja ćelije kada je izlazna snaga maksimalna [A],

E - intenzitet svetlosnog zračenja [W/m2],

S - površina solarne ćelije [m2].

23

Faktor popunjenosti I(U) karakteristike fotonaponske ćelije računamo po obrascu:

F=UmppImpp/UocIsc , gde je: Uoc - napon otvorenih krajeva [V],

Isc - struja kratkog spoja [A].

U tabeli 2.8.1 date su efikasnost, maksimalna snaga i faktor popunjenosti za sve četiri ćelije i za oba intenziteta svetlosnog zračenja.

PV ćelija Int. zračenja [lx]

Efikasnost [%]

Maks. snaga [W/m²]

Faktor popunjenosti

Monokristalni silicijum 130.000 8 15,32 0,86

bez antiref. sloja 50.000 18 13,57 0,80

Monokristalni silicijum 130.000 9 17,90 0,84

sa antiref. slojem 50.000 22 16,74 0,83

Polikristalni silicijum 130.000 3 6,29 0,89

bez antiref. sloja 50.000 9 5,84 0,87

Amorfni silicijum 130.000 14,5 14,12 0,66

bez antiref. sloja 50.000 8 10,68 0,63

Tabela 2.8.1 Efikasnost, maksimalna snaga i faktor popunjenosti PV ćelija.

U tabeli primećujemo da sa povećavanjem intenziteta svetlosnog zračenja efikasnost ćelija opada. Ovo jedino ne važi za ćeliju napravljenu od amorfnog silicijuma kod koje se efikasnost povećava sa porastom svetlosnog zračenja. Efikasnost se kreće u granicama od 3 do 22%. Takodje primećujemo da se kod svih ćelija maksimalna izlazna snaga povećava sa porastom zračenja i da maksimalnu izlaznu snagu daje PV ćelija od monokristalnog silicijuma sa antireflektujućim slojem. Što se tiče faktora popunjenosti, on se za prve tri ćelije kreće od 0,80 do 0,89 dok je za ćeliju od amorfnog silicijuma od 0,63 do 0,66.

2.9 Akumulacija

Mogućnosti akumulacije energije kod fotonaponskih sistema su veoma ograničene. Kod malih sistema akumulacija se obavlja posredstvom punjivih baterija, iz kojih se crpi energija kada PV sistem ne generiše električnu energiju. Kod većih sistema ovakav vid akumulacije bi bio ekonomski neisplativ. Da bi se umanjila negativna osobina PV sistema, da ne generišu električnu energiju kada nema sunčevog zračenja dovoljnog intenziteta, ovakvi sistemi se kombinuju sa nekim drugim izvorima. Veoma često izbor pada na vetrogeneratore.

24

3. ENERGIJA VETRA

3.1 Uvod

Vetar je horizontalno strujane vazdušnih masa nastalo usled razlike temperature, odnosno prostorne razlike u vazdušnom pritisku. Vetar je posledica sunčevog zračenja, tj. predstavlja transformisani oblik sunčeve energije. Oko 1 do 2 posto energije koja dolazi od Sunca pretvara se u energiju vetra. Energija vetra se u davnini koristila za plovidbu čamcima i brodovima. Prve vetrenjače, koje su se koristile za mlevenje žita, pojavile su se oko 700 godina pre nove ere u sadašnjem Avganistanu. U Severnoj Americi je u XIX veku bilo izgradjeno na hiljade vetrenjača koje su se koristile za pumpanje vode na farmama i plantažama. Početkom XX veka su postavljane i prve vetrenjače za proizvodnju električne energije, ali su one prestale sa radom 30-ih godina zbog intenzivnog širenja elektrodistributivnog sistema. Tokom naftne krize, početkom 1970-ih, ponovo počinje ozbiljnije korišćenje energije vetra za proizvodnju električne energije, a pravi rast je došao u 80-im sa novim tehnološkim dostignućima.

25

Slika 3.1.1 Farma vetrogeneratora.

Perspektiva vetrogeneratora je vrlo optimistična jer vetar predstavlja neiscrpan ekološki izvor energije čiji globalni potencijal višestruko nadmašuje svetske potrebe za električnom energijom. Vetroenergetika predstavlja oblast energetike sa najvećim trendom razvoja u poslednjoj deceniji, sa godišnjim trendom porasta instaliranih kapaciteta od preko 35%. Na slici 3.1.2 je prikazan porast instaliranih kapaciteta vetroelektrana od 1997. Do 2010. godine, kao i rasporedjenost po kontinentima za 2005. godinu.

26

Slika 3.1.2 Godišnji porast instalisanih snaga vetroelektrana u svetu.

Područja Zemlje gde duvaju planetarni vetrovi su najisplativiji za eksploataciju energije vetra. Pučina se ističe kao najbolja pozicija, ali cene instalacije i transport energije koče takvu eksploataciju. Ipak, nije se odustalo od ove ideje. Probna plutajuća turbina (113 km od obale, Italija 2008. ) je radila godinu dana i prikuplaju se operativni podaci. Prvi plutajući vetrogenerator veće snage (2,3 MW) postavljen je u Severnom moru u septembru 2009. god. Vetrogeneratori se zbog manjih troškova instalacije i manjih gubitaka u transportu energije, postavljaju u priobalnim delovina i na kopnu iako je snaga vazdušnih strujanja znatno manja.

Trenutno se najčešće koriste vetrogeneratori snage od 1,5 MW do 3 MW mada se prave vetrogeneratori snage i do 5 MW. Kod vetrogeneratora veće snage potrebna je značajna početna energija vetra, zbog robusnosti sistema. Kinezi razvijaju Maglev vetrogenerator koji koristi magnetnu levitaciju, tj. magnetne ležajeve da bi trenje sveli skoro na nulu. To im pruža mogućnost da prave vetrogeneratore koji bi radili i sa malim brzinama vetra, već od 1,5 m/s. U institutu Guangdžou tvrde da bi jedna ogromna turbina snage 1GW proizvodila čistu energiju za manje od jednog centa po kWh, a zauzimala bi prostor standardne elektrane.

27

Slika 3.1.3 Maglev vetrogenerator.

U Kini postoje velika prostranstva, sa značajnim brojem domaćinstva, do kojih nije došla elektrodistributivna mreža, pa rešenje problema snabdevanja električnom energijom vide u postavljanju velikog broja Maglev vetrogeneratora manje snage u kombinaciji sa PV ćelijama.

3.2 Snaga vetra

Vetrogeneratori koriste kinetičku energiju vetra, koju pomoću turbina na vetar pretvaraju u mehaničku energiju, a nju preko elektrogeneratora u električnu energiju. Elise rotora vetrogeneratora se okreću zbog strujanja vazdušne mase. Količina energije koju vetar prenosi na rotor direktno zavisi od gustine vazduha, površine elisa i brzine vetra. Kinetička energija tela u pokretu proporcionalna je njegovoj masi, tako da kinetička energija vetra zavisi od gustine vazduha. Na normalnom atmosferskom pritisku i temperaturi od 15 oC gustina vazduha iznosi 1,225 kg/m3 , ali sa povećanjem vlažnosti vazduha opada njegova gustina. Što je vazduh gušći to se dobija više energije na vetroturbini, zato će vetrogenerator pri istoj brzini vetra proizvesti više električne energije tokom zime nego tokom leta. Na većim nadmorskim visinama (planine) pritisak je niži, pa je gustina vazduha manja, što takodje treba imati u vidu.

Najbitniji faktor je ipak brzina vetra. Promene intenziteta vetra sa visinom posebno su izražene do visina od 100 m. Tako na primer, brzina vetra na visini od 100 m je za 1,5 do 2,5 puta veća od brzine vetra na visini od 10 m. Kako je energija vetra srazmerna trećem stepenu brzine, u pojedinim situacijama je moguće da energetski potencijal vetra na visini od 100 m bude 15 puta veći od onog na 10 m visine. U proseku je raspoloživa energija na 100 m visine za oko 3 do 4 puta veća od energetskog potencijala na 10 m iznad tla.

28

Gustina snage vetra se računa po obrascu:

WPD=(∙v3)/2 gde je: WPD - gustina snage vetra [W/m2],

- gustina vazduha [1.225 kg/m3],

v - brzina vetra na ulazu u turbinu [s].

Pošto je razvijena snaga vetrogeneratora proporcionalna trećem stepenu brzine vetra, logično je da prosečna brzina vetra, a samim tim i prosečna snaga vetra na godišnjem nivou ima ključnu ulogu pri izboru lokacije postavljanja vetrogeneratora. Na slici 3.2.1 je prikazana prosečna snaga vetra na teritoriji Srbije na visini od 100 metara, i to: godišnja, u januaru i u julu.

Slika 3.2.1 Mapa prosečne snage vetra na teritoriji Srbije na visini od 100 metara.

Maksimalna snaga koja se može dobiti pomoću vetroturbine računa se pomoću Betzovog zakona, prema kojem se samo deo raspoložive energije vetra (59,3%) može iskoristiti zato što vetar mora da nastavi da duva u svom smeru kako bi ostavio slobodan prostor za vazduh koji dolazi. Zato se celokupna kinetička energija vetra ne može isporučiti na vetroturbinu, već samo jedan njen deo, što je prikazano na slici 3.2.2 .

29

Slika 3.2.2 Zavisnost specifične snage od brzine vetra.

Dijapazon brzina vetra u kojem vetroturbina generiše električnu enetgiju je tipično od 3 m/s do 25 m/s, a nominalnu snagu postiže pri brzinama vetra od 12 m/s do 15 m/s. Za brzine vetra iznad 25 m/s vetrogenerator se iz mehaničkih razloga zaustavlja. Pošto se ove brzine (preko 25 m/s) retko javljaju, nije se mnogo eksperimentisalo sa generatorima koji bi aktivno radili i u ovim uslovima. Teorijski stepen iskorišćenja vetroturbine je 59%, a praktično rade sa iskorišćenjem od 35% do 45%. Interesantno je da sličan stepen iskorišćenja imaju i parne turbine u termoelektranama i nuklearnim elektranama (tipično 30% do 40%), dok hidraulične turbine u hidroelektranama imaju najviši stepen iskorišćenja i kreće se od 80% do 95%.

3.3 Kriva snage

Veoma važna tehnička karakteristika svake vetroturbine je kriva snage. Ova karakteristika nam pokazuje zavisnost ostvarene snage vetroturbine od brzine vetra. U tabeli 3.3.1 date su vrednosti ostvarene snage vetroturbine Nordex 100 nominalne snage 2,5 MW za brzine vetra od 4 m/s do 20 m/s, kao i odgovarajući koeficijent potiska ct. Za brzine vetra ispod 4 m/s ne generiše se nikakva snaga, dok se za brzine veće od 20 m/s vetroturbina isključuje iz bezbednosnih razloga. Koeficijent potiska je važan jer on definiše horizontalnu silu koja deluje na vetroturbinu.

30

Brzina vetra v[m/s]

Snaga P[kW]

Koeficijent potiska ct

4.00 50 0.42005.00 211 0.49006.00 429 0.49107.00 726 0.49008.00 1111 0.49009.00 1583 0.4840

10.00 2023 0.472011.00 2306 0.421012.00 2458 0.324013.00 2500 0.255014.00 2500 0.204015.00 2500 0.106016.00 2500 0.137017.00 2500 0.114018.00 2500 0.096019.00 2500 0.082020.00 2500 0.0700

Tabela 3.3.1 Ostvarena snaga i koeficijent potiska za VT Nordex 100.

Na slici 3.3.1 prikazan je dijagram snage i koeficijenta potiska u funkciji brzine vetra. Kriva snage je prikazana crvenom bojom i analitički se ova zavisnost daje uprošćeno, tako što se usponski deo aproksimira pravom linijom.

Slika 3.3.1 Kriva snage i dijagram ct za VT Nordex 100.

31

Brzina vetra je izrazito dinamička veličina pa se merenja najčešće vrše na svakih 10 min. Promene intenziteta vetra su značajne u toku dana, ali takodje zavise i od godišnjeg doba. Da bi se dobila pouzdana slika o intenzitetu vetra na nekoj lokaciji, potrebno je vršiti merenja u toku cele godine ili duže. Standardna meterološka merenja se obavljaju na visini od 10 m, dok se za potrebe postavljanja vetroturbina merenja vrše na visini od 50 m. Ako već postoje podaci za brzinu vetra na visini od 10 m, za datu lokaciju, oni se mogu iskoristiti za pouzdanu procenu brzine vetra na većim visinama. U ove svrhe se najčešće koristi WAsP softver. Na slici 3.3.2 prikazana je promena brzine vetra u Banatu u toku 24 časa merena 24.04.2011. god. Merenja su vršena na svakih 10 minuta. Na apscisi su naneti sati od 0 do 24, a na ordinati desetominutna srednja brzina vetra u m/s.

Slika 3.3.2 Promene brzine vetra u Banatu u toku 24 časa

dana 24.04.2011. god.

U tabeli 3.3.2 date su satne vrednosti merenih veličina. U prvoj koloni je vreme merenja, u koloni 2 je srednja brzina u toku merenog sata, u koloni 3 je standardna devijacija, u kolonama 4 i 5 su maksimalne i minimalne brzine vetra u toku posmatranog sata i u koloni 6 je ostvarena prosečna snaga aproksimativno izračunata na osnovu brzine vetra i tabele 3.3.1.

32

Vreme [h]

v [m/s]

vmax vmin P [kW]

00 - 01 9.4 1.1 13.3 6.0 175901 - 02 10.7 1.3 15.5 6.8 222102 - 03 9.9 1.1 13.6 6.4 197903 - 04 9.8 1.1 13.3 6.8 193504 - 05 9.5 1.1 12.9 6.0 180305 - 06 10.6 1.1 14.8 6.8 219306 - 07 11.7 1.4 16.0 7.9 241207 - 08 12.7 1.6 17.8 7.2 248708 - 09 14.4 2.0 20.9 8.7 250009 - 10 13.3 1.5 19.7 8.3 250010 - 11 13.5 1.4 17.8 9.1 250011 - 12 12 1.4 16.3 7.5 245812 - 13 11.4 1.3 14.8 6.4 236713 - 14 11.2 1.2 15.2 7.2 233614 - 15 10.7 1.3 15.5 6.0 222115 - 16 10.4 1.2 14.1 6.0 213616 - 17 9.5 1.2 13.3 6.0 180317 - 18 8.5 1.1 12.5 5.3 134718 - 19 9.8 1.3 15.5 5.3 193519 - 20 10.4 1.3 15.5 6.4 213620 - 21 9.9 1.3 14.4 6.4 197921 - 22 10.4 1.3 14.8 6.4 213622 - 23 9.4 1.2 14.1 6.0 175923 - 00 10.6 1.3 15.5 7.2 2193

Tabela 3.3.2 Podaci o dnevnoj promeni vetra u Banatu i ostvarenoj snazi

Na VT Nordex 100, dana 24.04.2011. god.

3.4 Regulacija snage vetroturbina

Pri brzinama većim od nominalne brzine javlja se potreba za regulacijom snage vetroturbine kako ne bi došlo do oštećenja generatora. Osnovna regulacija se vrši na 3 načina:

1) Konstrukcijom lopatica,

2) Zakretanjem lopatica,

3) Konstrukcijom i zakretanjem lopatica.

1) Regulacija konstrukcijom lopatica predstavlja pasivan sistem regulacije snage, pošto nema pokretnih delova. Lopatice se konstruišu tako da automatski smanjuju svoju efikasnost pri jakim vetrovima. Aerodinamički dizajn lopatica je takav da što se više ide ka vrhu

33

one su više uvrnute na jednu stranu, da bi se sila uzgona smanjila sa povećanjem brzine lopatica.

2) Regulacija snage zakretanjem lopatica se koristi kod vetrogeneretora veće snage. Lopatice vetrogeneratora zakreću se pomoću hidrauličnog servomotora. Komandni signal za zakretanje lopatica daje sistem za nadgledanje i praćenje rada vetrogeneratora kada snaga ima tendenciju da premaši nominalnu vrednost. Hidraulični sistem polako rotira lopatice oko svojih osa za nekoliko stepeni sa ciljem da smanji ili poveća njihovu efikasnost u iskorišćenju snage vetra. Pri jakim vetrovima cilj je da se smanji napadni ugao na lopaticu.

3) Regulacija snage vetrogeneratora zakretanjem i konstrukcijom lopatica predstavlja kombinaciju predhodna dva načina regulacije. Ovaj način regulacije koristi veoma veliki vetrogeneratori, snage preko 1 MW.

3.5 Dizajn vetroturbina

Pretvaranje kinetičke energije vetra u mehaničku energiju obrtnog kretanja vrši se pomoću vertoturbine koja može imati različite konstrustrukcije. Neki primeri konstrukcijskih rešenja su prikazani na slici 3.5.1.

“PAC” vetroturbina “Nečujna” vetroturbina

34

Spiralna vetroturbina “MAG” vetroturbina

Slika 3.5.1 Primeri konstrukcijskih rešenja vetrogeneratora.

Postoje dva osnovna rešenja dizajna vetrogeneratora: sa vertikalnom osom i sa horizontalnom osom. Horizontalne turbine su više zastupljene (procene govore da su zastupljene u 95% slučajeva), iako one moraju da imaju i sistem za zakretanje osovine u horizontalnoj ravni za praćenje promene smera vetra. Vetrogeneratori sa horizontalnom osom većih snaga moraju imati veliki raspon krakova rotora što zahteva viši noseći stub. Pri velikim brzinama vetra rotor se mora zaštititi od opasnih mehaničkih naprezanja tako što se, posredstvom pogodnog mehanizma, automatski dovodi u stanje proklizavanja ili se zakoči, čim njegova brzina obrtanja predje graničnu vrednost. Nedostatak vetrogeneratora sa horizontalnom osom je u tome što su izložene većim mehaničkim naprezanjima (savijanju, vibracijama, centrifugalnim silama itd.), u odnosu na generatore sa vertikalnom osom. Tipični izgled vetrogeneratora sa horizontalnom osovinom je prikazan na slici 3.5.2.

Slika 3.5.2 Tipični VTG sa horizontalnom osovinom.

Vetrogeneratori mogu imati različiti broj lopatica, ali se za veće snage najčešće koriste turbine sa tri lopatice. Prečnik vetroturbine zavisi od snage i kreće se od 1 m za snagu od 0,5 kW do 120 m za snagu od 5 MW. Na pogodnim lokacijama se grupišu više vetrogeneratora koji čine vetroelektranu. Vetroelektrana može imati i nekoliko stotina vetrogeneratora i snagu preko 300 MW. Grade se na kopnu ali i u priobalnom pojasu plitkih mora gde duvaju jaki i stabilni vetrovi. Prednosti povezivanja vetrogeneratora u celinu su niža cena korišćenja date lokacije, jednostavnija konekcija na elektroenergetski sistem i centralizovan pristup upravljanju

35

i održavanju. Problem koji nastaje u vezi sa grupisanjem vetrogeneratora je vezan za njihovo optimalno razmeštanje kako bi iskorišćenje date lokacije bilo maksimalano. Poznato je da vetrogenerator utiče na strujanje vazduha i ispred i iza lopatica. Potencijalno razmeštanje više jedinica u okviru vetroelektrane je prikazana na slici 3.5.3.

Slika 3.5.3 Optimalno rastojanje vetrogeneratora u okviru vetroelektrane.

Na slici 3.5.4 prikazani su delovi jednog tipičnog vetroagregata.

Slika 3.5.4 Konstrukcija vetroagregata.

3.6 Nedostaci

Osnovni nedostatak vetrogeneratora je njihova uslovljenost vetrom pa se njihova prizvodnja električne energije ne može predvideti. Intenzivno se radi na ublažavanju ovog nedostataka. Jedno od rešenja je kobinacija sa solarnim elektranama. Drugo rešenje je da se vetroelektrane kombinuju sa drugim elektranama kod kojih je moguće vršiti akumulaciju

36

energije, na primer hidroelektrana kod koje bi se akumulacija energije vršila pumpanjem vode na veću visinu. Jedno od rešenja je i vršiti kompresiju vazduha i njegovo skladištenje u nadzemnim ili podzemnim skladištima koji bi se koristio za pokretanje generatora kada nema vetra ili kada je nedovoljne jačine. U Španiji i Americi su problem konstantnosti vetra rešili izgradnjom „fabrike veštačkog vetra“ koja radi na principu zagrevanja vazduha pomoću toplotnih sunčevih prijemnika. Ni jedno od ovih rešenja nije baš ekonomično jer troškovi izgradnje elektrana drugih tipova uz elektranu na vetar ili troškovi skladištenja energije mogu biti veći od troškova izgradnje same vetroelektrane.

Problemi koji se još javljaju u vezi sa radom vetroelektrana su: buka koja nastaje pri prolasku krila kroz zavetrinu stuba i buka koju prave lopatice pri kretanju kroz vazduh, ometanje elektromagnetnih talasa, mehaničke vibracije, zauzimanje zemljišta itd. Kod velikih vetrogeneratora, iako rotiraju veoma sporo, javljaju se flikeri sunčeve svetlosti što može biti veoma uznemirujuće za ljude koji žive u blizini. Nova tehnološka rešenja na polju vetroenergetike iz dana u dan znatno smanjuju probleme vezane za eksploataciju vetroelektrana.

37

4. ENERGIJA MORA I OKEANA

4.1 Uvod

Ogromna količina vodene mase koja se nalazi u morima i okeanima nosi sa sobom i ogromnu količinu energije u različitim oblicima. Veliki je izazov pronalaženje odgovarajućeg načina za transformaciju te energije u nama pogodan oblik. Pogodnost je i što postoji velika koncentracija ljudske populacije u blizini mora i okeana, pa su troškovi transporta energije koja bi se proizvodila u blizini obala i gubici koji se javljaju u transportu, minimalni. Električnu energiju možemo dobiti korišćenjem energije talasa, morskih struja, plime i oseke, saliniteta i temperaturnog gradijenta morske vode. Kretanje vode u okeanima, zbog ogromne mase, sadrži ogromnu količinu energije. Kretanje vode se javlja u obliku površinskih talasa, plimskih talasa i u obliku morskih struja. Za dobijanje električne energije se krenulo od korišćenja potencijalne energije plime i oseke, dok su sve ostale tehnologije novijeg datuma.

4.2 Energija plime i oseke.

Postoje tri osnovna pristupa za korišćenje energije plime i oseke.

4.2.1 Akumulacioni bazeni

Plimske brane su veoma slične klasičnim branama na rekama. Osnovna razlika je u tome što plimske brane moraju da omoguće protok vode u oba smera. Postavljaju se na pogodnim lokacijama gde je relativno lako pregraditi zaliv sa velikom akumulacijom i gde postoji velika razlika u površinskim nivoima vode za vreme plime i oseke. Ta razlika može biti i do 17 m. Osnovni problem ovakvih sistema su velika investiciona ulaganja kao i veliki uticaj na okruženje. Pažljivim izborom lokacije kao i korišćenjem odgovarajuće tehnologije taj uticaj se može dosta korigovati. Postoje više različitih modela plimskih brana.

Osnovni model plimske brane funkcioniše tako što se zaliv puni u toku plime i u tom se periodu ne generiše električna energija. Kada plima dostigne svoj maksimum, vrata se

38

zatvaraju. U ovom periodu se može vršiti i dopumpavanje vode u zaliv kako bi se nivo vode još više podigao. Količina utrošene energije u toku pumpanja vode je manja od količine energije koja se kasnije dobija u toku proizvodnje. (Kako je to moguće? Neka je razlika u nivou mora za vreme plime i oseke 10 m. Vodu pumpamo kada je mala razlika u nivou vode sa jedne i druge strane brane i neka uspemo, recimo, da dopumpamo još 2 m visinske razlike. U vreme oseke razlika u nivou vode će biti 12 m a ne 10 m. Zato će generisana energija, dok nivo vode pada sa 12 m na 10 m, biti veća od utrošene energije za dopumpavanje). Za vreme punjenja zaliva, turbinska vrata, koja omogućavaju protok vode kroz turbine, su zatvorena. Za vreme oseke, kada se javi dovoljna razlika u nivou mora i vode u zalivu, turbinska vrata se otvaraju i pristupa se generisanju električne energije. Sa pojavom nove plime, zaliv se ponovo puni i ciklus se ponavlja.

Drugi model je konstrukcijski sličan. Osnovna razlika je što se zaliv puni preko turbina pa se i tada generiše električna energija. Ovo je generalno neefikasniji princip od predhodno opisanog, jer se bazen-zaliv sporije puni tokom plimskog ciklusa i dostiže se niži nivo vode u zalivu. Samim tim, generiše se i manje električne energije tokom pražnjene bazena za vreme oseke. Prednost mu je što se električna energija generiše tokom i plime i oseke, pa je isporuka energije kontinualnija. Naravno, postoje kraći prekidi kada tok vode menja smer dok se ne postigne dovoljna razlika u nivoima za efikasan rad turbina. Da bi se povećala efikasnost, postoji mogućnost i dopumpavanja vode korišćenjem energije generisane tokom plimskog ciklusa.

Postoji model i sa dva bazena. Kod ovog modela, jedan se puni tokom plime a drugi se prazni tokom oseke. Turbine se nalaze u sklopu brane izmedju bazena i energija se generiše propuštanjem vode iz punog bazena u prazni. Osnovna prednost ovakvog modela je što je vreme generisanja električne energije sasvim proizvoljno i nezavisno od ciklusa plime i oseke. Električna energija se može generisati kada je najpotrebnija ili se može izabrati skoro kontinualna proizvodnja. Osnovni nedostatak ovakvog modela je u njegovoj ceni jer su inicijalni troškovi tj. troškovi izgradnje daleko veći od troškova kod klasičnih modela. Da bi se ti troškovi smanjili, mogu se iskoristiti neke pogodne geografske lokacije.

4.2.1.1 Raspoloživa snaga akumulacionog bazena

Na kraju da aproksimativno izračunamo snagu jednog ovakvog postrojenja. Energija koja nam je na raspolaganju zavisi od količine vode u bazenu. Potencijalnu energiju vode, koja se nalazi u bazenu, možemo izračunati po obrascu:

Ep¿12Aρgh2 , gde je: A – horizontalna površina bazena [m2],

39

𝜌 – gustina vode 𝜌=1025 kg/m3,

g – zemljino ubrzanje g=9,81 m/s2,

h – razlika nivoa vode za vreme plime i oseke [m].

Neka je bazen dimenzija 3.000 m x 3.000 m i neka je visina plimskog talasa recimo 10 m. Tada imamo:

A = 3.000 m ∙ 3.000 m = 9 10∙ 6 m2

Potencijalna energija vode u bazenu iznosi:

Ep ¿12∙9 10∙ 6 m2 1025 kg/m∙ 3 9,81 m/s∙ 2 (10 m)∙ 2 = 4,5 10∙ 12 J

Pošto u toku dana imamo dve plime i dve oseke, ukupna raspoloživa energija u toku jednog dana je dva puta veća:

Epd = 2 E∙ p = 9 10∙ 12 J

Neka je efikasnost generatora 30% i kako dan ima 86.400 sekundi, dolazimo do podatka da je generisana snaga električne energije jednaka:

P = (9 10∙ 12 J 0,30)/86400 s = 31 MW∙ 4.2.2 Plimski talas

Osim potencijalne energije vode usled plime i oseke, možemo koristiti i kinetičku energiju plimskog talasa za dobijanje električne energije. Ovo je najjeftiniji i ekološki najprihvatljiviji način korišćenja energije plime. Generatori koji koriste plimski talas su najčešće veoma slični generatorima koji koriste energiju vetra.

40

Slika 4.2.2.1 Generatori koji koriste kinetičku energiju plimskog talasa.

Znamo da je generisana snaga proporcionalna gustini fluida, a brzina fluida doprinosi sa trećim stepenom [ P=(𝜌∙v3)/2 ]. Voda je oko 800 puta gušća od vazduha pa je jednostavno videti da skoro deset puta manja brzina vode u odnosu na vazduh daje približno istu snagu. Tehnologija korišćenje energije plimskih talasa je relativno novijeg datuma pa se još uvek nije izdvojilo konstrukcijsko rešenje koje bi zauzelo lidersku poziciju. Zato se još uvek eksperimentiše sa različitim tehnološkim rešenjima. Aksijalne turbine, koje podsećaju na tradicionalne vetrenjače, su najbrojniji prototipovi koji su trenutno u funkciji. Pored njih, eksperimentiše se i sa raznim turbinama sa vertikalnom ili horizontalnom osom, kao i oscilujućim uredjajima koji nemaju rotirajuću komponentu. Takodje, u zalivu San Franciska treba da se instalira eksperimetalni uredjaj koji bi za proizvodnju električne energije koristio venturijev efekat.

4.2.3 Dinamička snaga plime

Korišćenje dinamičke snage plime (DTP-Dynamic tidal power) je nov i u praksi neproveren način za proizvodnju električne energije. Koristi se interakcija kinetičke i potencijalne energije plime. Ovim konceptom se predlaže da se izgradi brana , normalno u odnosu na obalu, koja se prostire direktno u more. U ovom slučaju nema ogradjenih površina. Preporučuje se brana od 30 km do 60 km dužine, koja se završava barijerom, normalnom na branu, koja zajedno sa njom formira ”T” oblik, kao što je prikazano na slici 4.2.2.

41

Slika 4.2.3.1 Pogled odozgo na DTP branu. Plava i crvena boja prikazuju

nizak i visok vodostaj.

Glavni plimski talas se najčešće prostire paralelno sa obalom. Izgradnjom jedne ovakve brane, ta kinetička energija plimskog talasa pretvara se u potencijalnu energiju, to jest, javlja se razlika u nivou vode sa jedne i druge strane brane (najmanje 2-3 metara). U telo brane se postavlja čitav niz dvosmernih turbina za čiji je rad dovoljna mala razlika u nivoima vode. Procenjuje se da jedna ovakva brana može imati instalirane snage od 6-15 GW i godišnje proizvoditi i preko 20 milijardi kWh. Matematički model ove brane dosta dobro procenjuje kolika će se razlika javiti u nivoima vode. Ti rezultati se blisko podudaraju sa merenjima kod ovakvih prirodnih brana (duga poluostrva). Do sada ni jedna brana ovog tipa nije izgradjena iako su dostupne sve potrebne tehnologije. Glavni razlog je što ni brana dužine od čak jednog kilometra ne bi proizvodila skoro nikakvu energiju, jer je generisana snaga proporcionalna kvadratu dužine brane. Za ekonomsku isplativost se procenjuje da je potrebna brana od oko 30 km. Ako se uzme u obzir i ogroman uticaj na ekologiju, potencijalni problemi usled olujnih talasa, kao i ometanje morskih puteva, ovakvim projektima se prilazi sa dosta respekta.

4.3. Energija talasa.

Eksploatacija energije talasa za proizvodnju električne energije počinje još krajem devetnaestog veka, ali se, do današnjeg dana, veoma skromna sredstva izdvajaju za istraživanja ovog energetskog potencijala. Od naftne krize 1973. godine, pa narednih 10-tak godina, testirano je nekoliko prototipova ali je tek 2008. godine u Portugaliji postavljena prva ozbiljnija eksperimentalna elektrana koja je koristila energiju talasa.

Talasi nastaju usled interakcije vetra i vodene površine. Sve dok se talasi prostiru sporije od brzine vetra, vetar predaje energiju talasu. Na visinu i snagu talasa utiču mnogi faktori.

42

Najvažniji su: brzina i vremensko trajanje vetra, površina koju vetar zahvata, dubina vode, topografija morskog dna itd. Oscilatorno kretanje talasa je najveće na površini vode i eksponencijalno se smanjuje sa dubinom. Energija talasa zavisi od visine talasa, ali utiču i drugi faktori kao što su talasna dužina i gustina vode. U dubokoj vodi, gde je dubina vode veća od polovine talasne dužine talasa, energija talasa se izračunava po formuli:

P= ρg2

64 πH 2T ≈(0,5 kW

m3 s )H2T , gde je: P – snaga talasa po jedinici dužine [W/m],

𝜌 – gustina vode 𝜌=1025 kg/m3,

g – zemljino ubrzanje g=9,81 m/s2,

π – matem. konstanta π=3.1415926...,

H – visina talasa [m],

T – vremenski period talasa [s].

Na primer, u dubokoj vodi, talasi visine 3 m i sa periodom od 8 s će imati energiju:

dok za vreme snažnih oluja, talasi visine od oko 15 m i sa periodom od oko 15 s, imaju snagu od oko 1,7 MW/m. Na slici 4.3.1 je prikazana mapa Zemlje sa upisanom prosečnom energijom talasa.

43

Slika 4.3.1 Mapa Zemlje sa upisanim energijama talasa u kW/m.

Teži se, da se što veći procenat ove energije pretvori u električnu energiju. Zato su talasi mirniji i sa manjim amplitudama iza postrojenja koja crpe energiju talasa. Ovi uredjaji mogu biti u obliku bove i crpeti energiju, uslovno rečeno, u jednoj tački, mogu se prostirati normalno ili paralelno sa pravcem prostiranja talasa, mogu funkcionisati po principu oscilujućeg vodenog stuba ili funkcionisati kao preliv koji akumulira vodenu masu. Ako se električna energija generiše u samom uredjaju, potrebno je obezbediti transport te energije na kopno. Transport se vrši podvodnim kablom potrebnog energetskog kapaciteta. Pojedina postrojenja, koja se postavljaju blizu obale, pumpaju vodu pod pritiskom na kopno gde se hidro-generatorima generiše električna energija. Prednost ovakvih sistema je u tome što su generatori totalno odvojeni od morske vode i što ne postoji potreba za postavljanjem podvodnog kabla za transport generisane energije. Osnovna mana je u samoj uslovljenosti blizinom kopna.

4.3.1 Pelamis

Pelamis uredjaji su polu-potopljeni, zglobno povezani cilindri, koji se postavljaju paralelno sa pravcem prostiranja talasa. Najčešće se sastoje od četiri dela. Ime je dobio po vodenoj zmiji

44

koja živi u tropskim morima, jer svojim oblikom i savijanjem usled talasa, podseća na zmiju u pokretu. Na slici 4.3.2 prikazan je izgled Pelamis uredjaja P-750.

Slika 4.3.1.1 Pelamis mašine.Koriste energiju talasa za proizvodnju

električne energije.

Pod uticajem talasa dolazi do savijanja struktire u zglobnim spojevima. Energija zglobnog savijanja se koristi za pogon hidrauličnih pumpi visokog pritiska (100-350 bara). Ova energija se skladišti u internim rezervoarima i koristi se za pokretanje elektro-generatora. Trenutno se proizvode Pelamis uredjaji snage 750 kW, čija je dužina 150 metara i prečnika 3,5 metara. Svaki zglob napaja dva generatora snage 125 kW. Tokom godine proizvedu 25-40% od svoga maksimuma, što zavisi od izabrane lokacije. Za generisanje električne energije potrebni su talasi od minimum jednog metra visine, a za postizanje nominalne snage potrebni su talasi od preko 5-6 metara visine, kao što je to prikazano na slici 4.3.3.

Slika 4.3.1.2 Kriva izlazne snage u zavisnosti od visine talasa.

Više uredjaja se energetski povezuje u čvorište i onda se jednim podvodnim kablom energija transportuje na kopno. Na 1 km2 mogu se postaviti Pelamis mašine proizvodnog kapaciteta od 30 MW (40xPelamis P-750).

4.3.2 Plutajuće bove

45

Generatori električne energije u obliku plutajućih bova, koji koriste energiju talasa, mogu biti različitih veličina i konstruisani za različite namene. Manje bove se koriste kao autonomni sistemi napajanja i podeljeni su u tri klase:

1) Mikro klasa. (Snage 5-20 W).

2) Mini klasa. (Snage 150-200 W).

3) Srednja klasa. (Snage 5-10 kW).

Slika 4.3.2.1 Autonomni sistem napajanja.

Bove veće snage koriste se za proizvodnju električne energije u komercijalne svrhe i priključuju se na elektro-energetski sistem. Plutajući deo bove prati oscilatorno kretanje talasa i to translatorno kretanje pretvara u električnu energiju. Eksperimentalna testiranja su radjena na bovi snage 40 kW, visine 14,6 m i prečnika 3,5 m. Deo bove koji je iznad vode je visine oko 4,25 m. Kako su rezultati bili zadovoljavajući, prešlo se na konstrukciju bova snage 150 kW (PB 150), a za 2013. godinu je najavljena i verzija bove čija će snaga biti 500 kW (PB 500). Na godišnjem nivou, bove daju 30-50% maksimalne snage, u zavisnosti od lokacije. Bova generiše električnu energiju kada su talasi od 1,5 do 7 m visine. U slučaju prevelikih talasa, automatski se zaustavlja da ne bi došlo do mehaničkih oštećenja. Kada se visina talasa smanji, sistem se automatski otključava i ponovo se kreće sa proizvodnjom energije. Da bi se postigla željena snaga, postoji mogućnost medjusobnog, električnog povezivanja više bova. U te svrhe, konstruisana je podvodna podstanica koja omogućava povezivanje 10 bova na zajednički energetski kabal. Na slici 4.3.2.2 je prikazan izgled bove PB 150. Dimenzije su date u metrima.

46

Slika 4.3.2.2 PB 150 sa dimenzijama u metrima.

Koliki je potencijal ovog izvora energije, najbolje je videti iz konkretnog primera. U Sjedinjenim Američkim Državama, država Oregon, u Pacifiku, na udaljenosti od 4,3 km od obale, planirana je izgradnja elektrane snage do 100 MW. Na slici 4.3.2.3 je prikazana prosečna energija talasa na datoj lokaciji, po mesecima, u toku godine.

47

Slika 4.3.2.3 Prosečna energija talasa, po mesecima, za datu lokaciju.

Elektrana će se sastojati od 200 PB500 bova (svaka bova snage 500 kW). One će biti medjusobno spojene pomoću 20 podvodnih podstanica, a zatim podvodnom kablom na elektroenergetsku mrežu. Očekuje se da će na godišnjem nivou elektrana isporučivati 275.000 MWh električne energije, što će biti dovoljno za snabdevanje 24.900 domaćinstava. Da je ova količina energije bila proizvedena korišćenjem energije na bazi fosilnih goriva, došlo bi do emisije 140.250 tona CO2. Isti efekat smanjenja emisije CO2 bi se dobio da se sa puteva ukloni 29.000 automobila.

4.3.3 Komore sa oscilujućim vodenim stubom

Postrojenja koja rade po principu oscilovanja vodenog stuba koriste kretanje vazduha za pokretanje dvosmernih vazdušnih generatora. Osnovna prednost ovakvog rešenja je u tome što u vodi ne postoje pokretni delovi i što sam elektro-generator nema nikakav kontakt sa vodom, čime se povećava pouzdanost u radu i omogućava lak pristup za održavanje. Princip rada je prikazan na slici 4.3.3.1.

Slika 4.3.3.1 Princip rada generatora sa oscilujućim vodenom stubom.

Podizanje i spuštanje nivoa vode u komori iztiskuje, odnosno, uvlači vazduh u komoru. Strujanje vazduha se obavlja preko lopatica turbina pa generatori proizvode električnu energuju. Mogu se postavljati u plitkim i u dubokim vodama. U plitkim vodama se obično postavlja jedinica sa jednom komorom u kojoj osciluje vodeni stub pod uticajem morskih talasa. Komora je fiksirana za morsko dno. Ovakva postrojenja su snage do 1 MW. Za duboke vode koriste se plutajuća postrojenja, koja su usidrena. Nominalna snaga im je oko 2,5 MW i konstruišu se u obliku klastera sa više komora u kojima osciluje vodeni stub. Više takvih

48

jedinica se mogu energetski povezivati radi generisanja veće snage. Principska šema ovakvog postrojenja je prikazana na slici 4.3.3.2.

Slika 4.3.3.2 Elektrana koja koristi energiju talasa i radi po principu

oscilovanja vodenog stuba.

4.3.4 Ostali principi

Postoji još nekoliko, manje ili više ispitanih, principa za konverziju energije talasa u električnu energiju. Jedan od njih je takozvani talas zmaj. U pitanju je plutajući rezervoar u koji se ubacuje voda pomoću prilaznih kolektora koji usmeravaju talase ka rezervoaru. To fokusiranje energije talasa dovodi do povećavanja njihove potencijalne energije, tj. do povećavanja visine vode. Iz rezervoara se voda vraća u more kroz turbine, usled delovanja gravitacione sile. Principska šema je prikazana na slici 4.3.4.1.

Slika 4.3.4.1 Princip rada talas zmaja.

Pošto je razlika u nivoima vode u bazenu i u moru, relativno mala, najčešće se koristi Kaplanova turbina. Inače, turbina je jedini pokretni deo u ovom sistemu. Jedno takvo eksperimentalno postrojenje je prikazano na slici 4.3.4.2.

49

Slika 4.3.4.2 Talas zmaj.

Eksperimentiše se i sa različitim principima prikupljanja energije talasa pomoću plutajućih ili potopljenih bova. Potopljene bove koriste energiju talasa za pokretanje klipnih pumpi koje pumpaju vodu pod pritiskom. Ova voda se transportuje na obalu gde se koristi za pogon hidrogeneratora. Pored potopljenih bova (firma CETO, zapadna Australija), eksperimentiše se sa još nekoliko konstrukcijskih rešenja za konverziju energije talasa u energiju sadržanu u vodi pod pritiskom.

5. Zaključak

50

Skoro svi konvencionalni izvori električne energije se susreću sa ozbiljnijim problemima. Procenjuje se da sirove nafte ima za narednih 15 do 20 godina. Uglja i prirodnog gasa ima za nešto duži period, ali to ipak nisu neiscrpni izvori energije. Nuklearnog goriva ima dovoljno, ali se uvek postavlja pitanje bezbednosti. Posle nuklearne katastrofe u elektrani Fukušima u Japanu, ovaj vid energije će se neizostavno naći pod ogromnom lupom javnosti. Svi ovi izvori energije, svojom emisijom štetnih gasova kao i odlaganjem otpadnog materijala, su ogromni zagadjivači životne sredine. Na slici 5.1 je prikazan porast koncentracije CO2 od 1958. godine do danas.

Slika 5.1 Koncentracija CO2 u atmosferi.

Svi ovi uzroci su primorali čovečanstvo da se ozbiljnije okrene alternativnim izvorima energije. Obnovivi izvori energije permanentno dobijaju na značaju, a kroz razne fondove i subvencije pospešuje se dalji razvoj.

6. Literatura

51

1. http://www.centrala.org.rs.

2. Vladimir Janković, „Liber perpetuum“.

3. Radaković Miloš, „Obnovljivi izvori energije i njihova ekonomska ocena“.

4. http://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energ.

5. Radaković Miloš, „Obnovljivi izvori energije“.

6. http://svetenergije.com.

7. http://www.obnovljiviizvorienergije.rs.

8. http://www.mre.gov.rs/navigacija.php?IDSP=305.

9. http://co2now.org.

10. http://en.wikipedia.org.

11. http://www.oceanlinx.com.

12. http://www.oceanpowertechnologies.com/tech.htm.

13. http://www.pelamiswave.com/our-technology/pelamis-wec.

14. http://www.carnegiewave.com/index.php?url=/ceto/what-is-ceto.

15. http://www.wavedragon.net.

16. http://www.leonardo-energy.org/drupal/wave-dragon.

17. http://www.psemr.vojvodina.gov.rs/studije_pdf_2009/Studija_Atlas_Vetrova_APV_2008.pdf.

18. http://us.sunpowercorp.com

19. http://www.journalamme.org/papers_amme06/1306.pdf

52