mini|250px|<center>Vjetroagregat pretvara kinetičku energiju vjetra u električnu energiju. mini|<center>Primjer jedne vjetroelektrane kod grada Tehachapija u Kaliforniji gdje je instalirano više od 5000 vjetroagregata koji proizvode oko 1,3 TWh električne energije godišnje. mini|<center>Vjetroagregat iz 1888., koji se koristio za dobivanje električne energije, a sagradio ga je Charles Brush (SAD). Vjetroagregat je rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor električnog generatora nalaze na istom vratilu. Vjetroagregat je još poznat pod nazivima vjetroturbina i vjetrogenerator, a u stvari vjetroagregat se sastoji od vjetroturbine i vjetrogeneratora. Mnogi ga još nazivaju i vjetroelektrana, što nije sasvim točno, pošto pojam vjetroelektrana označava niz blisko smještenih vjetroagregata, najčešće istog tipa, izloženih istom vjetru i priključenih posredstvom zajedničkog rasklopnog uređaja na električnu mrežu.
Vjetroagregati koriste energiju vjetra, koja se ubraja u obnovljive izvore energije.
Povijest vjetroagregata
mini|lijevo|<center>Heronova vjetrenjača koja je pokretala orgulje. Prvi uređaji pokretani vjetrom napravljeni su s namjerom da automatiziraju i olakšaju procese mljevenja pšenice i pumpanja vode. Najstariji poznati uređaji pojavili su se u Perziji oko 200 godina pr. Kr. Između 5. i 9. stoljeća po Kr. u Perziji se pojavljuju uređaji koji su koristili dizajn s okomitom osi vrtnje. Vjeruje se da im je zadaća bila pumpanje vode. Prve vjetrenjače pojavljuju se u Zapadnoj Europi u 14. stoljeću i koriste dizajn s vodoravnom osi vrtnje. Sve do kraja 19. stoljeća vjetrenjače se i dalje koriste za mljevenje pšenice i pumpanje vode, a najviše ih je bilo u Europi (Danska i Nizozemska), te u Perziji i Afganistanu. Prvi vjetroagregat s namjenom proizvodnje električne energije izgradio je Charles F. Brush u američkom gradu Clevelandu u Ohiju. Ta vjetrenjača imala je promjer od 17 m i 144 lopatice od cedrovog drveta. 1891. Dane Poul La Cour je razvio prvi vjetroagregat koji je pratio načela aerodinamičkog dizajna. Predhodnik suvremenih tubina s vodoravnom osi pušten je u pogon 1931. godine u Jalti, na području bivšeg SSSR-a. Bio je to 100 kilovatni generator, priključen na 6,3 kV mrežu.
Tijekom sedamdesetih, te posebice osamdesetih godina 20. stoljeća, vjetroagregati su prešli s kućne i agrikulturalne upotrebe na masovniju upotrebu u vjetroelektranama s jedinicama snage od 50 do 600 kW. Do ranih devedesetih većina vjetroelektranskih instalacija se odnosila na Kaliforniju, gdje gradnja vjetroelektrana doživljava pravi procvat, ali se pojavljuju i neki loši dizajnerski koncepti (primjerice Mehrkam) ili nedovoljno razvijeni koncepti (ESI-54). U Europi i Aziji trend korištenja vjetroagregata rastao je polaganije kroz osamdesete i rane devedesete. Veća cijena električne energije i izvrsni resursi vjetra stvorili su malo ali stabilno tržište u Sjevernoj Europi. Nakon 1990. tržište se većinom premjestilo na Europu i Aziju, te je instalirano više tisuća MW snage iz vjetroelektrana.
Energija vjetra
mini|<center>Brzine vjetra u svijetu. Prosječna brzina vjetra jedan je od glavnih čimbenika za odabir položaja vjetroagregata. mini|<center>Karakteristike snage od nekoliko različitih vjetroagregata. mini|<center>Stupac zraka s označenim brzinama pri prolasku kroz turbinu vjetroagregata. Sva obnovljiva energija dolazi od Sunca. Sunce prema Zemlji zrači oko 5,25 kWh/m2 na dan (Sunčeva konstanta je 1,366 kW/m2). Oko 1 do 2% energije koja dolazi od Sunca pretvara se u energiju vjetra. To je primjerice od 50 do 100 puta više od energije pretvorene u biomasu, od svih biljaka na Zemlji. Vjetroagregat dobiva ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na lopatice rotora. Količina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji čini rotor u vrtnji, brzini vjetra i gustoći zraka. Pri normalnom atmosferskom tlaku i pri temperaturi od 15 °C zrak teži otprilike 1,225 kg/m3, ali se povećanjem vlažnosti i gustoća povećava. Također vrijedi da je zrak gušći kada je hladniji nego kad je topliji. Na visokim nadmorskim visinama tlak zraka je niži, pa je zrak rjeđi. Vjetroturbina iskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar dođe do lopatica rotora. To znači da se ne može iskoristiti sva energija iz vjetra (Betzov zakon). Krivulja izlazne električne snage prikazuje ovisnost proizvedene električne snage o brzini vjetra. Uobičajeno je da vjetroagregati počinju raditi pri brzinama od 3 do 5 m/s, nazivna snaga im je na 12 – 15 m/s, a obustava rada nastupa pri brzini vjetra između 20 i 25 m/s (neki i do 30 m/s) zbog mogućnosti mehaničkih oštećenja. "Moderni vjetroagregati i pretvorba energije", www.vjetroelektrane.com, 2012.
Dijelovi vjetroagregata
Glavni dijelovi vjetroagregata su: rotor ili vjetroturbina (sastoji se od glavčine, vratila i lopatica – obično 3 lopatice), kočioni sustav, elementi za uležištenje sporohodnog vratila, upravljački i nadzorni sustav, električni generator, zakretnik ili oprema za zakretanje, kućište stroja ili gondola, stup, prijenosnik snage (obično multiplikator), temelj, transformator, spoj na elektroenergetski sustav i posebna oprema.
Način rada mini|Video Kao što je već rečeno,vjetroagregati koriste energiju vjetra. Promatrajmo stupac zraka koji ima neku brzinu v i masu m. Kinetička energija u ovom slučaju iznosi:
Masa zraka je određena s gustoćom ,površinom kroz koju struji A, brzinom v i vremenom t ,dakle vrijedi . Snaga vjetra je derivacija kinetičke energije po vremenu, pa time dobijemo izraz za raspoloživu snagu vjetra:
Dakle, snaga vjetra je proporcionalna brzini vjetra na treću potenciju. Zato je bitno precizno poznavati iznos brzine vjetra, jer se svako odstupanje multiplicira pri izračunu snage vjetra.Važan alat pri analizi učinkovitosti vjetroagregata je takozvana krivulja snage. Na okomitoj osi smješta se snaga u vjetru, a na vodoravnu os brzina vjetra. Nešto kompliciranija analiza je potrebna da bi se odredila maksimalna snaga koju vjetroelektrana može preuzeti, zato što lopatice vjetroturbine obavezno utječu na vjetar da bi izvukle njegovu snagu.Promatrajmo ponovo isti stupac zraka. On "putuje" do rotora vjetroturbine početnom brzinom v, te usporava do brzine kad dosegne rotor (to se događa zbog promjena u tlaku). Rotor preuzima dio energije vjetra, tako da se zrak koji struji iza rotora kreće još sporije brzinom . Naravno, ista masa zraka koja je putovala prema rotoru i napušta rotor. Volumen stupca zraka iza turbine se povećava, zbog toga što se masa zraka giba sporije, što prisiljava zrak da se proširi, tako omogućujući kontinuirano strujanje.
Algebarskim proračunom dobije se da je snaga dobivena iz vjetra jednaka:
gdje je a faktor aksijalne indukcije koji se definira sa:
Sada možemo definirati koeficijent snage kao omjer snage preuzete od strane rotora i snage vjetra:
Koeficijent snage ukazuje na efikasnost turbine baziranu isključivo na konceptu stupca zraka, zanemarujući stvarne uvjete, te neizbježne mehaničke i elektroničke gubitke. Ako deriviramo koeficijent snage i izjednačimo ga s nulom (odnosno tražimo njegov maksimum) dobijemo da je maksimalna vrijednost faktora a jednaka 1/3, odnosno pri toj vrijednosti od a iznosi 16/27, odnosno 0.59. Ovo ograničenje je poznato pod nazivom Betzov zakon, odnosno Betzov koeficijent. Dakle, on označava maskimalnu teoretsku iskoristivost vjetropotencijala. Maksimalna praktična iskoristivost se kreće od 35% do 45%.
Ovime smo pojasnili kako vjetroagregat preuzima energiju vjetra, a sada još moramo pojasniti kako ju pretvara u električnu energiju. Naime, na osovinu vjetroturbine je vezan električni generator direktno ili indirektno preko prijenosnika. Mogu se koristiti i asinkroni i sinkroni generatori. Asinkroni su jeftiniji izvedbom pa se i češće koriste. Sinkroni imaju bolje pogonske karakteristike, pa se i oni nerijetko koriste unatoć većoj cijeni. Dakle, vjetroturbina preko lopatica energiju vjetra pretvara u okretni moment vratila koji preko zupčastog mijenjača okretni moment predaje električnom generatoru koji ga pretvara u električnu energiju. Zakretni mehanizam postavlja lopaticu na optimalni kut. Vjetroagregati posjeduju mehanizam koji u suradnji s anemometrom preko nazubljenog prstena cijeli ustroj turbine postavlja okomito na pravac vjetra. Glavno vratilo ima disk kočnicu koja zaustavlja turbinu u slučaju prevelike brzine vjetra. Rad cijelog sustava nadzire elektronički kontrolni sklop.
Snaga vjetroagregata
Da bismo znali iznos snage koju turbine dobiva od vjetra, potrebno je poznavati brzinu vjetra na turbinu i snagu same turbine. Največe turbine proizvode maksimalnu snagu pri brzini vjetra od 15 m/s. Diametar turbine je važni čimbenik u tome koliko energije turbina može proizvesti. Pri povećanju diametra rotora, povećava se i visina vjetrenjače što nam omogućuje dostizanje veće brzine vjetra.
Veličina rotora i maksimalna izlazna snagaDijametar rotora (m) Izlazna snaga (kW)102517 100272253330040500446004875054 100064 150080200072 2500
Vrste vjetroagregata mini|<center>Primjer vjetroagregata s vodoravnom osi vrtnje. mini|<center>Primjer priobalnog vjetroagregata s vodoravnom osi vrtnje. mini|<center>H – Darrieusov rotor. mini|<center>Primjer turbine s okomitom osi vrtnje, a ovdje se radi o Darrieusovoj turbini. mini|<center>Stvarni izgled Savoniusove turbine. Vjetroagregati se prema osi vrtnje mogu podijeliti na one s okomitom osi vrtnje (eng. VAWT-Vertical Axis Wind Turbine) i na one s vodoravnom osi vrtnje (eng. HAWT-Horizontal Axis Wind Turbine). Većina komercijalnih vjetroagregata priključenih na mrežu je vodoravnog tipa. Izvedbe s okomitom osi su mnogo rjeđe.
Vjetroagregati s vodoravnom osi vrtnje Turbine s vodoravnom osi vrtnje su one čija je os vrtnje paralelna sa smjerom struje vjetra i tlom. Većina komercijalnih turbina je ovog tipa. Najčešće su izvedbe s 3 lopatice, a ponekad se mogu vidjeti i izvedbe s 2 lopatice. One imaju rotor, vratilo i električni generator smještene u kabini na vrhu visokog stupa, te moraju biti okrenute direktno prema vjetru, za što se koristi senzor uparen sa servo motorom. HAWT turbine se mogu podijeliti na one koje gledaju prema vjetru i na one koje gledaju od vjetra. Velika većina gleda prema vjetru, jer na taj način izbjegava utjecaj turbulencija koje nastaju iza turbine. Osnovna prednost HAWT turbina koje gledaju od vjetra je ta što se u njih ne moraju ugrađivati mehanizmi za zakretanje turbine, ali nisu toliko pouzdane i trajne kao "obične" HAWT turbine.
Uobičajeni moderni vjetroagregati Kao što je već napomenuto, većina modernih vjetroagregata ima 3 lopatice i elektronički sustav koji ih usmjerava prema vjetru. One imaju veliku obodnu brzinu (nekoliko puta veću od brzine vjetra), visok stupanj iskoristivosti, te dobru pouzdanost. Lopatice se najčešće boje u sivu boju kako bi se stopile s okolnim oblacima. Lopatice mogu biti duge od 20 pa sve do 50 i više metara. Prognoze kažu da će se do 2010. pojaviti vjetroagregati s promjerom lopatica od 180 metara, koje će imati snagu izmešu 8 i 12 MW. Čelični tornjevi variraju visinom od 60-ak pa sve do 100 i više metara visine. Općenito je dizajn tornja važan faktor kod vjetroagregata s vodoravnom osi. To je zato što na višoj nadmorskoj visini vjetar struji brže. Ilustracije radi, s dvostrukim povećanjem nadmorske visine, brzina vjetra se povećava 10% po danu, te čak između 20% i 60% po noći. Za vjetroturbine s vodoravnom osi vrtnje najčešće se uzima da je visina tornja 2 do 3 puta veća od duljine lopatica. Lopatice se vrte brzinom od 10 do 22 okretaja po minuti. Ta brzina se pomoću prijenosnog sustava (multiplikator) uvećava i predaje električnom generatoru. Sve vjetroelektrane opremljene su sustavom za zaustavljanje turbine kod prevelikih brzina vjetra, čime se sprijećava potencijalno oštećenje turbine.