UNIVERZA V NOVI GORICI POSLOVNO-TEHNIŠKA FAKULTETA ANALIZA PATENTOV ELEKTRIČNIH GENERATORJEV ZA MALE VETRNE ELEKTRARNE MAGISTRSKO DELO.

Transcription

1 UNIVERZA V NOVI GORICI POSLOVNO-TEHNIŠKA FAKULTETA ANALIZA PATENTOV ELEKTRIČNIH GENERATORJEV ZA MALE VETRNE ELEKTRARNE MAGISTRSKO DELO Aleš Urdih Mentor: prof. dr. Juš Kocijan Nova Gorica, 2012

2 II

3 ZAHVALA ZAHVALA Za koristne informacije pri pripravi magistrskega dela in za pomoč pri podrobni interpretaciji tehnoloških rešitev opisanih v nalogi se zahvaljujem sodelavcem v podjetju Iskra Avtoelektrika d.d. Posebna zahvala gre mentorju, prof. dr. Jušu Kocijanu za sodelovanje in napotke pri izdelavi magistrskega dela, prijateljici Anji Doljak za pomoč pri urejanju in lektoriranju celotne naloge, g. Robertu Vodopivcu za pregled strokovnega dela in g. Stojanu Markiču za slike generatorja iz programa Letrika. Na koncu bi se posebno rad zahvalil ženi Andreji in ostalim družinskim članom, za vso izkazano pomoč in strpnost v času celotnega študija. III

4 IV

5 NASLOV ANALIZA PATENTOV ELEKTRIČNIH GENERATORJEV ZA MALE VETRNE ELEKTRARNE IZVLEČEK V magistrskem delu so predstavljene novejše patentirane rešitve izboljšanja električnih generatorjev, primernih za uporabo v malih vetrnih elektrarnah. Predstavljeni so različni tipi generatorjev, med njimi sinhronski permanantno magnetni generator, preklopno reluktančni tip električnega generatorja ter različne rešitve permanantno magnetnega generatorja z magnetnim poljem v smeri osi rotorja. Na podlagi osnovnih zakonitosti izkoriščanja energije vetra za proizvodnjo električne energije je analizirana primernost posameznih tipov generatorjev za uporabo v malih vetrnih elektrarnah. Z analizo prednosti in slabosti posameznih patentnih rešitev smo izbrali najprimernejšo in jo primerjali s komercialno rešitvijo podjetja Iskra Avtolektrika d.d.. Kot generator z najustreznejšimi lastnostmi za uporabo v vetrnih generatorjih malih moči smo izbrali permanentni generator z magnetnim pretokom v smeri osi. Na drugo mesto smo postavili izpeljanke multi disk generatorja z verigo zaporednih statorjev in rotorjev, ki ima velik potencial za razvoj. KLJUČNE BESEDE Vetrne elektrarne, električni generator, mala vetrna turbina, obnovljivi viri, vetrni potencial, permanentni magneti. V

6 TITLE ANALYSIS OF RECENT ELECTRIC-GENERATOR PATENTS FOR SMALL WIND TURBINES ABSTRACT The Master's thesis elaborates recent patents for electrical generators and solutions giving extra benefits for use in small wind turbine applications. Several types of generators are discussed, for example: permanent magnet synchronous generator, switched reluctance generator and different versions of axial flux permanent magnet generator. The comparison of advantages for presented patents is based on specific small-wind potential exploitation principles. Considering the strengths and weaknesses of individual patent application, the best patents are chosen and compared with the commercial solution given by Iskra Avtoelektrika d.d.. The permanent magnet axial flux generator has been chosen as the optimal technology for small wind turbines. The second choice with big developing potential were generator versions of multi-disk construction with series of consecutive stators and rotors KEYWORDS Wind farm, electric generator, small wind turbine, renewable energy sources, wind mill, wind potential, permanent magnet generator. VI

7 KAZALO 1 UVOD IZKORIŠČANJE VETRNEGA POTENCIALA Princip delovanja male vetrne elektrarne Vetrni potencial Lokacija postavitve vetrne turbine Vetrni atlas Energija vetra Vpliv na okolje TEHNOLOŠKE VRSTE VETRNIH ELEKTRARN Osnovni tipi vetrnih turbin Male vetrnice velike prednosti Zagotavljanje rezervnih kapacitet elektroenergetskega sistema Aktivna električna omrežja Zgradba in delovanje vetrne turbine Primerjava električnih generatorjev PREGLED PATENTOV PATENT US A1 - Električni generator, ki omogoča manj šumov in odpravo nezaželenih električnih signalov PATENT EP A1 Sinhronski preklopno reluktančni generator z izraženimi poli in dvodelnim statorjem PATENT US A1 Permanentno magnetni multi disk generator z aksialnim pretokom magnetnega polja PATENT EU A2 Hibridni rotor s permanentnimi magneti in pomožnim navitjem za stabilizacijo napetosti pri spremenljivem bremenu VII

8 4.5 PATENT US A1 Ploski električni generator za vertikalne tipe vetrnih elektrarn PATENT GB A Permanantno magnetni električni stroj s povitim statorjem PATENT EP A1 Električni generator z internim rotorjem Primerjalna analiza patentnih rešitev Izbor in utemeljitev najprimernejše rešitve Zaključek Literatura VIII

9 KAZALO SLIK Slika 1: Prikaz gostote proizvajalcev malih vetrnic v svetu (Wwindea.org, 2012) Slika 2: Projekcija uporabe obnovljivih virov energije v letu 2050 (EWEA, 2011) Slika 3: Simulacija rasti trga malih vetrnih elektrarn v svetu (Wwindea.org, 2012)... 7 Slika 4: Primerjava jakosti vetra ob zgradbi na naseljenem območju levo na sliki in na ruralnem področju v desnem primeru (Wind Measurement International, 2011)... 9 Slika 5: Učinek zavetrja za oviro v pokrajini (Wind Measurement International, 2011) Slika 6: Model vpliva ovir na hitrost vetra v višini vetrnice (Wind Measurement International, 2011) Slika 7: Priporočila za izbiro pravilnega mesta in višine vetrnice (AWEA, 2012) Slika 8: Povprečne hitrosti vetra 50 m nad tlemi (Aquarius, 2011) Slika 9: Shematski prikaz vpliva grebenov na lokalno hitrost vetra (Nrel.gov, 2011) Slika 10: Shematski prikaz vetrnega lijaka (Nrel.gov, 2011) Slika 11: Krivulja predstavlja odvisnost koeficienta izkoristka v odvisnosti od hitrosti vetra (Wikipedia, 2012) Slika 12: Graf koeficienta moči v odvisnosti od razmerja hitrosti (Vetrne turbine Slovenije, 2011) Slika 13: Turbina uporovnega tipa proizvajalca Windside (Vetrne turbine Slovenije, 2011) Slika 14: Vertikalna Darreiusova turbina s pregrajenima uporovnima rotorjema za samodejni zagon proizvajalca Wiatraki (Vetrne turbine Slovenije, 2011) IX

10 Slika 15: Horizontalna turbina vzgonskega tipa proizvajalca Nordex (Vetrne turbine Slovenije, 2011) Slika 16: Shematski prikaz elektroenergetskega omrežja z razpršenimi viri v prihodnosti (Das, 2012) Slika 17: Prečni prerez tipične vetrne elektrarne (Wikipedia, 2012) Slika 18: Antični mlin na veter z jadri na grškem otoku Kos (WinWind, 2012) Slika 19: Prikaz povečanja moči vetra glede na postavitev vetrnice (Solacity, 2012) Slika 20: Shematski prikaz direktno gnanega generatorja priključenega na omrežje s frekvenčnim pretvornikom (Acheilles in Pöller, 2003) Slika 21: Razdelitev električnih generatorjev glede na zgradbo Slika 22: Generator Letrika, 230V / 4 kw [Letrika, 2012] Slika 23: Transparentni prikaz modela rotorja [Letrika, 2012] Slika 24: Prerez električnega generatorja s trajnimi magneti izpod masivnih polovih čevljev (Kimura, 2009) Slika 25: Graf vpliva razmerja Pw na kakovost proizvedenega signala napetosti (Kimura, 2009) Slika 26: Prerez reluktančnega električnega generatorja z dvojnim statorjem (Tang in Yan, 2007) Slika 27: Generator s pretokom magnetnega polja v smeri osi generatorja z verigo zaporednih statorjev in rotorjev (Minowa, 2008) Slika 28: Shematski prikaz klasične izvedbe levo in izboljšane izvedbe magnetnega generatorja desno (Minowa, 2008) Slika 29: Rotor s permanentnimi magneti in pomožnim navitjem za ojačitev X

11 magnetnega polja pri spremenljivem bremenu (Lee, 2007) Slika 30: Prerez generatorja (VanderDeen, 2011) Slika 31: Delni prikaz toroidnega statorja (VanderDeen, 2011) Slika 32: Shematski prikaz Y generatorja (Woolmer, 2010) Slika 33: Prikaz magnetnega tokokroga Y stroja (Woolmer, 2010) Slika 34: Shematski prikaz razporeditve tuljav v statorju (Woolmer, 2010) Slika 35: Prikaz pretoka hladilnega medija skozi rotor (Woolmer, 2010) Slika 36: Skica generatorja z obročastimi magneti (Asano, 2010) Slika 37: Topografska rešitev rotorja za povečanje površine magnetnih polov enega permanentnega magneta (Asano, 2010) Slika 38: Prikaz izvedbe rotorja z posnetimi poli Slika 39: Diagram tehnične in ekonomske jakosti z vrednostmi iz tabele Slika 40: Primerjava alternativ z uteženimi ocenami XI

12 KAZALO TABEL Tabela 1: Delitev vetrnih turbin (Vetrne turbine Slovenije, 2011) Tabela 2: Primerjava vetrnih turbin (Vetrne turbine Slovenije, 2011) Tabela 3: Primerjava PM generatorja z asinhronskim generatorjem Tabela 4: Vrednotenje tehničnih kriterijev za predstavljene rešitve Tabela 5: Ocenjevanje vrednosti predstavljene rešitve za uporabnika Tabela 6: Prikaz razmerja med vrednostjo za uporabnika in tehnično vrednostjo iz tabele 4 in Tabela 7: Primerjava generatorjev z metodo Kepner-Tregoe Tabela 8: Pregled neželenih posledic za alternativo PMG - RF Tabela 9: Pregled neželenih posledic za alternativo AFG XII

13 1 UVOD Opis problematike in predmet proučevanja. V zadnjih letih je uporaba obnovljivih virov energije v Evropi skokovito narasla. Trendi in smernice Evropske unije težijo k zmanjševanju porabe fosilnih goriv in strmijo k razvoju in izkoriščanju ostalih znanih obnovljivih virov kot so sonce, voda in veter. Uporaba vetrnic in sončnih celic za proizvodnjo električne energije danes ni več redkost. Pogosto jo zasledimo na poslovnih objektih, ob avtocestah in oddaljenih poslopjih kot alternativni ali celo primarni vir električne energije. Uporaba majhnih vetrnih elektrarn z vetrnicami z močjo od 400 W do 100 kw ponuja veliko priložnosti za razvoj sodobnih tehnoloških rešitev. Ostajajo pa še vedno zadržki pri trženju elektrike iz tovrstnih elektrarn, predvsem zaradi velikih vložkov za izdelavo in izgradnjo samostojnih sistemov. Po podatkih Evropskega združenja za vetrno energijo (EWEA, 2011) predstavlja delež na novo zgrajenih vetrnih elektrarn v letu 2011 kar 39 % moči vseh instaliranih objektov za pridobivanje električne energije. Trg vetrnih elektrarn že nekaj let raste s povprečno letno rastjo 23 %. Delež instaliranih vetrnih elektrarn v Evropi znaša že 9,1 % in ima že drugo leto zapored vodilno vlogo v instaliranih tehnologijah, pred zemeljskim plinom in fotovoltaiko (EWEA, 2011). Po ocenah in študijah EWEA vetrni sektor omogoča na tisoče novih delovnih mest. V naslednjih desetih letih tako predvideva tudi do 450 novih delovnih mest tedensko (EWEA, 2011). V zadnjem času se je svetovno gospodarstvo kar konkretno zamajalo. V medijih dnevno slišimo o propadu podjetij, zato smo si že v okviru individualnega projekta zastavili cilj raziskati priložnosti trga, ki bodo zanimive v prihodnjih letih in bodo morda ponujale dodatne možnosti v obstoječi ponudbi podjetja Iskra Avtoelektirka d.d., ki sedaj svoje izdelke trži pod blagovno znamko Letrika. Zanimivo je dejstvo, da Slovenija kot dežela s pisano geografsko strukturo, nima ene same vetrne elektrarne (EWEA, 2011) in se z vidika vlaganj v obnovljive vire energije v primerjavi z ostalimi članicami Evropske unije uvršča na sam rep. Res je, da vetrni električni generatorji zaradi nestabilnosti vetrne energije proizvajajo električno energijo v nerednih intervalih. Priložnost, ki se ponuja, je uporaba malih 1

14 vetrnih elektrarn, primernih za montažo v urbanem okolju. Pri tem so najprimernejše vetrnice z navpično osjo. Te lahko sprejemajo vetrno energijo iz vseh smeri in so manj občutljive na turbulence ter sunke vetra, ki nastajajo zaradi neravninskega okolja ali pokrajinskih značilnosti. V svetu obstaja že več kot 300 modelov različnih vetrnih elektrarn malih moči. Večina konstruktorjev je prisotnih in delujejo na ozemlju Združenih držav Amerike, saj so politične in geografske razmere v ZDA veliko bolj naklonjene izgradnji privatnih malih elektrarn za samooskrbo objektov. Na sliki 1 je prikazana gostota proizvajalcev malih vetrnih elektrarn v svetu. Glede na svetovno razporeditev proizvajalcev vetrnih turbin v svetu ostajata glavni gonilki razvoja malih vetrnih elektrarn še vedno Severna Amerika in Evropa. Države v razvoju sledijo z manjšim napredkom. Iz zemljevida je razvidno, da območja Južne Amerike, Afrike in Jugovzhodne Azije kot vetrovno zelo ugodne lokacije predstavljajo ogromni potencial za izgradnjo malih vetrnih elektrarn. Večina kapacitet malih vetrnih elektrarn, postavljenih v preteklih letih, je priklopljenih na omrežje s frekvenčnim pretvornikom, velikost postavljenih vetrnih elektrarn pa se giblje med 10kW in 100kW. Prodaja malih vetrnih elektrarn je skoraj izključno vezana na posamezne državne programe vlaganja v obnovljive vire in višino subvencioniranja izgradnje vetrnih elektrarn (Keppola, 2000). Osnovni element vetrne elektrarne je električni generator. Podjetje Iskra Avtoelektrika d.d. iz Šempetra pri Novi Gorici proizvaja pod blagovno znamko Letrika električne generatorje za gospodarska vozila in samostojne aplikacije manjših moči. Nova blagovna znamka podjetja, ki je nastala ob menjavi blagovne znamke v letu 2012, označuje novo strateško usmeritev v podjetju. Poudarki, ki jih zasledimo v novem strateškem delovanju, kažejo predvsem naklonjenost novim zelenim tehnologijam. Torej tistim področjem, pri katerih se človeštvo vse bolj zaveda pomena varčevanja z energijo, izkoriščanja obnovljivih virov energije in zmanjševanja negativnih vplivov na okolje (Zagon, 2012). V podjetju bi želeli izkušnje, pridobljene pri razvoju električnih generatorjev, prenesti na razvoj generatorjev, primernih za uporabo v vetrnih elektrarnah. Na Inštitutu za električne rotacijske sisteme, ki deluje v okviru podjetja, so tako razpisali nalogo, ki vključuje pregled sodobnih dosežkov pri konkurenčnih podjetjih, za moči do 15 kw. 2

15 Slika 1: Prikaz gostote proizvajalcev malih vetrnic v svetu (Wwindea.org, 2012). Namen in cilji magistrskega dela. Poleg pregleda tehnologije vetrnih elektrarn in vseh dejavnikov, ki so potrebni za ekonomsko smotrno postavitev vetrne elektrarne, je namen magistrskega dela predlagati najustreznejšo tehnološko rešitev, ki bo v prihajajočem obdobju zanimiva trgu in bo v očeh uporabnika prispevala dodano vrednost. Z raziskavo patentov bomo poskušali oceniti različne tehnološke rešitve in predlagali najustreznejše patentne predloge s ciljem izbora najustreznejšega po naslednjih kriterijih: sodobnosti predlagane rešitve, robustnosti izvedbe, primernosti za serijsko proizvodnjo, razmerja velikosti ter moči, primernosti vgrajenih materialov, namembnosti za male verne elektrarne. Opredelitev metode in strukture dela. Izhodiščna metoda pri izdelavi magistrske naloge je preučitev sodobnih tehnoloških rešitev električnih generatorjev v elektronski bazi objavljenih patentov (EPO, 2012). Na podlagi ožjega izbora patentnih objav smo prikazali izključno rešitve, ki dajejo praktično vrednost izdelku ali proizvodnemu procesu izdelave električnega stroja. V teoretičnem delu 3

16 magistrsko delo temelji na metodi zbiranja, pregledovanja, analiziranja in na primerjavi literature ter sodobnih poročil svetovnih vetrnih organizacij in sinteze spoznanj. V magistrskem delu smo uporabili metode deskripcije, deduktivnega sklepanja in empirične metode znanstvenega raziskovanja. Magistrsko delo je razdeljeno na pet poglavij. V uvodnem poglavju sta opisani problematika in motivacija za izbrano magistrsko delo ter definirani namen in cilji, ki bodo delu podali vrednost izdelane analize. Nadaljevanje magistrskega dela predstavlja teoretični del, ki omogoča razumevanje potreb uporabnika in zahteve za izdelek. Za lažje razumevanje pomena električnega generatorja je v tretjem poglavju posebej opisana tehnologija vetrnih elektrarn in posamezni tipi vetrnih turbin vključno s konkretnim izdelkom, ki ga najdemo v ponudbi Letrika. Pregled patentov je osrednja tema magistrskega dela in je opisana v četrtem poglavju. Patenti so prikazani posamezno, pri čemer je poudarjeno le bistvo posameznega patenta. V zaključku poglavja je prikazana analiza patentnih rešitev in njihova vrednost za proizvajalca ali uporabnika. V zadnjem poglavju, v zaključku so glavne ugotovitve, in sicer kam strmi razvoj sodobnih električnih generatorjev za male vetrne elektrarne in kakšne priložnosti in ovire lahko pričakujemo v prihajajočem obdobju tako v regiji kakor globalno. 4

17 2 IZKORIŠČANJE VETRNEGA POTENCIALA Veter je obnovljiv vir energije, ki se je v preteklosti uporabljal predvsem za poganjanje mlinov, sedaj pa že v veliki meri proizvaja električno energijo za vsestransko uporabo. Za izgradnjo vetrnih polj v Sloveniji sta na podlagi meritev vetrnega potenciala najprimernejši Primorska in Notranjsko-kraška regija. Slovenija je, poleg Malte, kljub velikemu zanimanju investitorjev vetrnih elektrarn, edina država Evropske unije, ki ne izkorišča vetrne energije. Vodilne države pri izkoriščanju vetrne energije in razvoju novih tehnoloških rešitev so Velika Britanija (284 MW), Danska (237 MW), Švica (30 MW), Nemčija (30 MW) ter Nizozemska (2.3 MW) (EWEA, 2011). Zemljevid na sliki 2 prikazuje projekcijo vloge obnovljivih virov pri zagotavljanju potreb po električni energiji v Evropski uniji za leto 2050 (EWEA, 2011). Projekcija prikazuje kako bi bilo mogoče zadovoljiti potrebe celotne Evropske unije po električni energiji z instaliranimi obnovljivimi viri. Polovico potreb bi lahko zagotavljali z instalacijo velikih vetrnih polj, ostalo pa s hidroelektrarnami, fotovoltaičnimi elektrarnami in kogeneracijami na biomaso. Z naraščanjem cene fosilnih goriv, segrevanjem ozračja in naraščajočimi potrebami po električni energiji lahko pričakujemo, da bo zanimanje za izgradnjo vetrnih elektrarn, tako velikih kot majhnih, še naprej raslo. Slika 3 prikazuje pričakovanja rasti svetovnega trga malih vetrnih elektrarn. Slovenija je tako po naravnih danostih, kot tudi po zakonodaji, bolj naklonjena malim kakor velikim vetrnim elektrarnam. Postavitev vetrnice za proizvodnjo električne energije v Sloveniji podpira»uredba o vrstah objektov glede na zahtevnost«, ki je bila objavljena v Ur.l.RS št. 37/2008. Po njej se postavitev vetrnice za proizvodnjo električne energije šteje pod investicijska vzdrževalna dela, za katera ni potrebno gradbeno dovoljenje. To torej pomeni, da sta edini pogoj veter in finančna sredstva za investicijo. 5

18 Območje vetrnih elektrarn Območje hidro elektrarn Območje izkoriščanja energije morja Območje izkoriščanja biomase Območje izkoriščanja sončnega potenciala Območja glavne porabe 2011) Slika 2:: Projekcija uporabe obnovljivih virov energije v letu 2050 (EWEA, 2011). Čeprav Slovenija v primerjavi z Zahodno Evropo ni na vetrovnem geografskem območju, se tudi pri nas pojavljajo obdobja z močnim vetrom. To velja še zlasti v gorah in ob obali. V Sloveniji kot celoti moč vetra na leto povprečno le v 43 dneh preseže hitrost 6 boforov (10,8 do 13,8 m/s)) in v 10 dneh večjo hitrost od 8 boforov (17,2 do 20,7 m/s). 6

19 Slika 3: Simulacija rasti trga malih vetrnih elektrarn v svetu (Wwindea.org, 2012). Veter dosega največje hitrosti v spomladanskem in jesenskem času. V večini krajev v Sloveniji piha med letom od 1 do 3 m/s, kar pa niso ravno velikee vrednosti za izkoriščanje. Le v višjih predelih, na primer na Kredarici, so povprečne mesečne hitrosti vetra višje in dosegajo povprečno vrednost med 3,5 in 7,5 m/s. Glede na posnetek vetrnih razmer je v Sloveniji smiselna namestitev vetrnic predvsem v gorskem svetu. V višjih legah pa se pojavijo dodatne težave, saj so tam veliko dni v letu temperature pod 0 stopinj Celzija, snežne padavine in žled na vetrnicah pa bi oteževala njihovo delovanje (Energetika.net, 2012). 2.1 Princip delovanjaa male vetrne elektrarne Pri proizvodnji elektrikee z vetrnico se proizvedena električna energija lahko shranjuje v baterijah ali oddaja v električno omrežje. Princip delovanja je zelo podoben sončni elektrarni, razlika je samo v tem, da se pri enem izkorišča moč vetra, pri drugemu pa energija sonca. Razsmerniki in druga oprema so prilagojeni moči vetrnice oziroma foto napetostnih modulov v primeru, da govorimo o sončni elektrarni. Enodružinska hiša lahko brez težav proizvede dovolj električne energije za lastne potrebe iz obnovljivih virov. Za proizvodnjo lahko uporabimo mešan sistem med sončno in vetrno energijo. Za povprečno gospodinjstvo je primerna izgradnja 7

20 hibridne elektrarne s tri kilovatno sončno elektrarno in dvo rezilno vetrnico moči en kilovat. Sistem hibridne elektrarne deluje tako, da se proizvedeno električno energijo shranjuje v baterije vse dokler le-te niso polne. Presežek proizvedene električne energije je mogoče uporabiti za gretje vode z električnim grelcem ali pa jo oddajati v omrežje. Manjše vetrne elektrarne verjetno niso primerne za urbana naselja. Vsekakor pa je na obrobju mest ali v razpršenih naseljih z dovolj velikim vetrnim potencialom, postavitev vetrne elektrarne smotrna naložba. V svetu se veliko malih vetrnih elektrarn postavlja za potrebe napajanja cestne razsvetljave, telekomunikacijskih baznih postaj, oddaljenih namakalnih sistemov ter postaj za razsoljevanje morske vode (Wwindea.org, 2012). 2.2 Vetrni potencial Osnovni korak pri projektiranju vetrnih elektrarn je posnetek lokacije, pri čemer moramo narediti natančne meritve vetra na izbranih lokacijah. Meritve delamo s posebnimi merilnimi napravami, imenovanimi anemometri oziroma vetromeri. Opravljene morajo biti na ustreznih višinah, pri čemer je treba upoštevati, da se z oddaljevanjem od zemeljskega površja hitrost vetra povečuje. Veter tik ob tleh je šibkejši kot veter nekaj deset metrov višje, kar je posledica trenja zraka ob površje. Meritve dajo podatke o hitrosti vetra, njegovi smeri itn. Na osnovi teh podatkov lahko ocenimo količino električne energije, ki bi jo proizvajala vetrna elektrarna na tej lokaciji. Za postavitev vetrnice je nujno proučiti najmanj dva pogoja. Prvi je dovolj velika oziroma ustrezna hitrost vetra vse dni v letu, drugi pa stopnja hrupa, ki ga povzroča vetrnica in možno nasprotovanje civilne iniciative v okolju, kjer načrtujemo postavitev. Idealno lego za postavitev vetrnice je treba natančno izračunati. Ker se lahko vetrovne razmere precej razlikujejo že na razdalji enega kilometra, potrebujemo za natančno oceno idealne lege vetrnice zelo gosto in natančno mrežo meritev. Zrak se namreč giblje turbulentno in se pri tleh prilagaja reliefu, zato sta njegova smer in moč praktično v vsakem kraju nekoliko drugačni. Podrobne meritve so pomembne 8

21 predvsem za velika vetrna polja. Zaradi ekonomičnosti projekta in moči proizvedene elektrike je treba natančno poznati povprečne letne vetrne zmogljivosti. Za manjše domače elektrarne letna meritev ni pomembna. Z manjšim merilnikom vetra lahko kar sami doma ugotovimo ali je moč vetra primerna za postavitev manjše vetrne elektrarne (Wind Measurement International, 2011) Lokacija postavitve vetrne turbine Male vetrne elektrarne se na trgu pojavljajo že nekaj desetletij. V obdobju zadnjih nekaj let pa se promovira tudi izgradnjo malih vetrnih elektrarn na naseljenih področjih. Hitro razvijajoč trend različnih izpeljank klasičnih propelerskih turbin, vertikalnih Savonionovih in Darreiusovih turbin omogoča izdajo na trg vse več novih modelov, ki imajo glavni namen vizualne diverzifikacije in se razlikujejo tako po ceni kakor po izkoristku transformacije vetrne energije v električno. Vetrne elektrarne za učinkovito delovanje potrebujejo močan stalen veter. Glavna faktorja za pravilno delovanje vetrnic sta višina postavitve in primeren prostor brezvetrnih ovir v njihovi neposredni bližini. Vetrne elektrarne na naseljenem območju tako ne morejo izkoriščati vseh prednosti, ki bi jih lahko dosegale na odprem ruralnem področju ali na morju. Slika 4 prikazuje, da se moč vetra in turbulence ob stiku z oviro na naseljenem območju odražajo drugače kot na izolirani lokaciji, pri čemer je razlika v pasovih nad stavbami manjša, manjša pa je tudi hitrost vetra neposredno nad zgradbo. Prikazana moč vetra v okolici zgradbe je tem višja, tem toplejša je barva. Slika 4: Primerjava jakosti vetra ob zgradbi na naseljenem območju levo na sliki in na ruralnem področju v desnem primeru (Wind Measurement International, 2011). 9

22 Slika 5 prikazuje simbolni prikaz učinka zavetja (angl. Shelter Effect). Simbolni prikaz na sliki 5 je lahko zavajajoč, saj slika v resnici prikazuje, da je minimalni učinek zavetja prisoten tudi na 20-kratni razdalji višine ovire. Dejansko je tu prisotna turbulenca zraka, ki je na prikazanem območju lahko minimalna. Slika 5: Učinek zavetrja za oviro v pokrajini (Wind Measurement International, 2011). Na spletu je mogoče dobiti tipske modele za predvidevanje učinkov zavetja dreves, stavb in žive meje. Slika 6 je primer takega modela, ki prikazuje vpliv ovir na vetrnico postavljeno 12 m nad tlemi, kjer nemotena pot vetra doseže hitrost 5,5 m/s. Vidimo, da celo na 20-kratni razdalji višine ovire obstaja učinek zavetja, ki zmanjša hitrost za 1 m/s. Učinek zavetja ima direkten vpliv na letno proizvodnjo energije in finančno donosnost investicije, kar je zelo pomembno. Slika 6: Model vpliva ovir na hitrost vetra v višini vetrnice (Wind Measurement International, 2011). Hitrost vetra se lahko upočasni zaradi prisotnosti naravnih ovir, na primer hribi, ali pa se pospeši vzdolž dolin. Vetrnico je priporočljivo postaviti na najvišjo točko na parceli. Hitrost vetra z višino narašča in že majhna sprememba v hitrosti vetra povzroči zaznavne spremembe v proizvedeni moči. 10

23 Zaradi prisotnosti turbulenc zraka, ki nastanejo ob prehodu vetra ob ovirah, je priporočljivo, da se vetrnice postavlja vsaj trikrat višje od najvišje ovire v bližini ali vsaj 10 metrov nad oviro (Slika 7). Slika 7: Priporočila za izbiro pravilnega mesta in višine vetrnice (AWEA, 2012) Vetrni atlas Za Slovenijo so za celotnoo površino države, kjer je primeren potencial za postavitev vetrnih elektrarn, na razpolago z modelom Aladin DADA ocenjene hitrosti vetra na višinah 10 in 50 m. Slika 8 prikazuje povprečne hitrosti vetra 50 m nad tlemi v obdobju iz modela Aladin DADA, ki ga je izdelal Urad za meteorologijo ARSO. Kot izhodišče za opredelitev primernih območij, na katerih je mogoče učinkovito izkoriščati vetrno energijo, se za velike elektrarne pričakuje, da je povprečna hitrost vetra vsaj 4,5 m/s na višini 50 m (Aquarius, 2011). 11

24 Slika 8: Povprečne hitrosti vetra 50 m nad tlemi (Aquarius, 2011). Območja s primerno povprečno hitrostjo vetra večinoma obsegajo gorska oz. hribovita območja, z izjemo Primorske, kjer ta območja obsegajo nekatere dele Krasa (Aquarius, 2011). Stopnji primernosti izbranega področja lahko dodamo še posamezne ocene, ki opisujejo stopnjo gotovosti, ki je odvisna od naslednjih treh dejavnikov: številčnosti in kakovosti podatkov o povprečni hitrosti vetra, kompleksnosti terena, geografske variabilnosti vetrnega vira. Najvišja stopnja zaupanja je bila dodeljena lokacijam, o katerih najdemo bogate zgodovinske podatke o hitrosti vetra in imajo razmeroma preprost teren. Analiza topografskih kart je učinkovito sredstvo za racionalizacijo procesa lokacije. Zemljevidi v lestvici 1: so najboljši vir informacij za določanje ustrezne značilnosti terena. S topografskimi pregledi lahko prepoznamo značilnosti pokrajine, ki prispeva k večji povprečni hitrosti vetra kot splošna okolica. Ta postopek je še posebej pomemben za območja, o katerih je zelo malo ali nič pomembnih 12

25 zgodovinskih podatkov o hitrosti vetra (Nrel.gov, 2011). Značilnosti, ki označujejo območja z višjimi hitrostmi vetra, vključujejo: grebene usmerjene pravokotno na prevladujočo smer vetra, najvišje točke v določenem območju (Slika 9), Slika 9: Shematski prikaz vpliva grebenov na lokalno hitrost vetra (Nrel.gov, 2011). lokacije, kjer se lahko ustvari lokalni vetrovni lijak (Slika 10). Slika 10: Shematski prikaz vetrnega lijaka (Nrel.gov, 2011). Izogniti se je potrebno tudi reliefnim značilnostim kot so vrh in vznožje vzpetine, zavetne strani grebena in teren s pretiranim naklonom. V vsaki od teh lokacij se lahko pojavijo izjemne turbulence (Nrel.gov, 2011). Nekatere geografske značilnosti so opazne že ob pregledu lokacije. Pozorni moramo biti predvsem na značilnosti kot so: 13

26 velikost uporabnega območja za postavitev vetrnic, trenutna uporaba zemljišč, lokacija ovir, deformirana drevesa zaradi stalnih močnih vetrov (ukrivljena drevesa), dostopnost območja, potencialni vpliv na lokalno estetiko, možnosti postavitve vetrnega nadzora. 2.3 Energija vetra Vetrne elektrarne za svoje delovanje izrabljajo energijo vetra. Kot je znano, veter nastaja zaradi delovanja sonca. Ko se zemlja vrti okoli svoje osi, sonce ogreva različne dele zemeljskega površja, le-ta pa se ne segreva enakomerno. Na območjih, ki so trenutno prekrita z oblaki, je segrevanje počasnejše kot na območjih z jasnim nebom. Tudi kopno se na splošno segreva hitreje kot morje, ker se voda nenehno pretaka in odnaša toploto drugam. Tako topla površina segreva zrak, ki je nad njo. Topli zrak se dviga in na njegovo mesto pri tleh doteka hladen zrak. To gibanje zraka imenujemo veter (Wikipedia, 2012). Globalno gledano pa sonce najmočneje segreje ekvatorski predel zemlje. Tam se segreti zrak prične dvigati, nato se ohlajen spušča pri približno tridesetem vzporedniku (severnem in južnem) in se nato kot hladen tok vrača po spodnjih plasteh atmosfere v predel ekvatorja. Ti vetrovi se zaradi navidezne Coriolisove sile oziroma zaradi rotacije zemlje na severni polobli odklanjajo nekoliko vzhodno, na južni pa nekoliko zahodno. Tako nastanejo vetrovi, ki jim pravimo pasati. Najbolj ugodne vetrove tako običajno najdemo na vrhovih hribov, izpostavljenih odprtih obalah ter na odprtem morju. Pri vetru merimo parametre kot so povprečna hitrost, smer ter razlike med trenutno in povprečno hitrostjo vetra. Tako je tudi pomembno, da poznamo potek vertikalnega hitrostnega gradienta vetra, ki je v splošnem logaritemska funkcija, le-ta pa je 14

27 odvisna tudi od narave terena. Ta pove, da je povprečna hitrost vetra pri tleh zaradi trenja enaka nič, nato pa z višino logaritemsko narašča (Wikipedia, 2012). Kot vemo, je energija oz. kinetična energija vetra enaka (1),(2): = (1) ali = na enoto mase (2) Torej je masni pretok zraka skozi površino A, izražen v kg/s, enak, tako je moč vetra enaka = = (3) Torej je moč vetra odvisna od tretje potence hitrosti le-tega (3). Zavedati se moramo, da je moč vetrne turbine enaka razliki moči vetra pred in za vetrnico oz. razliki kinetične energije vetra. Kot smo že pojasnili je koeficient izkoristka vetrne turbine (Cp) definiran kot delež energije vetra, ki jo je turbina sposobna potegniti iz vetra. Iz tega sledi izraz za moč vetrne turbine (4): = (4) V resnici moč turbine ni čisto sorazmerna s tretjo potenco hitrosti vetra, saj koeficient Cp ni konstanten, marveč je v splošnem funkcija hitrosti vetra (Slika 11) (Wikipedia, 2012). 15

28 Koeficent izkoristka 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Hitrost vetra (m/s) Slika 11: Krivulja predstavlja odvisnost koeficienta izkoristka v odvisnosti od hitrosti vetra (Wikipedia, 2012). 2.4 Vpliv na okolje Vetrna energija je ena izmed čistejših in okolju najbolj prijaznih virov energije. Negativni vplivi vetrnih turbin na okolje so zelo majhni, okoljsko omejeni in v večini primerov zelo neuravnoteženi glede na okoljevarstvene prednosti, ki jih prinašajo. Vetrna energija se proizvaja v celoti brez izpusta toplogrednih plinov. Vpliv na okolje pri velikih vetrnih poljih lahko celo pozitivno vpliva na biotsko raznovrstnost ter ponuja možnost za ekološko obnovo na kopnem in na morju, kot je ustvarjanje novih rastlinskih in živalskih habitatov, boljše staleže rib in drugih oblik morskega življenja. Skupen vpliv vetrne energije na ptice, netopirje ter druge prosto živeče živali iz naravnih habitatov je zelo nizek v primerjavi z vplivom ljudi in domačih živali. Za primerjavo je podatek, da se letno zaradi zgradb in oken ubije 550 milijonov ptic, zaradi mačk 100 milijonov, zaradi vetrnic in letal pa samo 50 tisoč ptic (AWEA, 2012). 16

29 3 TEHNOLOŠKE VRSTE VETRNIH ELEKTRARN Vetrna turbina sprejema energijo premikajočega se vetra in jo pretvarja v električno. Ko veter prehaja mimo propelerskih lopatic, ustvarja podtlak, podobno kakor krila letal, kar povzroči, da se rotor zavrti. Propeler, ki je pritrjen na gred, pretvarja vetrno energijo v mehansko. V večini vetrnih turbin se mehanska energija preko reduktorja spreminja z namenom izrabe na električnih generatorjih. Zaradi nizkih vrtljajev samih vetrnic je v večjih aplikacijah uporaba reduktorjev (navadno 1:100) skoraj neizbežna. Nekatere vetrne elektrarne ne uporabljajo reduktorjev in se imenujejo direktno gnane turbine. 3.1 Osnovni tipi vetrnih turbin V preteklosti znane vetrne turbine so generirale moč na principu upora. Moderne vetrne turbine generirajo moč na principu vzgona in razvijejo glede na uporovni tip turbin mnogo večji koeficient moči Cp. V tabeli 1 je prikazana delitev turbin glede na tip. Tabela 1: Delitev vetrnih turbin (Vetrne turbine Slovenije, 2011). Vzgonski tip Horizontalna os vrtenja - HAWT Vertikalna os vrtenja - VAWT: Darreiusova turbina Horizontalna os vrtenja: Mlin na veter Uporovni tip Vertikalna os vrtenja: Savoniusova turbina, Windside turbina Turbine uporovnega tipa so počasi tekoče, razvijejo pa visok vrtilni moment. Turbine vzgonskega tipa pa so hitro tekoče in razvijajo majhen vrtilni moment (Vetrne turbine Slovenije, 2011). Za primerjavo vetrnih turbin uporabljamo razmerje hitrosti. Definicija razmerja hitrosti λ: Razmerje hitrosti je koeficient med hitrostjo (konca) lopatice in hitrostjo vetra: 17

30 = (5) kjer je: r- polmer rotorja (m), ω - kotna hitrost rotorja (rad/s), v- hitrost vetra (m/s) Definicija izhodne moči iz turbine P (W): =, (6) kjer je: ρ - gostota zraka (1,2 kg/m 3 ) Cp - koeficient moči A- površina rotorja z normalo v smeri vetra (m 2 ) v - hitrost vetra (m/s) Izhodno moč lahko izračunamo z izračunom za horizontalne ali vertikalne turbine. Koeficient moči je merilo za izkoristek vetrne turbine. Pri maksimalnem koeficientu moči Cp max = 0,59 (Betzov koeficient) bi idealna turbina obratovala z izkoristkom 88,8 %. Današnji konstrukcijski prijemi omogočajo, da vetrne turbine dosegajo koeficient moči okrog 0,4,, kar je razvidno iz diagrama na sliki 12. Slika 12: Graf koeficienta moči v odvisnosti od razmerja hitrosti (Vetrne turbine Slovenije, 2011). 18

31 Iz diagrama na sliki 12 je razvidno, da turbine uporovnega tipa (slika 13 in 14) dosegajo največjo moč pri hitrostih rotorja, ki so manjše od hitrosti vetra λ < 1. Turbine vzgonskega tipa (slika 15 in 19) pa dosegajo največjo moč pri hitrostih rotorja, ki so nekajkrat večje od hitrosti vetra. Na grafu, ki je prikazan na sliki 12, vidimo, da je λ > 4. V tabeli 2 lahko vidimo primerjavo vetrnih turbin glede na horizontalno ali vertikalno postavitev osi. Tabela 2: Primerjava vetrnih turbin (Vetrne turbine Slovenije, 2011). Horizontalne vetrne turbine Vertikalne vetrne turbine Zmožnost prilagoditve smeri vetra slabša zelo dobra Generacija zvoka pri obratovanju večja manjša Krmiljenje nastavnega kota lopatice enostavno težje Oblika lopatice nesimetrična simetrična Možnost samozagona mogoča nemogoča Vzdrževanje težje lažje Podrobnejši pregled lastnosti iz tabele 2: 1. Vertikalne turbine so neodvisne od smeri vetra. Pri večjih horizontalnih turbinah opravlja usmerjanje rotorja servomotor, kar dodatno povečuje ceno turbine. Če je sprememba smeri hitra, nastopijo na gredi rotorja horizontalne turbine velike obremenitve. 2. Literatura navaja, da povzroča horizontalna vetrna turbina nekoliko večji hrup od vertikalne. O hrupu je smiselno govoriti pri hitrostih vetra do približno 50 km/h. Pri večjih hitrostih vetra, veter (burja) sam po sebi ustvarja mnogo večji hrup kot vetrna turbina. 3. Pri horizontalnih turbinah je poznanih več sistemov krmiljenja nastavnega kota. Pri vertikalnih turbinah je krmiljenje nastavnega kota lopatice 19

32 zapleteno. Večina vertikalnih turbin ima zato nepremične lopatice, vendar zaradi tega nekoliko večjo obodno hitrost rotorja. 4. Vertikalne turbine uporabljajo simetrične profile, ki jih je lažje izdelati od nesimetričnih. Horizontalne turbine uporabljajo nesimetrične profile. Poleg tega se presek profila spreminja, prav tako je lopatica glede na svojo vzdolžno os zavita, to pa pomeni občutno dražjo izdelavo. 5. Horizontalne turbine se zaženejo samodejno, česar vertikalne turbine ne zmorejo. Vertikalne turbine zaženemo tako, da uporabimo generator kot elektromotor. Ko doseže rotor vertikalne turbine določeno hitrost, se elektromotor izklopi, vzgonske sile pa rotor pospešujejo do določene hitrosti, ko se vklopi generator. Druga možnost zagona vertikalnih turbin je dograditev rotorja uporovnega tipa (Savoniusov rotor), ki nekoliko zmanjša koeficient moči. 6. Vertikalne turbine je lažje vzdrževati, saj je generator in multiplikator pri tleh. Slika 13: Turbina uporovnega tipa proizvajalca Windside (Vetrne turbine Slovenije, 2011). 20

33 Slika 14: Vertikalna Darreiusova turbina s pregrajenima uporovnima rotorjema za samodejni zagon proizvajalca Wiatraki (Vetrne turbine Slovenije, 2011) Male vetrnice velike prednosti Ko govorimo o vetrnih elektrarnah, večkrat mislimo na velika komercialna polja vetrnic, visokih tudi do 200 metrov, in pozabimo na manjše vetrne elektrarne za domačo uporabo. Sistemi malih vetrnih elektrarn navadno proizvedejo ravno dovolj električne energije za pokrivanje potreb gospodinjstva, kmetije ali manjšega podjetja. Samooskrba gospodinjstev z električno energijo lahko predstavlja tudi zanimivo investicijo, ki je v nekaterih državah podprta s posebnimi finančnimi skladi in ponuja manjšo odvisnost od elektroenergetskih ponudnikov. To je še posebej koristno v zadnjem obdobju, ko cene energentov naraščajo. Izbira lokacije za postavitev malih vetrnih elektrarn je z vidika učinkovitosti manj zahtevna kot postavitev velikih elektrarn, saj male vetrne elektrarne potrebujejo manj vetra za njihovo delovanje. Priporočljivo je, da se vetrnice postavlja na čim bolj odprt teren, da v okolici ni ovir. 21

34 Slika 15: Horizontalna turbina vzgonskega tipa proizvajalca Nordex (Vetrne turbine Slovenije, 2011). Če lahko veter izkoriščamo kot energijo, še ne pomeni, da je to nujno. Vetrna energija je vsekakor deležna tudi posameznih kritik in pomislekov. Le-te prevladujejo predvsem pri osebah, odgovornih za odločanje, ki so preveč ujete v miselnost o t.i. zeleni energetski politiki. Menijo, da ne gre zanemarjati nezanesljivosti vetrne energije samo zato, ker je dosegljiva na razmeroma enostaven način. Predlagatelji oz. zagovorniki večje uporabe vetra za proizvodnjo električne energije pa ne marajo poudarkov o nezanesljivosti vetra ter navajajo, da je predvideno količino energije v vetrnih turbinah možno v večji meri tudi napovedati. Glede na podatke Evropskega združenja za vetrno energijo (EWEA, 2012), vetrne turbine ne proizvajajo električne energije od 15 do 30 odstotkov časa. Predvidoma je v 24 urah mogoče z enim megavatom vetrne zmogljivosti proizvesti okrog 7 kilovatnih ur električne energije. Tega sicer ni mogoče napovedati do ure natančno. Toda, četudi vetrne turbine omogočajo malo ali celo nič rezervnih kapacitet v posameznem elektroenergetskem sistemu, vseeno proizvajajo elektriko, menijo zagovorniki vetrne energije. 22

35 3.2 Zagotavljanje rezervnih kapacitet elektroenergetskega sistema V EWEA izpostavljajo, da glede na sistem načrtovanja v delovanju posameznega elektroenergetskega sistema, za vsak proizvedeni megavat vetrne energije ni potreben dodatni nadomestni megavat, proizveden s fosilnimi gorivi ali drugimi viri električne energije. Vsi sistemi imajo namreč na voljo dovolj rezervnih kapacitet, da je zagotovljena normalna oskrba z električno energijo, tudi ob nepredvidenih izpadih ter okvarah. Delež vetrne energije, ki jo je možno vključiti v že obstoječ elektroenergetski sistem, je tehnološki kot tudi ekonomski izziv. Ključno dejstvo za odgovorne, ki odločajo o energetskih projektih ter elektroenergetike, ki energijo proizvajajo s fosilnimi gorivi in z jedrsko močjo je, da bo z večjim prodorom in povečevanjem uporabe vetrne energije, le-ta imela vse večji vpliv tudi na ceno električne energije Aktivna električna omrežja Aktivna oziroma v literaturi tudi pametna električna omrežja (izpeljanka iz angleškega izraza Smart Grids) so že nekaj časa osrednja tema strokovnjakov energetike. Aktivno električno omrežje je definirano kot koncept posodobljenega elektroenergetskega omrežja, v katerem je ključnega pomena povečano deljenje informacij med napravami in centri vodenja (Naš stik, 2010). Z naraščanjem zahtev po povečanju deleža obnovljivih virov energije v strukturi proizvodnje električne energije narašča tudi potreba po učinkoviti koordinaciji velikega števila majhnih virov energije in vključevanje teh virov v razdelilna omrežja. Tradicionalna omrežja namreč postajajo z novimi viri nezanesljiva, saj število sončnih in vetrnih elektrarn, priključenih na obstoječo razdelilno infrastrukturo, skokovito narašča. V ospredje se čedalje bolj izpostavljajo vprašanja, povezana z vplivi novih razpršenih virov na omrežja. Strokovnjaki so si ob tem enotni, da bodo lahko na vse naštete izzive uspešno odgovorila le nova aktivna omrežja, ki pa jih bo potrebno šele vzpostaviti. V Sloveniji se s tem izzivom ukvarjajo predvsem v naslednjih projektih: - Inteligentno elektronsko omrežje, - Smart Grids ERANET (pristop k evropskemu projektu), 23

36 - KiberNET (Razvoj prototipa sistema za krmiljenje industrijskih bremen in razpršene proizvodnje na distribucijskem elektroenergetskem omrežju) ter - SUPERMAN (Inteligentna elektroenergetska platforma za nadzor in vodenje razpršenih virov in porabnikov) (Naš stik, 2010). Za zagotavljanje potreb po energetskih virih, tako v gospodarskem kot v družbenem okolju, je ključnega pomena čim zanesljivejši in čim učinkovitejši prenos ter dostava energije v elektroenergetskem omrežju. V preteklosti je bilo elektroenergetsko omrežje, z vidika pretoka energije, le enosmerno. Energija se je prenašala od izvora, ki je bil na enem mestu in je potovala v smeri proti porabnikom. Sedaj se je stanje spremenilo. V omrežja se priključuje čedalje več majhnih vetrnih, vodnih in sončnih elektrarn, ki jih v nadaljevanju imenujemo tudi razpršeni viri. Slika 16 prikazuje shemo elektroenergetskega omrežja z razpršenimi viri v prihodnosti. Slika 16: Shematski prikaz elektroenergetskega omrežja z razpršenimi viri v prihodnosti (Das, 2012). Vključevanje razpršenih virov povzroča spreminjanje stanja napetosti na elektroenergetskih vodih. Tako je za zagotavljanje predpisanih zahtev po kvaliteti električne energije v omrežju potrebna učinkovita regulacija in spremljanje moči, ki 24

37 jih takšni razpršeni viri oddajajo v omrežje. Glavni cilj aktivnega električnega omrežja je torej povečanje nivoja upravljanja omrežja in zagotavljanje popolnega opisa stanja naprav v elektroenergetskem omrežju. Ta cilj lahko dosežemo le s povečanim deljenjem informacij med elementi v omrežju. Koncepti, razviti v telekomunikacijah kot so dvosmernost, nadzor in upravljanje, se z razpršenimi viri selijo tudi v elektroenergetsko omrežje. Aktivna električna omrežja tako predstavljajo področje skupnega delovanja energetike in telekomunikacij. Uporaba telekomunikacijskih protokolov v energetiki omogoča tako spremljanje stanja, kot tudi upravljanje naprav v elektroenergetskem omrežju (Kljun, 2010). 3.3 Zgradba in delovanje vetrne turbine Vetrne turbine so pogonski stroji, pri katerih se kinetična energija delovne snovi spreminja v mehansko delo. Najpogosteje se mehansko delo pretvarja v električno energijo s pomočjo električnega generatorja (Tuma, 1989). Vetrno turbino sestavljajo trije glavni elementi: stolp, rotor in generator. Za učinkovito delovanje potrebujejo sodobne vetrnice poleg osnovnih elementov še: prenos oziroma menjalnik, ki služi za uravnavanje hitrosti vrtenja generatorja, gibljivo čeljust za prilagajanje izkoristka vetrnice in orientacijski sistem, ki skrbi za pravilno usmeritev vetrnice glede na smer vetra. Zgradba vetrnice je lepo vidna na prečnem prerezu tipične vetrne elektrarne na sliki 17. Vrteči se del vetrne turbine imenujemo rotor in ga sestavljajo lopatice. Pri vetrnicah vzgonskega tipa najpogosteje srečamo tri-krake vetrnice, saj imajo le te najvišji izkoristek (WinWind, 2012). Rotor oziroma lopatice propelerja so največkrat narejene iz steklenih vlaken in poliestra, lesa ali lesenega laminata, karbonskih vlaken ali aluminija. Izbira materiala je odvisna predvsem od zahtevnosti izdelave, namembnosti in cene vetrnice. Pri izdelavi lopatic je pomembno predvsem razmerje aerodinamičnih sil dviga/upora, visoka mehanska vzdržljivost, nizka teža in nizka hrupnost. Vetrnica se začne vrteti, ko je hitrost vetra dovolj visoka. To hitrost pogosto označujemo kot lastnost vetrne turbine (angl. cut-in speed) in je na krivulji odvisnosti 25

38 koeficienta izkoristka Cp, v odvisnosti od hitrosti vetra, označena kot presečišče ordinatne osi. Kot kaže slika 11, moč vetrne turbine narašča s tretjo potenco hitrosti vetra, vse do vrednosti za katero je bila vetrna turbina zgrajena, tj. nazivna oz. obratovalna moč turbine. Da se z naraščajočim vetrom izognemo izgubi nazivne moči turbine, so sodobne vetrnice opremljene s sistemom regulacije aerodinamičnosti turbine, ki zagotovi, da se faktor Cp spremeni in s tem lahko kljub morebitnim višjim hitrostim vetra, obdržimo nazivno moč vetrnee turbine. Ob previsokih hitrostih vetra je potrebno vetrno turbino zaustaviti, da se izognemo samouničenju vetrne turbine zaradi previsokih obratov sistema. To hitrost označujemo kot izstopno hitrost vetrne elektrarne (angl. cut-out) (WinWind, 2012). Slika 17: Prečni prerez tipične vetrne elektrarne (Wikipedia, 2012). Spremembo izkoristka vetrne turbine, s pridom uporabljamo za učinkovitejšo uporabo vetrne turbine, v širšem razponu vetrov. Najstarejši in najenostavnejši način regulacije moči srečamo pri mlinih na veter z jadri, kot ga prikazuje slika 18. Glede na jakost vetra, se je pri starodobnih mlinih lahko spremenilo površinoo jadra in s tem se je učinkovito reguliralo moč mlina. Takšnega sistema pri sodobnih vetrnih 26

39 elektrarnah ne uporabljamo več. Pri sodobnih vetrnicah lahko moč vetrnice spreminjamo z faktorjem izkoristka Cp (angl. pitch control). S pomočjo pesta za regulacijo rotorja, lahko med obratovanjem spremenimo vpadni kot vetra na lopatice in tako vplivamo na aerodinamično silo dviga ter spremenimo silo upora lopatic. Omenjeni sistem ima to slabost, da lahko pri tem spreminjamo faktor izkoristka Cp, le do omejenih vrednosti. Pri vetrnih elektrarnah srednje moči, se za regulacijo moči uporablja kar sistem regulacije, z navorom generatorja (angl. stall control). Pri tem načinu regulacije, govorimo izključno o vetrnih elektrarnah z asinhronskim generatorjem. Ko le ta doseže nazivno moč se nadaljnje naraščanje hitrosti rotorja avtomatsko regulira z samim generatorjem. Pri asinhronskem generatorju se rotor upira zaostajanju ali prehitevanju za vrtilnim poljem, ki ga vsiljuje omrežje, kar strokovno imenujemo slip. Generator se tako upira vsiljeni nadsinhronski hitrosti, kar povzroči praktično konstantno hitrost propelerja. Pri višjih hitrostih vetra, se spremni vpadni kot vetra na lopatice in s tem se lamelirano gibanje zraka popači. Na zadnjem delu lopatic se zaradi slabšega aerodinamičnega učinka pojavi turbulenca, ki poslabšuje faktor izkoristka vetrnice Cp in zmanjšuje moč vetrne turbine. Ob izrednih razmerah se vetrnico s čeljustnim mehanizmom usmeri izven smeri vetra in s tem onemogoči vrtenje rotorja (angl. yaw control). Večina večjih vetrnih elektrarn uporablja električne generatorje z nazivnimi vrtljaji, ki so nekajkrat višji od vrtljajev propelerja. Mehanski prenos je pri veliki večini vetrnih elektrarn neizogibni člen in skrbi za pravilno delovanje vetrne turbine. Mehanski prenos poleg menjalnika sestavljajo še sklopka, ki zagotavlja pravilen zagon generatorja in zavorni sistem, ki skrbi, da se generator ne vrti, ko si tega ne želimo (Wikipedia, 2012). 27

40 Slika 18: Antični mlin na veter z jadri na grškem otoku Kos (WinWind, 2012). Kot pomembnejši del vetrne turbine, ki predstavlja tudi velik konstrukcijski izziv, je potrebno omeniti še stolp, ki igra veliko vlogo pri delovanju vetrne turbine. Višina izkoriščanja vetrov je ključnega pomena pri postavitvi vetrne turbine. Na sliki 19 lahko vidimo, da višje kot je postavljena vetrnica več energije lahko pretvori, saj so vetrovi v višjih predelih ozračja močnejši in bolj konstanti. Zasledimo lahko betonske kot jeklene konstrukcijske izvedbe stolpa, pri čemer je potrebno paziti na togost konstrukcije, saj se lahko med obratovanjem pojavijo določene resonančne frekvence, ki lahko ogrozijo stabilnost vetrne elektrarne. Stolp mora zagotavljati tudi vzdrževanje vetrne turbine, kar pomeni, da mora 28

41 zagotavljati enostaven dostop za periodične posege. Pri večjih vetrnicah je to zagotovljeno tako, da se v votlem betonskem stolpu lahko povzpnemo do turbine oz. generatorja, manjši jekleni stolpi za manjše vetrnice pa so navadno konstruirani tako, da dvižna konstrukcija stolpa omogoča spust vetrnice na tla, kar omogoča hitro in ceneno vzdrževanje. Slika 19: Prikaz povečanja moči vetra glede na postavitev vetrnice (Solacity, 2012). Generatorji in motorji so električni stroji, ki pretvarjajo mehansko moč v električno in obratno. Pri elektrarnah se uporabljajo tako sinhronski kot asinhronski električni generatorji. Vrtenje rotorja električnega generatorja mora pred priklopom na električno omrežje doseči sinhronizacijo, šele takrat lahko rotor sinhronskega stroja obremenimo z dodatnim navorom, kar povzroči, da se le-ta izmakne iz sinhronske lege in inducirana napetost začne prehitevati omrežno napetost. Sinhronski stroj tako preide v fazo oddajanja električne energije in ga imenujemo generator. V enostavnih vodnih in danes tudi vetrnih elektrarnah pogosto srečamo asinhronski generator s kratkostično kletko. Največkrat ti generatorji nimajo nikakršne regulacije napetosti, niti regulacije vrtenja ali navora, zato je njihovo delovanje lahko 29

42 samostojno. Pri elektrarnah z asinhronskim generatorjem, se hitrost vrtenja rotorja prilagaja nadsinhronski hitrosti asinhronskega generatorja. Pri majhnih elektrarnah je mogoče uporabljati tudi običajni trifazni asinhronski motor kot generator na omrežju iste napetosti in frekvence. Pri generatorski rabi motorja moramo biti zelo previdni, saj se lahko zgodi, da zaide železno jedro stroja v močno nasičenje, kar povzroči, da se s povečanjem izgub stroj lahko prekomerno segreje (Miljavec, 2008). Slabe lastnosti asinhronskih generatorjev kot je velik zagonski tok, rešujemo z mehkim zagonom s pomočjo tiristorjev ali kondenzatorskimi baterijami, ki so locirane ob vznožju stolpa. V primerjavi s permanentno magnetnimi (v nadaljevanju PM) generatorji, asinhronski generatorji ne dosegajo tako visokega izkoristka, saj na svojem izhodu porabljajo del toka za lastno vzbujanje magnetnega polja. Primerjava lastnosti PM generatorja z asinhronskim generatorjem je prikazana v tabeli 3. Tabela 3: Primerjava PM generatorja z asinhronskim generatorjem Tip asinhronski sinhronski (PM generator) Izkoristek Velikost in masa -30 % Robustnost - nevarna BEMF* Regulacija moči Vzdrževanje - na rotorju - uporaba krtačk Cena ~ +20% * Napetostna konstanta ali BEMF (angl. Back Electro-motive Force) je lastnost električnih motorjev merjena v obratih na volt (RPM/V). Pri generatorjih je ta definicija lahko tudi obratna in nam pove, da hitreje kot se stroj vrti višjo napetost proizvaja. Srednje velike vetrne elektrarne, s spremenljivo hitrostjo vrtenja rotorja, so na omrežje priklopljene s frekvenčnim pretvornikom in omogočajo izrabo spremenljive hitrosti vetra (Acheilles in Pöller, 2003). Manjše elektrarne, lahko izkoriščajo manj ugodne lokacije s spremenljivim vetrom in so zaradi tega primerne tudi za priključitev samostojnih električnih porabnikov, tako v industriji kakor na oddaljenih lokacijah, kjer ni možna priključitev na električno omrežje. Slika 20 prikazuje 30

43 diagram pretvorbe mehanske energije v električno z elektronskim pretvornikom. Slika 20: Shematski prikaz direktno gnanega generatorja priključenega na omrežje s frekvenčnim pretvornikom (Acheilles in Pöller, 2003). Težnja sodobnih raziskav in razvoja, je ponuditi generator, ki bo proizvajal primerno napetost pri širokem razponu vrtljajev in omogočal primerno izkoriščanje vetrov. Razvoj generatorjev gre v prid razmerja med velikostjo in maso generatorja, kar pomeni, da morajo biti generatorji majhni, brez vmesnih multiplikatorjev ter morajo obratovati pri obratih med 50 in 500 vrtljajev v minuti. Podjetje Iskra Avtoelektrika ponuja širok spekter alternatorjev in električnih motorjev za različne aplikacije. V prodajnem programu Letrika lahko zasledimo tudi univerzalni generator, ki se ga lahko uporablja za proizvodnjo električne energije z malimi vetrnimi elektrarnami. Z analizo sodobnih patentiranih rešitev generatorjev malih moči in primerjavo z obstoječim generatorjem, ki ga ponuja Letrika bomo poskušali ugotoviti, kateree rešitve se razvijajo na globalnem trgu in katere bi lahko bila priporočila za industrializacijo novih generacij generatorjev, ki bodo v bližnji prihodnosti aktualni za uporabo v razvijajočem se segmentu malih vetrnih elektrarn. V nadaljevanju je predstavljena primerjava različnih generatorjev in lastnosti industrializiranega generatorja moči 4 kw. 3.4 Primerjava električnih generatorjev Glede na strukturo električnih strojev poznamo v osnovi generatorje s krtačkami in generatorje brez krtačk. Za uporabo v vetrnih elektrarnah so primerni generatorji brez obrabljivih delov, med katere spada asinhronski generator in sinhronski 31

44 generator. Sinhronski generatorji se delijo na naprave s permanentnimi magneti in reluktančne generatorje (Slika 21). Električni generatorji brez krtačk Sinhronskij generatorji Asinhronski generatorji Generatorji s permanentnimi magneti Preklopno reluktančni generatorji Rotor s kratkostično kletko Stroji z radialnim pretokom magnetnega polja Stroji z aksialnim magnetnim pretokom Interni rotor (AFIR) TORUS izvedba Multi disk Slika 21: Razdelitev električnih generatorjev glede na zgradbo. V literaturi je mogoče zaslediti najrazličnejše možne konstrukcije sinhronskih strojev s trajnimi magneti. V osnovi sinhronske stroje s trajnimi magneti delimo glede na smer magnetnega pretoka na stroje z radialnim magnetnim pretokom in stroje z aksialnim magnetnim pretokom. Sinhronski stroji s trajnimi magneti in radialnim magnetnim pretokom so najbolj razširjeni in se uporabljajo praktično v vseh znanih aplikacijah, bodisi kot motorji bodisi kot generatorji. Za primerjavo vrst generatorjev je potrebno upoštevati, da nobena tehnična rešitev oz. izvedba generatorja ni najboljša za vse vrste aplikacij. Vetrni generatorji delujejo v območju razmeroma nizkih vrtljajev rotorja, ne glede na izvedbo se njihova hitrost giblje pod 500 obrati na minuto. Zaradi nestabilnega vetrnega potenciala je predvideno delovanje z variabilno hitrostjo vrtenja, kar pomeni, da je potrebno tudi pri variabilni hitrosti vrtenja zagotoviti končnim uporabnikom konstantno napetost in frekvenco. Male vetrnice so namenjene predvsem zagotavljanju potreb po elektriki 32

45 na dislociranih lokacijah, kjer ni možnosti priklopa na fiksno distribucijsko omrežje, zato sta nivo hrupnosti in zanesljivost delovanja velikega pomena. V celostni podobi so pomembni še dejavniki velikosti, mase ter potrebne investicije za primer serijske proizvodnje. Asinhronski generator sestavljata dva elektromehanska podsestava, in sicer rotirajoči lameliran paket z utori, v katerih je nameščena visokoprevodna kratkostična kletka, ter stator, ki je ravno tako grajen iz lameliranega paketa z utori, v katerih je nameščeno navitje. Pri tipičnih trifaznih asinhronskih generatorjih se vzbujanje rotorja vrši na osnovi fiksnega kondenzatorja, pri tem se generator vzbudi k delovanju zaradi preostalega (remanenčnega) magnetizma v lameliranih delih stroja. Ker je ta lahko po daljšem času ali neugodnih pogojih po zadnjem izklopu izničen, obstaja možnost, da se generator ob naslednji zavrtitvi ne vzbudi in je torej delovanje nezanesljivo. Remanenčni magnetizem se sicer ponovno vzpostavi s kratkotrajno vzpostavitvijo toka v navitje, vendar je za to potreben zunanji vir. Ti generatorji so zelo pogosto v vetrnih generatorjih večjih moči zaradi stabilnega tvorjenega napetostnega signala in zaradi cenenosti v večini prenosnih agregatov. V primerjavi s sinhronskimi permanentno magnetnimi stroji ne dosegajo tako visokega izkoristka, saj na svojem izhodu porabljajo del toka za lastno vzbujanje magnetnega polja. Pri generatorjih s permanentnimi magneti je rotor, ki zagotavlja rotirajoče magnetno polje, sestavljen iz magnetno prevodnega jedra ter trajnih magnetov z visokim energijskim produktom BH, kot so na primer magneti NdFeB (Neodim-železo-bor). Napetostni izhod takega generatorja je neregulirana tipično trifazna sinusna oblika napetosti, ki je odvisna od hitrosti vrtenja. Izhodna frekvenca se pri tem spreminja, in sicer povsem sinhrono z vrtenjem. Pri sinhronskih generatorjih obstaja povezava med hitrostjo in obratovalno frekvenco f, številom polovih parov p ter indirektno s premerom statorja D in obodno hitrostjo (angl. pole-pitch) τ s formulo (7) (Chen, 2004) = =. (7) Frekvenca direktno gnanih generatorjev je lahko spremenljiva in zavzema območje med 10 Hz in 60 Hz. To pomeni, da je za učinkovito proizvodnjo energije pri nizkih 33

46 obratovalnih hitrostih potrebna uporaba generatorjev z velikim številom polov oziroma velikim premerom statorja. Permanentno magnetni generatorji so zaradi najvišjega izkoristka ter zanesljivega samovzbujanja zelo pogosti v vetrnih generatorjih malih in srednjih moči. Izražena prednost te vrste generatorja je, da se v vsakem primeru zanesljivo in samostojno vzbudi k delovanju brez zunanjega ali pomožnega vira. Podjetje Iskra Avtoelektrika d.d. proizvaja zaganjalnike, alternatorje ter različne elektromotorje za pogon črpalk, vitlov in hibridnih aplikacij. Kakor vsa konkurenčna podjetja stalno spremlja dogajanje in priložnosti na trgu, med katere sodi tudi segment generatorjev moči do 15 kw. Generatorji za male vetrne elektrarne se bistveno ne razlikujejo od ostalih tipov generatorjev malih moči. Priporočljivo je, da generatorji, ki proizvajajo izmenično napetost in se zaradi tega imenujejo alternatorji, z uporabo usmernikov in stabilizatorjev napetosti pretvarjajo električni tok v enosmeren stabilen vir električne napetosti, kakor je to pri avtomobilskih alternatorjih. Vetrni generatorji delujejo na zelo podoben način, le da je hitrost vrtenja rotorja nižja in potrebujejo bodisi mehanski pretvornik za dvig obratov bodisi posebno izvedbo z več poli. Izhod generatorja preko posebnega elektronskega pretvornika sinhroniziramo z električnim omrežjem. V ponudbi generatorjev najdemo v Letriki rešitev generatorja moči 4 kw nazivne napetosti 230 V, ki je primeren za uporabo v malih vetrnih generatorjih (Slika 22). Gre za generator klasične gradnje, kar pomeni, da govorimo o sinhronskem generatorju z radialnim pretokom magnetnega polja in notranjim rotorjem. Vanj so vgrajeni pravokotni magneti iz redkih zemelj tipa NdFeB in vstavljeni v lamelirano jedro rotorja. Vgrajen rotor je sestavljen iz dveh lameliranih peketov, med seboj zamaknjenih za določen kot, ki omogoča zamaknitev vstavljenih magnetov. Montaža magnetov v rotor z zamaknitvijo, ki jo prikazuje slika 23, omogoča obvladovanje neželenega samodržnega momenta (angl. coging effect), ki je tipičen za vse sinhronske generatorje. Generator podjetja Iskra Avtoelektrika d.d. je zaradi izbrane konstrukcije osmih polov na rotorju in 36 polov na statorju namenjen strojem z obratovalo hitrostjo med 34

47 1000 in 3000 vrtljajev v minuti, kar pomeni, da se za vgradnjo v vetrnih generatorjih pričakuje uporabo multiplikatorja obratov. Slika 22: Generator Letrika, 230V / 4 kw [Letrika, 2012]. Predstavljena izvedba je na visoki stopnji optimizacije. To pomeni, da je tehnološko optimizirana skoraj do popolnosti in je zmanjševanje deleža aktivnih materialov in s tem cene surovin in izdelave skoraj zanemarljivo (UpWind, 2006). Izdelek je v visoki fazi zrelosti, kar pomeni, da bo na trgu mogoče kmalu zaslediti primerne izdelke, ki bodo po lastnostih in ceni lahko nadomestili obstoječo izvedbo generatorja v namenskih aplikacijah, kot je proizvodnja električne energije s pomočjo vetrnih turbin. Za analizo alternativnih rešitev sodobnih generatorjev, primernih za uporabo v malih vetrnih elektrarnah, smo rešitve iskali v bazah patentov z orodjem Espacenet (EPO, 2012) ter v sodobni literaturi konstruiranja električnih generatorjev. Po zgledu priznanih proizvajalcev malih vetrnih elektrarn smo analizo zožili na sinhronske generatorje s spremenljivo hitrostjo vrtenja, zanesljivim delovanjem, velikimi izkoristki in nizko proizvodno ceno. Ti kriteriji posredno vplivajo na ceno proizvedene električne energije, kar je tudi glavni kriterij, ki ga zahteva trg. Ko bo 35

48 cena proizvedene energije z lastnim vetrnim generatorjem nižja od nabavljene energije, bo povpraševanje na trgu predvidoma skokovito naraslo. Slika 23: Transparentni prikaz modela rotorja [Letrika, 2012]. Iz tipološkega vidika razvoja generatorjev je potrebno pozornost posvetiti naslednjim področjem: vzbujanje magnetnega polja (angl. Excitation), mehansko varovanje permanentnih magnetov (angl. Physical Magnet Protection), varovanje permanantnih magnetov pred pregrevanjem z zadostnim hlajenjem, varovanje pred razmagnetenjem magnetov (angl. Demagnetization Protection), prijaznost elementov za izdelavo in montažo, saj je stroškovni vidik stroja odvisen predvsem od pametnega načrtovanja. Razvoj tehnologije vetrnih elektrarn, kot sodobnega obnovljivega vira električne energije, je priložnost na razvijajočem se tržišču in je v skladu s smernicami razvoja Evropske unije. V nadaljevanju smo se omejili na pregled patentiranih rešitev različnih tipov električnih generatorjev. Opisane so predvsem prednosti in slabosti direktno gnanih generatorjev, primernih za uporabo v urbanem okolju. 36

49 4 PREGLED PATENTOV 4.1 PATENT US A1 - Električni generator, ki omogoča manj šumov in odpravo nezaželenih električnih signalov Patent opisuje električni generator s statorjem in statorskim navitjem na mehkomagnetnem jedru in rotorjem s permanentnimi magneti, ki ležijo pod masivnimi polovimi čevlji rotorja. Namen konstrukcije je zmanjšanje izkrivljenosti ustvarjene inducirane napetosti. Posebna oblika magnetnih polov rotorja omogoča spremenljivo režo med magnetom in jedrom statorja. Ukrivljenost polov se lahko doseže na različne konstrukcijske načine, ki imajo vpliv na kompaktnost generatorja in ceno aktivnih materialov. V patentni objavi (Kimura, 2009) je opisana konstrukcijska rešitev s pravokotnimi magneti in polovim čevljem, katerega zunanji del pola je krožne oblike (Slika 24). Slika 24: Prerez električnega generatorja s trajnimi magneti izpod masivnih polovih čevljev (Kimura, 2009). Radij R 1, ki pogojuje premer rotorja, je večji od radija polovega čevlja R 2. S spreminjanjem radija pola rotorja se spreminja izkrivljenost proizvedene sinusne 37

50 napetosti. Kakovost je tako pogojena z razmerjem R 2 /R 1 in je zadovoljiva, ko je izraženo razmerje R 2 /R 1 manjše od 0,9. Kakovost proizvedenega signala se izboljša tudi, če število utorov na statorju za vsako fazo ni celo število, kar pomeni, da število utorov statorja ni večkratnik števila polov. Patent opisuje ugotovitev, da razmerje širine pola P w vpliva na kakovost signala. Razmerje P w izračunamo kot razmerje med širino posameznega pola T p in ločno razdaljo med simetralami pola T r po obodu rotorja. P w mora ustrezati pogojem na sliki 25, kar pomeni, da je izkrivljenost signala manjša od 10% ko je P w 0,6 oziroma 0,67 P w 0,71 ali P w 0,78. Slika 25: Graf vpliva razmerja Pw na kakovost proizvedenega signala napetosti (Kimura, 2009). 4.2 PATENT EP A1 Sinhronski preklopno reluktančni generator z izraženimi poli in dvodelnim statorjem Značilnosti tega generatorja so enostavna konstrukcija, visoka učinkovitost, zanesljivost in nizki stroški izdelave. Slika 26 prikazuje generator preklopno reluktančnega tipa z enim rotorjem in dvema statorjema. V opisani konstrukciji leži rotor med zunanjim statorjem in notranjim statorjem v jedru. Tako rotor kakor oba statorja imajo izražene pole (angl. salient-pole). Število polov posameznega statorja je 6n in rotorja 4n, kjer je n celo število. Vsak pol statorja ima statorsko navitje. Navitja, ki imajo enako fazo so povezana v serijo in predstavljajo eno fazo. Tako notranji kot zunanji stator imata navitji za vzbujanje, preko katerega je mogoče natančno regulirati izhodno napetost pri različnih pogojih obratovanja (Tang in Yan, 2007). 38

51 Slika 26: Prerez reluktančnega električnega generatorja z dvojnim statorjem (Tang in Yan, 2007). Izstopajoča prednost reluktančnih generatorjev je robustna in cenena konstrukcija ter zmožnost delovanja v najširšem področju vrtljajev. Zaradi visoke zahtevnosti regulacije in s tem povezane cene za elektronski regulator takšnih generatorjev ni zaznati v vetrnih generatorjih. Za delovanje je nujno zunanje vzbujanje z ustreznim elektronskim krmilnikom. Konstrukcije strojev z dvodelnim rotorjem ali dvodelnim statorjem so v primerjavi s klasičnimi konstrukcijskimi rešitvami nekoliko kompleksnejše za izdelavo, vendar taki stroji zagotovo dosegajo večje gostote moči na enoto volumna. Dvodelne konstrukcijske rešitve so torej posebej primerne za aplikacije, kjer želimo kar se da zmanjšati velikost generatorja (Letrika, 2012). 39

52 4.3 PATENT US A1 Permanentno magnetni multi disk generator z aksialnim pretokom magnetnega polja Predstavljen je električni generator, ki ni prostorsko potraten in je sestavljen iz ohišja, v katerem so vsaj trije rotorji diskaste oblike z vgrajenimi permanentnimi magneti ter vsaj štirje statorji z vgrajenimi statorskimi navitji. Zgradba generatorja je vidna na sliki 27 in prikazuje izmenično kombinacijo statorja in rotorja, razporejenih v smeri osi generatorja. Prvi in zadnji rotor sta posebno izvedena rotorja s feritnim jedrom, ki služi za prenos magnetnega polja. Generatorji, ki uporabljajo za vir magnetnega polja permanentne magnete, imajo bistveno boljšo učinkovitost zaradi močnejšega magnetnega polja v primerjavi s tuljavo. Ker je višina inducirane napetosti v tuljavi odvisna predvsem od hitrosti vrtenja generatorja, je za uporabo v vetrnih generatorjih potrebno uporabiti multiplikatorje obratov, dodatne magnete ali večje premere rotorjev, ki pa negativno vplivajo na ceno in izkoristek izdelka. V patentu (Minowa, 2008) je opisan način, kako dvigniti inducirano napetost generatorja z razporeditvijo magnetov brez vpliva na osnovne gabarite in ceno. LEGENDA: 1 Rotor 2 Ohišje 3 Ležaj 10, 30 Skrajna rotorska diska s feromagnetno ploščo 20 Rotorski disk s permanentno magnetnimi poli 40 Statorski disk z navitjem Slika 27: Generator s pretokom magnetnega polja v smeri osi generatorja z verigo zaporednih statorjev in rotorjev (Minowa, 2008). Polarna orientacija magnetov na rotorjih je usmerjena v smeri osi. Soležni magneti na rotorju pa so postavljeni tako, da imajo nasprotno polarno usmerjenost. Pri sestavi rotorjev na gred, morajo biti magnetni poli poravnani tako, da so enako usmerjeni 40

53 magneti poravnani v smeri osi. Skrajna rotorja na začetku in na koncu osi imata dodano ploščo iz mehkomagnetnega materiala, ki služi za prenos magnetnih silnic in s tem za zaključek magnetnega tokokroga. Prikaz možnega poteka silnic je prikazan na sliki 28. Slika 28: Shematski prikaz klasične izvedbe levo in izboljšane izvedbe magnetnega generatorja desno (Minowa, 2008). Primerjava inducirane napetosti klasičnega in izboljšanega generatorja, ki sta prikazana na sliki 28 je pokazala, da generator z opisano razporeditvijo magnetov ustvari 1,4 krat višjo napetost (Minowa, 2008). Če je inducirana napetost pri konvencionalnem generatorju znašala 24 V, je pri enakih pogojih pri izboljšani verziji znašala 33 V. 4.4 PATENT EU A2 Hibridni rotor s permanentnimi magneti in pomožnim navitjem za stabilizacijo napetosti pri spremenljivem bremenu Predstavljena inovacija opisuje rotor generatorja s permanentnimi magneti in dodatnim pomožnim navitjem na vsakem polu rotorja. Dodatna tuljava omogoča natančno izravnavo magnetnega polja in s tem izravnavo napetosti v primeru spremenljivega bremena. Pri generatorjih se prilagajanje izhodne napetosti doseže s spreminjanjem obratov generatorja, kar pa je težko zagotoviti pri aplikacijah, ki zahtevajo konstantno napetost. Pri opisani rešitvi je mogoče s sekundarnimi tuljavami, priključenimi na 41

54 zunanji električni vir, povečati gostoto magnetnega polja ob priključitvi večjih bremen in s tem izravnati izhodno napetost na želeno raven. Dodatne tuljave omogočajo tudi izboljšanje izkoristka generatorja zaradi ugodnega vpliva na porazdelitev smernic v rotorju. Posebna oblika rotorja pa poveča hladilno moč rotorja. Primer opisanega rotorja je prikazan na sliki 29. Slika 29: Rotor s permanentnimi magneti in pomožnim navitjem za ojačitev magnetnega polja pri spremenljivem bremenu (Lee, 2007). Rotor je kombinacija rotorja z ugnezdenimi trajnimi magneti in rotorja z radialno potopljenimi trajnimi magneti. Ker se ugnezdeni magneti nahajajo tik pod površjem rotorja veljajo za omenjeni rotor enake slabosti kot za rotor s površinskimi magneti. V aplikacijah z visoko hitrostjo vrtenja je zaradi velikih radialnih sil potrebno bandažiranje rotorja ali namestitev nemagnetne električno prevodne srajčke. Pri izvedbah strojev z večjim številom polov predstavljajo vrtinčne izgube v magnetih znaten del izgub. 42

55 4.5 PATENT US A1 Ploski električni generator za vertikalne tipe vetrnih elektrarn Na trgu malih vetrnih elektrarn se vedno pogosteje pojavljajo specializirani tipi generatorjev, ki so sestavni del posebnih strojev in s tem omogočajo boljše obratovalne lastnosti celotnih sistemov. Visoka zanesljivost, enostavne konstrukcijske rešitve in cenovno ugodni materiali so osnova, ki proizvajalcu omogoča, da s specializiranim izdelkom doseže ekonomske prednosti in obenem zadovoljitev potreb končnega uporabnika z zanesljivim in visoko kvalitetnim izdelkom. Opisana patentna vloga (VanderDeen, 2011) predstavlja izdelek, ki je nastal s prenovo več starejših patentov in vključuje konkurenčne rešitve ob uporabi sodobnih materialov. Električni generator je opisan kot del celotnega sistema vertikalnega vetrnega generatorja tipa s Savoniusovo ali Darreiusovo turbino. Izvedba generatorja lahko obenem služi sistemu kot eden izmed ležajev, na katerega so pritrjene vetrne lopatice. Glavni sestavni del generatorja je rotorsko ohišje s permanentnimi magneti, ki obdaja stator, pritrjen na konzolno os sistema. Toroidni stator brez utorov omogoča enostavno izvedbo večpolnega generatorja, saj je na statorsko jedro navitih več obodno postavljenih tuljav, ki popolnoma prekrivajo obročasto jedro statorja. Vsaka izmed tuljav je preko kontaktne ploščice vpeta na os statorja. Tuljave, ki so preko nosilnega traku povezane med seboj, sestavljajo navitje statorja. Preko cevne osi vetrnice so povlečene priklopne žice sistema, kakor je prikazano na sliki 30. Slika 31 prikazuje rotor električnega generatorja, ki ga sestavljajo podaljšano ležajno ohišje skupaj z rotorjem električnega generatorja, na katerega so obodno pritrjeni permanentni magneti, ki obdajajo stator. Dvodelni rotor, ki navadno leži na vrhu vetrnice tako sestavlja vrhnje in spodje ohišje generatorja. Taka izvedba omogoča enostavnejša popravila, saj je vrhnje ohišje generatorja v primeru večjih posegov z lahkoto dosegljivo. Poleg opisane uporabe pa je generator lahko vgrajen tudi na horizontalni generator, pri katerem se lahko propelerske vetrnice pritrdi direktno na ohišje rotorja (VanderDeen, 2011). 43

56 Slika 30: Prerez generatorja (VanderDeen, 2011). Slika 31 podrobneje prikazuje sestav toroidnega statorja brez utorov, na katerega so navite tuljave. Tuljave, ki sestavljajo stator, so preko posebnih kontaktov povezane skupaj in sestavljajo navitje generatorja. Slika 31: Delni prikaz toroidnega statorja (VanderDeen, 2011). 44

57 Uporaba rotacijskih naprav s toroidnim statorjem je posebej primerna pri direktno gnanih vetrnih generatorjih s spremenljivo hitrostjo, ki so na električno omrežje priklopljeni s frekvenčnim pretvornikom. Topografija generatorja omogoča enostavno izvedbo večpolnega generatorja. Na rotor so navadno vstavljeni trajni neodim permanentni magneti tipa redka prst-kovina (NdBFe), pravokotne oblike. Magnete iz redkih zemelj označuje ekstremno velika maksimalna gostota energije (BH) max, zelo velik znesek prisilne moči jhc in velik znesek remanence Br. Posebno obliko statorja sestavljajo jedro in poljubno število navitij, saj so navita ena ob drugi, brez vmesnih rež ali magnetnih polov. Visoko število navitij in magnetov omogoča enostavno izvedbo generatorja z več poli, kar ustreza strojem z nizkimi obratovalnimi hitrostmi (10 do 30 obratov v minuti) (Keppola, 2000). 4.6 PATENT GB A Permanantno magnetni električni stroj s povitim statorjem Patent predstavlja električni stroj, ki je bodisi motor bodisi generator in je vgrajen v mnogo naprav z aksialnim pretokom magnetnega polja, predvsem pa v naprave, ki v navitju nimajo feromagnetnih jeder. Avtorja sta take naprave poimenovala YASA motor (angl. Yokeless And Segmented Armature). Konvencionalni motorji imajo aktivne magnetne dele, za ustvarjanje magnetnega polja se navadno uporabljajo tuljave s feromagnetnim jedrom. Feromagnetna jedra tuljav so v večini primerov oblikovana iz valjanega železa ali jekla. V patentu (Woolmer, 2010) je opisana uporaba mehko magnetnih kompozitov, ki nadomestijo klasične feromagnetne materiale, kakor jih poznamo pri klasičnih elektromotorjih. Sodobni mehkomagnetni kompoziti železa v prahu se z lahkoto oblikujejo v tridimenzionalne oblike. Prednosti materialov z manj železa vplivajo na povečanje navora takšnega stroja. Mehkomagnetni kompoziti so v bistvu železni delci prahu ločeni z električno izolirno plastjo. Tehnologija prašne metalurgije se že dalj časa uporablja za izdelavo mehkomagnetnih sestavnih delov za aplikacije visokih frekvenc. Tradicionalne oblike mehkomagnetnih materialov sestavljajo večinoma drobci železa, sestavljeni v matriki iz organske snovi. Novi mehkomegantni materiali ne vsebujejo organskih snovi in so bili uvedeni šele pred kratkim. Omogočajo 45

58 izdelavo sestavnih delov z občutno višjo nasičenostjo magnetne snovi, višjo permeabilnostjo ter nižjimi histereznimi izgubami. Rezultat tega so končni izdelki, ki so lahko alternativa dinamo pločevini in feritom v širokem spektru aplikacij. Prednosti mehkomagnetnih materialov prepoznavamo predvsem po izjemo hitri izdelavi komponent kompleksnih in natančnih oblik. Lastnosti teh sodobnih materialov omogočajo razvijalcu rešitve novih topologij izdelkov z oblikami, ki jih do danes nismo uspeli uporabljati. Mehkomagnetni materiali imajo nekatere prednosti, ki jih najdemo predvsem v boljših izkoristkih, manjših in zato lažjih oblikah, manj sestavnih delih in nižjih stroških. Znižanje stroškov pripisujemo predvsem nižjemu strošku surovin, kot tudi bolj učinkoviti proizvodnji in lažji montaži končnih izdelkov (Höganäs AB, 2012). Slika 32 prikazuje rešitev, ki je opisana v patentu (Woolmer, 2010) in obsega serijo tuljav postavljenih po obodu statorja. Rotorski del naprave ima dve stopnji diskov s permanentnimi magneti, ki prekrivajo obe ploskvi statorja s tuljavami. Slika 32: Shematski prikaz Y generatorja (Woolmer, 2010). 46

59 Pri taki izvedbi magnetna zanka, ki je prikazana na sliki 33, poteka skozi prvo tuljavo v prvi magnet na prvem rotorskem disku, čez feromagnetno ploščo na hrbtni strani rotorja do soležnega magneta ter skozi soležno tuljavo pod magnetom na drugo stran, kjer leži druga plošča in služi za zaključitev magnetne zanke nazaj na prvo tuljavo. Slika 33: Prikaz magnetnega tokokroga Y stroja (Woolmer, 2010). Avtorja predstavljata novo topologijo električnega stroja, ki ga imenujeta Y stroj. Glavne prednosti izhajajo iz tehnologije izdelave magnetih jeder iz mehkomagnetnih materialov, ki na enakovrednem stroju omogočijo zmanjšanje količine materiala, hkrati ustvarjanje poti za magnetni tok in s tem zmanjšanje izgube v magnetni zanki. Na enem od dveh glavnih sestavnih delov motorja, t.j. statorju, lahko zmanjšamo težo za faktor tri ali štiri, medtem ko drugi sestavni del, t.j. rotor, ostane približno enak. Na splošno je teža enako močnega klasičnega motorja zmanjšana na približno polovico. Zaradi zmanjšanih izgub v materialu je izkoristek takega stroja približno 95 odstotni (Woolmer, 2010). Patent (Woolmer, 2010) opisuje tudi rešitve, ki jih pri klasičnih motorjih ali generatorjih le s težavo premagujemo. Ena glavnih ovir električnih motorjev z visokim momentom je hlajenje magnetnih polov pri daljšem obratovanju. Ravno tako 47

60 predstavlja problem tudi pojav samodržnega momenta, poznanega tudi kot učinek cogging, ki ga zaznamo pri vseh napravah, kjer se magnetni poli statorja in rotorja prekrivajo in je posledica interakcije med poljem trajnih magnetov in poli statorja. Nezaželeni pojavi pri napravah z veliko magnetno močjo so predvsem izgube v feromagnetnih materialih, ki jih povzročajo vrtinčni tokovi in visoka permeabilnost materiala iz katerega so izdelani poli statorja. Le-ti so navadno oblikovani kot čeveljčki, s katerimi dosežemo povečanje površine pola in s tem zmanjšanje gostote magnetnega polja. Magnetna upornost, ki jo povzroča zračna reža med statorjem in rotorjem pri magnetnem tokokrogu, je obratno sorazmerna s površino magnetnega pola. To pomeni, da lahko magnetni upor, ki ga povzroča zračna reža med statorjem in rotorjem, učinkovito zmanjšamo tako, da povečamo površino polov. V patentu (Woolmer, 2010) je opisanih pet rešitev, ki nekako nadgrajujejo ena drugo. Za namen raziskave so v nadaljevanju opisane samo konkretne rešitve, ki nas zanimajo. Rotor električnega stroja z aksialnim pretokom magnetnega polja sestavljajo permanentni magneti, ki so postavljeni okrog osi generatorja. Permanentni magneti so postavljeni tako na prvi kakor na drugi stopnji rotorja, kar je prikazano na sliki 34. Med prvo in drugo ravnino rotorja leži stator, ki ga sestavlja več tuljav postavljenih okrog osi sistema. Vsaka tuljava je navita na statorsko jedro preko katerega se zaključuje magnetna zanka med obema rotorskima stopnjama. Tuljava ima na obeh straneh postavljen magnetni čevelj, ki skrbi za pravilno razpršitev magnetnih silnic preko jedra, do soležnega magnetnega pola na rotorski strani. Oblika magnetnih čevljev tvori režo med soležnimi poli, ki je v primerjavi z režo polov rotorja nekoliko zamaknjena po kotu ter omogoča, da se med zasukom rotorja nasproti ležna magneta postopoma prekrivata in s tem zmanjšujeta pojav samodržnega momenta. Kotna zamaknitev robov polovih čevljev, ki je na sliki 34 kotirana kot razlika med kotom α 1 in kotom α 2, znaša 10 in se lahko razlikuje glede na število polov naprave (Woolmer, 2010). Ker ima opisan električni stroj dve stopnji rotorja, sta si magnetna čevlja na obeh straneh tuljave obratno usmerjena, kar sovpada postavitvi magnetnih polov na nasprotni ravnini rotorja. Shematski prikaz je viden na delnem rezu statorja, ki ga prikazuje slika

61 Slika 34: Shematski prikaz razporeditve tuljav v statorju (Woolmer, 2010). Druga rešitev izuma, ki nas posebej zanima je izvedba hlajenja statorja. Pri tem so tuljave in magnetni poli statorja zaprti v ohišje, ki tvori pretočne kanale, katere lahko napolnimo s hladilnim medijem za ohlajevanje tuljav. Shematski prikaz hladilnega sistema prikazuje slika 35. Slika 35: Prikaz pretoka hladilnega medija skozi rotor (Woolmer, 2010). 49

62 4.7 PATENT EP A1 Električni generator z internim rotorjem Patent električnega generatorja z internim rotorjem opisuje rešitve, ki v primerjavi s klasičnim aksialnim električnim strojem, prispevajo k zmanjšanju števila zadnjih magnetnih plošč statorja. V feromagnetnih ploščah se tvori izmenični magnetni pretok in zaradi magnetnih izgub v materialu prispeva k zmanjševanju izkoristka naprave. Predstavljena rešitev z vgradnjo statorjev na obeh straneh vrtečega se rotorja pripomore zmanjšati potisno silo, ki deluje med rotorjem in statorjem. Slika 36 prikazuje skico glavnih komponent električno rotacijske naprave, ki je opisana v nadaljevanju. Napravo sestavljajo rotor, statorska plošča in stator s tuljavami. Rotor je sestavljen iz dveh magnetov in dveh magnetnih plošč, ki ležita pod magnetoma in pokrivata pole statorja s tuljavami. Slika 36: Skica generatorja z obročastimi magneti (Asano, 2010). Konfiguracija rotorja sestoji iz magnetnih plošč, ki služijo kot poli rotorja, ter dveh magnetnih obročev, katera pridobivata magnetno polje preko obročastih 50

63 permanentnih magnetov. V primeru, da sta v rotor vstavljena obročasta permanentna magneta, se zahteva, da je njuna polarna orientacija namagnetena v smeri osi (Asano, 2010). Namagnetenje magnetov tako ne zahteva sprememb glede na lego magnetov ali sprememb vezanih na število polov naprave. Izvedba soležnih obročastih magnetov z inverzno polariteto kot je prikazana pri omenjeni rešitvi ima tudi to lastnost, da med magnetoma ni magnetnih izgub (Asano, 2010). Predstavljena topografska rešitev rotorja (Slika 37) omogoča povečanje površine magnetnih polov permanentnega magneta, kar omogoča povečanje volumna tuljave in s tem povečanje navora oziroma izhodne moči proporcionalno z velikostjo generatorja. Predstavljen izum je uporaben predvsem pri aplikacijah, kjer si želimo tanjše generatorje večjih premerov (Asano, 2010). Slika 37: Topografska rešitev rotorja za povečanje površine magnetnih polov enega permanentnega magneta (Asano, 2010). V splošnem se za zmanjševanje potisnih sil, ki delujejo med rotorjem in statorjem predlaga izpeljava generatorja, bodisi z dvema statorjema postavljenima na obe strani rotorja bodisi z dvema rotorjema postavljenima na obe strani tuljav statorja. S sledečo izboljšavo se zaradi nasprotnih si sil, ki delujejo na par rotorjev ali statorjev, doseže izključujočo se silo in s tem ravnovesje potisnih sil med elementi generatorja. Slabost variante generatorja z dvema rotorjema predstavlja predvsem težava z uležajenjem sistema, saj se pri tem pojavljajo torzijske vibracije, ki so posledica daljše konstrukcije generatorja v smeri osi. Na drugi strani pa lahko varianta z dvema 51

64 statorjema povzroča težave zaradi potrebe po dveh zadnjih magnetnih ploščah, kar povzroča večje izgube v materialu. Magnetne pole je mogoče zaščititi z dodatnimi magnetnimi ploščami, ki poleg fizične zaščite trajnih magnetov omogočajo zmanjšanje aksialne sile, ki deluje med rotorjem in feromagnetno ploščo statorja. V primerjavi s klasično izvedbo, kjer so permanentni magneti postavljeni pravokotno na os sistema, je v primeru, ki ga prikazuje slika 38, reža med polom rotorja in statorja rahlo zamaknjena po kotu. Pri tem sta jedri obeh polov zamaknjeni zrcalno ena na drugo, kar omogoča, da se komponenta sile, ki deluje v smeri osi sistema zmanjša. Slika 38: Prikaz izvedbe rotorja z posnetimi poli. Predstavljen izum opisuje topografsko različico električnega generatorja z aksialno režo, pri čemer je s postavitvijo dveh statorjev na obeh straneh rotorja mogoče uravnotežiti silo, ki deluje na rotor. Prikazana je tudi alternativna možnost zmanjšanja potisne sile z uporabo dveh, pod kotom posnetih rotorskih jeder, s katerimi je mogoče zmanjšati komponento potisne sile v smeri osi sistema. Izvedba rotorja prikazuje eleganten način povečanja števila magnetnih polov rotorja z uporabo enostavnih obročastih magnetov, ki služijo kot izvor magnetnega polja v generatorju. 4.8 Primerjalna analiza patentnih rešitev Trendi razvoja malih vetrnih elektrarn težijo k uporabi električnih generatorjev, ki proizvajajo dovolj visoko napetost pri nizkih hitrostih vetra. S tem se lahko doseže boljše izkoriščanje vetrne energije in obenem poveča letno količino proizvedene energije na enoto. Pričakovane karakteristike male vetrne elektrarne so, kot smo že omenili, predvsem zanesljivost delovanja, neinvaziven vpliv na okolje, nizka cena 52

65 proizvedene energije, nizki stroški vzdrževanja, širok razpon izkoriščanja vetrov in s tem visoka letna proizvodnja. Pri predstavljenih tehničnih izboljšavah generatorjev lahko razberemo, da obstaja več konstrukcijskih rešitev. Ker motorjev nismo imeli možnosti preizkusiti in meriti, smo analizo opravili izključno na podlagi opisov v patentni objavi. Za podporo izbire smo pripravili analizo vrednotenja prednosti in slabosti lastnosti izbranih alternativ z mersko lestvico od 1 do 10, kjer je 10 najugodnejša ocena. V tabeli 4 so predstavljene ocene tehničnih rešitev z vidika uporabe generatorja za male vetrne elektrarne. V tabeli 5 pa so predstavljeni tipi ocenjeni po ekonomskih kriterijih in pozitivni vrednosti za vgradnje ocenjevanega tipa generatorja za uporabo v malih vetrnih elektrarnah. Za lažje ocenjevanje so različne konstrukcijske rešitve okrajšane s kraticami, kjer je: PMG - RF klasičen permanentno magnetni generator z magnetnim pretokom v radialni smeri (rešitev Letrika), SRG preklopno reluktančni generator z izraženimi poli, Multi disk večstopenjski generator z magnetnim pretokom v smeri osi, HybG hibridni tip generatorja s pomožnimi tuljavami na rotorju, Torus generator s toroidnim statorjem, AFG generator z magnetnim pretokom v smeri osi. Tabela 4: Vrednotenje tehničnih kriterijev za predstavljene rešitve. Tehnični kriteriji Skupaj PMG - RF (rešitev Letrika) SRG - Preklopno reluktančni generator Togost konstrukcije Možnost modularne razširitve moči Tehnična izvedljivost Polnilni faktor (moč/masa) Hrupnost Sodobnost rešitve Kakovost tvorjenega signala Zanesljivost delovanja Abs , ,70 Rel. Multi disk ,78 HybG ,71 Torus ,73 AFG - Axial flux ,84 53

66 Tabela 5: Ocenjevanje vrednosti predstavljene rešitve za uporabnika. Vrednost za uporabnika (za male vetrne elektrarne) Skupaj PMG - RF (rešitev Letrika) SRG - Preklopno reluktančni generator Nabavna cena Predvideno vzdrževanje Zahteva po električnem pretvorniku Namembnost za male vetrne elektrarne Predvidena življenska doba Univerzalna rešitev (off the shelf) Abs. Rel , ,83 Multi disk ,80 HybG ,70 Torus ,80 AFG - Axial flux ,92 Za razumevanje primerjalne tabele lahko posebej opišemo kriterije za oceno in karakteristike posamezne konstrukcijske rešitve. Primerjanih je šest osnovnih tipov generatorjev, vsak s svojimi prednostmi in slabostmi. Pri primerjavi smo primerjali predvsem lastnosti posameznega generatorja in vpliv izboljšav, ki jih patentna objava ponuja. Generatorji s permanentnimi magneti imajo visoko učinkovitost in so kompaktnejši od električno vzbujenih naprav. Načeloma se lahko večpolni generatorji s permanentnimi magneti vgrajujejo v direktno gnane generatorje, pri katerih odpade uporaba menjalnika, kar pomeni tudi manj vzdrževanja. Visoka cena permanentnih magnetov in zahteva po kompleksnih usmernikih pa navsezadnje pogojuje tudi višjo ceno proizvedene energije. Permanentno magnetni generator (angl. Permanent Magnet Generator oz. PMG) z radialnim pretokom magnetnega polja (angl. Radial Flux oz. RF) označuje lastnosti generatorjev s permanentnimi magneti in se od klasičnega sinhronskega generatorja loči predvsem po višjem izkoristku, kot zasluga zamenjave rotorskih navitij z močnejšimi permanentnimi magneti (Acheilles in Pöller, 2003). Omenjena rešitev ponuja izhodišča za tvorjenje signala, ki ga lahko uporabimo za direktno oddajanje v omrežje in dosego visokih izkoristkov, ne pa za univerzalno uporabo v malih vetrnih elektrarnah, ki proizvedeno energijo izkoriščajo v širokem razponu obratov in jih na omrežje priključujemo s pomočjo elektronskih pretvornikov. Prednost permanentno 54

67 magnetnih generatorjev je ta, da vzdrževanje skoraj ni potrebno, medtem ko glavno slabost zasledimo pri mejnih pogojih, saj je ohranjevanje nizke temperature magnetov na rotorju lahko velik izziv. Visoka temperatura lahko povzroči razmagnetenje aktivnega materiala in posledično pri višjih obremenitvah celo možnost samouničenja. Najbolj razširjen tip direktno gnanega električnega generatorja pri vetrnih elektrarnah srednje moči (100 kw 1 MW) je generator s tako imenovanimi izraženimi poli (angl. salient pole), ki sodi med preklopno reluktančne sinhronske motorje (Acheilles in Pöller, 2003). Preklopno reluktančni generator (angl. Switched Reluctance Generator oz. SRG) z izraženimi poli in dvojnim statorjem označujejo robustnost, visok faktor moč/masa, dobro hlajenje zaradi izraženih polov, cenena proizvodnja, saj ne uporablja dragih magnetov in dolga življenjska doba. Slabost generatorja pa je hrupnost zaradi visokega samodržnega momenta, njegova uporaba pa je pogojena z dražjimi in kompleksnejšimi električnimi pretvorniki, ki zahtevajo kompleksnejše usmernike zaradi šumov v proizvedeni napetosti. Generatorje z magnetnim pretokom v smeri osi (angl. axial fluks) zasledimo v več izvedbah. Pri omenjenih rešitvah tako zasledimo multi disk izvedbo s serijo zaporednih statorjev in rotorjev (Minowa, 2008) ter klasično izvedbo generatorja z internim rotorjem (Asano, 2010) ali internim statorjem (Woolmer, 2010). Slabosti nekaterih izvedb so predvsem v kompleksnosti izdelave, saj več polov pomeni večjo kompleksnost in posledično višjo ceno. Permanentno magnetni generator s pretokom magnetnega polja v smeri osi (angl. Axial Flux Generator oz. AFG) je med ponudniki malih vetrnih elektrarn z vertikalno osjo najbolj razširjen tip generatorja. Večina ponudnikov vetrnih generatorjev tipa AFG ponuja generatorje različnih moči, ki pa se med seboj razlikujejo le v dolžini. Topologija tega generatorja omogoča, z dodajanjem več stopenj diskastih rotorjev in statorjev, enostavno možnost nadgradnje v višje moči. Na ta način se večina sestavnih delov generatorja ne spremeni in moč generatorja se s spreminjanjem dolžine paketa povečuje. 55

68 V pregledu patentnih rešitev je opisana uporaba omenjenih topologij generatorjev z izboljšanimi lastnostmi ali rešitvami, ki omogočajo nižanje proizvodnih stroškov ali cen nabavljenih komponent ter odpravljanje pomanjkljivosti kot so hrup, pregrevanje elementov ali zanesljivosti delovanja. Posamezni patenti opisujejo konkretne rešitve izdelave komponent generatorjev, ki pa jih lahko vgradimo skorajda v vsak tip generatorja in s tem zmanjšamo proizvodne stroške ali pa izboljšamo učinkovitost delovanja. Patent US A1 (Lee, 2007) opisuje zelo elegantno rešitev dviga izhodne napetosti, ki je pri vetrnih generatorjih nadvse zaželena, saj izboljšuje koeficient izkoristka v odvisnosti od hitrosti vetra. Široka proizvodnja omenjenih generatorjev je problematična predvsem zaradi težavnega zagotavljanja togosti konstrukcije, ki zahteva majhne reže med statorjem in rotorjem. Močna privlačna sila, ki deluje med rotorjem in statorjem, lahko povzroči vibracije ali celo drsanje med elementi, kar lahko privede do uničenja generatorja. Permanentno magnetni generator z radialnim pretokom magnetnega polja in pomožnimi tuljavami za fino izravnavo izhodne napetosti, opisan v patentu EU A2 (Lee, 2007), se iz konstrukcijskega vidika ne razlikuje bistveno od osnovnega opisa PM generatorja. Opisani patent prikazuje elegantno rešitev hibridne konstrukcije stalnega izvora magnetnega polja s permanentnimi magneti in pomožnega izvora magnetnega polja z sekundarnim tuljavami. Konstrukcija povezuje visoko učinkovitost pretvorbe mehanske energije v električno pri širokem razponu obratov generatorja s finim nastavljanjem preko sekundarnih tuljav. Slabosti omenjene rešitve so predvsem manj robustna konstrukcija, ki zahteva kompleksnejše krmiljenje in dodatno vzdrževanje zaradi napajanja navitij na rotorju z obrabljivimi krtačkami. Tako imenovani Torus generator ali AFG generator s toroidnim statorjem, ki ga opisuje patent US A1, združuje lastnosti klasičnega generatorja s pretokom magnetnega polja v smeri osi. Izvedba tuljav je s proizvodnega vidika manj zahtevna, težavo pa pri močnejših generatorjih predstavlja uravnoteženost privlačnih sil med rotorjem in statorjem. Toroidna izvedba statorja je posebej smiselna, ko se zahteva tihi generator, saj je reža med statorskim jedrom in rotorji velika, med poli pa ni ostrega prehoda, kar pomeni, da generator označuje zelo majhen samodržni 56

69 moment in posledično nizek akustični šum (Keppola, 2000). Permanentno magnetni generator z radialnim pretokom magnetnega polja, ki ga opisuje patent US A1 (Kimura, 2009) je primernejši za uporabo v aplikacijah z direktno vezavo na električno omrežje (angl. On-grid), saj ima visoko kvaliteto tvorjenega signala. V primerjavi s permanentno magnetnim generatorjem s pretokom magnetnega polja v smeri osi (Minowa, 2008), pa ga lahko z vidika inovativnosti slabše ocenimo, saj patent US A1 resnično dodaja vrednost uporabniku z znatnim dvigom izhodne napetosti in s tem prispeva k izboljšanju krivulje uporabnosti pri nizkih hitrostih vetra. Na podlagi omenjenih ugotovitev, izbranih generatorjev ne moremo direktno primerjati med seboj. Patent US opisuje izboljšano verzijo generatorja s pretokom magnetnega polja v smeri osi (AFG), pri katerem je posebni poudarek na namembnosti generatorja. Rešitev je izredno dobro ocenjena, ker zavzema večino sodobnih konstrukcijskih rešitev. Zagotovljeno je ustrezno hlajenje permanentnih magnetov, ki so ugnezdeni v ohišje generatorja. Posebna oblika generatorja omogoča enostavno vzdrževanje in z aerodinamično obliko ne obremenjuje izkoristka vertikalne vetrne turbine (Asano, 2010). Pri sodobnih vetrnih generatorjih prihajajočih generacij bodo ključno vlogo v razvoju zagotovo prispevali novi materiali in nove tehnologije izdelave. V patentu GB A je prikazana uporaba sodobnih kompozitnih mehkomagnetnih materialov, s katerimi lahko s primernimi konstrukcijskimi rešitvami bistveno pocenimo nabavne komponente in izdelavo generatorja. Konkretna patentna aplikacija (Woolmer, 2010) dejansko prikazuje, kako je mogoče s primernimi razvojnimi rešitvami in sodobnimi tehnologijami enostavno rešiti vrsto konstrukcijskih in proizvodnih izzivov. Stator prikazanega električnega generatorja sestavlja več enakih delov, ki omogočajo lažjo sestavljivost in s tem nižje proizvodne stroške. Podobno rešitev poenostavljenega generatorja s pretokom magnetnega polja v smeri osi (AFG) predstavlja patent EP , kjer je glavna izboljšava predstavljena v posebni izvedbi rotorja z enostavnimi obročastimi magneti. Predstavljen izum ne opisuje dejanske izvedbe magnetnih plošč, ki pa jo lahko na podlagi že 57

70 predstavljenih rešitev brez težav izboljšamo. Uporaba obročastih magnetov je z vidika nabave komponent in montaže ugodna rešitev. Manj ugodna pa je lahko sama lega magnetov, ki so manj zaščiteni pred zunanjimi vplivi in toplotnimi obremenitvami. Omenjeni generator zahteva uporabo primerne elektronike, ki skrbi za ustrezen nadzor nad zlorabo in s tem poškodbo vgrajenih permanentnih magnetov. 4.9 Izbor in utemeljitev najprimernejše rešitve Na podlagi analize prikazane v tabeli 4 lahko rečemo, da sta najprimernejša generatorja za male vetrne elektrarne tipa PMG - RF in AFG. Združuje ju lastnost generatorjev s permanentnimi magneti, kar pomeni robustna konstrukcija, minimalno vzdrževanje, univerzalna tehnologija, visok izkoristek in tiho delovanje. Iz prej ocenjenih kriterijev smo izdelali še tabelo, ki pokaže, kateri tip generatorja predstavlja najbolj uravnoteženo uporabnost generatorja za male vetrne elektrarne v primerjavi z vrednostjo izdelka. V tabeli 6 je prikazana relativna ocena zaznane vrednosti izdelka za uporabo v malih vetrnih elektrarnah in relativna ocena cenovne vrednosti izdelka. Tabela 6: Prikaz razmerja med vrednostjo za uporabnika in tehnično vrednostjo iz tabele 4 in 5. Konstrukcijska rešitev PMG - RF (rešitev Letrika) SRG - Preklopno reluktančni generator Multi disk HybG Torus Propozicija za uporabnika Tehnična vrednost Skupna vrednost (Σ) 0,90 0,86 1,76 0,83 0,70 1,53 0,80 0,78 1,58 0,70 0,71 1,41 0,80 0,73 1,53 AFG - Axial flux 0,92 0,84 1,75 Grafični prikaz uravnoteženosti ocene zaznane vrednosti in cenovne vrednosti alternativ je prikazan na sliki 39. Iz diagrama je razvidna postavitev posameznih alternativ generatorjev, pri čemer izstopata tipa PMG - RF in AFG. Rešitvi sta pozicionirani v zgornji desni rob diagrama, kar pomeni, da imata tako visoko 58

71 zaznano vrednost kot primerno ceno. Sredinska črta, ki potuje od koordinatnega izhodišča do vrednosti (1,1) prikazuje idealno razmerje med tehničnimi in ekonomskimi vrednostmi. Zaradi teh dejavnikov poskušamo pri izbiri generatorja izbrati rešitev, ki bo ponujala tem boljše tehnične kriterije ob uravnoteženem doseganju ekonomskih pričakovanj. visoka priznana vrednost Propozicija za uporabnika 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 Diagram zaznane vrednosti generatorja za uporabo v malih vetrnih elektrarnah PMG -RF (rešitev Letrika) SRG -Preklopno reluktančni generator Multi disk HybG Torus 0,5 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Tehnična vrednost tehnično dovršen izdelek AFG -Axial flux Slika 39: Diagram tehnične in ekonomske jakosti z vrednostmi iz tabele 6. Prikazani rešitvi težko primerjamo med seboj, saj je generator PMG - RF klasični generator, ki je na trgu prisoten že daljše obdobje, kar pomeni, da so možnosti za optimizacijo uporabe aktivnih materialov in proizvodnih stroškov zelo majhne. Generatorji tipa AFG pa so kljub nekaterim pomanjkljivostim in začetnim težavam, ki prispevajo v nezaupanje končnega uporabnika, zelo zanimiv in privlačen tip generatorja, ki se bo lahko v prihodnje razvijal tako z izboljšanjem lastnosti, kot z zanesljivejšim delovanjem in nižjimi proizvodnimi stroški (UpWind, 2006). Ker nas v predstavljenem delu zanima predvsem ovrednotenje patentiranih rešitev električnih generatorjev za male vetrne elektrarne, bomo najboljša dva tipa generatorja primerjali med seboj še s strukturirano metodologijo za izbiranje in rangiranje odločitvenih parametrov z uporabo metode Kepner-Tregoe (v nadaljevanju KT), s katero lahko odločitvene parametre utežimo in s tem izboljšamo 59

72 prikaz prednosti in slabosti primerjanih rešitev. V tabeli 7 smo ponovno nanizali ocenjene kriterije za generator tipa PMG - RF in AFG generator. Tabela 7: Primerjava generatorjev z metodo Kepner-Tregoe. ODLOČITVENA IZJAVA: IZBIRA NAJPRIMERNEJŠEGA ELEKTRIČNEGA GENERATORJA ZA MALE VETRNE ELEKTRARNE PMG - RF (rešitev Letrika) AFG - Axial flux ZAHTEVE (MUSTS) DA/NE DA/NE GRE/ DA/NE NEGRE Namembnost za male vetrne DA DA DA elektrarne GRE Obratovanje v širokem DA DA DA razponu obratov GRE/ NEGRE GRE PREDNOSTI (WANTS) utež točke utež x točke točke utež x točke Zanesljivost delovanja Kakovost tvorjenega signala Sodobnost rešitve Hrupnost Polnilni faktor (moč/masa) Tehnična izvedljivost Togost konstrukcije Nabavna cena Predvideno vzdrževanje Zahteva po električnem pretvorniku Predvidena življenska doba Univerzalna rešitev (off the shelf) Možnost modularne razširitve moči SKUPAJ Utežena vsota Neželene posledice Skupaj z vključenim rizikom Ocenjevalne parametre smo tokrat utežili z utežjo, ki smo jo izbrali na podlagi želenih lastnosti električnih generatorjev za male vetrne elektrarne. Ponovno smo pomembnost izbranih alternativ utežili z vrednostmi na lestvici od 1 do 10, kjer je 10 najpomembnejši parameter ocenjevanja. Na ta način smo lahko slabše ovrednotili parametre, ki pri ocenjevalcu vzbujajo strah zaradi pomanjkanja izkušenj, saj je v 60

73 metodi KT riziko upoštevan šele po primerjavi uteženih vsot. Ocenjene parametre iz tabele 4 in 5 smo sedaj lahko utežili in z zmnožkom pridobili utežene parametre, ki jih lahko primerjamo med seboj. Grafični prikaz primerjave obeh rešitev z uteženimi ocenami je prikazan na sliki 40. Dobljene vsote uteženih ocen je mogoče dopolniti z dodatno analizo neželenih posledic, ki bi nastale ob izbiri posamezne rešitve. To smo izvedli tako, da smo primerjalno analizo dopolnili z analizo potencialnih težav, saj ima vsaka dobra rešitev tudi svoje potencialne probleme in negativne posledice. Tako se lahko izognemo tveganju, da smo med primerjanjem več alternativ izbrali neprimerno zaradi nepravilno postavljenih ocenjevalnih parametrov. V tabeli 8 in 9 smo torej poskušali kritično oceniti možne neželene dejavnike, ki bi lahko bili ključnega pomena ob izbiri primerjanih alternativ. Primerjava uteženih ocen po odločitvenih kriterijih Univerzalna rešitev (off the shelf) Možnost modularne razširitve moči Zanesljivost delovanja Zelo ugodno Kakovost tvorjenega signala Sodobnost rešitve Predvidena življenska doba Neugodno Hrupnost PMG (Letrika) AFG Zahteva po električnem pretvorniku Polnilni faktor (moč/masa) Predvideno vzdrževanje Tehnična izvedljivost Nabavna cena Togost konstrukcije Slika 40: Primerjava alternativ z uteženimi ocenami. Tabela 8: Pregled neželenih posledic za alternativo PMG - RF ALTERNATIVA PMG - RF (Letrika) V (verjetnost) P (pomembnost) V x P Za počasne turbine se zahteva velik premer rotorja Pogojuje uporabo pretvornika obratov (multiplikatorja) Ni več veliko možnosti za optimizacijo rešitev