Izraba vetrne energije za pridobivanje električnega toka, zahteva ugodno vetrovno področje z visoko povprečno hitrostjo vetra, po možnosti od 4 m/s. Učinek se povečuje s 3. potenco hitrosti vetra. V severozahodnem področju Evrope in ob obalah severnega morja najdemo številna področja s primerno hitrostjo vetra.
Glede na vrsto obratovanja razlikujemo vetrnice z:
- nizkim številom obratov l < 1
- z visokim številom obratov l < 2 v praksi približno 5... 10
Hitrost konice krila u
l = ---------------------------------
Hitrost vetra v
- p
- n Obratov
u = ------------- z n = --------------
60 minuto
V današnjem času so vetrnice za pridobivanje električne energije običajno z velikim številom obratov. Imajo po troje kril, ki lahko dosegajo približno moč od 500 do 1500 kW nominalne jakosti. Velike vetrnice do jakosti 5 MW, so naprave z velikostjo rotorja ca. 120 m, v načrtih pa so predvidene še veliko večje. Na sliki št. 1 in 1 a, je prikazana vetrnica z velikim številom obratov.
Več takih vetrnic se združuje na tako imenovanih vetrnih poljih. Vse pogosteje pa vetrnice nameščajo na odprtih morjih (Offtshore - naprave), kjer prevladujejo dobri in konstantni vetrni pogoji in ne prihaja do motenj v delovanju. Manjše vetrnice z močjo od 5 do 100 kW so namenjene pridobivanju električnega toka, nameščamo jih predvsem na odročnih kmetijah, gorskih kočah in manjših otokih, kjer ni možnosti priklopa na javno električno omrežje. Problem pri takšnih napravah je samo shranjevanje električne energije, za čas ko prevladuje brezvetrje.
Gibanje atmosfere je sekundarna oblika spreminjanja sončne energije. Veter nastaja zaradi delovanja sonca. Ko se Zemlja vrti okoli svoje osi, sonce ogreva različne dele zemeljskega površja. Zemlja 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. Voda se v morju 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. Moč vetra so že v starem veku uporabljali za pogon jadrnic, mline na veter za mletje žita. Za namakalne naprave pa so se pojavile v 7. stoletju in so jih uporabljali do 19. stoletja. Veter je bil do takrat najmočnejši vir energije. Koncem 80. let prejšnjega stoletja so pričeli uporabljati moč vetra za pridobivanje električne energije. V zadnjih letih se ta način pridobivanja električne energije razvija po celem svetu. Koncem leta 2005 je bilo, samo v Nemčiji, instaliranih že preko 17 574 vetrnic, s skupno moèjo 18 428 MW.
Primerna področja za postavitev vetrnic so na severnih obalah Evrope in na hribovitih področjih. Z današnjim razvojem tehnike in s pravilnim ravnanjem, je možna postavitev vetrnic tudi v notranjosti.
Zgradba vetrne turbine
Glavni elementi, ki sestavljajo vetrno turbino so vetrnica oziroma rotor, menjalnik tj. prenos, generator, gibljiva čeljust ter regulacijski sistem.
Vetrna turbina glede na vrsto energijskega konverterja
Vetrni energijski konvertor s horizontalno osjo
Počasi rotirajoči, primerni so predvsem za namakalne naprave. Za pridobivanje električne energije so manj primerni. Prednost imajo v tem, da delujejo tudi pri nižjih hitrostih vetra. Pomanjkljivost pa je v tem, da imajo zaradi trde pričvrstitve kril, slabši izkoristek moči vetra (približno le 15 %). Na sliki št. 2 je prikazana počasi rotirajoča vetrnica.
Jeziček na vrtljivem rotorju samodejno obrača vetrno kolo v smeri vetra. Za napajanje enosmernih akumulatorjev, morda v povezavi s solarnimi celicami, so na voljo naprave 12 do 24 V in močjo 60 do 300 Wattov za enosmerni tok.
Hitro rotirajoči, z relativno majhnim aerodinamičnimi vijačnimi krilci, običajno z 1, 2 oziroma največ s 3 rotorskimi kraki (premer rotorja 35 - 100 m in več). Pri zagonu jih moramo usmeriti v veter, zaradi slabše oprijemljivosti vetra. Razen hitrosti vetra je pomembna tudi višina in površina pesta, ki jo potrebuje, ko rotor pride na zahtevan učinek.
Za večje vetrnice, z močjo od 500 do 1500 kW, uporabljamo praviloma samo hitro rotirajoče vetrnice s tremi krili. Spreminjajoča nastavitev kril omogoča spreminjajoči hitrosti vetra, konstantno število obratov in odličen izkoristek. Da obdržimo zahtevano frekvenco pri prehodu v omrežje, potrebujemo dobro izdelano regulacijo
Vetrni energijski konvertor z navpično osjo
Savonius rotor, je preprosto izdelan vetrni energijski konvertor z nizko hitrostjo. Sestavljata ga dva, nasprotno nameščena pol cilindra. Naprava je primerna za manjše izvedbe, ki jo lahko izdelamo tudi sami. Izdelane so bile že že tudi naprave, ki imajo 4 do 6 navpičnih in okoli ene osi razporejena krilca (glej sliko št. 3).
Darrieus - rotor: Ta naprava, ki jo je leta 1929 skonstruiral Francoz Darrieus ima dva do tri upognjena krilca. Primerna je pri hitro menjajoči smeri vetra. Pomanjkljivost takšne vetrnice je majhen izkoristek, za zagon pa potrebuje integriran Savonius rotor. Slika 4 prikazuje Darrieusov rotor z navpično nameščeno osjo.
Vzgonska vetrnica
Te naprave so primerne za področja z nizkimi hitrostmi vetra, vendar na področju z veliko Sonca. Pod vetrni stolp namestimo transparentno folijo, ki jo Sonce ogreva in topli zrak se po sredini cilindričnega stolpa dviga navzgor, proti vrhu stolpa in poganja turbino, ki je z vertikalno osjo vgrajena v stolpu. Na sliki št. 5 je prikazan sistem delovanja vzgonske vetrnice.
Shema vzgonske vetrnice (preizkusna naprava v Manzanaresu v Španiji), skonstruiral jo je arhitekt Schlaich
Izbira področja postavitve
Gradnja vetrnic in njen izkoristek raste s 3. potenco. Za to je potrebna visoka srednja hitrost vetra preko 4 do 5 m/s in konstanten veter. Taka področja so na severni obali in na hribovskih predelih. Razen premera vetrnice je pomembna tudi višina peste. Najprimerneje je naprave namestiti na morju (Offshore). Vetrnice spadajo k privilegiranemu načrtovanju. Kljub temu moramo upoštevati zakonodajo o zaščiti narave. Vsaka država, po lastni presoji in s prostorskim načrtom, določi prostor za namestitev vetrnic.
Primer odvisnosti izkoristka vetrnice od hitrosti vetra:
Izkoristek vetrnice pri hitrosti vetra 6 m/s je 100 %. Izkoristek iste naprave pri hitrosti vetra s 7 m/s je višji preko 58 % (63 = 216; 73 = 343!).
Problem sprejemljivosti vetrnic
Argumenti, ki največkrat nasprotujejo izgradnji vetrnic:
- Potrebno je relativno veliko zemljišče, spremeni se slika področja zaradi velikega števila vetrnic. Zato je potreben dober načrt, kje bomo postavili takšno vetrno polje.
- Slaba prognoza različnega izkoristka in manjkajoče možnosti shranjevanja energije. Brezvetrje je letno med 2000 in 4000 urami, kar zahteva dodatno regenerativno podporo (na primer biomaso ali podobno), v času, ko je brezvetrje.
- Obremenitev s hrupom, tako imenovani disko efekt in povzročanje sence zaradi rotiranja kril. Nove naprave, predvsem take brez reduktorskih strojev, imajo zelo majhno šumnost. Pri postavitvi vetrnic moramo upoštevati, da ni preblizu stanovanjskih ali drugih objektov. Negativni vpliv vetrnic na ptice, ki živijo v področju postavitve le teh, je neutemeljen.
Razvoj vetrnic
Vodilni pri postavitvi vetrnic sta bili Danska in Kalifornija v ZDA, kjer je velik del električne energije pridobljen s pomočjo vetrnic. Po svetu je danes že približno 60 do 70 tisoč takih naprav, ki pošljejo preko 30 tisoč MW v javno električno omrežje. S porastom, do 2000 vetrnic na leto, je Nemčija postala vodilna v svetovnem tržišču vetrnih turbin. S potencialom, kjer razpolagajo 3 do 4 %, so koncem leta 2005 dosegli izkoristek pri vgrajenih 17 574 vetrnicah skupno moč 18 428 MW. Tako je danes vetrna energija postala, zraven vodne energije, najbolj pomembna regenerativna energija pri pridobivanju električne energije.
Vetrni energijski konvertorji so danes že delno primerljivi s konvencionalnimi elektrarnami in so že dosegli mejo ekonomičnosti. Zakon o obnovljivi energiji je gradnji vetrnic naklonjen in omogoèa sofinanciranje pri postavitvi vetrnic.
I.K.
