Karla Srnec Željka Toplek Mentor: Karmena Vadlja-Rešetar, prof. karmena.vadlja-resetar@ck.t-com.hr KORISNOST VJETROENERGIJE Čakovec 11.02.2013. Gimnazija Josipa Slavenskog Čakovec Vladimira Nazora 34 40 000 Čakovec
Sažetak Vjetroenergija je obnovljiv izvor energije koji ne zagađuje okoliš. Čovječanstvo stoljećima koristi snagu vjetra za ispumpavanje vode ili mrvljenje žita dok ju danas koristimo za dobivanje električne energije u vjetroelektranama. U posljednje vrijeme sve smo svjesniji činjenice da svojim načinom života izazivamo velike promjene Zemljinog eko sustava. Te promjene, s obzirom da smo dio tog sustava, utječu i na nas. Iz tog razloga sve se više budi svijest ljudi o potrebi za velikim promjenama vezanim uz način dobivanja energije te smo odlučile napraviti istraživanje o dobivanju električne energije obnovljivim izvorom energije - vjetrom. Cilj istraživanja je utvrditi korisnost vjetroenergije. Ona je u sklopu obnovljivih izvora aktualna tema te nas je zainteresirala da se više informiramo te provedemo istraživanje. Kako bismo testirali korisnosti vjetroenergije potrebno nam je sušilo za kosu ispred kojeg postavimo dinamo s lopaticama. Na ravnu površinu postavimo dinamo, a na određenoj udaljenosti postavimo sušilo za kosu te pod različitim kutovima djelujemo na dinamo. Dinamo pokreće snaga sušila za kosu, koje u ovome slučaju predstavlja vjetar, te nastaje električna energija. Mjerimo napon i jakost struje kako bismo kasnije izračunali korisnost. Parametar koji mijenjamo jest uložena snaga, tj. snaga kojom sušilo za kosu emitira vjetar, razlika u udaljenosti sušila za kosu i dinama, kut djelovanja vjetra, te utjecaj prepreka na korisnost. Cilj nam je utvrditi uvjete pri kojima je korisnost vjetroenergije najveća za dobivanje električne energije. Mijenjanjem parametara mijenja se i korisnost vjetroenergije. Hipoteze koje smo postavile prije provođenja pokusa bile su slijedeće: djelovanjem sušila za kosu veće snage korisnost će biti veća, udaljavanjem dinama od izvora snaga će biti manja, povećanjem kuta smanjuje se korisnost, te prepreke iza lopatica također smanjuju dobivenu snagu. Nakon provedenog istraživanja možemo vidjeti da se većina naših pretpostavki pokazala točnima. Dakle, korisnost je najveća kada je strujanje zraka horizontalno, a prepreke iza lopatica udaljene su dovoljno da je turbulencija nezamjetna. Ako se prepreka nalazi neposredno iza lopatica, dolazi do vrlo jake turbulencije te se one uopće ne okreću. Kako udaljujemo prepreku turbulencija je sve slabija. Povećanjem kuta smanjuje se korisnost zbog toga što na lopatice djeluje samo horizontalna komponenta brzine. 2
Sadržaj: 1. Uvod... 4 1.1. Vjetroturbine... 4 1.2. Budućnost obnovljivih izvora energije... 7 1.3. Zračne struje... 7 1.4. Jednadžba kontinuiteta... 8 1.5. Bernoullijeva jednadžba... 9 2. Mjerenja 2.1. Cilj rada... 13 2.2. Pribor... 13 2.3. Opis rada... 13 2.3.1. Ovisnost snage o kutu djelovanja i udaljenosti dinama od izvora... 15 2.3.2. Ovisnost snage o udaljenosti prepreke iza dinama... 15 2.3.3. Izračun snage i korisnosti... 16 3. Rezultati... 18 3.4.1. Ovisnost snage o kutu djelovanja i udaljenosti dinama od izvora... 18 3.4.2. Ovisnost snage o horizontalnoj komponenti brzine vjetra... 18 3.4.3. Ovisnost snage o udaljenosti prepreke iza dinama... 19 4. Rasprava... 21 4.1. Ovisnost korisnosti o uloženoj snazi... 21 4.2. Ovisnost korisnosti o udaljenosti izvora od dinama... 22 4.3. Ovisnost korisnosti o kutu strujanja zraka... 22 4.4. Ovisnost korisnosti o udaljenosti prepreke... 22 5. Zaključak... 24 6. Literatura... 25 3
1. Uvod 1.1.Vjetroturbine Vjetroturbine, tj. vjetrenjače su sustavi za iskorištavanje energije vjetra, čiju energiju pretvaraju u rotaciono ili pravocrtno gibanje, koja se poslije može iskoristiti ili za pokretanje uređaja poput mlinova i pumpa, za što su se koristile kroz povijest, ili za pokretanje generatora električne energije i proizvodnju električne struje, za što se danas najviše i koriste. Spadaju u rotacijske strojeve na strujanje jer njihov rotor u kojem dolazi do pretvorbe energije obavlja rotacijsko gibanje. One su izložene kinetičkoj energiji vjetra koju pretvaraju u neki drugi oblik energije. Vjetroturbine mogu raditi na principu otpornog djelovanja, na principu potiska ili kombiniranjem ovih dvaju principa. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja imaju manju iskoristivost od vjetrenjača koje rade na principu potiska, pa se zbog toga danas pretežito koriste vjetroturbine koje rade na principu potiska ili koje rade na principu kombiniranja otpornog djelovanja i potiska. Vjetroturbine se mogu podijeliti prema položaju osi vrtnje. Uobičajene imaju horizontalno postavljenu os vrtnje. Mogu imati i vertikalnu os vrtnje međutim one su manje poznate i danas se manje upotrebljavaju. Vjetroturbina sa horizontalnom osi vrtnje sastoji se od slijedećih dijelova: 1. temelj 2. priključak na elektroenergetski sustav 3. stup 4. ljestve za pristup 5. zakretnik 6. kućište stroja 7. električni generator 8. anemometar 9. kočioni sustav 10. prijenosnik snage 11. lopatice rotora 12. sustav zakretanja lopatica 13. rotor Slika 1.1. prikazuje dijelove vjetroagregata 4
Lopatice koje zahvaćaju vjetar moraju biti usmjerene na njega. Generator koji služi za pretvorbu mehaničke energije u električnu se obično nalazi na vrhu stupa zajedno sa multiplikatorom kojim povećavamo brzinu vrtnje ukoliko je brzina vrtnje lopatica premala da bi se proizvela električna energija. Stupovi su vrlo visoki da bi lopatice mogle zahvatiti vjetrove koji su brži na većoj visini. One moraju imati mogućnost zakretanja trupa zbog različitih smjerova vjetra. Lopatice se mogu nalaziti iza te ispred stupa, a prednost lopatica iza stupa je to što jače podnose vjetrove zbog mogućnosti savijanja lopatica bez opasnosti da će se dodirnuti stup. Slika 1.2. Izvedba sa stupom ispred i stupom iza lopatica Broj lopatica rotora kod horizontalnih vjetroturbina ima utjecaj na njihove karakteristike. Ako usporedimo vjetroturbinu sa dvije lopatice i tri lopatice, ona sa dvije treba veću brzinu vrtnje da bi dobili jednaku količinu energije. Vjetroturbina s jednom lopaticom se nije pokazala dobrom zbog velike buke i potrebe za protu-utegom na suprotnoj strani lopatice. 5
Američka vjetroturbina se često koriste na farmama za pogon pumpi za vodu. Brzina vrtnje je mala unatoč tome što ima još više lopatica od prije navedenih. Slika 1.3. Američka vjetroturbina Vjetroturbina s vertikalnom osi vrtnje ima prednost u odnosu na horizontalnu što se ne treba usmjeravati u smjeru vjetra. Primjer vjetroturbine s vertikalnom osi jest Darrieusova vjetroturbina kod koje su lopatice aerodinamičnog profila raspoređene oko rotirajućeg središta. Slika 1.4. Darrieusova vjetroturbina 6
1.2. Budućnost obnovljivih izvora energije U posljednjih nekoliko desetljeća obnovljivi izvori imaju sve veću ulogu u svjetskoj proizvodnji energije. Neki od njih poznati su i koriste se još od davnina (npr. energija vjetra u vjetrenjačama ili energija vode u vodenicama). S druge strane danas su od obnovljivih izvora energije popularniji oni neobnovljivi kao što su nafta, ugljen čija je cijena sve veća i veća. Čovjek zbog prevelikog iskorištavanja fosilnih goriva nepopravljivo šteti okolišu. Priroda nas svakodnevno "opskrbljuje", i to potpuno besplatno, velikim količinama sunca i vjetra. Korištenjem energije Sunca i vjetra štedimo materijalna sredstva za postizanje istog cilja kakav postižemo korištenjem fosilnih goriva koji donose mnogo veće troškove. Proizvodnja struje iz energije vjetra povećava svoje kapacitete za 19 do 20 posto godišnje, što se može usporediti s područjima za koja je karakterističan snažan razvoj. Nove tehnologije omogućavaju nam iskorištavanje novih, obnovljivih izvora energije za proizvodnju električne energije, a time postajemo manje ovisnosti o fosilnim gorivima. Svijest o zagađenju planeta već je na snagu stupila 1997. godine kada su u japanskome gradu Kyotu osmislili protokol čiji je cilj smanjenje stakleničkih plinova: ugljičnog dioksida, metana, dušikovog oksida, fluorirani ugljikovodici, perfluoriranih ugljikovodika i heksafluorida. U Republici Hrvatskoj je prihvaćena obaveza smanjenja stakleničkih plinova do 5% do 2012. godine. Taj postupak će u Hrvatskoj trajati do 2020. godine. Jedan od načina poticanja za smanjenje emisija stakleničkih plinova je poticanje proizvodnje električne struje koristeći obnovljive izvore energije. Razvijene zemlje Europske Unije razvijaju koncept povećanja udjela u proizvodnji različitih oblika energije koristeći obnovljive izvore za 50% više. 1.3. Zračne struje Vjetar je vodoravno strujanje zraka. Vjetar nastaje kao posljedica nejednakosti tlaka u atmosferi zbog meteoroloških mijena, a određen je brzinom, smjerom i jačinom. Zračne mase su velike količine zraka koje se pomiču duž Zemlje. Gibanje zračnih masa u atmosferi javlja se zbog neravnomjernog zagrijavanja površine Zemlje na različitim geografskim širinama zbog toga što se zrak zagrijava indirektno preko tla. Polovi Zemlje dobivaju manje energije od ekvatora, a kopno se grije brže od mora. Zbog razlika temperatura u slojevima zraka stvaraju se razlike tlaka koji se pretvara u kinetički oblik energije vjetra. 7
Ciklusi strujanja zraka izmjenjuju se različitom snagom i različitim periodima trajanja ovisno o utjecajnim čimbenicima. Promjene temperature i tlaka u slojevima zraka obnavljaju se neprekidno ovisno o klimatskim promjenama na Zemlji. Globalni vjetrovi pušu od ekvatora prema hladnim Zemljinim polovima. Kako je topli zrak lakši od hladnog on se na ekvatoru podiže do visine od otprilike 10 km te putuje prema sjevernom i južnom polu. 1.4. Jednadžba kontinuiteta Dinamika fluida je dio mehanike koji se bavi gibanjem tekućina i plinova. Gibanje fluida nazivamo strujanje, a ono nastaje zbog razlike u tlakovima ili vlastite težine fluida. Protjecanje fluida predočujemo strujnicama. To su zamišljene linije u fluidu čija tangenta u svakome trenutku pokazuje smjer brzine. Ako su strujnice gušće, brzina fluida je veća. Strujanje može biti laminarno ako su strujnice paralelne te se brzina fluida ne mijenja i turbulentno ili vrtložno kada se slojevi fluida miješaju, a strujnice su vrtložne. Jednadžbom kontinuiteta objašnjavamo protjecanje idealnog fluida. Za idealni fluid pretpostavljamo da je nestlačiv, konstantne gustoće, te se ne javlja unutarnje trenje. Slika 1.5. Strujnice Masa fluida se ne mijenja ukoliko se ne mijenja gustoća pa vrijedi da je protok stalan: A 1 v 1 = A 2 v 2 Slika 1.6. Protok fluida kroz horizontalnu cijev 8
1.5. Bernoullijeva jednadžba Bernoullijeva jednadžba nam daje vezu između tlaka i brzine gibanja fluida (u našem slučaju zraka). U skladu sa jednadžbom kontinuiteta, u užem dijelu cijevi brzina fluida je veća, dakle, fluid treba imati akceleraciju. Sila koja izaziva tu akceleraciju dolazi od okolnog fluida. Slika 1.7. prikazuje gibanje fluida Kako je u užem dijelu cijevi brzina veća, a time i kinetička energija, potrebno je uložiti veći rad za strujanje fluida. Rad je jednak promjeni kinetičke energije 9
/:ΔV Bernoullijeva jednadžba tako glasi: Zbroj statičkog i dinamičkog tlaka u svim dijelovima horizontalne cijevi je konstantan. Jednadžba opisuje zakon očuvanja energije čestica fluida određene mase. Kako je potencijalna energija zbog male mase čestice zanemariva, slijedi da struja vjetra ima samo kinetičku energiju. Masa zraka m koja stupi kroz presjek A brzinom v i gustoće ρ jednaka je: Kako je jednadžba protoka: slijedi: Ako to uvrstimo u formulu kinetičke energije dobijemo: Ako u formulu za snagu uvrstimo izvedenu formulu kinetičke energije dobivamo: P- snaga vjetra [W] - gustoća zraka [kg/m 3 ] v- brzina vjetra [m/s] A-površina turbine [m 2 ] 10
Iz dobivene formule vidimo da snaga ovisi o trećoj potenciji brzine. U prirodi postoje različita strujanja zraka i nisu sva horizontalna. Kako na lopatice djeluje samo horizontalna komponenta sile snaga također ovisi i o kutu strujanja zraka. SUŠILO ZA KOSU v h LOPATICE v v v α Slika 1.8. prikazuje skicu strujanja zraka na kosini Pa tako za kut α=30, odnos snaga je: P 30 = 0,65 P 0 Za α=45 P 45 = 0,35P 0 11
Za α=60 P 60 = 0,125P 0 Ili općenito možemo pisati pa tako odnos snaga možemo računati za bilo koji kut: 12
2.Mjerenja 2.1 Cilj rada Zbog sve veće važnosti vjetroenergije i vjetroturbina u današnjem svijetu, ovim radom željele smo odrediti koji čimbenici te na koji način i koliko utječu na korisnost vjetroturbina. U našim mjerenjima mijenjale smo uloženu snagu, kut strujanja zraka te smo istražile na koji način prepreke iza lopatica utječu na korisnost dobivene energije. 2.2 Pribor Od pribora koristile smo sušilo za kosu kojim smo emitirale vjetar. Sušilom za kosu djelovale smo na dinamo s lopaticama čija je uloga bila pretvoriti mehaničku energiju u električnu. Kako bismo mogle izračunati korisnost mjerile smo napon i jakosti struje pomoću voltmetra i ampermetra. Kut puhanja mijenjale smo pomoću drvene kosine, a kao prepreka poslužila nam je knjiga. Slika 2.1. prikazuje pribor korišten u mjerenjima 13
2.3. Opis rada Za početak dinamo s lopaticama spojile smo u strujni krug zajedno s voltmetrom i ampermetrom te napravile dvije serije mjerenja. U obje serije mijenjale smo uloženu snagu, tj. sva mjerenja napravile smo za dva sušila za kosu različitih snaga, jedno snage 1400 W, a drugo 1500 W. Pretpostavile smo da što će uložena snaga biti veća, to će biti veća i dobivena snaga, pa tako i korisnost. Slika 2.2. prikazuje pripreme za mjerenja; podešavanje kuta Slika 2.3. prikazuje mjerenja 14
2.3.1. OVISNOST SNAGE O KUTU DJELOVANJA I UDALJENOSTI DINAMA OD IZVORA U prvoj seriji mijenjale smo kut djelovanja vjetra te udaljenost dinama od sušila za kosu. Kut puhanja mijenjale smo pomoću drvene kosine. Sušilo za kosu pričvrstile smo za kosinu te smo kosinu smjestile na određenu udaljenost, koja je u jednome slučaju bila 10 cm, a u drugome 20 cm. Provele smo mjerenja za kutove od 0,10,20,30,40,50,60,70 i 80. Slika 2.4. prikazuje početna mjerenja kut strujanja zraka je 0 2.3.2. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI PREPREKE IZA DINAMA U drugoj seriji istraživale smo koliko prepreke iza dinama s lopaticama utječu na korisnost dobivene struje. Dinamo s lopaticama kroz sva je mjerenja bio na jednakoj udaljenosti (10 cm) od sušila, a mijenjale smo udaljenost prepreka od dinama te, kao i u prijašnjoj seriji, uloženu snagu. Kao prepreka poslužila nam je knjiga. Udaljenost prepreke od dinama mijenjale smo od 0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm do 20 cm. 15
Slika 2.5. prikazuje mjerenja s preprekom 2.3.3. IZRAČUN SNAGE I KORISNOSTI Nakon što su sva mjerenja bila napravljena izračunale smo, najprije snagu, a zatim preko snage korisnost. Snagu smo izračunale pomoću izraza. Kako bismo mogle izračunati snagu, mjerile smo jakost struje I i napon U. Jakost struje u vodiču je omjer količine naboja i vremena u kojemu ta količina naboja prođe kroz zamišljeni presjek vodiča. Fizička oznaka za vrijeme je t, a mjerna jedinica je sekunda. Jakost struje označavamo slovom I i iskazujemo mjernom jedinicom A (amper) te ju mjerimo ampermetrom. Ampermetar u strujni krug uvijek spajamo serijski. Električni napon izvora je energija po jediničnom naboju koja se iz električnog izvora prenosi strujnim krugom. Električni napon označavat ćemo slovom U i iskazivati mjernom jedinicom V (volt) te mjeriti voltmetrom. Voltmetar u strujni krug uvijek spajamo paralelno. Pad napona na krajevima trošila je pretvorena električna energija po jediničnom naboju. (1C=6,25x10 18 e) 16
Korisnost je fizička veličina koja nam pokazuje koliki dio u stroj uložene energije stroj "vraća" u korisnom obliku. Pdobiveno Puloženo To je broj koji je uvijek manji od jedan. Uobičajeno je korisnost izražavati u postocima, što dobijemo množenjem navedenog omjera sa 100. Izgubljena energija najčešće se troši na nepoželjno zagrijavanje uređaja uslijed normalnog rada, pa ne samo što na to gubimo dio energije, nego u uređaje još treba i ugrađivati sustave hlađenja da to zagrijavanje ne ošteti uređaje. U našem slučaju uložena snaga bila je snaga sušila za kosu, a dobivena snaga umnožak napona i jakosti struje dobivene u prvoj seriji na istoj udaljenost pod istim kutom, ili u drugoj seriji struje dobivene kada je prepreka na istoj udaljenosti. Slika 2.6. prikazuje serijski spojeni strujni krug 17
3. Rezultati 3.1. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI IZVORA OD DINAMA I KUTU DJELOVANJA Tablica 1. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1500 W na udaljenosti od dinama od 10 cm kut/ U/V I/mA P dobivena /mw ŋ/% 0 3,30 22,10 72,93 0,0049 10 3,07 21,50 66,01 0,0044 20 2,84 18,50 52,54 0,0035 30 2,72 13,50 36,72 0,0024 40 2,53 12,40 31,37 0,0021 50 2,16 10,30 22,25 0,0015 60 2,10 9,40 19,74 0,0013 70 1,61 6,00 9,66 0,0006 80 1,40 4,30 6,02 0,0004 Tablica 2. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1500 W na udaljenosti od dinama od 20 cm kut/ U/V I/mA P dobivena /mw ŋ/% 0 2,32 14,90 34,57 0,0023 10 2,14 12,50 26,75 0,0018 20 1,89 11,20 21,17 0,0014 30 1,67 10,10 16,87 0,0011 40 1,46 8,40 12,26 0,0008 50 1,27 6,70 8,51 0,0006 60 1,25 5,40 6,75 0,0005 70 0,95 4,40 4,18 0,0003 80 0,74 3,80 2,81 0,0002 Tablica 3. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1400 W na udaljenosti od dinama od 10 cm kut/ U/V I/mA P dobivena /mw ŋ/% 0 2,84 20,50 58,22 0,0042 10 2,59 18,70 48,43 0,0035 20 2,48 16,70 41,42 0,0030 30 2,44 15,50 37,82 0,0027 40 2,18 14,60 31,83 0,0023 50 2,10 12,40 26,04 0,0019 60 1,95 11,00 21,45 0,0015 70 1,49 10,20 15,20 0,0011 80 1,27 8,40 10,67 0,0008 18
korisnost/% Korisnost vjetroenergije Tablica 4. Mjerenja za sušilo za kosu snage 1400 W na udaljenosti od dinama od 20 cm kut/ U/V I/mA P dobivena /mw ŋ/% 0 2,54 17,40 44,20 0,0032 10 2,38 15,50 36,89 0,0026 20 2,27 13,20 29,96 0,0021 30 2,19 12,90 28,25 0,0020 40 1,90 9,50 18,05 0,0013 50 1,85 9,10 16,84 0,0012 60 1,68 8,70 14,62 0,0010 70 1,59 7,50 11,93 0,0009 80 1,47 5,50 8,09 0,0006 Odnos korisnosti s obzirom na kut djelovanja i udaljenost dinama i sušila 0,0060 0,0050 0,0040 0,0030 0,0020 0,0010 1500 W, 10 cm 1500W, 20 cm 1400 W, 10 cm 1400 W, 20 cm 0,0000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 kut/ 3.2. OVISNOST SNAGE O HORIZONTALNOJ KOMPONENTI BRZINE VJETRA Tablica 5. Uspoređeni računski i eksperimentalni podaci kut/ 1500 W 1400 W P računski /mw P eksperimentalno /mw P računski /mw P eksperimentalno /mw 10 69.64 66.01 55.6 48.43 20 60.53 52.54 48.32 41.42 30 47.41 36.72 37.84 37.82 40 32.82 31.37 26.19 31.83 19
korisnost/ % Korisnost vjetroenergije 3.3. OVISNOST SNAGE O UDALJENOSTI PREPREKE IZA DINAMA Tablica 6. Mjerenja s preprekom za sušilo snage 1500 W l/cm U/V I/mA P dobivena /mw ŋ/% 0 0,00 0,00 0,00 0,00000 5 1,60 11,70 18,72 0,00125 10 1,66 14,80 24,57 0,00164 15 1,68 14,30 24,02 0,00160 20 1,72 15,90 27,35 0,00182 Tablica 7. Mjerenja s preprekom za sušilo snage 1400 W l/cm U/V I/mA P dobivena /mw ŋ/% 0 0,00 0,00 0,00 0,00000 5 1,60 7,50 12,00 0,00086 10 1,63 8,00 13,04 0,00093 15 1,66 8,30 13,78 0,00098 20 1,70 9,00 15,30 0,00109 Odnos korisnosti s obzirom na udaljenost prepreke 0,00200 0,00180 0,00160 0,00140 0,00120 0,00100 0,00080 0,00060 0,00040 0,00020 0,00000 0 5 10 15 20 udaljenost dinama od prepreke/cm 1500 W 1400 W 20
4. Rasprava 4.1. Ovisnost korisnosti o uloženoj snazi Kako se velika količina energije dobiva pri većim brzinama vjetra, dosta nam energije dolazi u kraćim intervalima, odnosno na mahove, kao i vjetar. Posljedica toga je da vjetroelektrane nemaju stalnu snagu na izlazu te postrojenja koja napajaju vjetroagregati moraju imati osiguranu proizvodnju električne energije i iz nekog drugog izvora. Stalnost snage kod vjetroelektrana bi nam mogao osigurati napredak u tehnologijama koje se bave spremanjem energije tako da možemo koristiti energiju koju smo dobili za jačeg vjetra onda kada ga nema. Više je tisuća vjetroagregata u pogonu, ukupno instalirane snage 73.904 MW, od čega je u Europi 65% (2006.). Vjetroelektrane su imale najbrži rast od svih alternativnih izvora energije na početku 21. stoljeća, kapacitet im se više nego učetverostručio od 2000. do 2006. 81% instalirane snage otpada na SAD i Europu. Procjene su da će do 2010. biti instalirano 160 GW snage vjetroagregata s porastom od 21%godišnje [5] Iz priloženog članka možemo vidjeti da pomoću vjetroelektrana možemo dobiti veliku snagu, ali isto tako ta snaga ovisi o uloženoj snazi, tj. snazi kojom vjetar djeluje na vjetroelektranu. U našim mjerenjima uložena snaga bila je vrlo mala pa su zato i dobivena snaga i korisnost vrlo mali, ali bez obzira na to iz dobivenih podataka možemo vidjeti kako se korisnost mijenjala s obzirom na parametre. Pa tako, ako je uložena snaga veća, onda je i dobivena snaga veća. U svim mjerenjima sušilo za kosu snage 1500 W dobili smo veći napon i jakost struje pri istim uvjetima za oba sušila. 21
4.2. Ovisnost korisnosti o udaljenosti izvora od dinama Napravile smo mjerenja za dvije različite udaljenosti te se iz dobivenih rezultata može vidjeti da korisnost opada s povećanjem udaljenost. Tome je razlog jače raspršenje struje vjetra na većim udaljenostima. Raspršenjem struje vjetra smanjuje se horizontalna komponenta brzine pa usporedno s time i korisnost. Iz priloženog možemo zaključiti da bi korisnost vjetroagregata bila veća ukoliko bi se oni nalazili na direktnome strujanju zraka, te da ovisno o mjestu postavljanja treba uzeti u obzir gibanje zračnih masa. Vjetroagregati bi bili korisniji kada bi imali mogućnost okretanja glave s lopaticama jer bi tada mogli slijediti promjene strujanja zračnih masa koja se razlikuju uz obalu i u planinama. 4.3. Ovisnost korisnosti o kutu strujanja zraka Snaga, pa time i sama korisnost, najveće su kod horizontalnog djelovanja vjetra. Naime, na lopatice uvijek djeluje samo horizontalna komponenta brzine. Kako postoje zračna strujanja različitih smjerova ni jedno strujanje nije u potpunosti horizontalno što bi nam dopustilo da u potpunosti iskoristimo snagu vjetra. Rezultati naših mjerenja to su također pokazali. Pokusom smo pokazale da dobivena snaga zaista ovisi o horizontalnoj komponenti brzine i da je snaga proporcionalna s kubom brzine. Računski rezultati veoma se dobro poklapaju s onim eksperimentalnim za male udaljenosti i kuteve do 40 0. Kako se kut povećavao tako se povećavala i udaljenost izvora struje zraka od horizontalne osi rotacije lopatica i zbog toga je djelovanje bilo manje. Kod veće udaljenosti zbog raspršenja stuje vjetra rezultati odstupaju od onih računskih. Iz navedenog zaključujemo da je dobivena snaga najveća ako struja vjetra djeluje po 0 s obzirom na os rotacije. Iskoristivost vjetroturbina veća je ako je glava s lopaticama pokretna te se može usmjeriti direktno u struju vjetra. 22
4.4. Ovisnost korisnosti o udaljenosti prepreke Vjetroelektrane najčešće se grade na povišenim područjima zbog veće brzine, pa time i snage vjetra u višim dijelovima atmosfere, ali također i zbog toga što na višim dijelovima nema prepreka koje bi smanjivale brzinu pa time i snagu vjetra. Turbulencija je nepravilno vrtložno gibanje koje se pojavljuje u fluidima kad struje pored čvrstih predmeta. U našim mjerenjima, u slučaju kad je prepreka direktno iza lopatice zrak struji kroz lopatice te se odbija od prepreka, tj. dolazi do turbulencije koja u potpunosti sprječava okretanje lopatica. Kako se udaljenost prepreke povećava, turbulencija je slabija te se lopatice brže okreću. Kada je prepreka na određenoj udaljenosti, u našem slučaju to su bile male udaljenosti od 15 cm i 20 cm, turbulencija je toliko malena da ju možemo zanemariti jer ne utječe na okretanje lopatica. Dakle, zaključujemo da bilo kakvi dijelovi sustava smješteni iza samih lopatica utječu na njezin rad. Da bi se njihov utjecaj smanjio oni moraju biti ili aerodinamičnog oblika ili smješteni vertikalno na stupu kao kod vertikalnih turbina. 23
5. Zaključak Zbog sve veće važnosti vjetroenergije i vjetroturbina u današnjem svijetu, ovim radom željele smo odrediti koji čimbenici te na koji način i koliko utječu na korisnost vjetroturbina. U našim mjerenjima mijenjale smo uloženu snagu, kut strujanja zraka te smo istražile na koji način prepreke iza lopatica utječu na korisnost. Nakon što smo spojile dinamo, voltmetar i ampermetar u strujni krug, napravile smo dvije serije mjerenja. U prvoj seriji mijenjale smo kut puhanja, tj. kut djelovanja vjetra te udaljenost dinama od sušila za kosu, a u drugoj seriji istraživale smo koliko prepreke iza dinama s lopaticama utječu na korisnost. Hipoteze koje smo postavile prije provođenja pokusa bile su slijedeće: djelovanjem sušila za kosu veće snage korisnost će biti veća, udaljavanjem dinama od izvora snaga će biti manja, povećanjem kuta smanjuje se korisnost te prepreke iza lopatica također smanjuju dobivenu snagu. Iz dobivenih rezultata možemo vidjeti da se većina naših hipoteza pokazala točnima. Kada je uložena snaga bila veća, veća je bila i dobivena snaga, ali zbog nepraktičnosti opreme obje vrijednosti bile su vrlo male. Udaljimo li dinamo od izvora strujanja zraka dolazi do jačeg raspršenja struje vjetra te se smanjuje horizontalna komponenta brzine pa usporedno s time i snaga i korisnost. Na lopatice uvijek djeluje samo horizontalna komponenta brzine. Kako postoje zračna strujanja različitih smjerova ni jedno strujanje nije u potpunosti horizontalno što bi nam dopustilo da u potpunosti iskoristimo snagu vjetra što su pokazala i naša mjerenja. Vjetroagregati bi bili korisniji kada bi imali mogućnost okretanja glave s lopaticama jer bi tada mogli slijediti promjene strujanja zračnih masa koja se razlikuju uz obalu i u planinama. Dakle, povećanjem kuta korisnost se smanjuje. Prepreke iza lopatica utječu na korisnost. Ako se prepreka nalazi direktno iz lopatica one se ne okreću zbog turbulencija. Turbulencija se smanjuje s udaljavanjem prepreke te korisnost raste. Zaključujemo da bilo kakvi dijelovi sustava smješteni iza samih lopatica utječu na njezin rad. Da bi se njihov utjecaj smanjio oni moraju biti ili aerodinamičnog oblika ili smješteni vertikalno na stupu kao kod vertikalnih turbina. 24
6. Literatura 1. Korisnost Rikard Podhorsky, Tehnička enciklopedija, Zagreb 2. Snaga, napon i jakost struje V. Paar, V. Šips, Fizika 2, Školska knjiga, Zagreb, 2009. 3. Jednadžba kontinuiteta i Beroullijeva jednadžba J. Labor, Fizika 1, Alfa, Zagreb, 2011. 4. Vjetroturbine http://hr.wikipedia.org/wiki/vjetroturbine 5. Dijelovi vjetroturbine http://hr.wikipedia.org/wiki/vjetroagregat 6. Budućnost obnovljive energije http://novaenergija.hr/ 7. V. Paar, Energetska kriza, Gdje (ni)je izlaz, Školska knjiga, Zagreb 8. P. Kulišić, Novi izvori energije i energija vjetra 9. Ideja za rad http://www.all-science-fair-projects.com/project1393_29_1.html 25