List Saveza energeti~ara
Broj 2 / Godina XII / Mart 2010.
UDC 620.9
ISSN br. 0354-8651
„ ekonomija „ ekologija
ENERGETIKA 2010
Zlatibor, 23.03. – 26.03.2010.
Međunarodno savetovanje
u organizaciji Saveza energetičara
pod pokroviteljstvom
Ministarstva rudarstva i energetike,
Ministarstva nauke i tehnološkog razvoja,
Ministarstva životne sredine i prostornog planiranja,
Ministarstva ekonomije i regionalnog razvoja,
PKS, JP EPS, NIS a.d. Novi Sad, JP EMS, JP Srbijagas
Savetovanje su pomogli
Ministarstvo rudarstva i energetike
Ministarstvo nauke i tehnološkog razvoja
Ministarstvo životne sredine i prostornog planiranja
PD Termoelektrane „Nikola Tesla“
PD Hidroelektrane „Đerdap“
PD Elektrovojvodina
PD Distribucija Beograd
PD RB Kolubara
PD TE KO Kostolac
Goša Montaža
Rolling World
Kirka Suri
Exor – Esi
ATB Sever
energija
ekonomija
ekologija
„ekonomija „ekologija
energija
Energija/Ekonomija/Ekologija
IZDAVA^KI SAVET
Broj 2; mart 2010.
Dr Petar [kundri}, ministar
rudarstva i energetike
Mr Bo`idar \eli}, ministar za
nauku i tehnolo{ki razvoj
Mr Mla|an Dinki}, ministar
ekonomije i regionalnog
razvoja
Dr Oliver Duli}, ministar `ivotne
sredine i prostornog planiranja
Dr Kiril Krav~enko, gen.
direktor NIS ad
Milo{ Bugarin, predsednik PKS
Dragomir Markovi}, gen.dir.
JP EPS-a
Dr Dimitrij Mali{ev, predsednik
UO NIS a.d.
Dr Aca Markovi}, predsednik
UO EPS
Prof. dr Milo{ Nedeljkovi},
dr`avni sekretar
Du{an Mraki}, dr`avni sekretar
Prof.dr Ivica Radovi}, dr`avni
sekretar
Dr Slobodan Ili}, dr`avni
sekretar
Neboj{a ]iri}, dr`avni sekretar
Ljubo Ma}i}, direktor Agencije
za energetiku Srbije
Dr Milo{ Milankovi}, gen.dir.
JP Elektromre`a Srbije
Du{an Bajatovi}, gen.dir.
JP Srbijagas
Sr|an Mihajlovi}, gen.dir.
JP Transnafta
Mr Zlatko Dragosavljevi}, gen.
dir. JP PEU
Branislava Mileti}, gen.dir.
EP Republike Srpske
Drago Davidovi}, predsednik
SE Republike Srpske
Dr Tomislav Simovi}, gen.dir.
Montinvest ad
Dr Vladan Pirivatri}, gen.dir.
Energoprojekt Holding
Zoran Predi}, gen.dir.
JKP Beogradske elektrane
Dr Bratislav ^eperkovi},
predsednik UO JP Transnafta
Stevan Mili}evi}, direktor
PD EDB, doo
Petar Kne`evi}, dir.
PD TENT, d.o.o.
Dragan Stankovi}, direktor
PD HE \erdap, d.o.o.
Mijodrag ^itakovi}, dir.
PD Drinsko-Limske HE
Dragan Jovanovi}, dir.
TE-KO Kostolac
Predrag Radanovi}, iz.direktor
NIS Naftagas
Arkadij Jerizarjan, iz.direktor
NIS Petrol
Sa{a Ili}, iz.direktor
NIS TNG
Slobodan Mihajlovi}, direktor
PD Elektrosrbija, d.o.o.
Neboj{a ]eran, direktor
PD RB Kolubara, d.o.o.
Tomislav Papi}, direktor
PD Elektrovojvodina, doo
Milo{ Samard`i}, direktor
PD Panonske TE-TO
Janko ^obrda, direktor
Novosadske toplane
Dragoljub Zdravkovi}, direktor
PD Jugoistok, d.o.o.
Boban Milanovi}, direktor
PD Centar, doo
Ra{a Babi}, direktor
Termoelektro, ad
Dr Nenad Popovi},
ABS Holding
Osniva~ i izdava~
Savez energeti~ara
Predsednik SE
Prof. dr Nikola Rajakovi}
Sekretar SE
Nada Negovanovi}
Glavni i odgovorni urednik
Prof. dr Nenad \aji}
Adresa Redakcije
Savez energeti~ara
11000 Beograd
Knez Mihailova 33
tel. 011/2183-315
faks 011/2639-368
E-mail:[email protected]
www.savezenergeticara.org.rs
Kompjuterski prelom EKOMARK
Dragoslav Je{i}
[tampa
„Akademska izdanja“,
Beograd
Godi{nja pretplata
- 8.000,00 dinara
- za inostranstvo 16.000,00
dinara
Teku}i ra~un SE
broj 355-1006850-61
Radovi su {tampani u izvornom
obliku uz neophodnu tehni~ku
obradu.
Nijedan deo ove publikacije
ne mo`e biti reprodukovan,
presnimavan ili preno{en bez
prethodne saglasnosti Izdava~a.
Milorad Markovi}, predsednik
HK Minel
Marko Pejovi}, potpredsednik
SE
Dr Dragan Kova~evi}, gen.dir.
EI „Nikola Tesla“
Dr Vladan Batanovi}, gen.dir.
Institut „Mihajlo Pupin“
Dr Zlatko Rako~evi}, gen.dir.
Instituta Vin~a
Prof.dr Miodrag Popovi},
dekan Elektrotehni~kog
fakulteta Beograd
Prof.dr Du{an Gvozdenac,
Tehni~ki fakultet Novi Sad
Prof.dr Milun Babi}, Ma{inski
fakultet u Kragujevcu
Dr Svetislav Bulatovi},
EFT Group
Slobodan Babi},
Rudnap Group
Dr Vladimir @ivanovi}, SE
Dragojlo Ba`alac, SE
REDAKCIONI ODBOR
Slobodan Petrovi}, sekretar
Odbora za energetiku PKS
Prof. dr Ozren Oci}
Prof.dr Petar \uki}, TMF
Dragan Nedeljkovi}, novinar
Dr Vojislav Vuleti}, gen.sek.
Udru`enje za gas
Radi{a Kosti}, direktor
Elektroistok izgradnja
Savo Mitrovi}, direktor
Sever Subotica
Dr Branislava Lepoti}, dir.
JP Transnafta
Mom~ilo Cebalovi}, dir.za
odnose s javno{}u EPS
Dr Predrag Stefanovi},
Institut Vin~a
Dr Du{an Unkovi}, NIS a.d.
Jelica Putnikovi}, novinar
Miroslav Sofroni},
PD TENT d.d.
Mile Danilovi}, dir.
Termoelektro Enel
Prof.dr Vojin ^okorilo, RGF
Krstaji} Sekula, novinar
Roman Muli}, SE
Rade Borojevi},
Privredna komora Beograda
Nikola Petrovi}, dir.
ENERGETIKA d.o.o.
„ekonomija „ekologija
energija
ENERGETIKA 2010
ORGANIZACIONO – PROGRAMSKI ODBOR
Predsednik: Milun Babić
Sekretar:
Nada Negovanović
Članovi: Miloš Nedeljković, Kanevče Gligor, Adriana Sida Manea,
Jovica Milanović, Đorđi Biljanovski, Miroslav Bosančić,
Tomislav Papić, Ljubo Maćić, Radiša Kostić, Dešan Ivanović,
Milenko Nikolić, Tomislav Simović, Milorad Marković
„ekonomija „ekologija
energija
Sadr`aj
[005] D`. Sinanovi}, A. Jahi}, A. Botali}
Energetska strategija Evropske Unije i neki aspekti primene
obnovljivih izvora energije u regiji jugoisto~ne Evrope
[010] D. Djurdjevi}, M. Jevti}
Fotonaponski ure|aji i sistemi - pro{lost, savremena tehnologija
i budu}i pravci razvoja
[017] M. \edovi}, I. Aleksi}, @. \uri{i}
Analiza iskori{}enja mre`no povezanih fotonaponskih sistema u
Srbiji
[023] M. Jevti}, N. Stojni}
Originalna pionirska istra`ivanja elektrohidtodinamike
[035] D. Nikoli}, Z. Nikoli}, M. Jankovi}
Efikasan regulator napona fotonaponskog napajanja
[039] S. \ukanovi}
Ekonomski ishodi primene podsticajnih mera za solarne }elije i
vetrogeneratore u Nema~koj, [paniji i Italiji
[044] D. Komarov, S. Stupar, A.Simonovi}, S. Trivkovi}, M. Stanojevi}
Trendovi u industriji vetroturbina u svetu i mogu}i pravci razvoja
doma}e vetroenergetike
[051] A. Savi}, @. \uri{i}, N. Rajakovi}
Optimalno pozicioniranje vetrogeneratora u okviru farme
vetrogeneratora uz uva`avanje “WAKE” efekata
[055] D. Romani}, M. Banjali}
Metodi modelovanja anemometra na krovu meteorolo{ke stanice
pri odre|ivanju potencijala vetra
[058] A. Sida Manea, L. Mircea, D. Pavlov
Documentation on the current state of harnessing wind energy,
wind potential in Romania
[062] M. ]alasan, M. Ostoji}
Ispitivanje limitera pobudne struje stati~kog pobudnog sistema
sinhronih generatora iz HE “Peru}ica”
[068] A. Bojkovi}, \. Jankovi}, B. Bajalica, S. Bulatovi}, D. Jovovi}
Revitalizacija hidroelektrana - primer HE „Piva”
[074] M. Jevti}, Lj. An|elkovi}, J. Radosavljevi}, M. ]iri}
Merenje stepena iskori{}enja mikro hidroelektrane i ugra|ene
turbine
[078] I. Todorovi}, R. Jovanovi}, Z. Kukobat
Izvedba petopolnog rastavlja~a 245 kV U RHE „Bajina Ba{ta”
[082] N. Mari~i}, Dj. Novkovi}, Dj. Markovi}, Lj. Andjelkovi}
Opis postupka i razvoj softvera za prora~un banki turbine
[087] A. Sida Manea, D. Cătălin Stroiţă
Efficient hydro energy using in Romania
[091] V. [u{ter{i~, V. Stevanovi}, M. Babi}, D. Gordi}
Tehno - ekonomska analiza primene geotermalne toplotne pumpe
za grejanje poslovno - stambenog objekta
[096] G. Dra`i}, S. Sekuli}, J. Milovanovi}, J. Aleksi}
Master plan planta`e energetskog useva Miscanthus giganteus
[100] P. Had`i}, Lj. Janju{evi}, M. Radosavljevi}, D. Stojiljkovi},
V. Jovanovi}, N. Mani}
Biodizel iz malih {ar`nih reaktora - eksperimentalni podaci
usagla{enosti kvaliteta sa zahtevima standarda SRPS
EN14214:2005
[103] R. Penjin
Produkcija biogasa iz biolo{kog otpada- Ekonomska
opravdanost [108] D. Gordi}, M. Babi}, V. [u{ter{i~, D. Kon~alovi}, D. Jeli}
Mogu}nosti u{tede energije u industriji drvenog name{taja
[113] M. Jovanovi}, S. Mileti}, N. [aranovi}, M. Filipovi}, N. Jankovi},
M. Babi}
Razvoj apsorpcionog suda za pre~i{}avanje biogasa
[119] G. Senti}, D. Vrani}, V. Vuka{inovi}, B. Savi}, N. Vrani}, M. Babi}
Razvoj postrojenja na biogas za su{enje mesa i mesnih
prera|evina
energija
mr. sc. D`evad Sinanovi}, dipl.ing.el.
Ministarstvo odbrane BiH
mr. sc. Adamir Jahi}, dipl.ing.el.
JP Elektroprivreda BiH
Admir Botali}, dipl.ing.el.
JP Elektroprivreda BiH
UDC:620.92 : 332.14. EU
Energetska strategija Evropske
Unije i neki aspekti primene
obnovljivih izvora energije u
regiji jugoistočne Evrope
1. Uvod
Rezime
Nema razvoja bilo koje oblasti, pa
tako i energetike, bez jasne i realne
strategije, koja će uzeti u obzir sve
raspoložive resurse jedne zemlje,
regije ili lokalne zajednice, i trenutne
tendencije razvoja tehnologije u
Svetu. Energetske tendencije u EU i
Svetu pokazuju da će se u budućnosti
sve više pažnje poklanjati održivom
razvoju, odnosno ekološkom
aspektu u eksploatiaciji energije,
te konkurentnosti cena proizvodnje
energije i sigurnosti snabdevanja
energijom. Nadalje, današnju upotrebu
energije karakteriše porast potrošnje
plina i sve veće učešće obnovljivih
izvora energije ili kako ih drugim
rečima zovu ¨zelena energija¨. Uprkos
tome, energetska strategija ne sme biti
sama po sebi cilj. Iskustva zemalja EU
pokazuju da problemi nastaju tek po
donošenju energetske strategije.
Evidentno je, da je mnogo veći
problem implementirati, nego doneti
strategiju. Nadalje, energetska
strategija nije statična kategorija. Ona
je podložna promenama koje nastaju
kao posledica stanja sirovina, stanja
tržišta energije, stepena tehnološkog
razvoja, tendencije razvoja energetike
i privrede u celini,... Neke zemlje koje
su energetsku strategiju donele pre
nekoliko godina danas istu menjaju, jer
je već zastarela.
Danas u Evropi i Svetu prevladava
mišljenje da je probleme deficita
energije, i sve veće ovisnosti o
nafti i plinu, te problem globalnog
zagrevanja moguće rešiti korištenjem
obnovljivih izvora energije.
Dva su ključna pitanja na koja treba
dati odgovor kako bi se u državama
regije JI Evrope popravila ukupna
energetska slika. Ta pitanja su:
Vreme jeftine energije je iza nas. Evropa želi promeniti energetsku sliku, smanjiti
ovisnost od uvoza, povećati sigurnost snabdjevanja, osigurati održivi razvoj,
odnosno sprečiti dalju degradaciju okoliša. Postizanje navedenih strateških
ciljeva EU namerava postići povećanjem energetske efikasnosti i uvođenjem
obnovljivih izvora ili ekološki čistih tehnologija. Rad pojašnjava osnovne
principe energetske strategije EU i razvoja energetskog sektora EU u narednom
periodu.
Uvođenje obnovljivih izvora u regiji JI Evrope je važno ne samo zbog ispunjenja
propisa i direktiva EU, poboljšanja energetske slike, čuvanja ionako ograničenih
količina fosilnih goriva i zaštite okoline (zaštite zdravlja), nego i zbog
zapošljavanja populacije, koji je možda sada i dominantan motiv, uzme li se u
obzir problem nezaposlenosti i ekonomske krize. Stoga u uvođenju obnovljivih
izvora energije, država i društvo u celini, trebali bi pronaći svoju šansu razvoja
stvarajući energiju i goriva čija će cena u budućnosti još više rasti.
U radu su razmatrani neki aspekti primene potencijalnih obnovljivih izvora
energije, te definisani metodologija, način i uslovi, koje država treba ispuniti,
kako bi se ostvarili ciljevi koje je EU zacrtala u svojim strateškim dokumentima.
Ključne reči: energetska strategija, obnovljiva energija, održivi razvoj.
The European Union Energy Strategy and Some Aspekts of
Applying of Renewable Energy in the Se States Europe
Time of low-cost energy is behind us. Europe wants to change the energy picture,
reduce dependency on imports, increase security of supply, to ensure sustainable
development, and prevent further environmental degradation. To achieve these
strategic goals European Union intends by increasing energy’s efficency and
applying renewable energy sources (ecologic clean technologies). Work explains
the basic principles of EU energy strategy and development of the EU energy
sector in the future.
Applying of renewable energy sources in a country is important not only for
implementation of directives and rugulations of EU, increasing energy efficiency,
keeping limited amounts fossil fuels and protecting environment (protecting of
helthy), but also for employing population which is maybe the most important
reason, if we know that there is high rate unimployment and economic crisis.
Therefore, the applying of renewable energy, state and society in general, should
find his or her chance of development of fuel and energy product whose price in
the future to grow.
The article analyzes some aspects of the application potential of renewable
energy sources, and defined ways, methodologies or requirements that states
must meet in order to achieve the objectives that the EU is outlined in its
strategic documents.
Ključne reči: energetska strategija, obnovljivi izvori, održivi razvoj.
[005]
energija
Kakav bi model energetskog sistema
u budućnosti trebao biti ?
z Kako države iz okruženja JI Evrope
mogu izvući benefite iz jednog
takvog modela?
Teško je sa sigurnošću tvrditi kako će
izgledati model energetskog sistema
u budućnosti, ali prema trenutnim
tendencijama u energetici u Evropi
i Svetu daju se naslutiti izvesne
konture jednog takvog modela.
Prema njima takav model će biti sve
više decentralizovan sa razvojem
diverzifikacionih izvora, za razliku
od starog modela čiji proizvodni
kapaciteti su bili centralizovani na
jednom mestu.
Pored toga, model energetskog sistema
u budućnosti će biti sve više usmeren
kupcima energije, gdje će primarni
zahtev biti interes kupca. Nadalje,
model će favorizovati primenu čistih
tehnologija, koji će osigurati pozitivan
odnos prema okolini. Osim toga,
model će naglašavati intenzivnu
primenu obnovljivih izvora energije,
kombinaciju različitih vrsta energetskih
izvora sa što većim stepenom
energetske efikasnosti i ekološki
čistim tehnologijama. Ovo će doprineti
smanjenju emisije stakleničkih plinova
(posebno CO2), stabilizaciji klimatskih
promena, povećanju energetske
efikasnosti i diverzifikaciji energetskih
izvora. Mikro i mali energetski
izvori obično će biti konektovani na
distributivnu mrežu. Dakle, javljaće
se jedan novi oblik proizvodnje koji
se zove distribuirana proizvodnja,
a navedene izvore nazivamo
distribuirani izvori. Ovo će dakako
smanjiti troškove prenosa i prenosne
gubitke, pojednostaviti izgradnju novih
energetskih objekata, jer se radi o
manjim troškovima, a i lakše je pronaći
lokaciju. Tržište energije će biti
liberizovano i apsolutno konkurentsko,
što znači da će biti omogućeno svima
da trguju sa energijom kao i sa svakom
drugom robom. U takvim uslovima
će biti izražen interes proizvođača
za smanjenje proizvodnih troškova,
ali i kupaca za smanjenje cena. Sve
ovo će na neki način optimizirati rad
energetskog sistema.
U Evropi i Svetu već dugi niz godina
se pokušava pronaći alternativni izvor
energije za naftu, među koje spadaju
i obnovljivi izvori energije. BiH je
kao i neke zemlje njenog okruženja
na samom početku u iznalaženju
alternativnih izvora energije.
z
2. Energetska strategija EU
Zašto je važno analizirati energetsku
strategiju EU?
energija
Pitanje energije u EU je jedno od
najbolje regulisanih pitanja u EU.
Države EU zauzimaju lidersku poziciju
u primeni obnovljivih izvora energije,
a njena energetska strategija jasno
pokazuje da će tu poziciju nastojati
zadržati i u budućnosti.
Osnovni moto energetske strategije EU
je ¨Energija je od strateškog značaja za
Evropu¨. Ciljevi energetske strategije
EU su održivost, konkurentnost i
sigurnost snabdevanja energijom.
Navedene ciljeve EU namerava
postići povećanjem stepena korištenja
obnovljivih izvora energije i
povećanjem energetske efikasnosti.
Dakle, energetska politika treba da
stvori uslove sigurnog i racionalnog
snabdevanja i potrošnje energije, otvori
državno tržište i omogući pristup
međunarodnom tržištu energije, zaštiti
kupce i aktivira obnovljive izvore
energije uz ispunjenje najviših zahteva
prema zaštiti okoline. Ciljevi se mogu
provesti političkim, ekonomskofinansijskim, zakonskim i tehničkoorganizacionim merama.
Energetska strategija EU formalno
i pravno zasnovana je na nekoliko
ključnih strateških dokumenata, te niza
direktiva i odluka. Neki od njih, koji
zauzimaju ključnu ulogu, su ¨Zelena
Knjiga¨, ¨Bela Knjiga¨, ¨Energetska
politika za Evropu¨, ¨Mapa obnovljive
energije¨, Sporazum o energetskoj
listi, Protokol o energetskoj listi o
energetskoj efikasnosti itd.
Svi navedeni dokumenti upozoravaju
na činjenicu da su uprkos značajnom
potencijalu, obnovljivi izvori
energije nedovoljno iskorišteni i da
je neophodno pronaći najdelotvornije
mere kako bi njihov trenutni udeo u
ukupnoj potrošnji energije od cca 6
% porastao na 12 % do 2010. Godine
(L11). Pored navedenog cilja u Mapi
puta primene obnovljivih izvora
energije zacrtan je i cilj 20 % učešća
obnovljivih izvora energije u ukupnoj
potrošnji energije do 2020. Godine
(L11). Svaka država članica, u tom
smislu donosi odluku o izboru i vrsti
obnovljivih izvora energije shodno
raspoloživim resursima, unutar čega
predlaže svoj doprinos ukupnom cilju,
te navodi planirane podsticajne mere.
Dok jedni pridaju veći značaj biomasi,
drugi se fokusiraju na biodizel ili
dobijanju energije iz drvenih ostataka,
itd.
¨Zelena reforma¨ obuhvata stimulaciju
kako proizvođača, tako i kupaca, a
cilj je preraspodela tereta izdvajanja
(uvođenja novih ekoloških davanja
kroz preraspodelu postojećih).
[006]
Implementacija evopske politike
podrazumeva veliki broj mehanizama
(propisi, porezi, grantovi, i
subvencije), pri čemu se politika,
strategija i projekti moraju planirati
ne samo na evropskom, nego i na
državnom i regionalnom nivou.
Za realizaciju energetske politike
potrebna su finansijska sredstva koja
se prevashodno moraju bazirati na
zakonima tržišta.
Među mehanizme za podsticaj
efikasnom korištenju energije i
obnovljivih izvora energije mogu se
svrstati:
- Pristup korisnika energiji po
vlastitom izboru,
- Subvencije,
- Olakšice na davanja i oslobađanje od
taksi,
- Fiksne otkupne cene i premije
za otkup energije proizvedene
iz obnovljivih izvora energije ili
kogeneracije,
- Zeleni certifikati na tržišnom
principu, itd.
U nekim državama uvedene su tzv.
¨zelene etikete¨ prema kojima se kupcu
daje mogućnost izbora nabavke, a
proizvođač je obavezan proizvesti
određenu količinu energije iz
obnovljivih izvora energije.
Postoje ekološki porezi (porezi na
energiju i porezi na CO2, SO2, NOx),
kojima se želi osigurati konkurentnost
obnovljivih izvora energije, posebno
biomase.
Podsticaji mogu dolaziti od tržišta,
banaka ili privatnih investicionih
fondova. Mogu se uglavnom podeliti
u dvije grupe: vladine podsticaje
i podsticaje iz ostalih finansijskih
resursa. U nekim zemljama najveći
dio realizacije programa vezan je za
parlament i vladu, dok se kod drugih,
programi i odluke donose od strane
ministarstava, obrazovnih agencija,
posredničkih struktura, menadžmenta i
naučnih organizacija.
Mapa puta predstavlja način postizanja
postavljenih ciljeva u primeni
obnovljivih izvora energije i daje
procenu koliko će koštati relizacija
zacrtanih ciljeva.
Ceni se da će se u ukupnu
infrastrukturu uložiti više od 2 triliona
dolara do 2030. godine (L11). Dio
od ovoga iznosa bit će finansiran od
profita, dio od poreza, a nešto će čisto
morati doći od kupaca.
Ostvarenjem cilja sačuvat će se okolina
od destrukcije stakleničkih plinova,
te smanjiti godišnji troškovi fosilnih
goriva sa preko 250 Mtoe do 2020.
energija
godine, od kojih približno 200 Mtoe1
bi bilo uvezeno i stimulisati nove
tehnologije i evropske industrije. Ovim
bi se umanjili troškovi između 10 i 18
biliona $ po godini, u periodu između
2005. i 2020. godine, zavisno od cene
energije (L11).
Postizanjem cilja 20 % takođe bi se
smanjile godišnje emisije CO2.
Dakle, navedeni dodatni
aproksimativni troškovi upoređujući sa
konvencionalnim izvorima će ovisiti
od stope inovacija u budućnosti i cene
energije iz konvencionalnih izvora.
Niko ne može sa sigurnošću predvideti
cenu nafte ili gasa za period od 20
godina.
3. Aspekti primene
obnovljivih izvora energije
Primena obnovljivih izvora energije u
regiji JI Evrope je nedovoljno istražena
oblast. Istina postoje određena, ali
nedovoljna istraživanja za utvrđivanje
preciznih potencijala i primenu
obnovljivih izvora energije. Stoga
su rezultati istraživanja prilično
divergentni.
Primena obnovljivih izvora predstavlja
kompleksnu oblast koja zahteva
multidisciplinarno istraživanje. Za
utvrđivanje potencijala i primenu
obnovljivih izvora potrebno je
angažovanje elektro, mašinske,
tehnološke, hidrometeorološke,
agronomske, i drugih struka.
Kao uslov primene obnovljivih
izvora energije neophodno je utvrditi
potencijale za primenu istih. Dakle,
osnovno pitanje koje se postavlja
na početku primene obnovljivih
izvora energije je, kako, koliko i koje
obnovljive izvore energije je moguće
koristiti.
3.1. Biodizel
Biodizel je pored svih prednosti
karakterističnih za obnovljive
izvore energije i jedan novi oslonac
poljoprivredi. U nekim zemljama cena
biodizela je niža od cene mineralnog
dizela. Sve su ovo razlozi zbog čega se
danas sve veća prednost daje biodizelu
u odnosu na mineralni dizel.
Bosna i Hercegovina i Albanija
su jedine države u Evropi u kojoj
biodizel nije zaživio niti u jednoj
varijanti (prodaja, proizvodnja,
potrošnja).
Prilikom razmatranja mogućnosti
primene biodizela od ključne je
važnosti sagledati ukupni potencijal
1
Mtoe – milion tona ekvivalentne nafte.
energija
obradivog neiskorištenog zemljišta
koji bi se mogao koristiti za ovu
namenu. Pre toga potrebno je sagledati
stanje zasijanih površina.
Pored žitarica kao sirovinu u
proizvodnji biodizela koriste se
otpadna jestiva ulja i masti. Kada se
sagleda situacija u velikim urbanim
centrima, možemo reći da se radi o
veoma značajnim količinama otpadnog
ulja iz ovih izvora, koje se relativno
jednostavno može prikupiti. Tu su
i domaćinstva koja troše najveće
količine ulja i masti. Prikupljanjem
ovih otpadnih ulja i masti mogla bi se
obezbediti značajna sirovinska osnova
za proizvodnju biodizela.
Ukoliko se ne popravi trenutno
loša slika u poljoprivredi neće biti
moguće učiniti značajniji iskorak
niti u oblasti biogoriva, od kojih se,
uz hidroenergiju, i najviše očekuje.
Obzirom da se radi o ogromnom
neiskorištenom potencijalu prioritetno
bi trebalo stimulisati poljoprivrednu
proizvodnju.
3.2. Biomasa
Iako biomasa obuhvata različite
vrste organskih materija, energetskih
sorti koje sadrže ulja i šećere, drvo,
poljoprivredni i otpad u urbanim
naseljima, ipak se pod biomasom
prvenstveno podrazumeva drvo kao
dominantni energent.
Biomasa zauzima vodeće mesto u
pronalaženju novih oblika energije,
kako u Evropi, tako i u regiji JI
Evrope. Biomasa može biti korištena
za zagrevanje, proizvodnju električne
energije i za pogonsko gorivo
sredstava transporta.
Korištenje biomase značajno smanjuje
stakleničke plinove. Različite vrste
biomase koriste različite tehnologije i
procese za proizvodnju bioenergije.
Bioplin može biti proizveden od
organskog otpada kroz anaerobnu
fermentaciju i sadrži zemni plin. Isti se
može koristiti u vozilima prilagođen za
pogon na prirodni plin.
Uklanjanjem otpada iz šuma pomaže
se obnavljanje šume. Danas se sve više
koriste brzorastuće šume za energetske
potrebe. Ovaj energent je moguće
koristiti u kombinaciji sa ugljem u
elektranama za proizvodnju električne
i toplotne energije.
Za procenu ukupnog potencijala
biomase važno je sagledati ukupnu
površinu šuma i šumskog zemljišta
(podaci iz katastra) ili procenat učešća
šuma u ukupnoj površini regije.
Glavni izvori šumske biomase su
redovne seče, ostaci seča, prorede i
sanitarne seče.
[007]
3.3. Kruti otpad
Korištenje otpada u svrhu dobijanja
toplotne ili električne energije ima
dvostruke benefite. Ne samo da na
ovaj način dobijamo energiju nego
pravilnim upravljanjem otpada štedimo
energiju i vodimo računa o pravilnom
odnosu prema okolini.
Osnovni zahtev koji se nameće
prilikom projektovanja ovakvog
projekta jeste obezbeđenje održivosti
i u ekonomskom i ekološkom smislu.
Zbog toga bi ovakav projekat trebalo
posmatrati sa regionalnog aspekta.
Postoje, nažalost, malobrojni primeri
uspešnih projekata u ovoj oblasti. Ovi
primeri pokazuju da je činjenjem
napora i malim ulaganjem moguće
ostvariti značajne rezultate na polju
upravljanja otpada, korištenja istog za
dobijanje električne i toplotne energije
i zaštite okoline.
Instalirano postrojenje za proizvodnju
električne i toplotne energije
podrazumeva celovit sistem koga čine
sonde za otplinjavanje, plinovodi i
postrojenje sa turbinom i kontrolnom
tablom.
Naglašavajući i ekološki efekat,
potencijali za realizaciju projekata
selektivnog prikupljanja otpada
(takođe štedimo energiju) i korištenja
otpada kao sirovine za dobijanje
električne i toplotne energije svakako
postoje u većim centrima.
3.4. Energija vetra
Svedoci smo rapidnog rasta instaliranih
kW vetroturbina u Evropi i Svetu. Ovaj
rast se u pojedinim državama poredi sa
stepenom rasta mobilne telefonije.
Cena proizvodnje električne energije
iz vetroelektrana na lokacijama sa
povoljnim vetropotencijalom je
već konkurentna konvencionalnim
izvorima energije.
Za utvrđivanje potencijala vetra
koriste se parametri frekvencije
pojedinih pravaca vetra i srednje
brzine pojedinih pravaca vetra koji se
predstavljaju dijagramom ruže vetrova.
Iste su snimljene na lokacijama
hidrometeoroloških stanica.
Slika 3.4.1 Snimljena ruža vetrova na
lokaciji hidrometeorološke
stanice
energija
energija
Sa slike 3.4.1 vidljivo je da trenutna
tehnologija vjetrogeneratora ne bi bila
ekonomski isplativa za instaliranje na
lokaciji na kojoj je snimljena data ruža
vetrova. To ne znači da u budućnosti
sa unapređenjem tehnologije
vjetrogeneratora ova i slične lokacije
ne bi mogle biti ekonomski isplative za
proizvodnju električne energije.
3.5. Solarna energija
Procene su da je potencijal solarne
energije 10.000 puta veći nego što su
potrebe planete (L1). Solarna energija
se najčešće koristi kod pretvaranje u
toplotnu energiju za pripremu potrošne
tople vode i grejanja, te u solarnim
elektranama, dok se kod pretvaranja
u električnu energiju koriste
fotonaponski sistemi. Dakle, solarnu
energiju je moguće koristiti aktivno
i pasivno. Aktivno podrazumjeva
korištenje solarnih kolektora i
fotonaponskih ćelija, dok pasivno
podrazumeva urbanističko planiranje,
primenu materijala, raspored prostorija
i ostakljenih ploha.
Iako su veliki potencijali solarne
energije mala su očekivanja. Razlozi
najpre leže u skupoj tehnologiji, ali
i potrebi obezbeđenja alternativnog
izvora zbog nestalnosti sunčevog
zračenja i ovisnosti o vremenu.
U tom smislu kombinacija malih
hidroelektrana i solarne energije
pojačava pouzdanost i neovisnost u
radu od drugih izvora energije.
Za razliku od aktivnog korištenja
solarne energije primenom pasivnog
korištenja solarne energije moguće je
mnogo povećati energetsku efikasnost i
uštedeti energije uz adekvatnu primenu
izolacionih materijala u stambenoj
gradnji, adekvatnim urbanističkim
planiranjem (raspored zgrada, ulica,
drveća) i primenom solarnih kolektora
za pripremu potrošne tople vode i
grejanje.
Za veću primenu pasivnog korištenja
solarne energije potrebno je u
potpunosti promeniti kulturu stambene
gradnje (slika 3.5.1), a postojeće
zakonske regulative prilagoditi istoj.
Danas se nažalost malo govori o
takozvanim samogrejnim ekološkim
kućama koje štede i do 85 % toplotne
energije i oko 30 % svetlosne energije.
U cilju procene potencijala solarne
energije neophodno je izvršiti merenje
insolacije u pojedinim gradovima.
Navedeni podaci predstavljaju osnovu
za izradu karte osunčanja i instaliranje
solarnih kolektora ili fotonaponskih
sistema.
3.6. Geotermalna energija
U EU i Svetu mnogo se ulaže u
istraživanje primene geotermalne
energije. U švedskom gradu Malmeu,
koji je proglašen ekološkim gradom,
instalirano je cca. dve hiljade
geotermalnih pumpi. Procenjeni
svetski potencijal je 35 milijardi puta
veći nego što su potrebe planete ali
se koristi samo dio do 5000 metara
dubine (L1).
U regiji JI Evrope je istraženost
potencijala geotermalne energije vrlo
mala. Postoje različiti, ali i ohrabrujući
podaci, koje je potrebno proveriti
istražnim bušotinama. Trenutno se
u regiji JI Evrope ova vrsta energije
uglavnom koristi za rekreativne i
balneološke potrebe.
3.7. Hidroenergija
Hidroenergija je najznačajniji
energetski izvor i jedini koji
je ekonomski konkurentan
konvencionalnim izvorima (fosilnim
gorivima). Zbog svog, manje štetnog
uticaja na okolinu pod termin
hidroenergije, kao obnovljivog
izvora, tretiraju se isključivo male
hidroelektrane.
Multifunkcionalnost, kao karakteristika
savremene tehnologije, znatno
pojeftinjuje cenu izvedbe projekta, ali
i povećava efikasnost rada objekta,
npr. mHE kao elektrane, ali i kao
ribnjaci, mlinovi, za sport i rekreaciju,
za vodoprivredu.... Stoga, odluku
za gradnju pojedinih objekata, pa i
onih čija je isplativost upitna, mogu
opredeliti neki drugi sadržaji ili
funkcije. Vode koje nepovratno ističu
iz ribnjaka mogli bi se npr. koristiti za
pogon hidroturbina.
Slika 3.5.1 Pasivno korištenje solarne energije
[008]
4. Preduslovi za primenu
obnovljivih izvora energije
Kako bi izgradile energetski sistem
u skladu sa principima energetske
strategije EU države JI Evrope bi
morale:
- Prilagoditi zakonsku regulativu koja
će promovisati obnovljive izvore i
zaštitu čovekove okoline.
- Formirati energetski sistem koji će
obezbediti održivu, konkurentnu i
sigurnu energiju.
- Definisati ili eventualno prilagoditi
postojeće energetske strategije.
Energetske strategije pojedinih
država morale bi se uklopiti u
regionalne, evropske i svetske
energetske trendove i tržišta.
- Naći šansu da kroz instaliranje novih
energetskih sistema (povećanje
energetskih kapaciteta, instaliranje
novih elektrana) poveća zaposlenost
(znatno smanji nezaposlenost).
- Razvijati istraživački rad u oblasti
energetike, posebno u korištenju
obnovljivih izvora energije.
- Otpočeti sa značajnijom
proizvodnjom energije iz obnovljivih
izvora a u skladu sa startegijom EU
(20 % energije iz obnovljivih izvora
do 2020. godine) (L11). Potrebno je
maksimalno iskoristiti potencijale iz
obnovljivih izvora poput energije iz
biomase, energije voda, energije vetra
i solarne energije.
- Sve kratkoročne mere moraju se
uklopiti u dugoročnu viziju razvoja
energetskog sektora.
- U koncept održivosti privrednog
razvoja moraju se uključiti sve mere
energetske politike, posebno vodeći
računa o okolini.
- Treba projektovati i podsticati
diverzifikaciju izvora i tehnologije
proizvodnje energije.
- Strateški podržavati efikasno
korištenje energije (pa i edukativno).
- Strateški podržavati korištenje
obnovljivih izvora energije.
- Strateški podržavati istraživanje i
razvoj čistih i efikasnih tehnologija.
- Uključiti se u evropske
demonstracijske projekte na području
novih tehnologija (vodikove
tehnologije, i dr.).
- Strategija treba u prvi plan staviti
interes društva - građana (kupaca).
- Razviti projekte edukacije
stanovništva posebno dečijeg uzrasta.
Pozicije dece i njihovo ponašanje
oblikuje se od mladog uzrasta i
samim tim je značajno i presudno
sa edukacijom početi upravo u tom
periodu. Inicijative obrazovanja
energija
mladih ljudi efektima korištenja
energije i idejama za smanjenje
potrošnje ima i trenutne i dugotrajne
benefite.
- Formirati ključne državne institucije
Ministarstvo za energetiku, Agenciju
za energiju, Institut za energiju i
Centar za energetsku efikasnost.
Od ključnog značaja za primenu
obnovljivih izvora jesu podsticajne
mere, jer cilj svakog investitora jeste
što brži povrat uloženih sredstava.
Jedan od načina, jeste uvođenje
carinskih pogodnosti i poreza na
korištenje konvencionalnih tehnologija
koje zagađuju okolinu.
Drugi način osiguranja potrebnih
sredstava je formiranje Fonda zaštite
okoline i energetske efikasnosti.
Na kraju, ključnu ulogu u realizaciji
navedenih mera i akcija treba da imaju:
- Javnost, građani i mediji
- Permanentni pristisak na državne i
ostale nivoe vlasti
- Kreatori lokalne energetske
inicijative i politike o energiji i
energetskoj efikasnosti (upravljanje
energijom-organizacija, kadrovi i
dr., budžet za energiju i energetsku
efikasnost) i aspektima okoliša
5. Rezultati istra`ivanja i
smernice za primenu
Trenutne tendencije u istraživanju
i razvoju u energetici pokazuju
da Evropa i Svet čine napore u
pronalaženju rešenja za obezbeđenje
deficita energije, ali i pronalaženju
rešenja problema globalnog
zagrijavanja planete Zemlje.
Ključno je pitanje, kako se države
JI Evrope mogu prilagoditi novim
tendencijama u energetici i kreirati
model energetskog sistema budućnosti,
koji će im omogućiti da iskoriste sve
benefite takvog modela.
Ono što je evidentno, jeste da su
nedovoljno istraženi potencijali za
primenu obnovljivih izvora energije.
Navedi samo primer primene
proizvodnje biogoriva u Bosni i
Hercegovini. Podatak, da je skoro
pola (45,76 %) oranica u ovoj državi
neobrađeno pokazuje da država
nema niti ideju niti instrumentarij
da razvije proizvodnju jestivih, a
kamoli energetskih kultura (L17).
Bosna i Hercegovina nema niti jedno
instalirano postrojenje za proizvodnju
biogoriva.
Primena solarne energije u državama
JI Evrope je praktično zanemarljiva
i uglavnom se svodi na primenu
solarnih kolektora u domaćinstvima
i ugostiteljskim objektima za potrebe
energija
zagrevanja i dobijanja tople vode.
Praktično, ne postoji planiranje
stanogradnje u smislu primene
pasivnog zračenja sunčeve energije.
Takođe, u praksi ne postoji primena
fotonaponskih ćelija za proizvodnju
električne energije.
U oblasti hidroenergije postoje
pionirski koraci u izgradnji protočnih
hidroelektrana za proizvodnju
električne energije. U tom smislu
postoji vrlo mala iskorištenost
hidroenergetskih potencijala.
U regiji JI Evrope se skoro uopšte
ne daje značaj dobijanju energije iz
otpada i selektivnom prikupljanju
otpada. Ovaj segment je važan ne samo
zbog mogućnosti dobijanja električne
i toplotne energije nego i štednje
energije, te propisnog zbrinjavanja
otpada i zaštite okoline.
Ne postoji dovoljna promocija i
edukacija građana, učenika i studenata
(društva uopšte) o primeni obnovljivih
izvora energije, energetskoj efikasnosti
i štednji energije.
Dakle u cilju popravljanja energetske
slike u regiji JI Evrope i stvaranja
uslova za brži ulazak u EU moraju
se učiniti veliki napori u razvoju
energetskog sektora.
Ključno je uspostaviti institucionalni
i zakonodavni okvir po uzoru EU i
zemalja u regiji. Ovo je važno kako
bi se brže implementirali ciljevi i
direktive EU u energetskom sektoru.
Vrlo je važno stvarati uslove za
liberalizaciju tržišta energije.
Države moraju stimulisati upotrebu
obnovljivih izvora kroz formiranje
vlastitog fonda te apliciranje projekata
u internacionalnim fondovima za
podsticanje upotrebe obnovljivih
izvora. Jačanje energetskog sektora
stimuliše ekonomiju, omogućuje
inostrana ulaganja, otvara nova radna
mjesta, razvija industriju i privredu
općenito, te time poboljšava standard
življenja građana.
Svoju šansu u upotrebi obnovljivih
izvora regija JI Evrope treba naći
prvenstveno u proizvodnji biogoriva i
hidroenergije, ali ne treba zanemariti
ni ostale vidove obnovljive energije
kao što je vetroenergija, energija
Sunca, geotermalna energija i energija
iz krutog otpada. Ovo je i logično,
obzirom da ovi energenti imaju veću
pouzdanost ili stepen raspoloživosti.
U nastojanju da se osigura
elektroenergetski sistem iz više
različitih izvora energije potrebno
je uskladiti potrebe i ekonomske
mogućnosti.
Rezultati istraživanja pokazuju da se
primenom tehnologija obnovljivih
[009]
izvora npr. samo u Bosni i Hercegovini
može otvoriti oko 500.000 novih
radnih mjesta (18).
Paralelno s tim, efekti korištenja
obnovljivih izvora energije ogledaju
se u novčanom benefitu, te uštedi
fosilnih rezervi i smanjenju emisije
stakleničkih plinova.
Rezultati pojedinih provedenih
istraživanja o potencijalima
obnovljivih izvora u regiji su prilično
potcenjeni.
Na kraju krajeva, neovisno sa koliko
potencijala obnovljivih izvora
se raspolaže, cilj bi trebao biti
maksimalno iskoristiti raspoložive
potencijale. Jer zapravo, nije bogata
država ili regija koja raspolaže sa
bogatim resursima, nego ona koja je u
stanju da iste koristi optimalno.
6. Zakljlu~ak
JI Evropi bi trebao biti imperativ
povećanje stepena primene
obnovljivih izvora energije u cilju
smanjenja energetske ovisnosti o
nafti i plinu.
z Uzmu li se u obzir svi benefiti kao
što su čuvanje ionako ograničenih
zaliha fosilnih goriva, smanjenje
ovisnosti o uvozu energije,
stimulisanje zapošljavanja i razvoja
privrede, pozitivan odnos prema
okolini, povećanje stepena korištenja
obnovljivih izvora energije ne samo
da je obaveza nego solucija koji
nema alternativu.
z Ispunjenje uslova, propisa i direktiva
EU u oblasti primene obnovljivih
izvora energije je važno ne samo
zbog ulaska država JI Evrope u EU,
nego pre svega zbog benefita koji
proizlaze iz jedne takve politike.
z Osigurati uslove za promovisanje
i razvoj obnovljivih izvora kroz
vladine podsticaje, ali i korištenjem
međunarodnih fondova. Onima koji
žele da grade obnovljive izvore
moraju se omogućiti povoljni krediti,
te osigurati obavezan otkup po
određenim premijama.
z Za primenu i veću afirmaciju
obnovljivih izvora od presudne je
važnosti uspostaviti zakonodavnopravni okvir, te izvršiti studije
izvodljivosti primene obnovljivih
izvora energije, neophodne za
provođenje reforme energetskog
sektora i popravljanje energetske
slike.
z Trenutna nekonkurentnost
obnovljivih izvora i konvencionalnih
izvora energije može se rešiti
odgovarajućim podsticajima za
one koji uvode obnovljive izvore
energije, te taksama za one koji
koriste fosilna goriva.
z
energija
Literatura
[1] Prof. Dr. sc. Mirsad Đonlagić,
Energija i okolina, Univerzitet u
Tuzli, 2005.god.
[2] G.Boyle, Bob Everet and
Janet Ramage, Energy systems
and Sustainability, (Oxford
University press., 2003. god)
[3] Godfrey Boyle, Renewable
Energy, (Oxford University press.,
2004. god)
[4] Faruk Muštović, Vjetroelektrane u
Bosni i Hercegovini
[5] Branimir Jovanović, Šumska
biomasa potencijalni izvor
obnovljivih izvora energije
[6] Donald Class, Biomass for
Renewable Energy, (Academic
press., 2005. godine)
[7] Strateški plan razvoja energetskog
sektora Federacije BiH, (Sarajevo
2005. godine)
[8] Analize energetskog sektora u BiH,
VTK BiH, Sarajevo 2007. godine
[9] Manifesto of the Green Hydrogen
Coalition for energy agenda for the
European Union in the 21st century
[10] Action Plan :¨Realising the
potential¨ (Communication from
the Commision 19 October 2006)
[11] Green Paper of the European
Commision: ” A European
strategy for the sustainable,
competitive and secure energy &
rdquo; (8 March 2006)
[12] Biomass Action plan (7 December
2005)
[13] Decision on guidelines for transEuropean energy networks (26
June 2003)
[14] Directive on the energy
performance on buildings (16
December 2002)
[15] Kyoto protocol (11 Dcember
2007)
[16] Contribution of the Unioncamere
on the Green paper of the CE
on the European strategy for
the energy trannsmitted to
Eurochambres
[17] Zbornik radova međunarodnog
naučnog skupa Obnovljive
energije i čista tehnologija
(International Tuzla Summer
University 02.-12.07.2007.
godine)
[18] Transkript sa konferencije i izbor
iz diskusije Energetska efikasnost
i obnovljivi izvori energije,
Sarajevo 2007. godin
D. @. Djurdjevi}, M. Jevti}
Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica
UDC:621.311.243 : 621.35
Fotonaponski uređaji
i sistemi – prošlost,
savremena tehnologija i
budući pravci razvoja
Rezime
U radu je dat pregled važnih smernica ukupnog stanja u oblasti solarne energije,
fotonaponskih ćelija i sistema za proizvodnju električne energije koji se sve više
koriste u svetu za proizvodnju čiste, obnovljive energije. S posebnom pažnjom
razmotren je uticaj tehnološkog napretka u oblasti proizvodnje fotonaponskih
ćelija i sistema, a sagledani su i budući pravci razvoja. Skoro 50 godina
intenzivnog istraživanja i usavršavanja u oblasti tehnologije fotonaponskih
ćelija, u najnovije vreme nagovestilo je mogućnost proizvodnje ovih uređaja sa
isplativom cenom. Tržište fotonaponskih uređaja i sistema u svetu stalno je raslo
u toku protekle decenije, da bi premašilo godišnju stopu rasta od 50%. Iako je
jasno da ima puno tehnoloških prepreka koje treba savladati, došlo se do zaključka
da su sniženje cena na osnovu tehnoloških poboljšanja, subvencije i ulaganja u
izgradnju fotonaponskih elektrana odlučujući faktori koji bi mogli da dobiju trku
sa drugim izvorima tradicionalne i obnovljive energije. Sagledane su prednosti, ali
i slabosti trenutnog stanja tehnologije i tržišta fotonaponskih uređaja. Korišćenje
sunčeve energije i fotonaponski sistemi su, u suštini, obrazovni problem,
od osnovnih škola do univerzitetskog nivoa, od politike upravljanja pravim
informacijama do profesionalne obuke. Cilj ovog rada je da se srpska energetska
i profesionalna javnost podstakne na dalja istraživanja u oblasti solarne energije i
da ukaže na potrebu obrazovanja i opšte informisanosti u ovoj oblasti.
Ključne reči: fotonaponski uređaji, obnovljiva energija, solarne ćelije i moduli,
nanotehnologija.
Photovoltaic Devices and System – Past, State of the Art and the
Future Trends
The purpose of this paper is to review some important guidelines related to the
photovoltaic solar cells and systems which are gaining world-wide acceptance
for producing clean, renewable electricity. The attention is given on the impact
of the recent technology progress and recently announced future trends in the
development of solar power systems and engineering. Nearly 50 years of research
in the semiconductor material photovoltaic science have resulted in promising
low-cost fabrication of photovoltaic cells in the very near future. During the last
decade, the growth of the world photovoltaic market have accelerated and overrun
a annual rate of 50%, approaching to the conclusion that significant progress
can only be expected by investments in grid-connected systems. The strengths and
weaknesses of the current state of technological and commercial activities are
reviewed. The future expectations and projections are commented as well, leading
to the conclusion that, amongst variety of current obstacles, only price reductions
due to technology improvements and expanding of grid connected photovoltaic
power stations could win the race with the traditional and particularly other
renewable sources of energy. Solar energy and photovoltaic are educational issues,
from general schools to university levels, from the true information policy to the
professional training. Thus, the objective of this paper is the contribution to the
Serbian professional and energy-producing community, with appeal for more
serious educational and informational treatment of solar photovoltaic power field.
Key words: photovoltaics, renewable energy, solar cells, solar modules,
nanotechnology.
[010]
energija
1. Uvod
Svi oblici energije koji su posledica
uticaja energije sunčevog zračenja
(solarne energije) spadaju u grupu
obnovljivih izvora energije, [1].
Evidentni nedostatak energije u
rastućoj svetskoj ekonomiji, kao
i sve češće i ozbiljnije energetske
krize, s kojima se čovečanstvo
suočava zadnjih deceniju-dve, naglo
je povećao interes za dobijanjem
električne energije direktnim
pretvaranjem (konverzijom) iz
energije sunčevog elektromagnetskog
zračenja. Do pre nekoliko godina
direktan način konverzije iz solarne
u električnu energiju bio je skoro na
eksperimentalnom, ili probnom, ili
fenomenološkom nivou, u senci drugih
mogućnosti koje poznaje i primenjuje
energetika. Zato ne čudi podatak da
je danas udeo ovog vida konverzije u
ukupnoj svetskoj proizvodnji energije
svega oko 0.1%. Svedoci smo naglog
porasta industrije solarnih uređaja u
zadnjih nekoliko godina, značajnog
pada cena na tržištu solarne energetske
tehnologije, briljantnih naučnih
otkrića u oblasti solarne tehnologije i
nanotehnologije, značajnih investicija,
kako u istraživačke projekte, tako
i u proizvodnju solarnih uređaja i
elektrana velike snage, donošenja
konvencija, direktiva i energetskih
politika na globalnom i na nivoima
država, koje preporučuju i stimulišu
ulaganja u razvoj i realizaciju
obnovljivih izvora, a posebno solarne
energije. Sve je to za kraći period od
jedne decenije potpuno promenilo
ne samo viziju buduće globalne
energetske stvarnosti, nego i tok
realnih aktivnosti, istraživanja, tržišta i
finansijskih ulaganja okrenutih sektoru
energetike, [2].
Energija koju nam, putem
elektromagnetskog zračenja, predaje
Sunce ogromna je i neiscrpna,
bezopasna, čista, dostupna svakoj
naciji i svakoj državi na svetu.
Ilustracije radi, navešćemo dva
primera, koji se često navode u
literaturi. Prvi, solarna elektrana
(sa solarnim uređajima današnje
tehnologije) postavljena na prostoru
pustinje Sahare podmirila bi u
potpunosti potrebe čovečanstva za
(električnom) energijom. I drugi, [3],
količina energije koju Sunce nedeljno
(za 7 dana) predaje teritoriji Rusije
veća je od energetske vrednosti svih
poznatih zaliha nafte, prirodnog
gasa, uglja i uranijuma kojima Rusija
raspolaže.
U principu, postoje dva osnovna
načina da se solarna energija pretvori u
energija
električnu. Jedan je da se solarna prvo
pretvori u toplotnu energiju, koja se
dalje konvertuje u mehaničku energiju
turbine koja proizvodi električnu
energiju. Drugi način, koji je i tema
ovog rada, je direktna - fotonaponska
konverzija solarne u električnu
energiju. Postoje i tzv. hibridni sistemi
koji koriste i kombinuju fotonaponski i
toplotni efekat solarnog zračenja.
Tehnologija poluprovodnika, koja
se razvija tek nešto više od 50
godina, izazvala je pravu revoluciju
u elektronici, informatici, optičkim
tehnologijama, a najverovatnije će
imati najvažniju ulogu u oblasti
proizvodnje električne energije iz
sunčevog zračenja korišćenjem
fotonaponskih solarnih sistema.
Nanonauka i nanotehnologija, koje
su u zadnjoj deceniji postale glavna
naučna i inženjerska disciplina koje
vode tehnološkom i ekonomskom
napretku, takođe mogu imati veliki
impakt na razvoj solarne energetike.
Ipak, i pored veoma obećavajućih
mogućnosti novih tehnologija,
potrebno je još puno istraživanja,
ulaganja i rada da bi se Sunce
”pokorilo“. Doduše, tako je bilo u svim
situacijama kada je trebalo zasnovati
i osvojiti novu energetsku bazu.
Kao primer mogu poslužiti enormna
ulaganja u tzv. nuklearnu energiju. Pa
ipak, i pored velikih ulaganja i truda,
danas se nema utisak da je nuklearna
energija rešenje. Iako je baš ovih
godina medijska ofanziva oko nastavka
ulaganja u nuklearnu energetiku,
pitanje je da li treba puno ulagati
u nešto što je skuplje u budućnosti
odbaciti i ukinuti, nego danas uvesti u
eksploataciju.
Iako je istorija istraživanja i upotrebe
solarnih fotonaponskih pretvarača
energije veoma kratka, već se mogu
razlikovati tri tehnološke generacije u
njihovom razvoju. Prva je zasnovana
na bazi poluprovodnog kristalnog
silicijuma i još uvek je u dominantnoj
upotrebi. Druga generacija je posledica
korišćenja naprednijih i složenijih
tehnika izrade solarnih uređaja
i predstavlja tehnologiju tankih
poluprovodnih slojeva (filmova) legura
silicijuma i lakih (lako-topljivih)
metala. Treću generaciju fotonaponskih
uređaja uvodi nanotehnologija, nudeći
čitav spektar novih materijala koji
se mogu koristiti kao fotonaponski
pretvarači, npr. polimeri, organski i
plastični materijali, itd.
Industrija i tržište fotonaponske
energetike pratili su brzi razvoj nauke
i tehnologije u ovoj oblasti. Svetsko
tržište fotonaponskih uređaja ubrzano
[011]
raste iz godine u godinu. S druge
strane, cena fotonaponskihih uređaja je
padala po godišnjoj stopi od oko 5%,
u toku protekle decenije. Predviđa se,
[2], da će se i pre kraja 2020. godine,
cena 1kWh-a energije proizvedenog
iz konvencionalnih izvora izjednačiti
sa cenom 1kWh-a energije dobijene
direktno iz sunčeve energije.
Pored dominantne tehnološke
dimenzije, solarna i fotonaponska
energetika, kao i celokupna energetika
obnovljivih izvora (u svetu, a i kod
nas), imaju i političku, obrazovnu,
dakle širu sociološku dimenziju.
Razvoj i primena nove tehnologije
zahtevaju ulaganja ne samo u naučnotehnološka istraživanja i projekte, već
i sveobuhvatnu akciju podizanja nivoa
znanja i obrazovanja u društvu. Ovaj
rad je i pisan s ciljem da se domaćoj
energetskoj i profesionalnoj javnosti
ukaže na potrebu obrazovanja i opšte
informisanosti u ovoj oblasti i da se
podstakne na istraživanja i ulaganja u
oblasti solarne energije i energetike.
2. Termalne i fotonaponske
solarne elektrane
Kod termalnih solarnih elektrana
(thermal solar power-plants) solarna
energija se prvo pretvora u toplotnu
(koncentratorima ili sistemom ogledala
koja prate položaj Sunca), dobijena
toplotna energija dalje se koristi
(slično kao u termo- ili nuklearnim
elektranama) za stvaranje vodene pare,
ili nekog drugog radnog fluida, koji
pokreće sistem turbina za stvaranje
električne energije. Radni fluid se
može zagrevati u žižama sistema npr.
paraboličnih ogledala, slika 1 desno,
ili u prijemnoj tački npr. na vrhu
posebnog tornja, slika 1 levo. Termalne
solarne elektrane su isplative samo
na geografskim lokacijama sa većim
intenzitetom sunčevog zračenja, npr. u
pustinjama. Još 90-tih godina prošlog
veka napravljene su u Kaliforniji,
USA, slika 1 desno, prve elektrane
sa lokalnim koncentratorima, ukupne
snage 354 MW, [2]. Države tropskog i
subtropskog pojasa i danas investitaju
u izgradnju ovog tipa elektrana, npr.
u Španiji je 2009. godine počela
sa radom najveća solarna termalna
elektrana s tornjem na svetu, snage 20
MW, slika 1 levo.
Za razliku od termalnih solarnih
elektrana, tzv. fotonaponske solarne
elektrane (photovoltaic solar powerplants) koriste fotonaponski efekat
stvaranja potencijalne razlike između
dva sloja, tj. dva kontakta, solarne
ćelije (solar cell) koje se, najčešće,
izrađuju u tehnici poluprovodnika,
energija
energija
Slika 1 Termalne solarne elektrane. Levo: s tornjem, Sevilja, Španija. Desno:
SEGS sistem s koncentratorima (prikazano je samo jedno paraboličnih
ogledalo u sistemu), Kalifornija, USA.
mesto u svetu zauzima Evropa (više od
1500 elektrana velike snage do kraja
2008.), dok u Aziji primat ima Južna
Koreja, u kojoj se nalazi trenutno
najveća (po snazi) fotonaponska
elektrana u Aziji, slika 3d. Kina
planira veliki prodor u oblast solarne
energetike i trenutno ulaže 1 milijardu
US$ u fotonaponsku elektranu u gradu
Ordosu, na površini od preko 60 km2, u
blizini granice sa Mongolijom, koja će,
kad budu završene sve 4 planirane faze
2019. godine, imati snagu od 2 GW,
slika 3e.
3. Faze razvoja fotonaponskih
ure|aja
a daju jednosmerni (DC) napon od
oko 1V na izlazu. Solarne ćelije
se redno i/ili paralelno grupišu u
solarne module, moduli u panele,
a paneli u tzv. solarna polja, Slika
2; na taj način postiže se povećanje
DC napona po modulu, odnosno
solarnom polju. Za uključivanje
fotonaponske solarne elektrane
u mrežu potrebno je DC energiju
pretvoriti u naizmeničnu (AC), a
za to se koriste (danas elektronski)
uređaji - inverteri. Razumljivo, samo
jedan deo incidentnog sunčevog
zračenja (svetlost je samo manji deo
celokupnog spektra sunčevog zračenja)
pretvori se direktno u DC energiju,
preostali deo se ili reflektuje ili pretvori
u toplotu. Postoje i tzv. hibridni sistemi
koji kombinuju fotonaponski i toplotni
efekat solarnog zračenja. Fotonaponske
solarne elektrane (sistemi), za razliku
od termalnih solarnih elektrana
(sistema), potpuno su bešumne, ne
iziskuju potrebu za masivnim i skupim
turbinama, termičkim elementima,
modularne su koncepcije (mogu se
proširivati uvek i po želji), ne traže
nikakav remont, uklapaju se estetski u
ambijenat, i skoro potpuno su ekološki
čiste.
Prema [4], do kraja 2008. godine
u svetu je bilo izgrađeno više od
1900 fotonaponskih elektrana sa
instalisanom snagom većom od 200
kWp (large-scale photovoltaic power
plants), što je ukupno više od 3.6
GWp. Indeks ”p“ uz jedinicu za snagu
označava vršnu snagu (peak-power) pri
nominalnim uslovima rada (sunčevog
zračenja) i uglavnom se odnosi na
iradijansu (površinsku gustinu snage
sunčevog zračenja) od 1000 W/m2.
Više od 750 ovih elektrana je u Španiji,
više od 500 u Nemačkoj, a više od 370
u USA. Samo u toku 2008. godine, u
svetu je projektovano i pušteno u rad
više od 1000 fotonaponskih elektrana
velike snage. Osim u već pomenutim
zemljama, veći broj fotonaponskih
elektrana velike snage pušten je u
rad u Belgiji (elektrane montirane
na krovovima) i Češkoj (elektrane
montirane na zemlji, slika 3c). Vodeće
Fotonaponski efekat (efekat
pretvaranja - konverzije
elektromagnetske energije sunčevog
zračenja u električnu energiju)
prvi je uočio i opisao Bekerel
(Edmond Becquerel)1839. godine,
eksperimentišući s baterijama
punjenim tečnim elektrolitom. Prve
eksperimente s fotoćelijama od
čvrstog materijala, izrađenog na
bazi selena (Se), izveli su Adams
(W.G. Adams) i Dej (R.E. Day) u
Londonu 1876. godine. Međutim,
sve do pojave poluprovodničkih,
silicijumskih fotonaponskih konvertora
(solarnih ili foto-ćelija, u literaturi na
engleskom jeziku odomaćen je izraz
”photovoltaic“ ili ”photovoltaics“ –
PV - ”solar cells“) 50-tih godina 20.
veka, efikasnost konverzije sunčeve
u električnu energiju (nadalje:
efikasnost) jedva da je prelazila 1%.
3.1. Prva generacija fotonaponskih
ure|aja
Stvarni razvoj PV-ćelija i sistema,
kakvim ih danas znamo, tj. razvoj tzv.
Slika 2 Fotonaponski (solarni) uređaji. Levo: Solarne ćelije, moduli, paneli i polja. Desno: Solarni HIT modul korporacije
Sanyo, nominalne snage 220-230 W; dimenzije modula: 861 x 1610 x 35 mm, težina modula: 16.5 kg; efikasnost
konverzije ćelije: 19.2%, modula: 16.6%
[012]
energija
energija
Slika 3 Fotonaponske solarne elektrane u svetu. (a) Lucainena de las Torres, Andalusia, Španija, 23.2 MWp; (b) Solarpark
Waldpolenz, Brandis, najveća PV-elektrana u Nemačkoj, 40 MWp; (c) Ostrožská Lhota, Češka, 2.25 MWp; (d) Sinan,
Južna Koreja, 10 MWp; (e) Ordos, Kina, planirana snaga 2 GWp; (f) Casas de los Pinos, Cuenca, Španija, 28 MWp.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
prve generacije PV-ćelija, započeo je
tek pre nešto više od 50 godina. Radeći
eksperimente sa poluprovodnicima
u Belovim Laboratorijama, USA,
Čapin (D.M. Chapin) i saradnicu
su 1954. godine, [5], proizveli prvi
fotonaponski pretvarač na bazi
silicijuma, koji je sadržao p-n spoj i
imao efikasnost od oko 6%. Ubrzo
je efikasnost povećana na oko 10% i
već 1958. godine PV-ćelije prvi put su
praktično i upotrebljene za napajanje
satelita lansiranih u Zemljinu orbitu:
sovjetskog Sputnika-3 i američkog
Vanguard-1, [3]. Početkom 60-tih
godina proizvedene su prve PV-ćelije
na bazi galijum-arsenida (GaAs),
koje su imale nižu efikasnost od
silicijumskih, ali su, za razliku
od njih, radile dobro i na većim
radnim temperaturama, a uskoro su
praktično i upotrebljene u projektima
ispitivanja sunčevog sistema (Venere
1965. i Meseca 1970., Lunohod-1 i
Lunohod-2). Teorijska efikasnost Si,
Ge i GaAs fotoćelija kreće se oko
[013]
43%. Inače, teorijski termodinamički
limit efikasnosti PV-pretvarača je oko
93% (Carnot-cycle efficiency), [3].
Silicijum nije idealan materijal za
PV-konverziju zbog relativno male
absorpcije sunčevog zračenja (zato
su izrađuju deblje Si-PV-ćelije),
tehnologija proizvodnje i obrade
čistog kristalnog Si je složena i
skupa, ipak i dan-danas je više
od 90% proizvodnje PV-uređaja
bazirano na mono- i polikristalnim
Si-PV-ćelijama, efikasnost modula
energija
je oko 15-16%. Treba istaći da je
efikasnost modula (grupe solarnih
ćelija) uvek manja od efikasnosti same
ćelije, zbog džulovih gubitaka pri
povezivanju ćelija (pogledati podatke
u zaglavlju slike 2). U zadnje vreme
kristalni Si se zamenjuje amorfnim
silicijumom (a-Si), koji je jeftiniji i
jednostavniji za proizvodnju, ali sa
bitno manjom efikasnošću ćelija od
oko 13% i modula od oko 8%. S druge
strane, prednosti Si leže u njegovim
neograničenim količinama u prirodi
(doduše sjedinjenog kao SiO2 i sl.),
inertnosti i dugotrajnosti.
3.2. Druga generacija fotonaponskih
ure|aja
Problemi vezani za proizvodnju,
obradu, ali i nestašicu kristalnog
Si, inicirali su istraživanja drugih
materijala i legura pogodnih za
primenu u PV-tehnologiji, uz
korišćenje već ispitanih struktura i
tehnika u fotonici, optoelektronici
i tehnologiji lasera. Sve do sredine
80-tih godina prošlog veka, PVćelije na bazi germanijuma (Ge), Si
i GaAs izrađivane su jednostavnim
tehnologijama obrade i mehaničkog
spajanja p i n poluprovodničkih
slojeva. Uporedo sa istraživanjem
osobina novih materijala i složeniji
tehnološki procesi ulaze i sferu izrade
PV-ćelija, a najviše oni koji su se
pokazali efikasnim u tehnologiji izrade
lasera. Kristalni Si i Ge zamenjuju
se amorfnim Si, legurama Ga, Se,
indijuma (In), kadmijuma (Cd),
telura (Te), antimona (Sb), i td., koji
spadaju u grupu lako topljivih, ali i
retkih metala, debljina Si-PV-ćelija
se smanjuje, i tako je, pre 20-tak
godina stvorena tzv. druga generacija
PV-ćelija u koju spadaju tankoslojne
PV-ćelije (”thin-film solar cells“) i
PV-ćelije izrađene spajanjem više p-n
spojeva od poluprovodnika različitih
provodnih karakteristika, debljina od
energija
svega nekoliko mikrometara (”heterojunction solar cells“, ”tandem solar
cells“). Današnji PV-uređaji iz druge
tehnološke generacije su složene
slojevite poluprovodne strukture,
kombinuju se i thin-film i heterojunction principi izrade, sve u cilju
povećanja efikasnosti, robusnosti,
inertnosti (dužeg veka trajanja), a
smanjenja cene na tržištu. Inače, za
PV-ćelije kaskadne strukture s puno
(nekoliko desetina poluprovodnih
slojeva) proračunata je teorijska
efikasnost je skoro 87%. U praksi je
to teško izvesti, proizvode se samo
2-kaskadne i 3-kaskadne strukture,
a dostignuta efikasnost 3-kaskadnih
ćelija od oko 41%, ali za sada one se
koriste samo za napajanje satelita.
PV-uređaji druge generacije su bitno
jeftiniji, otporniji su na povišenim
radnim temperaturama, mogu biti
transparentni, estetski i arhitektonski
su atraktivni.
Svega nekoliko novih materijala,
legura i struktura pokazalo je dobre
osobine za realnu PV-proizvodnju,
kao npr. CIS-tehnologija (Copper
Indium Diselenide), CIGS-tehnologija
(ternarna legura metala Cu(In,Ga)
(S,Se)2 ), kadmijum-telurid (CdTe),
aluminijum galijum arsenid (AlGaAsGaAs) za izradu kaskadnih ili
heteroslojnih PV-ćelija, [2,6,7], itd.
Značajniji prodor na tržište PV-uređaja
i sistema, zasada je imala samo CdTetehnologija, sa efikasnošću ćelija
od skoro 16.5%, a modula od oko
11%. U CdTe-tehnologiji urađena je
i najveća PV-elektrana u Nemačkoj
Solarpark Waldpolenz, Slika 3b, a
cena investicije je bila svega nešto
više od 3 Eur/W, što je najniža cena
PV-elektrane. Osim ove, u Nemaškoj
radi još nekoliko CdTe-PV-elektrana,
kao npr. Köthen, snage 14.75 MWp,
Helmeringen 10 MWp, Eckolstädt
i Trier po 8.5 MWp, itd., u USA
Boulder city snage 12 MWp. Najveća
PV-elektrana u Kini, Ordos, takođe
se radi u CdTe-tehnologiji. Američka
kompanija First Solar je krajem
2009. godine potpisala ugovor sa
Kinom za realizaciju ovog projekta,
uz obavezu recikliranja upotrebljenih
CdTe-modula u budućnosti. Naime,
slaba strana CdTe-PV-tehnologije je,
uz nedostatak retkog metala telura, i
toksičnost kadmijuma (svaki solarni
panel sadrži 7-9 grama kadmijuma),
mada je legura kadmijuma i telura
stabilna i inertna.
3.3. Tre}a generacija fotonaponskih
ure|aja
Nanonauka i nanotehnologija uvode
tzv. treću generaciju PV-ćelija i
uređaja, [6]. Određeni nano-materijali
pokazuju poluprovodne karakteristike
i mogu apsorbovati sunčevo zračenje,
iako nisu izrađeni ni od Si, ni od
lakih metala. To su polimeri, organski
i plastični materijali, razni nanorastvori i elektroliti, itd. Efikasnost
konverzije PV-uređaja treće generacije
je za sada mala (oko 5% za organske
solarne ćelije i oko 11% za tzv.
dye-sensitized ili Gratzel solarne
ćelije). Ali zato, tehnologija njihove
proizvodnje je puno jednostavnija
od proizvodnje čistog kristalnog Si,
bez upotrebe visokih temperatura i
skupih vakuum-aparata i alata. To ima
za posledicu da im je cena na tržištu
nekoliko puta manja od PV-uređaja
1. i 2. generacije. Iako se do danas
realizovani PV-uređaji 3. generacije
koriste samo za manje snage i lokalne
potrošače, ozbiljna predviđanja kažu
da je samo pitanje vremena kada će
organski, plastični, fleksibilni PVuređaji (nanotehnološki opremljeni
quantum-dot i quantum-nanowires i
sl. receptorima svetlosti) u potpunosti
postati konkurentni standardnim
PV-uređajima 1. i 2. generacije.
Nanotehnologija gotovo svakodnevno
Slika 4 Treća generacija fotonaponskih uređaja. Levo: Uvećani blok solarne ćelije sa 3D poluprovodnim ”nano-antenicama“
za absorpciju svetlosti; Desno: Fleksibilni solarni modul
[014]
energija
daje nove ideje i poboljšanja, kao što
je 3-dimenziona PV-ćelija, slika 4 levo,
ili potpuno fleksibilne PV-folije, slika 4
desno, koje se mogu postaviti na skoro
svim mestima, a nije im potrebno
direktno sunčevo zračenje, dovoljno
je i difuziono svetlo u zatvorenom
prostoru da bi proizvele elektricitet.
5. Fotonaponski sistemi u
budu}nosti
Razvoj PV-tehnologije i sistema
odvija se u više pravaca: povećanje
efikasnosti PV-solarnih ćelija i modula,
poboljšanje stepena iskorišćenja i rada
DC/AC invertera, kao i usavršavanje
i optimizacija PV-sistema. Efikasnost
konverzije današnjih Si-PV-ćelija je
oko 20%, efikasnost PV-modula je
nešto niža, a pretpostavljeno praktično
vreme eksploatacije je negde oko 50
godina. Većina proizvođača PV-uređaja
daje garancije 10/90 i 25/80, što znači
da će PV-uređaj raditi minimalno 10
godina sa iznad 90% nominalne snage
i 25 godina iznad 80%.
Efikasnost PV-ćelija poboljšava se,
praktično, iz dana u dan. Instituti
i laboratorije vodećih svetskih
Univerziteta i korporacija za
proizvodnju PV-uređaja kao da se
takmiče sve kvalitetnijim i efikasnijim
proizvodima, boreći se za sve
konkurentnije tržište. Kao primer
navodimo najnovije informacije iz
Mitsubishi Electric Corporation,
[8], koja je upravo objavila je da je
za manje od godinu dana poboljšala
sopstveni svetski rekord efikasnosti
svojih polikristalnih Si-PV-ćelija sa
19,1% na 19.3%, dimenzije ćelija su
15 cm x 15 cm x 200 mikrometara.
Ista korporacija je, takođe, poboljšala
svetski rekord efikasnosti svojih
PV-ćelija u tehnologiji silicijumskih
ultra-tankih-filmova sa 17,4% na
18.1%, [8], dimenzije ovih ćelija su
15 cm x 15 cm x 100 mikrometara.
Oba rekorda u efikasnosti PV-ćelija
verifikovana su od strane japanskog
nacionalnog instituta za tehnologiju,
AIST. Mitsubishi korporacija
ponudila je tržištu i PV-inverter sa
najsavremenijim MPPT sistemom
(maximum power-point tracking
system), [9], koji omogućava
maximalnu snagu na izlazu invertera,
čak i u slučajevima kada je deo PVpolja prekriven senkom ili nečistoćom.
U poređenju sa dosadašnjom MPPT
regulacijom, novim sistemom postiže
se povećanje izlazne snage, u kritičnim
slučajevima eksploatacije, i za više od
100%.
Iskustva u razvoju PV-ćelija govore
da su sva poboljšanja pratila napredak
energija
u tehnologiji lasera, poluprovodnika
i elektronike, a da su svi novi PVuređaji primenu našli najpre u
kosmičkim istraživanjima, kod
telekomunikacionih i vojnih satelita.
Efikasnost PV-ćelija i modula daleko je
veća pri eksploataciji u kosmosu, nego
na površi Zemlje (oko 8 puta veća),
jer nema absorpcije i difuzije svetlosti
u atmosferi, a obasjanost je skoro
celodnevna. Postoji stara, ali uvek
prisutna, ideja o budućoj izgradnji PVelektrana u kosmosu (orbiti Zemlje),
koje bi proizvedenu električnu energiju
putem mikrotalasnog ili laserskog
snopa (”beam“-a) bila poslata na površ
Zemlje, [2,3].
Jedna od ideja za poboljšanje
efikasnosti konverzije PV-ćelija je
koncentracija sunčeve radijacije,
koja bi prethodila PV-konverziji.
Koncentracija se postiže upotrebom
klasičnih staklenih sočiva, Frenelovih
sočiva (Fresnel lenses) i optičkih
difrakcionih rešetki i reflektora; danas
se postiže faktor koncentracije od
nekoliko stotina puta, a istraživanja
idu u smeru postizanja faktora
koncentracije većeg od 1000.
Dimenzije i troškovi izrade same
PV-ćelije se smanjuju, a efikasnost
bitno povećava, nažalost cena je
zasada prilično visoka. Prema nekim
predviđanjima, prva i druga generacija
PV-ćelija (kristalne silicijumske i
višeslojne PV-ćelije) koristiće se
za solarne elektrane male snage
u budućem decentralizovanom
energetskom sistemu i za ostrvski
režim rada, dok integrisani
koncentratorski PV-moduli (sočiva
i ćelije u istom strukturnom bloku)
verovatno predstavljaju buduće
najisplativije rešenje za upotrebu
u solarnim PV-elektranama velike
snage. U sklopu koncentratorskih
izvode se i pokretni solarni sistemi za
praćenje položaja Sunca (Sun tracking
solar systems). Izrada i ugradnja
ovakvih sistema zahteva dodatnu
opremu (motori, elektronski uređaji,
konstrukcije), međutim, efikasnost
celog sistema povećava se za 30-40%,
što kompenzuje dodatne troškove i čini
ove sisteme isplativim.
Nedostatak sunčeve energije je što
nam električna energija najviše treba
kada Sunca ima najmanje – noću i
zimi. Problem skladištenja električne
energije proizvedene iz sunčeve
energije je, sigurno, jedan od najvećih
tehnoloških izazova današnjice. Izrada
i proizvodnja baterijskih elemenata,
koji bi omogućili skladištenje,
distribuciju i upotrebu energije
dobijene iz Sunca na tehnološki što
[015]
jednostavniji, ekološki što čistiji i,
najzad, ekonomski isplativ način,
tema je istraživanja mnogih vodećih
instituta i skupih projekata u svetu.
Mnogi naučnici predviđaju u skoroj
budućnosti tzv. ”Hidrogensku
ekonomiju i energetiku“. Naime, ideje i
istraživanja, a već i ozbiljne aplikacije,
idu u smeru proizvodnje vodonika
(Hydrogen) iz vode, korišćenjem
energije obnovljivih izvora,
npr. energije sunčevog zračenja.
Proizvedeni vodonik hemijskim
procesom se može učiniti inertnim i u
tečnom inertnom obliku transportovati
(cevima poput današnjih gasovoda, u
bocama, i sl.) do potrošača (elektrane
za proizvodnju električne energije,
automobili, i td.), gde se posredstvom
gorivnih ćelija (fuel-cells), opet
dobija vodonik čijim se sagorevanjem
dobija toplotna, električna ili neki
drugi vid energije, a nus-produkt je
hemijski potpuno inertna i čista voda.
Izgleda da nanotehnologije obećava
najviše pri rešavanju ovog, ne više
tako utopističkog scenarija. Najnovija
otkrića u sferi nanotehnologije nude
odlična rešenja kako za proizvodnju,
tako i za skladištenje, distribuciju i
sagorevanje vodonika u gorivnim
ćelijama. Iako su ova rešenja još uvek
u fazi ispitivanja, veoma je verovatno
da je energetsko-tehnološki lanac:
sunčeva energija – vodonik – gorivne
ćelije – električna energija, jedan od
najizvesnijih za budućnost.
Osim hidrogenske strategije, postoje i
druge interesantne ideje za rešavanje
problema zavisnosti pretvaranja
sunčeve u električnu energiju od doba
dana, kao i za skladištenje proizvedene
električne energije, a neki predlozi
čak nude i generalno rešenje problema
energije na bazi solarne energije.
Strebkov, [3], je predložio izgradnju
globalnog sistema solarnih elektrana,
koji bi proizvodio dovoljno električne
energije, hidrogena i toplote svim
potrošačima na Zemlji 24 sati dnevno
sledećih milion godina. Predloženi
globalni energetski sistem sastojao bi
se od tri solarne elektrane snage od po
2.5 TW i površine 210 x 210 km, koje
bi bile izgrađene u Australiji, Africi i
Severnoj Americi u Meksiku, sve tri
elektrane u pustinjskim i nenaseljenim
teritorijama, a za transkontinentalni
prenos proizvedene električne energije
predložen je rezonantni visokofrekventni prenosni talasovod, koji je
Nikola Tesla osmislio i patentirao još
davne 1897. godine, princip prenosa
popularno poznat široj javnosti kao
Teslin bezžični prenos energije. Inače,
interesovanje za Tesline ideje tzv.
bezžičnog prenosa energije naglo
energija
je poraslo zadnjih nekoliko godina,
sa realnim izgledima da se uskoro i
realizuju na makro planu, pogledati na
primer [10,11].
6. Kratak osvrt na tr`i{te
fotonaponskih ure|aja
Tržište solarnih uređaja u svetu ima
tendenciju ubrzanog rasta, sredinom
protekle decenije stopa godišnjeg
rasta premašila je 50%, a 2008.
godine oko 100%, uz oko 3000
MWp ukupne snage proizvedenih
PV-uređaja na godišnjem nivou, što
odgovara tržišnoj vrednosti od preko
5 milijardi US$ godišnje. Međutim,
globalna ekonomska kriza uticala
je protekle dve godine i na tržište
PV-uređaja, bitno usporivši rast,
mnoge PV-kompanije su jednostavno
nestale, a druge su snižavale cene
proizvedenih PV-uređaja da bi samo
opstale. Cena solarnih PV-uređaja na
svetskom tržištu pada po prosečnoj
godišnjoj stopi od oko 5%. Predviđanja
su da će u narednih par godina cene
padati i po većoj stopi, zahvaljujući
stalnim tehnološkim inovacijama i sve
jačoj konkurenciji na tržištu, a neki
analitičari nagoveštavaju godišnji nivo
obaranja cena PV-uređaja i od 20%
i 30%. Ovakav trend stalnog razvoja
tehnologije i konstantnog pojeftinjenja
opreme za PV-energetiku, a s druge
strane rast cena tradicionalnih fosilnih
energenata i električne energije u
svim zemljama širom sveta, daju
nam za pravo da možemo očekivati
izjednačavanje cena 1kWh-a energije
proizvedenih iz konvencionalnih
izvora i direktno iz sunčeve energije i
pre 2020. godine, [2].
Glavni razlog sporog padanje cena
na tržištu PV-energetike je, sigurno,
činjenica da se i dalje više od 95%
PV-uređaja izrađuje u tehnologiji
silicijuma, monokristalnog,
polikristalnog, amorfnog i u
drugim vidovima. Zahtev za
čistim silicijumom, skupa obrada i
oprema i zavisnost od elektronske
poluprovodničke industrije, faktori
su koji određuju i dalje visoke cene
PV-uređaja. Korišćenje predložene
chlorine-free tehnologije proizvodnje
silicijuma, [3,6], povećanje
efikasnosti konverzije solarnih ćelija,
povećanje dimenzija solarnih modula,
dizajniranje hibridnih PV-sistema,
konkurentnost praktičnih rešenja koja
bi ponudila nanotehnologija kroz 3.
generaciji PV-uređaja – mogući su
putevi koji bi u zajedničkoj sinergiji
doveli do osetnog sniženja cena na
svetskom tržištu.
U Republici Srbiji tržište PV-uređaja
energija
je slabo razvijeno i preskupo,
proizvodnja PV-uređaja ne postoji,
ulaganja u istraživanja u ovoj oblasti
su zanemarljiva, PV-sistemi su samo
sporadični slučajevi bazirani na
ličnom entuzijazmu,... Šta raditi u
takvoj situaciji? Početi, možda, od
obrazovanja i podizanja nivoa opšte
informisanosti?
7. Problem obrazovanja i
informisanosti
Značajni faktori koji određuju ukupno
stanje i perspektivu razvoja solarne
energetike su globalna energetska
politika svetske zajednice, kao i
državna politika razvoja i ulaganja
u energetiku i obnovljive izvore
energije, a posebno u solarnu energiju.
Zabrinutost zbog sve većeg zagađenja
planete, koje je direktna posledica
sagorevanja tradicionalnih fosilnih
energenata (uglja, nafte i njenih
derivata), dovela je do konkretnih
globalnih akcija (Kjoto protokol),
regionalne preporuke (preporuke
i direktive EU), sa ciljem da se
preduprede crne prognoze za našu
planetu, te da se što pre odlučno
krene u savladavanje tehnologija
za eksploataciju obnovljivih i čistih
izvora energije. Republika Srbija
aktivno prati trendove sveta u
ovoj oblasti, potpisnica je više EU
energetskih direktiva (2001/77/EC,
2003/30/EC, 2009/28/EC), član je
IRENA-e (International Renewable
Energy Agency), [12], potspešuje
ulaganja u proizvodnju obnovljive
energije, uvodi i koriguje FIT (Feed-In
Tariffs) mere podsticaja, [13], izdvaja
sredstva za istraživanja, itd.
Ipak, da bi se uspešno ovladalo
bilo kojom novom tehnologijom,
potrebna su prvenstveno ulaganja
u obrazovanje. Specifičnost i
multidisciplinarnost solarne energetike
zahtevaju široku akciju obrazovnih
institucija na svim nivoima, od
osnovnih škola do Univerziteta, ali i
podizanje opšte informisanosti u ovoj
oblasti putem medija, jer neznanje i
neinformisanost, po pravilu, koštaju
više i od najskuplje tehnologije.
Zato, iako na kraju, informisanost i
obrazovanje su, možda, faktori kojima
je danas mesto na početku priče o
solarnoj energiji. Pravi početak priče bi
trebalo da bude u osnovnim školama,
a nastavak kroz konstantnu edukaciju i
osavremenjivanje studijskih programa
na Univerzitetima, i najzad kroz
primenu stečenih znanja i ideja u
budućnosti koju će, skoro izvesno,
bitno obeležiti primena i korišćenje
solarne energije.
[016]
Zaklju~ak
Sunce je ogroman i nepresušan izvor
energije koja je svima dostupna.
Ako nauka i tehnologija u potpunosti
ovladaju korišćenjem solarne energije
i njenim efikasnim i ekonomski
isplativim pretvaranjem u električnu
energiju, čovečanstvo i planeta Zemlja
neće osetiti posledice globalnog
zagađenja i nestašice fosilnih
energenata u budućnosti. Fotonaponski
pretvarači solarne u električnu energiju
su, verovatno, najbrži i najčistiji put
rešavanja ovih problema.
Literatura
[1] A. V. Da Rosa, Fundamentals of
Renewable Energy Processes, 2nd
edition, Academic Press, Elsevier
Inc., 2009.
[2] A. Goetzberger and V. U.
Hoffmann, Photovoltaic Solar
Energy Generation, Springer,
2005.
[3 D.S. Strebkov, “The Role of Solar
Energy in the Power Engineering
of the Future”, Thermal
Engineering, Vol. 53, No. 3, pp
224-230, 2006.
[4] D. Lenardič, Large-Scale
Photovoltaic Power Plants,
Annual Review 2008, Free
Edition,www.pvresources.com,
Published in May, 2009.
[5] D.M. Chapin, C.S. Fueller, and
G.L. Pearson, J. Appl. Phys., Vol.
25, p. 676, 1954.
[6] Zh. I. Alferov, V. M. Andreev,
and V.D. Rumyantsev, “Solar
Photovoltaics: Trends and
Prospects”, Semiconductors, Vol.
38, No. 8, pp. 899-908, 2004.
[7] M. A. Green, “Thin-film solar
cells: review of materials,
technologies and commercial
status”, J. Mater Sci: Mater
Electron, Vol. 18, pp. 15-19, 2007.
[8] “Mitsubishi Electric Sets Two
World Records in Solar Cell
Conversion Efficiency”, In:
Energy Weekly News, Atlanta,
USA, p. 320, March, 2010.
[9] “Mitsubishi Electric Develops
New Photovoltaic Inverter
Technology to Maximize Solar
Power Output”, In: Electronics
Business Journal, Atlanta, USA,
p. 54, March, 2010.
[10] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt,
J.D. Joannopoulos, P. Fisher and
energija
M. Soljačić, ”Wireless power
transfer via strongly coupled
magnetic resonances“, Science,
Vol. 317, pp. 83-86, July 2007.
[11] A. Karalis, J.D. Joannopoulos and
M. Soljačić, ”Efficient wireless
non-radiative mid-range energy
transfer“, Annals of Physics, Vol.
323, pp. 34-48, 2008.
[12] Memorandum for the
Establishment of an International
Renewable Energy Agency
(IRENA), http://www.irena.org/
irena.htm, 2009.
[13] UREDBA o merama podsticaja
za proizvodnju električne
energije korišćenjem obnovljivih
izvora energije i kombinovanom
proizvodnjom električne i toplotne
energije, Vlada Republike Srbije,
http://www. energetika.gov.rs/,
December 2009.
Miloje \edovi}, dipl.el.in`.
ABS MINEL Inženjering
Iva Aleksi}, student ETF
Mr @eljko \uri{i}, dipl.el.in`. asistent ETF
UDC:620.92 : 621.311.243.001/.004
Analiza iskorišćenja mrežno
povezanih fotonaponskih
sistema u Srbiji
Rezime
U radu su dati osnovni elementi projektovanja mrežno povezanih fotonaponskih
sistema i prikazan matematički model za procenu njihovog godišnjeg faktora
iskorišćenja kapaciteta. Na osnovu namenskih jednogodišnjih merenja solarne
iradijacije izvršena je analiza energetskog učinka jednog solarnog sistema
instalisane snage 1 MWp na lokaciji u blizini Negotina. Izvršen je proračun
ukupne očekivane proizvodnje električne energije test sistema uz uvažavanje
temperaturnih korekcija efikasnosti modula, kao i dodatnih gubitaka.
Analizirane su tipične dnevne i sezonske varijacije solarnog potencijala i
njihova kompatibilnost sa dnevnim i sezonskim dijagramima potrošnje električne
energije.
Ključne reči: obnovljivi izvori energije, solarni resursi, fotonaponski modul.
Abstract
In this paper, main elements of design of network connected photovoltaic systems
are given. Also, the mathematical model for estimation of their annual efficiency
is shown. Based upon the measurements of solar irradiation during the period of
one year, an analysis of performance of a solar system with 1 MWp of installed
power located in Negotin, is made. The total expected electric energy production
of a test system is calculated, with respect to temperature corrections of module’s
efficiency, as well as additional losses. Typical daily and seasonal variation of
solar potential and their compatibility with daily and seasonal consumption
diagrams has been analysed.
Key words: Renewable energy sources, photovoltaic module.
1. Uvod
1.1 Princip fotonaponske konverzije
Narastajuće potrebe za energijom
sve brojnije ljudske populacije i sve
intenzivnija eksploatacija oskudnih
rezervi fosilnih goriva, kao i upotreba
nuklearne energije, dovele su do toga
da se čovečanstvo danas suočava
sa veoma ozbiljnim problemima
zagađenja životne sredine i globalnih
klimatskih promena, što ugrožava
opstanak celokupnog zivog sveta
na Zemlji. Način da se izbegne
ovakav scenario jeste široka primena
obnovljivih izvora energije.
Energija Sunca se može direktno
pretvarati u električnu pomoću
solarnih (fotonaponskih) ćelija,
odnosno modula i panela. Ovaj princip
dobijanja električne energije se naziva
fotonaponska konverzija. Materijal
koji ima sposobnost da energiju fotona
svetlosti petvori u električni napon
i struju naziva se fotovoltaik. Kada
foton dovoljno velike energije padne
na povšinu fotovoltaika, on je može
predati valentnom elektronu (Valentni
elektroni se nalaze na poslednjem
[017]
energija
energija
energetskom nivou atoma elementa,
najudaljeniji su od jezgra atoma i
potrebno im je dovesti najmanje
energije da napuste atom i pređu u
slobodnu provodnu zonu), nakon čega
on prelazi u provodnu zonu i pod
uticajem električnog polja se može
kretati, pa se tako formira električna
struja.
Kao fotovoltaici se koriste
poluprovodnički materijali. Kod
poluprovodnika pored elektrona,
kao nosioca naelektrisanja, javljaju
se i pozitivno naelektrisane
šupljine koje ustvari predstavljaju
upražnjena elektronska mesta, kada
elektron napusti atom. Kod čistih
poluprovodnika koji imaju četiri
valentna elektrona, postoji problem,
jer se slobodan elektron vrlo lako
može rekombinovati sa šupljinom,
što dovodi do nestanka nosioca
naelektrisanja. Potrebno je neko
električno polje koje će izazvati
usmereno kretanje nosioca. Ovo polje
stvaramo tako sto četvorovalentni
poluprovodnik dopiramo sa jedne
strane trovalentnim atomima
(akceptorima), koji prihvataju
jedan elektron valentne zone,
ostavljajući za sobom pozitivno
naelektrisanu šupljinu, pa su u ovom
delu poluprovodnika glavni nosioci
šupljie i to je poluprovodnik P-tipa.
Sa suprotne strane poluprovodnik
dopiramo petovalentnim atomima
(donorima), koji predaju jedan
elektron atomima poluprovodnika
i stvaraju višak elektrona, pa su u
ovom delu poluprovodnika glavni
nosioci naelektrisanja elektroni i
to je poluprovodnik N-tipa. Stoga,
fotonaponska ćelija, koja predstavlja
osnovnu jedinicu konverzije energije
Sunca u električnu, nije ništa
drugo nego poluprovodnička dioda
posebne konstukcije. Ona se sastoji
od tankog sloja poluprovodnika
N-tipa i debljeg sloja poluprovodnika
P-tipa koji obrazuju PNspoj. Na spoju dolazi do
Slika 1 Princip fotonaponske konverzije
rekombinacije elektrona
i šupljina i do stvaranja
oblasti prostornog tovara,
u kojoj vlada unutrašnje
električno polje koje
sprečava njihovu dalju
rekombinaciju. Upravo ovo
polje dovodi do proticanja
struje pri fotonaponskoj
konverziji. Poluprovodnik
N tipa je jako tanak i
providan, tako da svetlosni
zraci prodiru kroz njega i
padaju na kontaktni spoj
sa poluprovodnikom P
tipa, pri čemu energija
fotona formira nosioce
naelektrisanja,
koji se gonjeni
Slika 2 Primer mrežno povezanog fotonaponskog sistema
električnim poljem
oblasti prostornog
tovara, kreću
prema metalnim
kontaktima na
krajevima ćelije.
Kroz spoljašnje
kolo se mogu
kretati samo
elektroni, koji
se rekombinuju
sa šupljinama
pri dolasku na P
stranu.
Snaga koju
proizvodi
jedna ćelija je
relativno mala,
pa se u praksi one
povezuju u grupu
čime se formira
[018]
fotonaponski modul. Radi dobijanja
još većih snaga više fotonaponskih
modula se povezuju međusobno. Tako
se formiraju fotonaponski paneli.
1.2 Fotonaponski sistemi
Fotonaponski sistemi mogu raditi kao
samostalni ili kao mrežno povezani.
Samostalni fotonaponski sistemi su
odvojeni od elektrodistributivne mreže
i sva energija se generiše lokalno
u solarnim modulima. Mogu biti
ili autonomni ili hibridni. Hibridni
sistemi kombinuju fotonaponske
sisteme sa jednim ili više izvora
električne energije kao što su turbine
na vetar ili mali hidrogeneratori koji
služe kao rezervni izvor energije. Ovi
sistemi se uglavnom primenjuju u
udaljenim sredinama što omogućava
pouzdano snabdevanje električnom
energijom. Ovakvo distribuirano
generisanje energije štedi prenosne
kapacitete mreže i omogućava njenu
decentralizaciju.
Fotonaponski sistemi povezani sa
elektrodistributivnom mrežom rade
paralelno sa njom i isporučuju višak
električne energije i napajaju potrošače
na lokaciji samog sistema. Takođe
koriste distributivnu mrežu kao
rezervni izvor energije.
Fotonaponski moduli se postavljaju na
specijalne potporne strukture, mada se
sve veći broj fotonaponskih sistema
postavlja na zgrade na kojima se
krov, fasada i ostali delovi građevine
koriste kao instalacione površine, pa
ne zahtevaju dodatno zemljište i mogu
se koristiti u gusto naseljenim urbanim
sredinama. Pored ovoga, fotonaponski
sistemi ne zagađuju okolinu i ne prave
buku a izvor energije je besplatan
i praktično neiscrpan. Obezbeđuju
struju u toku najveće potražnje i na
taj način smanjuju opterećenje mreže
(u zgradama sa mnogo klima uređaja
dnevni maksimum potrošnje poklapa
se sa maksimalnom snagom zračenja
Sunca tako da fotonaponski sistem
generiše maksimalnu snagu baš kada je
to najpotrebnije i obara vrh potrošnje
u distributivnoj mreži). Pored svega
ovoga fotonaposki sistemi su i veoma
dugovečni. Njihov radni vek, naime,
iznosi trideset i više godina uz veoma
malu verovatnoću otkazivanja što ih
čini veoma pouzdanim.
Glavni nedostaci fotonaponskih
sistema su zavisnost od Sunca (u
toku noći nemamo proizvodnju, pri
povećanoj oblačnosti ona je smanjena),
kao i visoka cena električne energije
u odnosu na cenu električne energije
dobijene iz fosilnih goriva. Ovaj
problem je sve manje izražen zbog
energija
posebnih povlašćenih cena za ekološki
čistu proizvodnju električne energije
koje države propisuju, kao podsticaj za
korišćenje Obnovljivih izvora energije,
ali ne zaboravimo i sve brži razvoj
tehnologije za proizvodnju komponenti
fotonaponskih sistema.
2. Metode prora~una
iskori{}enja fotonaponskih
sistema
Jedan od osnovih pokazatelja
iskorišćenja sistema je faktor
iskorišćenja kapaciteta:
Gde je broj sati zenita sunca brojno
jednak dnevnoj insolaciji u kWh.
On govori koliko bi sati trebalo da
imamo intenzitet zračenja od jednog
sunca (1sunce=1kW/m2), pa da ukupna
dnevna insolacija (energija sunčevog
zračenja) bude jednaka vrednosti koju
imamo pri realnim uslovima.
Energija predata panelu od strane
sunčevih zraka u fotonaponskoj
konverziji zavisi od ugla incidencije.
To je ugao između pravca sunčevih
zraka i normale na površinu panela
(slika 3).
Za ugao incidencije važi sledeći izraz:
gde je:
energija
β – ugao elevacije sunca na horizontu
φs - ugao azimuta sunca na horizontu
φc - ugao azimuta panela
Σ – ugao nagiba panela
Za uglove elevacije i azimuta Sunca
možemo napisati:
gde je:
n – redni broj dana u godini
ugao deklinacije (ugao između prave
koja povezuje centre Sunca i Zemlje i
njene projekcije na ravan ekvatora)
satni ugao, tj. ugao za koji Zemlja
treba još da rotira da bi dostigla
solarno podne na posmatranoj lokaciji,
imajući u vidu da rotira brzinom od
365/24=15° po satu
L – latitudni ugao (geografska širina
lokacije)
Pošto se za ugao azimuta Sunca,
primenom izraza (1), ne može dobiti
vrednost veća od 90° ni manja od -90°,
a takve vrednosti se u praksi javljaju,
potrebno je izvršiti proveru:
Slika 3 Ugao incidencije
U cilju maksimalnog iskorišćenja
energije sunčevog zračenja možemo
primeniti različite metode za
orijentaciju panela u odnosu na položaj
Sunca na horizontu. Jedan od načina
za to bio bi pravljenje mehanizma za
praćenje sunca koji bi panel postavljao
tako da ugao incidencije bude 0
Slika 4 Orijentacija panela
[019]
(praćenje po dve ose), ili najmanji
mogući (kod praćenja po jednoj osi).
Iako bi ovaj metod obezbedio najbolje
iskorišćenje, njegova primena znatno
usložnjava proces projektovanja,
konstrukcije i održavanja sistema, a
naravno, i njegovu cenu.
Umesto implementacije sistema
za praćenje može se, na osnovu
reprezentativnih rezultata merenja,
izvršiti proračun optimalnih uglova
nagiba i azimuta panela, za koje se ima
maksimalno iskorišćenje sistema.
U ovom radu će biti izvršen jedan
takav proračun za konkretnu lokaciju
i odgovarajuće podatke. Proračun
optimalnih uglova će se izvesti u dva
koraka.
Prvi je određivanje optimalnog ugla
nagiba i izvršiće se tako što će se
paneli orijentisati prema jugu, a zatim
kao parametar proračuna varirati
njihov nagib za po jedan stepen u
granicama od 0 do 90. Za svaki od
ovih položaja će se izvršiti proračun
koeficijenta iskorišćenja kapaciteta
sistema i zatim uporediti rezultati radi
utvrđivanja ugla za koji se ima najveće
iskorišćenje.
Drugi korak je određivanje optimalnog
ugla azimuta. Nagib panela se sada
postavi na optimalnu vrednost
utvrđenu u prvom koraku, a zatim
se varira ugao azimuta u granicama
od -90 do +90, za po jedan stepen.
Na isti način kao i u prvom koraku,
za svaki od ovih uglova se izračuna
CF i poređenjem dođe do optimalne
vrednosti ugla.
Nakon utvrđivanja optimalne
orijentacije panela, proračunaće se
i proizvodnja za konkretan primer
panela.
3. Analiza potencijala sunca
na mikrolokaciji
Da bi se izvršila analiza potencijala
sunca potrebno je obaviti merenja u
trajanju od najmanje godinu dana. Na
ovaj način se obuhvataju sve dnevne i
sezonske varijacije sunčevog zračenja
na datoj lokaciji.
Merene veličine su temperatura
ambijenta i horizontalna iradijacija
(snaga sunčevog zračenja), tj.
njihove srednje vrednosti u toku
desetominutnih intervala. Da bismo
najbolje ilustrovali potencijal sunca
izračunaćemo srednje vrednosti
iradijacije za svaki sat, a zatim te
vrednosti za odgovarajuće sate
različitih dana usrednjiti na mesečnom
nivou.
Sa slike 5 se može jasno uočiti dnevna
periodičnost intenziteta sunčevog
energija
Slika 5
energija
Srednje vrednosti horizontalne iradijacije za prosečan dan svakog meseca
zračenja koja je uvek približno istog
oblika, a amplituda i trajanje joj se
menjaju u zavisnosti od doba godine.
Na osnovu izmerenih vrednosti
horizontalne iradijacije i sledećih
izraza može se doći do vrednosti
iradijacije na površini panela.
gde je:
Ī0 – prosečno dnevno ekstraterestričko
zračenje [kWh/m2/dan]
SC = 1,37kW/m2– solarna konstanta
n– redni broj dana u godini
HSR = cos ˉ1 (– tan L · tan δ) – satni
ugao izlazećeg sunca
KT – faktor vedrine
ĪH – dnevna horizontalna insolacija
ĪBH = ĪH – ĪDH
ĪBH – direktna komponenta
horizontalne insolacije
ρ – koeficijent refleksije
ĪBC - direktna komponenta insolacije na
površini panela
ĪDC - difuziona komponenta insolacije
na površini panela
ĪRC - reflektovana komponenta
insolacije na površini panela
ĪC - ukupna insolacija na površini
panela
U zavisnosti od orijentacije panela, tj.
njegovog nagiba i azimuta imaćemo
različitu insolaciju na površini panela,
a samim tim, i različito iskorišćenje
kapaciteta.
4. Analiza faktora iskori{}enja
ĪDH – difuziona komponenta
horizontalne insolacije
Na osnovu prethodno navedenih
izraza, u programskom paketu
[020]
MATLAB napravljen je matematički
model koji kao ulazne podatke koristi
rezultate jednogodišnjih merenja
na lokaciji u Negotinu. Vršena su
merenja temperature ambijenta i
horizontalne insolacije, i to kao srednje
desetominutne vrednosti.
Kao rezultat proračuna u prvom koraku
dobija se optimalni nagibni ugao od 37
stepeni, (slika 6).
Kao rezultat proračuna u drugom
koraku dobija se optimalni ugao
azimuta od -16 stepeni, tj. 16 stepeni
prema zapadu, (slika 7).
Koeficijent iskorišćenja kapaciteta
sistema za ovaj ugao iznosi 17,77%
Radi ilustracije izračunaćemo
proizvodnju koju bi dao fotonaponski
sistem snage 1MWp sastavljen od
modula Kyocera KC158G čije su
karakteristike date u tabeli 1.
Sve gore navedene veličine su
deklarisane za standardne uslove
testiranja (Standard test Conditions)
koji podrazumevaju I=1000W/m2,
AM=1,5, Tcell=25°C, modul je čist
(bez prašine i drugih nečistoća koje se
javljaju u realnim uslovima.
Pošto pri realnoj eksploataciji modula,
ovi uslovi nisu zadovoljeni, moramo
vrednosti iz tabele korigovati.
Uticaj promene temperature modula,
uvažićemo na sledeći način:
energija
Slika 6
energija
Koeficijent iskorišćenja kapaciteta sistema u zavisnosti od ugla nagiba
panela
što je korektno, jer na taj način
ostajemo na strani sigurnosti.
Možemo smatrati da svaki stepen
porasta temperature ćelije u odnosu
na standardnu temperaturu dovodi do
smanjenja snage od 0,5%.
Snaga sistema na naizmeničnoj strani
se dobija nakon uvažavanja gubitaka
usled neuparenosti karakteristika
modula, zaprljanosti aktivne površine
i gubitaka energije u invertoru. Za ove
gubitke ćemo usvojiti tipične vrednosti
od 3%, 4% i 10%, respektivno.
Slika 7
Koeficijent iskorišćenja kapaciteta sistema u zavisnosti od ugla azimuta
panela za fiksiran, prethodno utvrđen, optimalni ugao nagiba
Dobijena vrednost važi pri standardnoj
iradijaciji od jednog sunca, pa ju je
prema tome potrebno korigovati,
imajući u vidu da je snaga ćelije
direktno proporcionalna iradijaciji, na
sledeći način:
gde je:
IC– ukupna iradijacija na površini
panela
Proizvedenu energiju računamo
sumiranjem snaga i odgovarajućih
vremenskih intervala:
gde je:
Ti – interval u kome imamo snagu Paci
(u konkretnom slučaju 10min=1/6h)
Na ovaj način dobija se da je ukupna
godišnja proizvodnja ovog sistema
1,199 GWh.
Na slici 8 prikazana je raspodela te
proizvodnje po mesecima.
Tabela 1 Karakteristike
fotonaponskog modula
5. Zaklju~ak
gde su:
Tcell - temperatura solarnih ćelija
modula [°C]
Tamb - temperatura ambijenta [°C]
S - Solarna iradijacija na površini
modula [kW/m2]
NOCT- temperatura solarnih ćelija
modula pri normalnim uslovima [°C]
Na temperaturu modula utiče i
brzina vetra, ali je ta zavisnost dosta
kompleksna, pa se ne uzima u obzir,
[021]
Na osnovu namenskih jednogodišnjih
merenja horizontalne insolacije na
mikrolokaciji u blizini Negotina
izvršena je analiza mogućeg faktora
iskorišćenja mrežno povezanih
fotonaponskih panela. Za jedan
test fotonaponski sistem instalisane
snage 1MWp sastavljen od modula
Kyocera KC158G izvršena je analiza
optimalnog pozicioniranja sistema.
Za definisani optimalni nagibni ugao i
ugao azimuta proračunata je očekivana
godišnja proizvodnja električne
energije od 1,199 GWh. Pri proračunu
energija
energija
Slika 8 Proizvedena električna energija fotonaponskog sistema po mesecima
je uvažen uticaj temperature panela
na njegovu efikasnost, a takođe su
uvaženi i gubici usled neuparenosti
modula, zaprljanja i gubici u invertoru.
Za definisanu cenu kWh od 23 Ecenta
ovaj test sistem bi u toku godine
ostvario bruto dobit od 276000 E.
Literatura
[1] Gilbert Master, Renewable and
Efficient Electric Power Systems,
Stanford University, John Wiley &
Sons, New Jersey, 2004.
[2] Photovoltaic Power Systems
and The National Electrical
Code: Suggested Practices,
The Photovoltaic Systems
Assistance Center, Sandia National
Laboratories, USA, 1996.
[3] Landolt-Börnstein, Energy
Technologies, Subvolume C:
Renewable Energy, Editor: K.
Heinloth, Springer-Verlag Berlin
Heidelberg, Germany, 2006.
[4] Ž. Đurišić, N. Rajaković,
Perspektivne tehnologije
distribuirane proizvodnje
električne energije, Zbornik
radova Međunarodne konferencija
Energetika, Zlatibor, 18 - 22, Jun
2005.
[022]
energija
Milenko B. Jevtić 1)
Nedeljko Stojnić 2)
Originalna pionirska istraživanja elektrohidrodinamike3
UDC:621.311.21 : 621.313.001.6
Rezime
Shodno savremenim tendencijama i razvoju novih metoda i tehnologija istražena je i koncipirana
nova i originalna tehnologija na bazi nekonvencijalnog procesa električnog impulsnog pražnjenja u
komori sa vodom, koju smo nazvali ''ELHIM tehnologija". Posle sprovedenog teorijskog i
eksperimentalnih istraživanja dobijeni su izuzetno pozitivni i ohrabrujući rezultati koji preporučuju
ELHIM tehnologiju za dalji nastavak radova na njenom usavršavanju i primenu u praksi. Ovo je
saglasno sa tvrdnjama vodećih svetskih tehničkih futurologa koji predviđaju da će za narednih
dvadeset godina preko 50 % raspoložive tehničko tehnološke opreme biti potpuno nove prema
principu rada, formi, tehnologiji i prema radnim karakteristikama.
Ključne reči: ELHIM tehnologija, električno pražnjenje
Original pionir investigation of electrohydrodynamics 3
According to the new tendency in methods and technologies development, the new original
technology, based on unconventional process of electrical pulse discharging inside the water
chamber, is investigated and designed. It is named "ELHIM technology". After theoretical and
experimental investigations had been carried out, very positive and encourage results were
obtained which recommended ELHIM technology for farther development and application in
practice. Development of the technology is in agreement with prediction of the leading world
technical futurologists who have predicted that in 20 years, more then 50 % of the available
technical-technology equipment is going to be completely new according to the principles of work,
design, technology and working characteristics.
Key words: The ELHIM technology, electrical discharge
1 Uvod
Suština ELHIM tehnologije je utemeljena na korišćenju visokovoltne električne instalacije sa
transformatorom, ispravljačem, baterijom specijalnih kondenzatora za impulsna električna
pražnjenja, kompletom sklopki i komutatora i komorom sa vodom koja ispunjava radnu zonu
mašinskog podsistema. Impulsna električna pražnjenja, sa efektom kontrolisane električne
eksplozije, se realizuju pomoću komutatora i bakarnih elektroda postavljenih u vodi i manifestuju se
formiranjem snažnih električnih lukova i gasno-varničnim trenutnim (proces traje od 40 do 80 μs)
udarnim talasima između električnih polova. Navedeni udarni talasi se prema Paskalovom zakonu
prenose na sve strane podjednako, a tehničkim rešenjima je moguće usmeriti ih na željene zone i
pravce gde izvode potreban koristan rad prema projektovanoj nameni. Zavisno od geometrijskog
rastojanja između električnih polova u komori sa vodom se ostvaruje udarni pritisak do 10 4 bara sa
brzinom udarnog talasa od 100 m s i ubrzanjem nestišljivog fluida kao nosioca udarnih talasa od
10 7 m s 2 , kao i frekvencija udarnog talasa od 10 4 Hz . Ove vrednosti su verifikovane sprovedenim
inicijalnim eksperimentalnim istraživanjima.
________________________________________________________________
1
2
3
Dr Milenko Jevtić, dip. inž. maš., Institut “Jaroslav Černi”, 11226 Beograd
Dr Nedeljko Stojnić, dip. inž. geol. Institut “Jaroslav Černi”, 11226 Beograd
Istraživanja realizovana u Institutu “Jaroslav Černi”, Beograd u okviru projekta TRS 16002
[023]
energija
energija
2 Teorijska istraživanja
Nova tehnologija elektrohidrauličkog impulsnog pražnjenja, ELHIM, predstavlja aplikaciju
teorijskih postavki relevantnih naučnih disciplina i njenu osnovu čine relevantne teorijske postavke
matematičke fizike i teorije elektromagnetike. Suština fizikalnosti procesa ELHIM je zasnovana na
korišćenju visokovoltne električne instalacije sa visokovoltnim transformatorom i električnim
pražnjenjima koja se odvijaju u tečnom fluidu. Kao tečni fluid koristi se voda sa kojom se
ispunjava radna zona u kućištu eksperimentalnog uređaja. Sa druge strane radne zone nalazi se zona
sa objektom primene. Visokovoltna električna instalacija je povezana sa elektrodama, koje se nalaze
u tečnom fluidu. Impulsno električno pražnjenje u formi električne eksplozije se izvodi preko
navedenih elektroda u tečnom fluidu pri čemu se stvara snažan električni luk. Fizička posledica
pomenutog impulsnog električnog pražnjenja se manifestuje nastankom strujnih odnosno varničnih
gasnih mehurova i kanala između električnih polova u tečnom fluidu. Shodno postojećem
Paskalovom zakonu nastali varnični kanali i gasni mehurovi se trenutno šire u radnoj zoni tečnog
fluida prenoseći pritisak u formi udarnog talasa.
Navedeni prikaz na slici 1. predstavlja mogućnost dobijanja korisne energije sa usmeravanjem
dejstva udara talasa shodno formi šupljine 7 suda 6, u koji je stavljen tečni fluid 7 sa uronjenom
elektrodom 9. Držač elektrode 9 je sačinjen od izolatora 8. Pritiskivač 5 obradka 2 koristi dejstvo
udarnog talasa za ostvarivanje sile držanja. Matrica 3 postavljena u telo 1 i pod dejstvom udarnog
talasa oblikuje pripremak 2. Prsten 4 služi kao vezni element između pritiskivača 5 i matrice 3.
Elektroda se napaja impulsom električne struje iz instalacije koju sačinjavaju: izvor struje sa
naponom U, kondenzatorska baterija 10 i prekidač 11. Električnim vodom 12 je povezan sud 6, koji
služi kao drugi električni pol (negativni pol).
Energija E koja se oslobađa pri električnom pražnjenju u radnoj zoni na osnovu teorijskih postavki
se definiše prema izrazu(1) kao zavisnost napona električnog pražnjenja U i kapacitivnosti
kondenzatorskih baterija C.
CU 2
(1)
E=
2
Analitička zavisnost električnih parametara elektro podsistema se definiše izrazom (2) u kome
oznake imaju sledeća značenja: d, l - prečnik i dužina elektrode potopljene u tehničku vodu, C kapacitivnost kondenzatora, U - početna vrednost električnog napona pri pražnjenju kondenzatora
k,α,β - oeficijenti koji predstavljaju konstante koje zavise od vrste materijala elektrode i f -sopstvena
frekvencija instalacije za električno pražnjenje, koja se definiše izrazom (3).
Slika 1. Uprošćen prikaz ELHIM tehnologije
[024]
Slika 2. Dijagramski prikaz zavisnosti
p = f E , a za U = 18kV i C = 30 F
energija
energija
d2
U
= KCU 2 f ( )
4
l
1
0.5
f =
L0 C
2
l
β
(2)
(3)
U izrazu (3) Lo predstavlja ukupnu početnu induktivnost celog sistema za električno pražnjenje
ELHIM sistema.
Vrsta materijala elektrode i njen poprečni presek utiču na efekte procesa električnog
pražnjenja i na vremenski interval t od početka proticanja struje iz kondenzatora do početka
eksplozivnog pražnjenja u radnoj zoni. Ova zavisnost je predstavljena izrazom (4) u kome k
predstavlja konstantu materijala elektrode, a ostale veličine imaju ista značenja kao i u izrazima (2)
i (3).
d 2 Uo 0, 666
(4)
( )
t=k
4 L
Empirijska zavisnost optimalne vrednosti prečnika elektrode
d op
se predstavlja izrazom (5) u kome
se uvrštava kapacitivnost C u F, električni napon U u V i induktivnost instalacije za električno
pražnjenje L u H.
d op = 1,6 10
5
C 0,333 U 0.5 L 0 ,166
(5)
Analizom energetskog bilansa u radnoj zoni u okviru ELHIM može se doći do izraza (6) koji
predstavlja nivo energije E dobijene električnim pražnjenjem u zavisnosti od dimenzije i vrste
materijala komponenata sistema. U izrazu (6) veličina D predstavlja prečnik otvora matrice u kome
se dobija korisna energija, a h predstavlja debljinu nepoželjnog sloja , veličine k i α predstavljaju
koeficijente naponskih stanja materijala obradka i za martenzitni čelik imaju vrednost: k=190 i
α=0,16 dok za materijal od aluminijuma navedeni koeficijenti imaju vrednost k=32,7 i α=0,24.
Pored toga u izrazu (6) parametar φ predstavlja veličinu ugla sa temenom na vrhu elektrode i
kracima koje sačinjavaju osa simetrije u radnoj zoni i poteg koji spaja vrh elektrode i tačke na
otvoru matrice, tako da ugao φ zavisi od prečnika otvora matrice i rastojanja između matrice i vrha
elektrode. U izrazu (6) veličina f predstavlja veličinu deformacije nepoželjnog sloja.
⎡
E=
⎤
2
D hk
e(1 cos )(1
2 ln(1,5
)
⎣
1
)
f2
2(1 4 2 )
D ⎦
1
(6)
Sledeća empirijska zavisnost (7) definiše veličinu energije E kao funkciju parametara sa
relevantnim značenjima.
E = 0,129k v R
1, 415
( Adef M ) 0,795
(kd
S o )1,59
.
(7)
U izrazu (7) veličina M predstavlja masu nepoželjnog sloja i vode u radnoj zoni, k v -koeficijent
brzine deformisanja nepoželjnog sloja, k d - koeficijent udarnog talasa i njegovog širenja, koeficijent sferičnosti udarnog talasa koji zavisi od rastojanja R vrha elektrode od matrice, S o poprečni presek matrice, a parametar A predstavlja potreban koristan rad.
def
U okviru aktivnosti istraživanja teorijskih postavki i faza teorijskih istraživanja kompletno je
istražena i proučena teorija matematičke fizike, teorija elektromagnetike i teorija elektrotehnike, pri
[025]
energija
energija
čemu je posebna pažnja posvećena fenomenima i efektima impulsnog električnog pražnjenja u vodi
sa pojavama električnih lukova i nastalih hidrodinamičkih udarnih talasa koji se po Paskalovom
zakonu i zbog nestišljivosti fluida prenose na sve strane i moguće ih je usmeravati na željena mesta
shodno zadatim ciljevima. Ovde je izvršena teorijska analiza analitičkih modela i zavisnosti ukupne
količine energije koja se oslobađa ovim efektima od relevantnih parametara elektropodsistema
ELHIM i to od kapacitivnosti baterije paralelno vezanih kondenzatora sa otporničkim modulom i
od napona električne struje. Druga istražena i analizirana teorijska zavisnost je problematika
definisanja veličine dužine elektrode u zavisnosti od prečnika elektrode, kapacitivnosti
kondenzatora, napona električne struje, frekvencije pražnjenja i pratećih konstanti i koeficijenata
materijala. Posebno je istražena problematika definisanja frekvencije pražnjenja u zavisnosti od
kapacitivnosti kondenzatora i induktivnosti instalacije elektropodsistema sa električnim vodovima.
Naredni korak u teorijskim istraživanjima je bio istraživanje i definisanje optimalne vrednosti
prečnika elektrode u zavisnosti od kapacitivnosti kondenzatora, električnog napona pražnjenja i
induktivnosti elektro instalacije.
Ovo istraživanje je veoma važno za određivanje prečnika elektrode eksperimentalnog ELHIM
sistema. Sledeći konkretan rezultat u ovom teorijskom istraživanju je izvedena energetska analiza
pri električnom impulsnom pražnjenju u radnoj zoni mašinskog podsistema pri čemu je izvedena
analitička zavisnost nivoa raspoložive količine energije u funkciji parametara, dimenzija sistema i
vrste ugrađenih materijala, a pre svega u zavisnosti od prečnika komore sa vodom, prečnika i
dužine elektrode, koeficijenata naponskog stanja materijala, rastojanja između polova električnog
pražnjenja i frekvencije pražnjenja. Sa ovim rezultatom teorijskog istraživanja možemo proračunati
potrebnu količinu energije u ELHIM sistemu. U narednom koraku teorijskog istraživanja
energestka analiza je proširena i sa uticajima masa ugrađenih materijala, mase očekivanih
poremećaja koje trebamo otkloniti sa ELHIM sistemom, zatim u analizu su uključeni koeficijenti
brzine uklanjanja poremećaja, koeficijenti širenja udarnog hidrodinamičkog talasa i njegovog
prostornog širenja koji zavise od rastojanja između električnih polova.
Na kraju aktivnosti teorijskih istraživanja kao konkretan rezultat, a na osnovu ranije dobijenih
rezultata teorijskih zavisnosti sačinjena je konkretna teorijska zavisnost pritiska hidrodinamičkog
udarnog talasa u funkciji raspoložive energije pražnjenja i rastojanja između električnih polova i to
za a = 100 mm , a = 150 mm , a = 200 mm , a = 250 mm , a = 300 mm . Ova zavisnost je
dobijena proračunom, originalnog je karaktera i prvi put je publikovana.
Ona je predstavljena u dijagramskoj formi i konkretno nam govori o teorijskim mogućnostima
ELHIM tehnologije. Tako na primer samo za prvi slučaj rastojanja između električnih polova
a = 100 mm za E = 5 kwh proračunom se dobija p = 700 ata , za E = 10 kwh dobija se
p = 1350 ata , za E = 15 kwh dobija se p = 1720 ata , za E = 20 kwh dobija se p = 2010 ata ,
za E = 25 kwh dobija se p = 2240 ata , za E = 30 kwh dobija se p = 2430 ata , za E = 35 kwh
dobija se p = 2680 ata , za E = 40 kwh dobija se p = 2860 ata , za E = 45 kwh dobija se
p = 2980 ata i za E = 50 kwh proračunom se na osnovu dobijenih teorijskih rezultata dobija
p = 3120 ata .
Proračunom dobijene zavisnosti su paraboličnog karaktera i sa povećanjem rastojanja a vrednost
ostvarenog pritiska udarnih talasa opada za iste vrednosti E . Tako za a = 150 mm i E = 50 kwh
proračunom dobijamo vrednost p = 2120 ata , za a = 200 mm i E = 50 kwh dobijamo
p = 1180 ata , za a = 250 mm i E = 50 kwh dobijamo p = 1380 ata za a = 300 mm i
E = 50 kwh dobijamo p = 1095 ata .
Za vrednosti E ispod 5 kwh sa različitim vrednostima a dobijamo vrednost p do 700 ata . Ovaj
rezultat teorijskih istraživanja je kasnije korišćen kod razvoja realnog sistema ELHIM za tražene
primene pri eksperimentalnim ispitivanjima. Proračunom dobijene vrednosti zavisnosti p = f E , a
za slučaj U = 18kV i C = 30 F su date na na slikama 2 i 3.
[026]
energija
energija
Takođe je izvršena analiza energetskih parametara na osnovu teorijskih jednačina elektrotehnike i
na skici 4, je dat prikaz dijagramske zavisnosti raspoložive količine energije električnog pražnjenja
u zavisnosti od zadatog napona u kondenzatorima ELHIM sistema.
Dijagram zavisnosti energije od napona
100
90
Energija E[kJ]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
Napon U[kV]
Kriva zavisnosti energije od napona
Slika 3. Prostorni prikaz proračunom
dobijenih zavisnosti
Poly. (Kriva zavisnosti energije od napona )
Slika 4. Dijagramski prikaz zavisnosti količine
energije od napona pražnjenja.
3 Eksperimentalni ELHIM sistem
Realna i originalna varijanta idejnog rešenja u oblasti primene u vodoprivredi koju su autori sačinili
u cilju izvođenja eksperimentalnih istraživanja i verifikacije fizikalnosti procesa i koja je načinjena
u okviru rada na ELHIM istraživanju je prikazana na slici 5. Ova varijanta predstavlja realnije
rešenje i bliži pristup konkretnoj verziji eksperimentalne instalacije za ELHIM i služi za dobijanje
konačne verzije rešenja.
Rešenje sa slike 5. se sastoji iz dva podsistema i to iz elektropodsistema i tehnološko-mašinskog
podsistema.
Elektropodsistem se sastoji iz modula za punjenje, instalacije koji sačinjavaju visokovoltni
transformator i ispravljač električne struje. Instalacija-modul za punjenje se napaja iz standardne
električne mreže. Instalacija-modul za punjenje preko preklopnika puni i napaja kondenzatore C1 i
C2 sa električnom strujom modulisanih parametara. Sa druge strane modul za punjenje je preko
upravljačke jedinice povezan sa komutatorima K1 i K2 koji obezbeđuju trenutno pražnjenje
navedenih kondenzatora C1 i C2.
Impuls električne struje iz kondenzatora C1 i C2 preko komutatora K1 i K2 odlazi u radnu zonu
sistema ELHIM u kojoj nastaje električno pražnjenje sa formiranjem električnog varničnoeksplozivnog luka sa udarnim talasima. Radnu zonu u tehnološko-mašinskom podsistemu
sačinjavaju tečni fluid (tehnička voda), kućište sistema i elektroda. Relevantni elementi tehnološkomašinskog podsistema su vijčanim vezama povezani u tehnološku celinu. Na slici 5. je prikazana
konačna i usvojena verzija varijante idejnog rešenja eksperimentalnog sistema za potrebe
vodoprivrede.
[027]
energija
energija
Slika 5. ELHIM Eksperimentalna instalacija za potrebe vodoprivrede
Tehnološko-mašinski podsistem sačinjavaju: kućište sistema sa simulacionom cevi prečnika 200
mm dužine 5000 mm sa prirubnicama. Na simulacionu cev se postavlja komora sa elektrodom na
jednom kraju, a na drugom kraju se cev zatvara poklopcem. Na krajevima simulacione cevi su
postavljeni ventilski priključci za dovod vode i za ispuštanje vazduha.
Elektro podsistem sačinjavaju sledeći elementi i komponente: modul za punjenje, (punjač),
sastavljen od visokovoltnog transformatora i ispravljača električne struje, prekidači za punjenje
kondenzatora, upravljačkog modula, komutatora, i električnih provodnika od bakra (traka preseka
1 × 10mm), kao i samih kondenzatora. Shodno opisu i prikazu sa slike 5. je koncipirana,
projektovana i napravljena realna varijanta mašinskog podsistema (slika 6). Na slici 7 je prikazan
snimak komore sa elektrodom, na slici 8 je dat izgled kondenzatora sa otporničkim modsulom, a na
slici 9 je prikazana baterija komutatora za pražnjenje kondenzatora.
Globalni izgled mašinskog podsistema ELHIM u montiranom stanju je prikazan fotografskim
snimkom na slici 6, na kome se jasno vidi celina podsistema sa svim svojim osnovnim delovima i
veznim elementima, koji ostvaruju veznu funkciju povezujući ih u odgovarajuću tehnološku celinu.
Kako je veoma značajna činjenica za funkciju elemenata podsistema ELHIM električno pražnjenje
impulsa električne struje visokog napona u komori sa hidro fluidom, to je posebna pažnja
posvećena kvalitetnoj električnoj izolaciji elektrode sistema od mase mašinskog podsistema kao
električnog pola. Ovo je ostvareno pomoću elemenata čaura elektrode od kvalitetnih izolacionih
materijala. Osnovne komponente elektro i mašinskog podsistema, su pomoću električnih kablova
vodova i sabirnica, prema elektro projektu, povezane u planiranu i željenu celinu sa tačno
definisanim karaktristikama. Sa ovako povezanom i realizovanom eksperimentalnom instaalcijom
ELHIM su kasnije izvedena planirana eksperimentalna ispitivanja i eksperimentalna verifikacija
fizikalnosti procesa impulsnog električnog prađnjenja u hidro fluidu, koja predsatvlja osnovni
zadatak ovog naučno-istraživačkog projekta.
[028]
energija
energija
Slika 6. Izgled mašinskog
podsistema
Slika 8. Kondenzatori
[029]
Slika 7. Fotografski snimak komore sa
vodom i elektrodom
Slika 9. Baterija komutatora
za pražnjenje kondenzatora
energija
energija
Uređaj za punjenje baterije (slika 9), kondenzatora (slika 8), je priključen na standardnu električnu
mrežu sa naizmeničnom strujom. On je provodnicima povezan sa prekidačkim modulom za
punjenje kondenzatora. Prekidački modul je povezan sa baterijom kondenaztora (slika 9).
Ovako sačinjena projektovana eksperimentalna instalacija ELHIM je podvrgnuta funkcionalnoj
proveri rada i ispravnosti svake komponente i svakog modula ponaosob, kao i eksperimentalne
instalacije u celini. Funkcionalna provera sistema ELHIM i svih njenih komponenata i modula je
potvrdila njihove parametre i projektovane karakteristike. Ovde je značajno napomenuti da je
proverena funkcionalna izolovanost elektrode sistema od mase kao drugog pola.
Pomoću ovako sačinjene, realizovane i povezane eksperimentalne instalacije ELHIM pristupilo se
izvođenju eksperimentalnih ispitivanja verifikacije fizikalnosti procesa ELHIM u oblasti
vodoprivrede koji se manifestuje impulsnim električnim pražnjenjima u hidro fluidu.
Eksperimentalna ispitivanja su izvedena u laboratorijskim uslovima prema sačinjenom protokolu
ispitivanja.
Na osnovu do sada sprovedenih elektrohidrodinamičkih (ELHIM) istraživanja autori ovoga rada su
razvili i koncipirali konkretno tehničko rešenje za revitalizaciju mostičavih filtera drenova u
realnom slučaju postojećeg Ranny bunara koje je prikazano na slikama 10. i 11. Na slici 10. u
realnom slučaju ugradnog drena uvučena je glava ELDH sistema sa vođenim i ukrućenim
električnim polovima između kojih nastaje impulsno električno pražnjenje i formiranje
elektrohidrodinamičkog udarnog taslasa. Električni provodnici su ukrućeni i vođeni pomoću
zglobno vezanih segmenata koji omogućavaju uvlačenje i vođenje glave ELDIH sistema od
površine Ranny bunara do kraja mostičavog drena. Navedeni zglobno povezani segmenti poseduju
elemente sa točkićima na bočnim stranama, tako da se sa trenjem kotrljanja mogu lakše uvlačiti i
izvlačiti iz drenova Ranny bunara. Zglobnim elementima nosača električnih provodnika omogućeno
je spuštanje i vađenje ELHIM glave navedenog sistema za revitalizaciju drenova od površine Ranny
bunara i njegovo uvlačenje u horizonzalne drenove, a što je pokazano na slici 11, na kojoj je
predstavljen i sitem za fiksiranje, ukrućivanje i prihvatanje povratnog dejstva elektrohidrauličkih
udarnih talasa kao i sistem za zaptivanje sa gumenim zaptivačima.
Slika 10.Izgled tehničkog rešenja glave ELHIM sistema za revitalizaciju drenova
Ranny bunara u realnim uslovima
[030]
energija
energija
Slika 11. Prikaz detaljnog rešenja ELHIM sistema za revitalizaciju drenova Ranny
bunara zgled tehničkog rešenja glave ELHIM sistema u realnim uslovima
4. Eksperimentalni rezultati istraživanja
U novoosnovanoj laboratoriji za elektrohidrodinamiku izrađena je, montirana i sa elektrosistemom
povezana ELHIM instalacija na kojoj su izvedena eksperimentalna ispitivanja simulacije
otpušivanja zapušenih kanalizacionih sistema, sabijanja zemljišta i revitalizacije zapušenih i
kolmiranih drenova Ranny bunara. Na slici 12. je prikazan eksperimentalni sistem za otpušavanje
kanalizacionih cevi pri čemu je na cevi sa komorom i elektrodom pridodat nastavak cevi prečnika
200 i dužine 1000mm na kome je izvršena simulacija začepljenja u vidu formiranog veštačkog čepa
od zemlje, gline, žilica i plastičnih kesa. Izgled formiranog čepa prikazan je na slici 13.
Slika 12. Izgled eksperimentalnog
sistema za otpušavanje
kanalizacionih cevi.
[031]
Slika 13. Izgled formiranog
zapušenja kanalizacione cevi.
čepa
energija
energija
Slika 13. Izgled formiranog čepa zapušenja kanalizacione cevi.
Tako formirani čepovi (slika 13) je probijen nastalim snažnim elektrohidrodinamičkim udarnim
talasima sa naponima pražnjenja kondenzatora U=3kV, U=5kV i kapacitetom C=440 μF, pri čemu
je voda iz instalacije odlazila u poseban sud, a na izlazu nastavka cevi su ostali delovi čepa i
plastične kese. Fotografski snimci izlaska vode iz nastavka cevi posle probijanja čepa i ostataka
zemlje i plastične kese su prikazani na slikama 14 i 15.
Slika 14. Prikaz oticanja vode posle
probijanja simulacionog čepa.
Slika 15. Izgled ostataka zemlje i
plastične kese u nastavku cevi posle
probijanaj čepa.
Za izvođenje eksperimentalnih ispitivanja kao vrlo značajan deo elektropodsistema izvedeno je
tehničko rešenje uzemljenja celokupne električne instalacije pomoću tri sonde od pocinkovanog
čelika dužine 2.0m koje su postavljene u obliku trougla i povezana sa električnom insatlacijom
ELHIM, a prikaz uzemljenja je dat na slici 16.
Slika 16. Izgled sondi za uzemljenje
povezanih sa čeličnom trakom.
Na eksperimentalnom ELHIM postrojenju pomoću osciloskopa sa memorijom izvedena su
ispitivanja električnog pražnjenja kondenzatora u zatvorenoj cevi Φ 200x5000 sa naponima
pražnjenja od 3kV, 4kV i 5kV. Na kraju cevi, na otvorenom ventilu za ispuštanje vazduha (otvor Φ
15), pri naponu pražnjenja od 3kV dobili smo visinu impulsnog mlaza vode iz cevi od 1,5m, a pri
naponu pražnjenja od 4kV visina mlaza je iznosila oko 8m.
[032]
energija
energija
4 Zaključak
1.
U okviru ovog istraživanja izvršena su teorijska, razvojna, aplikativna i eksperimentalna
istraživanja nove i originalne ELHIM tehnologije u oblasti mašinstva i vodoprivrede.
2.
Takođe u radu je predstavljena idejna verzija ELHIM tehnologije, kao i razvijene i
projektovane varijante ELHIM sistema za izvođenje laboratorijsko-eksperimentalnih ispitivanja za
revitalizaciju i otpušavanje zapušenih perforacija drenova Ranny bunara.
3.
Kao osnova za istraživanje i razvoj ove nove visoko-brzinsko-produktivne metode služi
korišćenje efekta impulsivnog visokovoltnog električnog pražnjenja u tečnom fluidu. Istraživanjem
je ustanovljeno da se navedeno električno pražnjenje manifestuje nastankom strujno-varničnih
mehurova i kanala između električnih polova, čije trenutno širenje u formi eksplozije kao udarni
talas deluje u celokupnoj zapremini fluida i na usmerenom segmentu izvodi koristan rad.
4.
U okviru ovih radova utvrđen je i identifikovan čitav niz prednosti i preimućstva u odnosu na
klasične metode. Istraživanjem se došlo do osnovnih uticajnih parametara. Moguće je ostvariti
pritiske u radnom fluidu na nivou od 10 3 do 10 4 bar , brzinu od 100 m s , ubrzanje pri
deformisanju strukture obradka od 10 6 do 10 7 m s 2 , kao i mogućnosti dobijanja visokofrekventnih udarnih talasa sa frekvencijom od 10 3 do 10 4 Hz .
5.
U radu je dat opis dela istraživanja u matematičkoj fizici i teoriji elektrotehnike, efekta
impulsnog električnog pražnjenja u vodi (ELHIM) i mogućnosti primene tako razvijene tehnologije
za revitalizaciju i čišćenje zapušenih perforacija mostičavih drenova Ranny bunara. Istražen i
razvijen ELHIM sistem se sastoji od elektro podsistema i mašinskog podsistema. Elektro podsistem
sačinjavaju: visokovoltni transformatori sa ispravljačem, baterija kondenzatora sa paralelnom
vezom, baterija komutatora, upravljačka jedinica, sistem preklopnika i kablovska instalacija sa
elektrodom koja je potopljena u vodu. Mašinski podsistem sačinjavaju: komora sa vodom i
elektrodom, izolatori, nosač ELHIM postrojenja, mostičavi perforirani dren Ranny bunara, sistem
prirubnica i elemenata za vezu, komora u koju se postavlja dren Ranny bunara oko koga se
postavlja 300 mm debeli sloj peska granulacije 2-4 mm , zaštitni element i druge mašinske
komponente. Proces impulsnog električnog pražnjenja traje 40-80 s i manifestuje se nastankom
trenutnih električnih lukova sa mehurovima koji proizvode snažne hidrodinamičke udarne talase.
Ovako dobijeni udarni talasi se trenutno šire i usmeravaju ka zonama gde izvode koristan rad, a u
ovom slučaju je to revitalizacija zapušenih perforacija mostičavog drena Ranny bunara. Ova
tehnologija i ELHIM metoda je potpuno nova i originalna i predstavlja prve korake nove naučne
discipline koja se može nazvati elektrohidrodinamika. Količina energije ovako nastalih udarnih
talasa zavisi od veličine električnog napona, veličine kapacitivnosti baterije kondenaztora,
rastojanja između električnih polova i od drugih električnih i mašinskih parametara. Veličina
ostvarenog pritiska udarnih hidrodinamičkih talasa opada sa porastom rastojanja između električnih
polova i zavisi od drugih električnih i mašinskih parametara, .a sa druge strane može se kontinualno
podešavati pomoću potenciometra na upravljačkoj jedinici od 0 do maksimalne vrednosti jer se tako
i dozira oslobađanje energije iz kondenzatora. Ilustracije radi navešćemo podatke da prema
teorijskom proračunu sa parametrima od 30 F , 18 kV i rastojanjem između polova od 100 mm
možemo sa 50 kWh ostvariti pritisak udarnog hidrodinamičkog talasa od 3120 bar . Dobijeni
rezultati ohrabruju, atraktivni su i daju puno opravdanje za dalja istražiavnja i dalju koncentraciju
istraživačkih napora usmerenih ka daljem usavrašavnju ove nove tehnologije prema njenoj
konkretizaciji u cilju uvođenja u široku industrijsku primenu.
[033]
energija
energija
Literatura
1.
2.
Jevtić, M. B., Miljanić, P., Investigation of electro-dynamicand electromagnetic puls unconventionaltechnology,
Proc., 27th Con. on Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Niska Banja, CD-SPMJ, 2000.
Jevtić, M. B., Investigation of modeling and simulation of subsystem for pulse electrical discharge in water and in
the special inductor, Proc., on 25th JUPITER Con., Belgrade, 1999, pp. 3223.
3.
Jevtić, M. B., Investigation of a high velocity unconventional procedure and technology, Proc., on 21st JUPITER
Con., Faculty of Mechanical Engineering of Belgrade, Belgrade, 1996, pp. 3217.
4.
Jevtić, M. B., Miljanić, P., Investigation and development of the hihg velocities technologies, Proc., Con. on
Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Budva, 1996, pp. 339.
5.
Jevtić, M. B., Metal forming by electrohydraulic technology, Proc., on 1st Inter. Sym. of Industrial EngineeringSIE-96, Faculty of Mechanical Engineering of Belgrade, Belgrade, 1996, pp. 325.
6.
Jevtić, M. B., Electrohydraulic method, Proc., on 1st Inter. Sym. of the Heavy Machine Building Industry, Faculty
of Mechanical Engineering of Kraljevo, Vrnjacka Banja, 1993, pp. 382.
7.
Jevtić, M. B., Miljanić, P., Results of investigation and development of the puls technology, Proc., Con. on
Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Beograd, 1994, pp. 113.
8.
Jevtić, M. B., , Miljanić, P., Investigation and development of electomagnetic technology, Proc., on 25st Con. on
Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Beograd, 1994, pp. 120.
9.
Jevtić, M. B., Investigations, development and application of new theory of vibrations caused by temperature for
turbogenerators, Proc., on XL Int. Sym. on Electrical Machines-SME 2004, Polish Academy of Science and
Warszawa University, Electrotechnical Faculty, Hajnovka, Poland, 2004, pp. 123.
10. Jevtić, M. B., Thermal influence on turbogenerator dynamic behavior, Proc., on XLII Int. Sym. on Electrical
Machines-SME , Polish Academy of Science and AGH University of Science and Technology, Cracow, Poland,
2006, pp. 195.
11. Jevtić, M. B., Research development and application of new theory of vibration, Int. Jour. of Engineering and
Automation Problems, ISSN 0234–6206, Moscow, 2004, Vol. 2, pp. 44.
12. Jevtić, M. B., Thermal influence on turbogenerator dynamic behavior, Int. Jour. IEEE, Electrotechnics and
Electronics Electronics, Vol. 25, ZESZYT2, Cracow, Poland, 2006, pp. 157.
[034]
energija
Du{an Nikoli}
Institut Goša, Beograd
Zoran Nikoli}
Hydro Tasmania Consulting, Hobart, Australija
Milan Jankovi}
Inovacioni centar Elektrotehničkog fakulteta, Beograd
UDC:621.352 : 621.383.002/.004
Efikasan regulator napona
fotonaponskog napajanja
I. Uvod
Rezime
Fotonaponske ćelije konvertuju
Sunčevu svetlost u električnu energiju.
Pod uticajem sunčevog osvetljenja u
poluprovodničkom materijalu formira
se napon tako da se u spoljnom kolu
se može dobiti srazmerna jačina struje,
bez buke i zagađenja vazduha, iz
čistog i obnovljivog izvora energije.
Dosadašnja iskustva u našoj zemlji
pokazala su da su to pouzdani i
ekološki prihvaljivi obnovljivi izvori.
Posle korišćenja za napajanje malih
ostrvskih sistema[01-03], napravljeni
su projekti većih, mrežom povezanih
sistema[04].
Fotonaponski sistemi vezani na mrežu
obično koriste samo invertore da
bi energiju iz fotonaponskih panela
prilagodili distribuciji. Sistemi
u ostrvskom režimu rada koriste
regulatore napona u cilju pravilnog
dopunjavanja baterija, odnosno
skladišta električne energije.
Osnovna funkcija regulatora punjenja
je da:
z održi bateriju na najvišem
dozvoljenom naponu dopunjavanja
baterije,
z obezbedi potrošače sa potrebnom
količinom električne energije,
z zaštiti bateriju od dubokog
pražnjenja (od opterećenja) ili
z zaštiti bateriju od preopterećenja.
U ovom radu je opisan regulator napona solarnih fotonaponskih panela koji
vrši dopunjavanje akumulatorskih baterija u tački maksimalne snage solarnih
panela MPPT. Na ovaj način postiže se efikasnija konverzija solarne u električnu
energiju nego kod postojećih regulatora punjenje baterija. U radu je objašnjen
princip rada ovog regulatora napona. Prikazani su neki rezultati snimanja
eksperimentalne instalacije i poređenja efikasnosti rada obe vrste regulatora
punjenja solarnih fotonaponskih panela. Takođe je istaknut i potencijal
korišćenja efikasnih regulatora napona u malim sistemima na našim prostorima.
Ključne reči: Tačka maksimalne snage fotonaponskih panela, efikasno punjenje
baterija fotonaponskim panelima.
II. Klasi~an regulator napona
fotonaponskih panela
Većina regulatora punjenja rade na
principu proizvodno predefinisane
vrednosti napona baterije.
Međutim pošto napon nije jedina
verodostojna veličina za procenu stanja
Efficient Solar Battery Charger
This paper describes solar photovoltaic battery charger with the ability to supply
the current to the batteries by maintaining photovoltaic module in the point of
maximum power. The process of maximum power point tracking (MPPT) raises
the efficiency of solar to electric energy conversion. A prototype of this solar
battery charger has been developed, and some measurements were shown.
Finally, potential of using efficient solar battery chargers in small systems in
Serbia was described.
Key words: Maximum power point tracking, efficient solar battery charging.
baterije, razvijeni su novi algoritmi
na osnovu kombinacije količine
elektriciteta ili praćenja bilansa
prihvaćene i odate energije. Dodatne
funkcije kao što su temperatura
baterije ili pad napona mogu poboljšati
karakteristike regulatora punjenja
kao bi zadovoljili zahtevi potrošača i
produžio vek trajanja baterije.
Na slici 1, prikazan je UI dijagram, kao
i dijagram snage fotonaponskih modula
u funkciji struje opterećenja[05].
Uočava se da je koleno UI krive koje
sadrži tačku maksimalne snage obično
pri većem naponu od napona baterije.
To ima za posledicu da se fotonaponski
paneli primoravaju na rad u manje
efikasnim tačkama, odnosno pri nižem
[035]
naponu (naponu baterije).
Jedna od osnovnih karakteristika
fotonaponskih modula je njihova
maksimalna snaga. To je snaga
koju fotonaponski modul mođe da
proizvede pod standardnim uslovima
ispitivanja a to znači pri radnoj
temperature modula od 25oC i pri
punoj Sunčevoj iradijaciji od 1.000W/
m2. Ovakvi uslovi se obično dešavaju
u letnjem periodu pri maksimalnim
Sunčevim zračenjem.
Pri projektovanju fotonaponskih
sistema je takođe potrebno znati još
dve karakteristike fotonaponskih
modula:
z Napon otvorenog kola (Voc) je
napon na krajevima osunčanog
energija
energija
u oblasti smanjenog stepena
iskorišćenja.
Slika 1 UI karakteristika solarnih panela –
Photowatt, tip PW6-100
II. Princip rada
efikasnog
regulatora napona
fotonaponskog
napajanja
fotonaponskog modula u praznom
hodu. Naziva se i maksimalnim
mogućim naponom.
z Struja kratkog spoja (Isc) je
struja koja se uspostavlja kroz
fotonaponski modul kada su mu
krajevi kratko spojeni tako da ne
postoji otpor u spoljnom kolu. Ovo
je istovremeno i maksimalna moguća
struja fotonaponskog modula.
Kao što je napomenuto, proizvođač
regulatora napona određuje
maksimalan napon pri kome je
moguće puniti bateriju. Napon
praznog hoda fotonaponskih modula
je obično viši od tog maksimalnog
napona punjenja akumulatora za
oko 50%. Maksimalna snaga koja se
može dobiti iz fotonaponskih modula
je obično pri naponima koji su za
oko 20 - 30% viši od maksimalnog
napona punjenja akumulatora. I pored
toga, prave se jednostavni regulatori
punjenja akumulatorskih baterija koji
bateruje dopunjavaju sa maksimalnim
naponom punjenja akumulatora. Na
ovaj način se fotonaponski moduli
standardno koriste u oblasti gde im je
stepen iskorišćenja niži nego u tački
maksimalne snage i do 20%.
Regulatori dopunjavanja
akumulatorskih baterija iz
fotonaponskih modula pojavili su
se istovremeno sa fotonaponskim
modulima. Iako je napravljeno i
prodavano više varijanti ovakvih
regulatora napona, osnovni zakon
regulacije nije se promenio tako da se
fotonaponski moduli i danas koriste
U laboratorijskim uslovima
je napravljen fotonaponski
regulator napona baterije iz
fotonaponskih modula sa
maksimalnom snagom koju
može u određenom trenutku
fotonaponski modul da
generiše.
Ideja je da se u jednom
opsegu napona, oko tačke
maksimalne snage, vrši
dopunjavanje akumulatorske
baterije talasastom
strujom[06] dobijenom preko
čopera.
Odnosno, izvrši se odabir
tačke maksimalne snage
solarnog modula i opseg sa malim
promenama napona oko te tačke
pri čemu se ceo opseg zadržava u
oblasti maksimalne efikasnosti. Kada
napon dostigne vrednost UMP - ΔU
fotonaponski moduli dopunjavaju
samo kondenzator i napon na njemu
polako raste.
Faza I: Kada napon na kondenzatoru
dostigne vrednost UMP + ΔU, uključuje
se prekidač (tranzistor snage) tako da
se fotonaponski modul i kondenzator
Slika 2 UI dijagram i dijagram
snage fotonaponskih modula
u funkciji struje opterećenja
istovremeno prazne i dopunjavaju
bateriju strujom koja je veća od
struje fotonaponskog panela. U cilju
redukcije velikih pikova struje, u
sekundarnom kolu postoji induktivnost
koja ograničava brzinu rasta struje.
Faza II: Kada napon kondenzatora
padne na vrednost UMP - ΔU isključuje
se prekidač (tranzistor), prekida
se njegovo provođenje i nastavlja
se punjenje kondenzatora strujom
fotonaponskog modula modula, koja
odgovara struji maksimalne snage.
Struja dopunjavanja baterije se zatvara
preko zamajne diode i induktivnosti, i
polako opada.
Princip rada je prikazan na slikama 3 i 4.
Pretpostavimo da je napon na
kondenzatoru C jednak naponu
fotonaponskih modula SP i
obeležićemo ga sa e. Tokom vremena
dok je prekidač (tranzistor) P zatvoren
(provodan), napon na rednoj vezi
induktivnosti L i akumulatorske
baterije AB jednak je ovom naponu,
a kada je prekidač P otvoren
(neprovodan), napon na rednoj vezi
induktivnosti L i akumulatorske
baterije AB i zamajne diode D jednak
nuli. Tokom vremena provođenja
tranzistora P, dolazi do porasta struje
kroz opterećenje pri čemu induktivnost
L ograničava brzinu porasta ove
struje i u njoj se akumulira određena
elektromagnetska energija. U drugom
periodu, kada je tranzistor P otvoren ili
neprovodan, zamajna dioda D postaje
provodna, tako da se struja opterećenja
zatvara kroz nju. Induktivnost L na
osnovu nagomilane elektromagnetske
energije u prethodnom periodu
podržava ovu struju koja polako opada.
Ako se posmatraju talasni oblici
napona na opterećenju i pri
neprovodnom tranzistoru Tr, za interval
0 < t < tuk se može napisati naponska
jednačina:
(1)
gde su:
z e - napon fotonaponskih modula
ili napon na kondenzatoru koji
se menja u uskim granicama oko
tačke maksimalne snage
Slika 3 Princip rada regulatora kada se kondenzator dopunjuje (Faza I)
[036]
energija
energija
ΔUT - pad napona na tranzistoru u
stanju provođenja
z L - dodatna induktivnost
z R - otpornost prigušnice i kablova
z i - struja akumulatorske baterije
z UB - napon akumulatorske baterije
U ovoj jednačini moguće je zanemariti
omski otpor a time i pad napona na
njemu. Za slučaj ustaljenog režima
rada, kada se procesi u potpunosti
ponavljaju, i kada se struja menja
između graničnih vrednosti I1 i I2,
moguće je dobiti da je
z
(2)
Odnosno, struja praktično linearno
raste od vrednosti I1 do vrednosti I2.
Za vremenski interval tuk ≤ t ≤ T u
kome je tranzistor Tr otvoren, naponska
jednačina glasi:
vrednosti I2 na I1.
Ukoliko je struja neprekidna (kada je
L dovoljno veliko), moguće je smeniti
struju I1 iz (04) u (02), i na taj način
dobiti izraz za srednju vrednost napona
na izlazu iz čopera spuštača napona.
(5)
Očigledno je da je srednja vrednost
napona na bateriji niža od napona na
izlazu iz fotonaponskog modula ili
kondenzatoru. Uzimajući da su snage
na ulazu i izlazu približno jednake,
može se napisati da je
(6)
odakle se može dobiti da je izlazna
struja veća od ulazne,
(3)
Ako se izvrši integracija ove jednačine
za slučaj ustaljenog stanja, kada se
struja menja od vrednosti I2 do I1, uz
zanemarivanje omskog otpora, dobija
se:
(4)
Odnosno, u periodu kada je tranzistor
Tr isključen, ili otvoren, struja kroz
opterećenje linearno opada od
(7)
U realnom slučaju postoje određeni
gubici u prekidačkom kolu koje treba
smanjiti na najmanju meru. U svakom
slučaju u sekundarnom kolu se dobija
veća struja a time i veća struja punjenja
nego u režimima klasičnih regulatora
punjenja.
Slika 4 Princip rada regulatora kada se kondenzator prazni (Faza II)
Slika 5 Fotonaponski paneli tokom ispitivanja
IV. Merenja pri radu klasi~nog
i efikasnog regulatora napona
fotonaponskog napajanja
Ispitivanja efikasnosti rada
klasičnog i efikasnog regulatora
napona fotonaponskog napajanja su
obavljena u laboratorijskim uslovima.
Postavljena su dva fotonaponska
panela istog proizvođača i pod
istim uslovima. Jedan je napajao
akumulatorsku bateriju preko
standardnog regulatora fotonaponskog
napajanja renomiranog proizvođača
a drugi preko prototipa efikasnog
regulatora napona. Korišćena je
sledeća oprema:
1. Fotonaponski paneli – Photowatt
PW6-100, nominalne snage100W, Isc
= 6,5A,
2. Regulator napona fotonaponskog
napajanja Steca Solarix Sigma, za
napone baterija 12/24V, maksimalne
struje punjenja 20A
3. Prototip efikasnog regulatora napona
fotonaponskog napajanja
4. Akumulatorske baterije – Power
PRC 12150C VRLA, 2 akumulatora
su vezana paralelno tako da je
ukupan napon 12V, a kapacitet 2 x
140Ah, 20h
Tokom poredbenog merenja, dokazano
je da je efikasni regulator napona u
stanju da održava fotonaponski panel
u tački maksimalne snage, konstantno
puneći bateriju većom jačinom struje
od običnog regulatora napona.
Takođe su vršena i laboratorijska
ispitivanja, pri kojima su dobijeni
talasni oblici struje punjenja baterija
pri korišćenju efikasnog regulatora
napona.
Jedan od rezultata ispitivanja efikasnog
regulatora je prikazan na slici 6.
Isprekidanom linijom je naznačena
konstantna optimalna struja
fotonaponskog panela. Punom linijom
je prikazana struja punjenja baterije,
koja je u trenutku neprovodnosti
tranzistora – prekidača jednaka
nuli, da bi pri njegovom provođenju
naglo porasla. Prvi, uzlazni deo ove
krive je naravno ograničen izlaznom
induktivnošću efikasnog regulatora
napona, dok drugi odgovara krivi
pražnjenja kondenzatora.
V. Zaklju~ak
Pokazano da postoji teoretska
opravdanost konstruisanja i korišćenja
Efikasnog regulatora napona
fotonaponskog napajanja. Izvršena su
ispitivanja sa dva fotonaponska panela
istog proizvođača i pod istim uslovima.
Prvi je napajao akumulatorsku
[037]
energija
energija
Slika 6 Talasni oblik struje punjenja baterije
bateriju preko standardnog regulatora
fotonaponskog napajanja dok je
drugi koristio prototip efikasnog
regulatora napona fotonaponskog
napajanja. Prvi rezultati ispitivanja
pokazali su da se efikasni regulator
napona može koristiti umesto
postojećih regulatora fotonaponskog
napajanja. Rezultati uporednog
ispitivanja dva fotonaponska panela
snage 100W pokazala su da je pri
jednakim uslovima stepen iskorišćenja
fotonaponskog panela sa efikasnim
regulatorom napona za oko 20% bolji
od klasičnog regulatora napona.
Uređaj je jednostavne konstrukcije,
u odnosu na postojeće regulatore
napona poseduje kondenzator i
induktivnost što ga čini malo skupljim
za proizvodnju, ali obezbeđuje za
oko 20% više energije od klasičnog
regulatora pri istovetnim uslovima,
tako da se povećanje cene regulatora
brzo isplati. Uređaj se može lako
napraviti i serijski primenjivati u
kolima sa fotonaponskim izvorima
energije jednostavnom zamenom
postojećih regulatora napona
fotonaponskog napajanja.
Mada se korišćenjem efikasnog
regulatora napona solarnog napajanja
dobija povećanje dobijene energije
za oko 20% kod individualnog
napajanja, značaj mu znatno raste
kod mrežom vođenih sistema velikih
struja i snaga[07] gde ovaj procenat u
apsoultnom iznosu znatno brže utiče
na isplativost investicije.
Literatura
[1] Nikolić Z.,Pucar M., Dakić P.,
Obnovljivi izvori energije na
Svetoj Gori, Zbornik radova sa
skupa ”Alternativni izvori energije
i budućnost njihove primjene”,
Podgorica, CANU vol. 77,
Odjeljenje prirodnih nauka vol.10,
(2006), 109 - 116.
[2] Nikolić Z., Novine u životu
Svetogoraca kao posledica novih
tehnika na Atonu, sa posebnim
osvrtom na manastir Hilandar, Peta
kazivanja o Svetoj Gori, Prosveta,
Beograd, (2007), 257 – 302.
[3] Stevović S., Nikolić D.,
„Eksperimentalna instalacija
dopunskog snabdevanja izolovanog
sistema sunčevom energijom“, VII
simpozijum industrijska elektronika
Indel 2008, Banja Luka, 06- 08.
novembar 2008.
[4] Rajaković N. i drugi, „Solarna
elektrana“, Projekat u okviru
programa Nacionalnog
Investicionog Plana Srbije pod
šifrom 10400636, Beograd 2008.
[5] Photowatt technologies, Prospektni
materijal, Photowatt PW6-100 Wp
- 12V, France, March 2007, www.
photowatt.com
[6] Nikolić D., Nikolić Z., Efikasan
regulator napona fotonaponskog
napajanja, Patentna prijava
2010/0044 od 29. 01.2010. godine
[7] Kazuyoshi Ueda, Ichiro Takano,
and Yoshio Sawada, Maximum
Power Point Tracking Control of
Plural Array PV System Under
Non-uniform Insolation Conditions,
World Renewable Energy Congress
VIII (WREC 2004).J. F. Fuller,
E. F. Fuchs, and K. J. Roesler,
“Influence of harmonics on power
distribution system protection,”
IEEE Trans. Power Delivery, vol.
3, pp. 549-557, Apr. 1988.
[038]
energija
Dr Slavi{a \ukanovi}
Visoka poslovna škola strukovnih studija Novi Sad
UDC:621.311.243/.245 : 621.316.003 (430 + 450 + 460)
Ekonomski ishodi primene
podsticajnih mera za solarne
ćelije i vetrogeneratore u
Nemačkoj, Španiji i Italiji
1. Podsticajne mere za
primenu obnovljivih izvora
energije u Evropskoj Uniji
Početkom 2007. godine, Savet Evrope
obelodanio je svoj cilj dostizanja 20%
učešća obnovljivih izvora u strukturi
ukupne proizvodnje energije u 2020.
godini (European Council, 2007.).
Međutim, još znatno ranije, u
pojedinim zemljama su osmišljavane
i primenjivane različite podsticajne
mere. Kako je vreme proticalo, a
stepen primene obnovljivih izvora
energije u tim zemljama se povećavao,
tako su razrađivani novi oblici
stimulativnih ekonomskih mera.
Poslednjih godina, širom sveta,
koriste se različiti oblici podsticanja
primene obnovljivih izvora energije:
državne subsidije, smanjenja poreza
na dodatu vrednost, poreski krediti,
neto-razmena, zeleno označavanje,
naknada troškova. U ovom radu biće
razmotreno značenje onih mera koje su
se u praksi pokazale najdelotvornijim:
naknade troškova, zelene oznake i
neto-razmena.
1.1. Neto-razmena
Reč je o sezonskoj razmeni električne
energije između individualnih
proizvođača (domaćinstava) i
nadležnih distributivnih preduzeća.
Neto razmena podrazumeva da
električna energija, proizvedena u
solarnim ćelijama ili vetrogeneratorima
i isporučena u prenosnu elektromrežu, ima jednaku ili veću
ekonomsku vrednost struji kupljenoj
od elektrodistribucije. To znači
da domaćinstva plaćaju samo
onu razliku između proizvedene i
potrošene energije, što je naročito
važno za razdoblja dužih oblačnosti
Rezime
Rad je posvećen objašnjenju i uporednoj analizi primenjenih podsticajnih mera
i ostvarenih rezultata korišćenja solarnih ćelija i vetrogeneratora električne
energije u tri reprezentativne zemlje: Nemačkoj, Španiji i Italiji. Analizirane su
tri najčešće primenjene podsticajne mere: Neto razmena (Net-metering), Zelene
oznake (Green tags) i Ekonomske naknade (Feed-in tarifs). Samo poređenje je
izvršeno upotrebom standardnih ekonomskih pokazatelja: Roka nadoknade
uloženog kapitala, Neto sadašnje vrednosti i Interne stope prinosa, za različite
snage sistema solarnih ćelija (od 3 do 500 KWp) i vetrogeneratora (od 20
KW do 50 MW). Zaključeno je da ostvarenje očekivanog razvoja primene
posmatranih obnovljivih izvora, osim prirodnih odlika (intenziteta osunčanosti
i vetrovitosti) dominantno zavisi od visine i strukture podsticajnih naknada,
isplaćenih nezavisnim proizvođačima struje, kao i od visine tržišnih cena na
elektroenergetskom tržištu. Na primer, usled relativno najviše finalne cene
električne energije od čak 0,21 evro/kWh, u Italiji su zabeležena kraća vremena
nadoknade uloženog kapitala, odnosno više interne stope prinosa u odnosu na
Španiju i Nemačku.
Ključne reči: solarne ćelije, vetrogeneratori, podsticajne mere, cene električne
energije
The Economic Results of Supportring Mesures Useing for PV
and Wind Systems in Germany, Spain and Italy
The paper has presented a comparative analysis of the main supporting
strategies for promoting PV and Wind systems in Europe. For the analysis
have been taken into consideration three representative European countries:
Germany, Spain and Italy. This countries have been choosen, that in the last
years have reached the best results in the promotion of the two ecological
technologies, for their different and original way of implementing the same
supporting strategies. A comparaison based on the calculation of the pay-back
period (PBP), the internal rate of return (IRR), and the net present value (NPV),
for different sized PV and Wind systems, shows that the differences between the
way of implementation of the same support policy in different countries can give
place to significantly different results. It is concluded that relisation of expected
development depends mainly on level and structure of Feed in tariffs, received
by independent producers of electric energy by renewable energy sources, and
also from level of electric energz market prices. For exemple, in the Italian case,
PBP is shorter and the IRR and the NPV are higher, than the other two countries.
This is essentially due to two factors: the particular implementation of the FIT
mechanism, and the very high electicity costs.
Key words: PV systems, wind systems, supporting measures, the prices of
electricity
[039]
energija
(kod solarnih ćelija) ili smanjene
vetrovitosti (kod vetrogeneratora).
Prenosna lektro mreža u tom slučaju
služi kao virtuelno skladište električne
energije dobijene iz kućnih sistema
za primenu obnovljivih enegetskih
izvora. Istovremeno, elektrodistribucija
na taj način povećava stabilnost svoje
ponude tokom vršnih letnjih (sunce) ili
zimskih (vetar) opterećenja.
Neto-razmena (Net-metering), kao
mera za podsticanje primene solarnih
ćelija, nastala je u Kaliforniji,
početkom novog milenijuma.
Ilustracije radi, navešćemo visine
tarifa korišćenih u toj naprednoj
državi SAD. Nezavisni proizvođači
električne energije iz solarnih ćelija su
tokom leta prodavali struju nadležnim
elektrodistribucijama po ceni od 31 US
centi / kWh, dok su, tokom zime, tu
istu struju kupovali po ceni od 9 US
centi za jedan kilovat sat. Tri i po puta
viša prodajna cena i te kako podstiče
domaćinstva da investiraju u sisteme
solarnih ćelija, budući da elektromreža
igra ulogu velike akumulatorske
baterije, efikasnosti preko 300%
(Black, A. 2004.).
Od zemalja Evropske Unije, netorazmena, kao podsticajna mera za
primenu sistema solarnih ćelija,
primenjuje se u Belgiji, Češkoj,
Danskoj i Italiji.
1.2. Zelene oznake
Zelene oznake predstavljaju svojinska
prava proizvođača električne energije
iz obnovljivih izvora nad određenim
ekološkim koristima. Zeleni znaci
(Green tags – GT), mogu biti predmet
trgovine između različitih proizvođača
električne energije. U tom slučaju,
nosioci, odnosno vlasnici zelenih
znakova mogu da naplate pravo,
stečeno proizvodnjom energije iz
obnovljivih izvora (Đukić, P. 1999.).
Na primer u Italiji, već deset godina
svi veliki proizvođači električne
energije iz fosilnih goriva (godišnja
proizvodnja preko 100 GWh) imaju
zakonsku obavezu da proizvedu
određenu količinu struje iz obnovljivih
izvora (sunca, vetra, biomase zemljine
toplote). Alternativno, ukoliko nemaju
sopstvenih elektro-postrojenja koja
koriste obnovljive izvore, velika
energetska preduzeća imaju mogućnost
da na tržištu električne energije kupe
potrebnu količinu struje od drugih
proizvođača. Na taj način dobijaju
određen broj zelenih oznaka i stiču
prava po tom osnovu. Jedna zelena
oznaka se zaslužuje proizvodnjom
(ili kupovinom) 50 MWh električne
energije iz obnovljivih izvora.
energija
Ovlašćena agencija striktno nadgleda
ovaj proces i određuje koliko će
pojedini proizvođači (odnosno kupci)
«obnovljive» struje dobiti zelenih
oznaka. Svaki dodeljeni zeleni znak
ima jedinstveni identifikacioni broj,
čime se izbegava dvostruki obračun.
(Campoccia, A. et. al. 2009.).
Osnovne prednosti zelenog
označavanja jesu sniženje ukupnih
troškova proizvodnje struje iz
obnovljivih izvora energije, kao i
povećanje broja «zelenih» korisnika i
oživljavanje prometa na energetskom
tržištu. Nasuprot tome, glavni
nedostatak zelenog označavanja oličen
je postojanjem izvesnih razlika u visini
pojedinačnih troškova proizvodnje
«zelene» električne energije između
samih proizvođača, zavisno od
lokacije, osunčanosti i vetrovitosti.
Od zemalja Evropske Unije, zelene
oznake u cilju podsticanja korišćenja
solarnih ćelija primenjuju se u Austriji,
Belgiji, Češkoj, Danskoj, Mađarskoj,
Irskoj, Holandiji i Švedskoj. Kada
je reč o energiji vetra, zelene oznake
se koriste u Belgiji, Italiji, Poljskoj,
Rumuniji i Švedskoj.
1.3. Ekonomske naknade
Mehanizam ekonomskih naknada
(Feed-in tariffs – FIT) najšire je
korišćena mera za podsticanje primene
obnovljivih izvora energije. Na snazi je
u preko 20 zemalja Evropske Unije.
Suština ekonomskih naknada sastoji
se u obavezi elektrodistribucije
da na svojoj teritoriji otkupljuje
svu električnu struju dobijenu iz
obnovljivih izvora energije, uz
isplatu tačno određenih iznosa tokom
preciziranog budućeg razdoblja.
Naknada se isplaćuje svakom
proizvođaču električne energije koji
koristi sisteme za proizvodnju iz
obnovljivih izvora, u fiksiranom iznosu
za svaki isporučeni kolovat sat.
Visina naknade je unapred određena
oblikom korišćenog obnovljivog
izvora energije i razlikuje se od zemlje
do zemlje, usled različitih korisničkih
tehnologija, različite osunčanosti,
vetrovitosti, različitih tržišnih prilika
ili socijalno-političkih okolnosti. U
trećem delu ovog rada, detaljno će biti
prokomentarisane visine ekonomskih
naknada za podsticanje primene
solarnih ćelija i vetrogeneratora u
Nemačkoj, Španiji i Italiji.
Pritom je važno naglasiti da primena
ekonomskih naknada ne opterećuje
poreske obveznike niti državni
budžet, već samo potrošače električne
energije, putem različitih tarifnih
stavova i posredstvom nadležnih
Elektrodistribucija.
[040]
2. Ekonomska analiza
Ekonomska analiza podsticajnih
strategija, izvršena je upoređenjem
standardnih međunarodnih ekonomskih
pokazatelja: novčanog toka (cash
flow), roka nadoknade uloženog
kapitala (PBP – Pay Back Period),
neto sadašnje vrednosti (NPV – Net
Present Value) i interne stope prinosa
(IRR – Internal Rate of Return), koji su
izračunati za testirane sisteme solarnih
ćelija i vetrogeneratora u posmatranim
zemljama.
2.1. Metodolo{ka podloga
Novčani tokovi (prilivi i odlivi
gotovine) kod ovih investicija zavise
od nekoliko činioca. Polazi se od
ostvarenih broja sati rada analiziranog
sistema za proizvodnju električne
energije (dakle od osunčanosti,
odnosno vetrovitosti). Potom se uzima
u obzir visina ekonomskih naknada
(Feed in tariffs - FIT), odnosno
vrednost zelenih znakova (Green
tags - GT) i određuje njihov uticaj na
iznos ostvarenih gotovinskih priliva.
Naposletku, u računicu se dodaju
količina ušteđene konvencionalne
energije, a oduzimaju troškovi
održavanja i upravljanja, osiguranje,
amortizacija i kamate.
Navedeni činioci se pretvaraju u
novčane tokove (cash flows – CF),
putem sledeće jednačine koja obuhvata
sve troškove (Ci) i sve zarade (Pi),
ostvarene u godini t:
CF =
−
= (F x Et) + (PkWh x Et) −
(u x C0) − Cadd
(1)
gde su: F- vrednosti ekonomskih
naknada ili zelenih znakova, Et –
godišnja proizvodnja električne
energije, PkWh – cena električne
energije, u – koeficijent troškova
održavanja i upravljanja (obično
jednak 0,01 za PV sisteme i 0,03 za
vetrosisteme), C0 je vrednost početne
investicije, a Cadd su zbirni godišnji
troškovi osiguranja, amortizacije i
kamate.
Tako izračunati novčani tokovi u
godini t, svode se na sadašnju vrednost
(present value) deljenjem sa izrazom
(1+ i)t :
PVCF =
(2)
gde i označava prosečnu ponderisanu
cenu kapitala (weighted average cost
of capital – WACC), finansijski indeks
koji predstavlja prosečan očekivani
prinos od sopstvenog i pozajmljenog
kapitala, uz uvažavanje uticaja poreza
(Đukanović, S. 2010.).
energija
energija
Jednačina (2) omogućuje određenje
ekvivalentne sadašnje vrednosti
novčanog toka u godini t, ako je
unapred poznata njegova očekivana
nominalna vrednost u toj godini.1
Sada ćemo odrediti važne ekonomske
indikatore: Neto sadašnju vrednost
(Net present value – NPV) i Internu
stopu prinosa (Internal rate of return
– IRR) Ovi pokazatelji, definisani su
sledećim izrazima:
Na primer, ako je i = 4%, onda
novčani tok od CF = 1.000 evra,
predviđen da se ostvari u sedmoj
godini (t = 7), ekvivalentan je
današnjem novčanom toku od PVCF =
= 760 evra
NPV =
C0 −
− C0
(3)
=0
(4)
u kojima N predstavlja životni
(odnosno radni) vek investicije.
2.2 Radne pretpostavke
Kad je reč o solarnim ćelijama,
posmatrana su tri različita PV sistema:
z 3 kWp, integralno uklopljenih u
zgrade (BIPV – Building integrated
photovoltaic)
z 20 kWp, takođe BIPV
z 500 kWp, postavljenih izvan
zgrada (NIPV – Not integrated
photovoltaic)
Računica je izvršena uz uvažavanje
sledećih pretpostavki:
- Celokupna električna energija,
koja je proizvedena u PV
sistemima, isporučena je i prodata
Elektrodistribuciji.
- Prosečna efikasnost PV sistema,
jednaka je 80%.
- Prosečna ponderisana cena kapitala
(WACC) je 3%.
- Prosečan rast cena električne energije
u posmatranim zemljama je 3%
- Prosečne godišnje količine
proizvedene električne energije u PV
sistemima (u kilovat satima po kWp
instalisane snage) date su u Tabeli 1.
- Ukupni troškovi PV sistema u odnosu
na instalisanu snagu, dati su u tabeli 2.
- Prosečne cene električne energije
i stope inflacije, u posmatranim
zemljama date su u tabeli 3.
- Troškovi održavanja i upravljanja,
procenjeni su na 1% od ukupnih
troškova instalisanja.
Kad je reč o vetrogeneratorskim
sistemima, razmatrana su takođe tri
različita slučaja:
z 20 kW mikro vetrogeneratori
z 20 MW farme vetrenjača na kopnu
(on-shore)
z 50 MW farme vetrenjača na moru
(off-shore)
Računice su izvršene uz uvažavanje
sledećih radnih pretpostavki:
- Električna energija, proizvedena
u mikro vetrogeneratorima,
Tabela 1 Prosečna godišnja proizvodnja električne energije po kWp instalisane
snage PV sistema
Izvor: Retscreen International Database, 2008.
Tabela 2 Prosečni troškovi instalisanja PV sistema (bez PDV-a)
Izvor: International Energy Agency, 2005
Tabela 3 Prosečne finalne cene struje i stope inflacije
Izvor: Eurostat, 2006a, 2006b
Tabela 4 Troškovi instalisanja vetroenergetskih sistema, po kW snage (bez PDV-a)
Izvor: International Energy Agency, Wind 2008
[041]
delimično je potrošena (70%), a
ostatak (30%) je isporučen i prodat
Elektrodistibuciji.
- Kod farmi vetrenjača na kopnu i
moru, sva proizvedena električna
energija isporučena je nadležnim
distributivnim preduzećima.
- Prosečan rast finalnih cena električne
struje u sve tri zemlje iznosi 3%
- Visine podsticajnih naknada nisu
indeksirane (ne prate inflaciju).
- Troškovi instalisanja zavise od snage
vetrogeneratora (tabela 4).
- rosečno vreme rada farmi vetrenjača
na kopnu iznosi 1.600 sati godišnje u
Nemačkoj i Italiji, odnosno 2.000 sati
godišnje u Španiji.
- Prosečno vreme rada vetroelektrana
na moru je za sve tri posmatrane
zemlje podjednako i iznosi 3.000 sati
godišnje.
- Prosečne cene električne energije i
prosečna ponderisana cena kapitala
su iste kao i za PV sisteme.
- Troškovi održavanja i upravljanja,
procenjeni su na 3% od ukupnih
troškova instalisanja vetroenergetskih
sistema.
3. Rezultati ekonomske
analize po zemljama i
diskusija
Poređenje različitih podsticajnih
ekonomskih mera za primenu sistema
solarnih ćelija i vetrogeneratora u
Nemačkoj, Španiji i Italiji, ishodovalo
je zanimljivim pojedinostima, od kojih
će neke biti sada navedene.
Najpre valja istaći da vremena
nadoknade uloženog kapitala u sve tri
posmatrane zemlje, za male i srednje
sisteme solarnih ćelija integralno
uklopljenih u postojeće zgrade (BIPV),
nisu prelazila 19 godina. U okviru
toga, najkraće vreme nadoknade
početne investicije, od svega 9
godina (za PV sisteme srednje snage),
zabeleženo je u Italiji (tabela 7).
Potom, analizirajući velike PV sisteme,
postavljene izvan postojećih zgrada
(NIPV), treba naglasiti da su najbolji
rezultati ostvareni u Nemačkoj (vreme
nadoknade uloženog kapitala od 14,5),
a potom u Italiji (18 godina). (tabele
5 i 7). Slično je i sa visinom interne
stopa prinosa (IRR), koja za Nemačku
iznosi 2,84% a za Italiju 0,69%. (tabele
5 i 7). To je sasvim logično, s obzirom
da u Nemačkoj postoji višedecenijsko
iskustvo, stečeno postavkom i radom
brojnih NIPV sistema snažnijih od 500
kWp.
Konačno, visoka isplativost PV
sistema srednje snage, integralno
uklopljenih u postojeće zgrade
(BIPV), ostvarena u Nemačkoj, pored
prilagodljive visine ekonomskih
naknada (FIT), duguje se relativno
višom efikasnošću pretvaranja
energija
sunčeve energije u električnu, usled
podudarnosti vertikalnijih uglova
postavke panela solarnih ćelija sa
lokacijama severnijih geografskih
širina. (Stamenic, L. et al. 2004).
Kada je reč o podsticanju primene
energije vetra, najpre valja skrenuti
pažnju na delotvornost primene zelenih
oznaka (GT) u Italiji, koja se pokazala
kao efikasnija od ekonomskih naknada
u Nemačkoj i Španiji. Naime, vremena
nadoknade uloženog kapitala u Italiji
su kraća, dok su Interna stopa prinosa
i Neto sadašnja vrednost više od
istovrsnih vrednosti u konkurentskim
zemljama. (tabele 5, 6 i 7).
Takođe, ako upoređujemo isplativost
vetrenjača na kopnu (on-shore),
možemo konstatovati da su Italija (IRR
= 23,92%) i Španija (IRR = 6,86%) u
prednosti u odnosu na Nemačku (IRR
= 3.19%). Španija, pritom ima dodatno
preimućstvo usled dužeg prosečnog
godišnjeg rada svojih vetrenjača u
odnosu na Italiju i Nemačku. (tabele
5, 6 i 7). Naposletku, od sve tri
posmatrane zemlje, razvoj i primena
mikro-vetroenergetskih sistema,
najveći potencijal trenutno postoji u
Italiji, usled najviših cena električne
energije. A sada, nešto više o svakoj
posmatranoj zemlji ponaosob.
3.1. Nema~ka
Nemačka je, uz Japan, Kinu i
Sjedinjene Američke Države, jedna
od vodećih zemalja sveta na polju
proizvodnje električne energije iz
obnovljivih izvora. U tekstu koji sledi
dat je kratak prikaz nemačke Odluke
o prioritetnom subvencionisanju
obnovljivih izvora energije (Act on
granting priority to renewable energy
sources). Ovaj dekret, poznatiji
kao Odluka o obnovljivim izvorima
energije, Nemačka, 2000 (Renewable
Energy Sources Act, Germany, 2000),
predstavlja neku vrstu vodiča, kojeg su
potom sledila zakonodavstvstva drugih
evropskih zemalja.
Pomenuta nemačka Odluka, odnosila
se na obavezu nabavke i po tom
osnovu isplate naknade proizvođačima
električne energije iz malih
energija
hidroelektrana, energije vetra, energije
sunčevog zračenja, geotermalne
energije, prirodnog gasa, postrojenja
za preradu otpada ili biomase, na
nemačkoj teritoriji, od strane javnih
elektrodistributivnih preduzeća.
«Elektroprivredna preduzeća se
obavezuju da povežu svoje razvodne
mreže sa postrojenjima za proizvodnju
električne struje iz obnovljivih izvora
energije, da nabavljaju struju iz
tih postrojenja kao prioritet i da
obeštećuju te proizvođače struje u
saglasnosti sa naknadama čiju visinu
određuje ova Odluka. Obaveza se
odnosi na elektroprivredna preduzeća
čije su razvodne mreže najbliže
postrojenjima za proizvodnju
električne energije iz obnovljvivih
izvora.» (Act of Granting Piority...,
2001.)
Suština ove pionirske nemačke
Odluke, bila je sadržana u podsticanju
proizvodnje električne struje iz malih
postrojenja obnovljivih izvora (ne
snažnijih od 5 MW, odnosno 20 MW
za biomasu), koje bi sa druge strane
trebalo da budu minimum 75% u
privatnom vlasništvu. Visine naknada
su tada iznosile od 6 evro centi po
kWh za vetrogeneratore na vetrovitijim
lokacijama, pa sve do 50 evro centi za
pojedinačne sisteme solarnih ćelija,
uz odgovarajuće dinamičke klauzule
postepenog smanjenja naknada sa
protekom vremena. (Đukanović, S.
2006).
Krajem 2008. godine, vetroenergetski
sektor u Nemačkoj dobio je novi
podsticaj, donošenjem amandmana
na Odluku o obnovljivim izvorima
energije. Novim cenovnikom, koji
je stupio na snagu 1. januara 2009.
godine, visina naknada vlasnicima
vetrenjača postavljenih na kopnu,
povećava se na 9,2 evro-centa po kWh
proizvedene električne struje. Slično
tome, visina naknada za vetrenjače
postavljene na morskoj pučini sada
iznosi 13 evro-centi po kWh. Takođe,
vlasnicima onih vetrenjača, čija
izgradnja započne pre kraja 2015.
godine, biće isplaćeno dodatnih 2 evrocenta po kWh proizvedene struje.
Tabela 5 PBP, IRR i NPV za primer Nemačke
Izvor: Campoccia, A. et. al. (2009), p. 295
[042]
Nasuprot ovom povećanju naknada
za primenu energije vetra, dosadašnji
visoki podsticaji za električnu struju iz
solarih ćelija u Nemačkoj su smanjeni
sa 0,5 na 0,4 evra po kWh. Razlog
tom smanjenju predstavlja činjenica
da solarne ćelije doprinose ukupnoj
proizvodnji struje u Nemačkoj sa
manje od 0,5%, dok se na njih izdvaja
oko 20% ukupnih podsticajnih
rashoda. (RE focus, 2008).
Na tabeli 5, prikazane su vrednosti
izračunatih ekonomskih pokazatelja:
roka nadoknade uloženog kapitala
(PBP – Pay Back Period), interne
stope prinosa (IRR – Internal Rate
of Return) i neto sadašnje vrednosti
(NPV -Net Present Value), za primer
Nemačke.
Posmatrajući tabelu 5, možemo
zaključiti, da u nemačkim
uslovima, pod prethodno usvojenim
pretpostavkama, najisplativiji su
sistemi solarnih ćelija srednje snage od
20 kWp, kao i veliki vetroenergetski
sistemi na moru, snage 50 MW, budući
da su im najkraća vremena nadoknade
uloženog kapitala (PBP = 13, odnosno
13,5 godina) i najviše interne stope
prinosa (IRR = 3,86, odnosno 3,89%)
respektivno.
3.2. Španija
Zakonski osnov za podsticanje
primene obnovljivih izvora energije
u Španiji – Kraljevska Odluka (Real
Decreto) – donet je 2004. godine.
Ovom odlukom, utvrđena je tzv.
prosečna referentna cena električne
energije (reference average tariff –
RAT). Ekonomske naknade koje se
isplaćuju proizvođačima električne
energije iz obnovljivih izvora u
Španiji, određuju se procentualno u
odnosu na RAT.
Na primer, visina naknada za sisteme
solarnih ćelija varira od 240% RAT
(za postrojenja snažnija od 100 kWp)
do 575 % RAT (za postrojenja vršne
električne snage ispod 100 kWp).
Slično tome, za vetroenergetske
sisteme, visina ekonomskih naknada
se kreće od 85% RAT (za farme
vetrenjača snage preko 5 MW), do
90% RAT (za farme vetrenjača snage
ispod 5 MW).
Navedene ekonomske naknade,
raspoložive su proizvođačima
električne energije iz obnovljivih
izvora u Španiji na neodređeno buduće
razdoblje, uz predviđena smanjenja po
isteku 25 godina od dana uvođenja.
Polazeći od prosečne cene električne
energije u Španiji od 0,11 evra /
kWh, zatim prosečne stope inflacije
od 4% i prosečne ponderisane cene
kapitala (WACC) od 3%, izračunati
su osnovni ekonomski pokazhatelji
(PBP, IRR, NPV) za različite snage
energija
energija
Tabela 6 PBP, IRR i NPV za primer Španije
Izvor: Campoccia, A. et. al. (2009), p. 296
Tabela 7
PBP, IRR i NPV za primer Italije
Izvor: Campoccia, A. et. al. (2009), p. 296
solarno-energetskih i vetroenergetskih
postrojenja.
Kao što možemo videti iz tabele
6, u španskim uslovima, od svih
posmatranih sistema, najisplativije
su farme vetrenjača na kopnu, snage
20 MW, budući da imaju najkraći
vek nadoknade uloženog kapitala
(12 godina) i najvišu internu stopu
prinosa (6,86%). Dodamo li tome
osnovne prednosti primene energije
vetra (odsustvo bilo kakvog zagađenja
životne sredine, kao i zadovoljenje
povećane potrošnje struje tokom
zimskog perioda) dobićemo odgovor
na pitanje zašto je Španija trenutno
druga zemlja u Evropi i treća u svetu
po instalisanoj snazi vetrogeneratora.
3.3. Italija
Zakonski osnov za podsticanje primene
solarne i energije vetra – Odluku
Ministarstva ekonomskog razvoja
– Italijani su izglasali 2007. godine.
Dakle, kasnilo se sedam godina u
odnosu na Nemce i tri godine u odnosu
na Špance. Iz tog razloga, struktura
visine naknada i ukupnih podsticajnih
mera u Italiji jeste i najsloženija.
Govoreći o podsticanju primene
sistema solarnih ćelija, možemo
primetiti da je visina naknada
izdiferencirana u zavisnosti od mesta
postavke i od instalisane električne
snage. Vlasnici sistema solarnih ćelija
postavljenih izvan postojećih zgrada
(NIPV - Not Integrated PV), snage
manje od 3 kWp, imaju pravo na 40
evro centi po kilovat satu proizvedene
električne struje. Slično tome,
investitori u srednje jake NIPV sisteme
(3-20 kWp) dobijaju 38 evro centi /
kWh, dok snažniji NIPV sistemi (preko
20 kWp) u Italiji zaslužuju naknade
od 36 evro centa / kWh proizvedene i
isporučene električne struje.
Sledeća kategorija su delimično
integrisani sistemi solarnih ćelija u
strukturu zgrada (PIPV – Partially
Integrated PV).Visina njihovih
nadoknada varira od 44 evro-centa
po kilovat satu proizvedene struje (za
najslabije) do 40 evro-centa / kWh /za
relativno jače PIPV sisteme).
Najviše naknade u Italiji dobijaju
vlasnici sistema solarnih ćelija
potpuno uklopljenih u strukturu
zgrada (BIPV – Building Integrated
PV). Visina ovih naknada za slabije
BIPV sisteme dostiže 49 evro-centi
za isporučeni kilovat sat struje. Slično
tome, srednji (3-20 kWp) i snažniji
(preko 20 kWp) BIPV sistemi u Italiji
zaslužuju naknade u visini od 40,
odnosno 38 evro-centa / kWh struje,
respektivno.
Pored ekonomskih naknada, kao
glavne mere, za podsticanje primene
PV sistema male i srednje snage, u
Italiji se primenjuje i mehanizam
neto-razmene. To znači da individualni
korisnici sistema solarnih ćelija
plaćaju samo razliku između
ukupno potrošene i proizvedene
električne struje isporučene nadležnoj
elektrodistribuciji, i to po ceni koju
određuje merodavna državna ustanova
AEEG (Authority for Electric Energy
and Gas).
[043]
Prelazeći na podsticanje primene
energije vetra u Italiji, podsećamo
da ova zemlja primenjuje tzv. zeleno
označavanje (GT – Green Tags).
Prema pomenutoj Odluci iz 2007.
godine, vrednost jedne zelene oznake
iznosila je 125 evra po megavat
satu proizvedene električne struje u
vetrogeneratorima.
Zahvaljujući primeni navedenih
podsticajnih mera, Italija, tokom
poslednje dve godine, beleži ubrzan
razvoj primene obnovljivih izvora
energije, poboljšavajući svoje mesto
na globanoj energetskoj pijaci i
hvatajući korak sa vodećim zemljama
– Španijom i Nemačkom.
Na kraju, prikazaćemo vrednosti
ekonomskih pokazatelja za Italiju.
Polazeći od visine domaćih cena
elektrčne energije od 0,21evra /kWh,
godišnje stope inflacije od 2,3% i
prosečne ponderisane cene kapitala
od 3%, dobijeni su sledeći rezultati
(tabela 7)
Iz tabele 7 jasno možemo videti da su
u Italiji najkraća vremena nadoknade
uloženog kapitala (PBP), kao i najviše
interne stope prinosa (IRR) i neto
sadašnje vrednosti (NPV) u odnosu
na sve tri posmatrane zemlje. Takav
ishod, prvenstveno se duguje dvema
nepobitnim činjenicama:
z najrazuđenijoj podsticajnoj šemi;
z najvišoj ceni električne struje.
Zaklju~ak
Rad je posvećen prikazu ishoda
komparativne ekonomske analize
dosadašnje primene podsticajnih
mera za korišćenje solarnih ćelija i
vetrogeneratora u Nemačkoj, Španiji
i Italiji. Ove zemlje su odabrane, ne
samo zbog očiglednih uspeha na polju
primene obnovljivih izvora energije,
već i zbog različitih klimatskih,
privrednih i kulturoloških okolnosti.
Ekonomska analiza je urađena
metodom diskontovanog novčanog
toka, uz uvažavanje brojnih
pretpostavki u pogledu visine cena
električne energije, stopa inflacije,
prosečne ponderisane cene kapitala
i sl. Samo poređenje, izvršeno je
upotrebom standardnih pokazatelja
Roka nadoknade uloženog kapitala
(PBP), Interne stope prinosa (IRR) i
Neto sadašnje vrednosti (NPV).
Osnovni zaključak ovog rada jeste
da isplativost primene solarnih ćelija
i vetrogeneratora ne zavise samo
od osunčanosti i vetrovitosti, već i
od znanja i iskustava u dosadašnjoj
primeni, zatim od prilagođenosti
podsticajnih naknada, a naročito od
visine tržišnih cena električne energije.
Sve to može biti od koristi za Srbiju,
koja upravo kreće sličnim stazama.
energija
Literatura
1. Act of Granting Priority to
Renewable Energy Sources 2001,
Solar Energy, Vol. 70, No. 6, pp.
489−504
2. Black, A. (2004) Financial payback
on California residential solar
electric systems, Solar Energy, Vol.
77, No.4, pp. 381−388
3. Campoccia, A. Dusonchet, L.
Telaretti, E. Zizzo, G. (2009)
Comparative analaysis od different
supporting measures for the
production of electrical energy by
solar PV and Wind systems: Four
representative European cases,
Solar Energy, Vol. 83, No. 3, pp.
287−297.
4. Đukanović, S. (2006) Ekonomske
naknade za primenu obnovljivih
izvora energije, zakonski osnov
– primer Nemačke, Energetske
tehnologije, Br. 4, novembar 2006,
str. 35−37
5. Đukanović, S. (2010) Uvod u
finansijsko poslovanje, Visoka
poslovna škola strukovnih studija,
Novi Sad, str. 134−148.
6. Đukić, P. Pavlovski, M. (1999.)
Ekologija i društvo, Ekocentar,
Beograd, str. 111−113
7. European Council Act 7224/1/107,
Rv.1.Eurostat, 2006a. Electrical
prices for EU households and
industrial consumers on 1 July 2006.
Environment and Energy 18.
8. Eurostat, 2006b. Harmonized
indices of consumer prices –
September 2006. Economy and
Finance 24.
9. International Energy Agency, 2005.
Projected Costs of Generating
Electricity.
10. International Energy Agency, 2008.
IEA Implementing Agreement
for Co-operation in the Research,
Development and Deployment
of Wind energy Systems, www.
ieawind.org.
11. RE Focus, 2008. German wind
piks up as solar FIT reduced,
Renewable energy focus, July/
August, 2008, p. 16
12. Retscreen International Database,
2008.www.retscreen.net.
13. Stamenic, L. Smiley, E. Karim,
K. 2004. Low light conditions
modelling for building integrated
photovoltaic (BIPV) systems, Solar
Energy, Vol. 77, No. 1, pp. 37−46.
mr Dragan Komarov, dr Slobodan Stupar, dr Aleksandar
Simonovi}, Sr|an Trivkovi}, Marija Stanojevi}
Mašinski fakultet u Beogradu, Beograd
UDC:621.245.001.6 (497.11 + 100)
Trendovi u industriji
vetroturbina u svetu i
mogući pravci razvoja
domaće vetroenergetike
Rezime
Prema procenama Svetske vetroenergetske asocijacije do kraja 2009. godine ukupna
snaga vetroelektrana u svetu dostići će 150 hiljada megavata što predstavlja gotovo
četvorostruko povećanje u odnosu na kapacitete iz 2003. godine. Predviđa se da
će do 2020. godine u Evropi ukupna snaga izgrađenih vetroelektrana iznositi 230
hiljada megavata. Kroz primenjena istraživanja vezana za procenu spoljašnjih
uticaja, razvijanje naprednih aerodinamičkih i aeroelastičnih modela, nove
materijale velike čvrstoće i dobrog unutrašnjeg prigušenja, tehnologiju proizvodnje,
metode smanjenja troškova eksploatacije i održavanja ostvaruje se dalji napredak u
povećanju snaga vetroturbina, njihovoj pouzdanosti, raspoloživosti i efikasnosti. S
obzirom na dinamično svetsko tržište u radu su, pored činjenica vezanih za trendove
privrednog i naučno-istraživačkog razvoja u svetu, razmotrene mogućnosti i načini
pokretanja domaćih kapaciteta u cilju razvoja vetroenergetike u Srbiji. Pored
izgradnje vetroelektrana i eksploatacije energije vetra na teritoriji Srbije, aktivnosti
vezane za procenu vetroenergetskih resursa, izradu studija opravdanosti i idejnih
projekata, proizvodnju delova, sklopova i pratećeg softvera, montažu i instalaciju
vetroturbina predstavljaju nove mogućnosti za razvoj domaće privrede.
Trends in Global Development and Possible Directions of
Domestic Wind Energy Industry
According to estimates of the World Wind Energy Association (WWEA), by the end
of 2009. the total installed wind turbine power in the world will reach 150 000
megawatts, which represents almost fourfold increase compared to the capacity from
year 2003. It is anticipated that by 2020. the total wind turbine power in Europe will
amount to 230 000 megawatts. Through applied research in assessment of external
impacts, development of improved aeroelastic and aerodynamic models, usage of
new materials with high strength and good internal damping, production technology,
methods of reducing the cost of operation and maintenance further progress in
increasing the maximum power of wind turbines, their reliability, availability
and efficiency are being achieved. This paper presents trends of economic and
scientific-research development of wind energy industry in the world and considers
the possibilities and ways of running the domestic capacity to develop wind energy
industry in Serbia. In addition to wind power plant construction and operation in
Serbia, the activities related to assessment of wind resources, feasibility studies,
preliminary design, production of parts, components and supporting software,
installation and commissioning of wind turbines represent new opportunities for
domestic enterprise development.
1. Izgra|eni vetroenergetski
kapaciteti u svetu
Vetroelektrane predstavljaju
najrasprostranjeniji način dobijanja
električne energije iz obnovljivih
izvora, ukoliko se u ovu vrstu
energetskih izvora ne računaju velike
[044]
hidroelektrane. Veliki energetski
potencijal vetra, relativno kratak period
realizacije investicija i jednostavno
održavanje su neki od činioca koji su
doprineli stalnom rastu vetroenergetike
u svetu tokom poslednje dve decenije.
Ukupna instalisana snaga vetroturbina
energija
energija
Slika 1 Ukupna instalisana snaga vetroturbina u Evropskoj uniji – period 1998. –
2009.[2]
Slika 2 Trend rasta ukupne instalisane snage vetroelektrana[3]
Slika 3 Udeo u novoizrađenim vetroenergetskim kapacitetima u državama EU i
trend rasta ukupne instalisane snage vetroelektrana [2]
čega najveći deo kapaciteta pripada
Nemačkoj i Španiji. U toku 2009.
godine, i pored finansijske krize i
smanjenih ulaganja, u EU je izgrađeno
preko 10000 MW novih kapaciteta [2].
Na slici 1 je prikazan trend povećanja
elektroenergetskih kapaciteta u EU.
Tržišta na Dalekom istoku i u SAD
su u usponu, tako da je tokom 2008.
godine nešto više od 50% vetroturbina
prodato u SAD i Kini. Iste godine su
Sjedinjene američke države zamenile
Nemačku na prvom mestu po
kapacitetima izgrađenim u toku jedne
godine i ukupnoj snazi koja je krajem
2009. godine iznosila 25777MW.
Ukoliko se postojeći petogodišnji trend
nastavi može se očekivati da 2015.
godine ukupna snaga vetroturbina u
svetu bude blizu 450000 MW, od čega
će preko 140000 MW biti u Evropi
(slika 2). Ovakav trend izgradnje je
optimističan, a veliki broj faktora
(tehnološki, ekonomski, sociološki)
koji utiču na razvoj regionalnih
i globalnog tržišta čine ovakva
predviđanja nezahvalnim.
Tokom 2009. u Evropi je izgrađeno
10526MW novih vetroelektrana, što
je 23% više u odnosu na 2008. godinu
(slika 3). U ovaj sektor je uloženo
trinaest milijardi evra i pored svetske
ekonomske krize i pada tražnje na
tržištu usled izostanka finansijske
podrške u vidu kredita za kapitalne
investicije. Drugi put zaredom
vetroenergetski kapaciteti su instalirani
više od bilo kog drugog izvora energije
u Evropi. Učešće novih vetroelektrana
u EU u 2009. godini u novoizgrađenim
energetskim kapacitetima (ukupno
25963MW, od čega 61% iz obnovljivih
izvora) iznosi 39%, ispred elektrana
na gas (26%) i solarnih elektrana
(16%). Ukupni udeo energije vetra u
proizvodnji električne energije u EU je
porastao sa 2.2% na 9.1% u periodu od
2000. do 2009. godine.
2. Konstrukcija savremene
vetroturbine
u svetu do kraja 2008. godine je
iznosila 121188 MW, sa procenom
da će do kraja 2009. ukupna snaga
dostiguti 150000MW. Ukupna
proizvodnja energije se kreće na
nivou od preko 250TWh godišnje, što
predstavlja više od 1.5% potrošnje
električne energije u svetu.
Evropska unija je tokom prve decenije
bila tehnološki i finansijski pokretač
industrije što je uslovljeno preuzetim
obavezama od strane država članica da
obnovljivi izvori energije imaju 20%
udela u proizvodnji energije do 2020.
godine [1].
U periodu od 2005. do 2008. godine
u EU je instalirano nešto više od
8000 MW vetroturbina godišnje, od
[045]
Savremene vetroturbine su složene
mašine koje mogu imati više od
8000 delova. Osnovne funkcionalne
grupe su: rotor, sistem prenosa
snage, elektrosistem, gondola i stub.
U prateće sisteme se mogu ubrojati
sistem za zakretanje lopatica, sistem
za podmazivanje, sistem za hlađenje,
sistem za regulaciju i bezbedan rad
vetroturbine, sistem za zakretanje
gondole itd. Rotor sa horizontalno
postavljenom osom obrtanja čine tri
lopatice, koje su razdvojivom vezom
vezane za glavu rotora. Ovakva
konstrukcija je pokazala najbolji odnos
energija
energija
Slika 4 Vetroturbina sa horizontalnom osom obrtanja i indirektnim pogonom
elektrogeneratora [4]
Slika 5 Vetroturbina sa horizontalnom
osom obrtanja i direktnim
pogonom elektrogeneratora [5]
Kod vetroturbina sa direktnim
pogonom vratilo elektrogeneratora
je direktno spojeno sa glavnimsporohodim vratilom (slika 5).
Usled nepostojanja multiplikatora
vetroturbine sa direktnim pogonom
zahtevaju znatno veće gabarite
elektrogeneratora, koji mogu biti
klasični sa elektromagnetima na rotoru
i statoru ili stalnim magnetima na
rotoru ili statoru.
3. Trendovi razvoja
vetroturbina
cene, efikasnosti i aerodinamičkih
i dinamičkih karakteristika
vetroturbine. Veza glavnog vratila i
elektrogeneratora može biti direktna
i indirektna. Izborom ovog parametra
u velikoj meri su određeni masa i
dimenzije sklopova u gondoli. Kod
mašine sa indirektnim pogonom
glavno vratilo je sa jedne strane
povezano sa glavom rotora, a sa druge
sa multiplikatorom čije je izlazno
vratilo vezano za elektrogenerator
(slika 4). Na ovaj način se može
uštedeti na masi elektrogeneratora.
S druge strane, promenljivi momenti
uvijanja i savijanja koji se sa rotora
prenose na glavno vratilo utiču na
pojavu otkaza i smanjen radni vek
elemenata multiplikatorab. Glavno
uležištenje se nalazi blizu centra mase
rotora i prima najveća opterećenja.
Drugo uležištenje be nalazi neposredno
pre multiplikatora. Multiplikator
i elektrogenerator su zajedno sa
osloncima za vratila vezani za noseću
konstrukciju gondole. Fluktuacije u
brzini obrtanja brzohodog vratila se
kompenzuju u pratećoj elektronici koja
je povezana na elektrogenerator, a čija
je funkcija da stabilizuje frekvenciju i
napon.
Sa energetskom krizom sedamdesetih
godina 20. veka dolazi do povećanog
interesovanja za razvijanje
vetroturbina. Briga o zaštiti životne
sredine i smanjenje efekta staklene
bašte, kao i potreba za energetskom
nezavisnošću, uslovili su istraživanja
u oblasti obnovljivih izvora energije
u industrijski razvijenim državama.
Vodeće zemlje sveta osnovale su
laboratorije i institute za razvoj
obnovljivih izvora energije. Tako
je već krajem sedamdesetih godina
prošlog veka došlo do pojave prvih
vetroturbina koje su doprinosile
proizvodnji energije u SAD, Danskoj
i Nemačkoj. Izgradnja prvih parkova
vetroturbina - vetroelektrana počela je
krajem sedamdesetih godina u SAD.
Pored subvencionisanja od strane
federalnih državnih organa, država
Kalifornija je u tom periodu davala
dodatna sredstva za iskorišćenje
potencijala obnovljivih izvora energije.
Pozitivna zakonska regulativa u ovoj
državi je rezultirala izgradnjom prve
farme vetroturbina 1979. godine, koja
je bazirana na mašinama male snage
do 100kW, a čije su komponente bile
relativno brzo i jednostavno izrađivane
u pogonima američkih fabrika. Posle
realizacije prvih vetroelektrana
usledile su znatno veće investicije i
[046]
već 1981. godine došlo je do masovne
izgradnje vetroelektrana u Kaliforniji i
uvoza delova iz Danske. U Kaliforniji
je do 1987. godine izgrađeno 15000
vetroturbina sa ukupnom snagom od
oko 1400MW. Krajem devedesetih
godina 20. veka države Evropske
unije ulažu velika finansijska
sredstva u izgradnju vetroturbina,
što je predstavljalo podstrek za dalja
istraživanja i tehnološki razvoj.
Ulaganja u obnovljive izvore
energije značajno su porasla krajem
osamdesetih godina. Koncepti
razvijeni pedesetih i šezdesetih godina,
kao i stečena iskustva na razvoju
vetroturbina do 200 kW su bili osnova
za dalji razvoj vetroturbina, što je uz
velike budžete za istraživanja bilo
dovoljno za potpunu komercijalizaciju
vetroturbina.
Osamdesetih godina razvijene države
ulažu značajna sredstva u razvoj
vetroturbina velikih snaga. Pojavljuju
se eksperimentalne konstrukcije sa
rotorima prečnika preko 40m i snaga
preko 1MW. Razvijene su mašine
sa rotorima prečnika preko 100m i
snaga preko 3MW. Najveći prototip je
trebalo da izgradi kompanija General
Electric 1990. godine, snage 7.3MW
i prečnika 122m, međutim projekat
je otkazan 1993. godine zbog visoke
cene i postojećih modela vetroturbina
čijim je daljim usavršavanjem
postignuta veća snaga uz znatno
niža ulaganja. Krajem osamdesetih
osnovni cilj je postao efikasno
iskorišćenje energije vetra i smanjenje
eksploatacionih troškova i cene
izgradnje vetroenergetskih postrojenja.
Generacija prvih eksperimentalnih
vetroturbina velikih snaga predstavlja
osnov za razvoj današnjih vetroturbina.
Savremene komercijalne vetroturbine
koje imaju najbolji odnos cena i
ukupnih performansi su najčešće u
rasponu snaga od 0.85 MW do 2 MW
sa tendencijom povećanja na 3 MW.
Deset najuspešnijih kompanija je imalo
preko 80% udela na tržištu u 2008.
godini (slika 6), dok je u periodu od
2000. do 2007. godine njihov udeo
dostizao 90%. Najveći proizvođači
su Vestas, General Electric, Gamesa,
Enercon i Suzlon. Ove kompanije
su izgradile proizvodne kapacitete
u oblastima velike tražnje. Tako je
General Electric 2008. godine počeo sa
serijskom proizvodnjom vetroturbine
snage 2.5MW u Nemačkoj i Španiji.
Siemens je prvobitno proizvodio
komponente svojih vetroturbina u
Danskoj, da bi proširio proizvodne
kapaciteta gradnjom fabrika za
proizvodnju lopatica u SAD i Kini.
energija
energija
karakteristika,
kao i usavršene
tehnologije
izrade
rezultovalo
projektovanjem
i izradom
vetroturbina
snaga preko 5
MW. Nekoliko
kompanija
je uspelo
da razvije
vetroturbine
snage preko
6 MW za
primenu na moru i klasu vetra 1A
prema IEC standardu [6]. Prečnici
rotora se kreću u intervalu između 120
m i 130 m.
U Belgiji je u toku izgradnja
vetroelektrane sa vetroturbinama
trenutno najveće snage koje su
namenjene izgradnji na kopnu.
Vetroturbine E-126 kompanije
Enerkon sa direktnim pogonom
elektrogeneratora imaju nominalnu
snagu 6MW, a očekivana godišnja
proizvodnja jedanaest vetroturbina
iznosi 187 GWh godišnje. Napredan
elektrosistem ovih vetroturbina će biti
korišćen za stabilizaciju napona javne
mreže regiona u kome se elektrana
nalazi. Stubovi su visoki 131 metar,
a gondola je duga 22 metra. Broj
radnika potreban za izgradnju ove
vetroturbine je skoro dva puta veći
od broja potrebnog za izgradnju
prosečne vetroturbine snage 2MW.
Ovaj projekat je dobio materijalnu
podršku u okviru FP7 programa EU
za istraživanje, razvoj i demonstraciju
projekata iz oblasti obnovljivih izvora
energije, a realizuje ga konzorcijum
devet partnera koga predvodi WIP,
kompanija iz Minhena specijalizovana
u upravljanju međunarodnih projekata
vezanih za obnovljive izvore energije.
Projekat je koncentrisan na serijsku
proizvodnju vetroturbina E-126,
optimizovanje transporta i logistike za
izgradnju, optimizovanje integracije
u javnu mrežu i napredno predviđanje
proizvodnje. I pored značajne razlike u
ceni transporta i izgradnje u odnosu na
mašine snaga između 1 MW i 3 MW,
kao i probleme koji se javljaju u radu
sa konstrukcijama pomenutih gabarita,
povećanjem snage vetroturbine se
postiže bolja iskorišćenost po jedinici
površine zemljišta. U odnosu na
dvomegavatne mašine koeficijent
iskorišćenja zemljišta je 2.3 puta veći.
Međunarodna agencija za energiju
(International Energy Agency)
je dala podršku kontinualnom
istraživanju i razvoju vetroenergetike
Slika 6 Udeli vodećih deset kompanija na tržištu vetroturbina
u svetu u 2008.
U drugoj polovini 2008. Siemens
je izgradio 3.6 MW vetroturbinu sa
direktnim pogonom, kao i vetroturbinu
prečnika 101m snage 2.3MW,
namenjenu za vetrove slabog i srednjeg
intenziteta, s obzirom da su očekivanja
da će 1/3 tržišta u budućnosti činiti
upravo ovakve vetroturbine.
U okviru vodećih kompanija nalaze
se razvojno – istraživački centri
koji rade na inovacijama u cilju
poboljšanja vetroturbina vezanim
za povećanje snage, smanjenje
mase ključnih podsklopova,
integrisana rešenja multiplikatora,
elektrogeneratore, prateću elektroniku
itd. Španska kompanija Gamesa je
2008. godine instalirala prototip
snage 4.5MW, sa segmentnim
lopaticama, jednim uležištenjem
glavnog vratila, multiplikatorom
sa dva stepena prenosa i sinhronim
elektrogeneratorom sa stalnim
magnetima. Kineska kompanija
Sinovel je proizvodila 1.5MW
vetroturbine po licenci American
Superconductor Corporation, sa kojom
je 2007. godine potpisala ugovor za
razvoj vetroturbina snage 3 i 5 MW.
Takođe kineska kompanija, Goldwind
je 2008. godine kupila 70% nemačke
kompanije Vensys Energy AG, koji je
razvio seriju vetroturbina velikih snaga
sa direktnim pogonom. Goldwind
planira da u Nemačkoj izgradi fabriku
vetroturbina čija je investiciona
vrednost procenjena na oko 5 miliona
eura. Četiri godine nakon razvoja 1.5
MW vetroturbine Acciona je razvila
vetroturbinu snage 3MW i počela
serijsku proizvodnju tokom 2008.
godine. Nemačka kompanija Nordex
proizvodi 1.5MW vetroturbine u Kini,
kao i 2.5MW vetroturbine u Roštoku u
Nemačkoj.
Trend povećanja prečnika rotora
započet osamdesetih godina nastavljen
je krajem dvadesetog veka, što je uz
korišćenje novih materijala relativno
visoke čvrstoće i dobrih prigušnih
[047]
u cilju daljeg smanjenja cene
tehnologije i proširivanja postojećih
vetroenergetskih kapaciteta [7].
Istraživanja se obavljaju prema
sledećim postavljenim zadacima
[8]: razmena informacija i saradnja
istraživačkih institucija u cilju
uspostavljanja preporuka za testiranje
i procenu vetroturbina i zajednička
istraživanja u oblasti aerodinamike,
zamora i tehnika predviđanja
resursa, performansi i opterećenja;
ispitivanje ponašanja vetroturbina pri
niskim temperaturama, sakupljanje
raspoloživih informacija, formiranje
klasa područja prema meteorološkim
uslovima i lokalnim potrebama i
praćenje pouzdanosti i raspoloživosti
standardnih i prilagođenih tehnologija;
istraživanje aerodinamike vetroturbina
sa horizontalnom osom obrtanja,
testiranje u aerotunelima i merenja
na terenu na modelima u cilju
skupljanja visokokvalitetnih podataka
o aerodinamičkim i strukturnim
opterećenjima koja bi mogla da
daju relevantne rezultate kada
se primene na glavna izvođenja
vetroturbina; istraživanje dinamičkih
modela vetroelektrana i uticaja na
elektromrežu; razvoj tehnologija
vetroturbina za primenu na morima u
cilju smanjenja troškova proizvodnje,
izgradnje i održavanja; integracija
vetroelektrana i hidroelektrana,
identifikovanje izvodljivih rešenja,
mogućnosti i ograničenja uključujući
analizu integracije vetroelektrana
u sisteme sa velikim udelom
hidroelektrana i mogućnostima
akumulacije energije u reverzibilnim
hidroelektranama; projektovanje
energetskih sistema za proizvodnju
električne energije sa visokim
procentom udela vetroenergije.
Ostvaren tehnološki napredak je
rezultat velikog broja istraživanja
koji su podržani od strane vlada
najrazvijenijih država u oblasti
vetroenergetike, kao i privatne
inicijative. Evropska unija finansira
istraživanja kroz svoje Framework
programe, koji pored finansiranja
imaju za cilj da približe razvojne
centre i kompanije iz različitih
delova Evrope. Evropska komisija je
2006. godine formirala tehnološku
platformu TPWind [9] za podršku
razvoju vetroenergetskih tehnologija.
Između ostalog, ciljevi organizacije
su identifikacija oblasti za prodor
inovacija, davanje podrške postojećim
i novim istraživanjima, povezivanje
istraživačkih i privrednih razvojnih
centara na teritoriji EU, proizvođača
vetroturbina i vetroelektrana,
finansijskih organizacija, kupaca i
energija
državnih institucija što za posledicu
treba da ima nižu cenu vetroturbina
i proizvedene energije. U rad su
uključeni svi vodeći evropski razvojno
– istraživački centri univerziteta i
instituta (Risoe/DTU, CENER, ECN,
Delft TU) , kao i vodeće kompanije
(Siemens, Alstom, Vestas, Nordex,
Gamesa, RePower Systems, LM
Glasfiber, Suzlon, ABB, Germanischer
LLoyd).
Istraživanja podržana u okviru
tehnološke platforme TP Wind se
odnose na istraživanje i procenu
vetroenergetskog potencijala, inovacije
u tehničkim rešenjima sklopova i
podsklopova vetroturbina, integraciju
vetroturbina u javnu evropsku
električnu mrežu, razvoj vetroturbina
za korišćenje energije vetra na moru,
razvoj tržišta, obezbeđenje finansijske
podrške, donošenje odgovarajućih
propisa i procene uticaj na životnu
okolinu.
Savremena istraživanja u oblasti
procene energetskog potencijala vetra
se odnose na unapređenje postojećih
statističkih modela, pravljenje detaljnih
mapa vetrova, metoda predviđanja
i razvoj mernih uređaja i tehnika
merenja. Razvijaju se numerički
modeli bazirani na proračunskoj
mehanici fluida u kombinaciji sa
statističkim modelima za formiranje
numeričkih mapa potencijala vetra, kao
i primeni satelita i telekomunikacija
za obradu i prenos podataka.
Istraživanja vezana za konstrukciju
vetroturbina su vezana za razvoj
materijala, velikogabaritnih lopatica,
sistema prenosa snage, poboljšanje
efikasnosti, dijagnostiku otkaza i
održavanje. S obzirom na nestabilnu
cenu čelika, betona i bakra jedan od
zadataka istraživanja su identifikacija i
ispitivanja materijala supstituenata.
Sistemi prenosa snage velikih
vetroturbina izloženi su složenim
opterećenjima visokog intenziteta.
Konstrukcija sa multiplikatorom i
elektrogeneratorom visoke brzine
obrtanja se zamenjuje sporijim
elektrogeneratorima direktno vezanim
na glavno vratilo što za posledicu ima
povećanje mase delova. Javljaju se
dva pravca istraživanja: optimizacija
sistema korišćenjem multiplikatora
sa manjim prenosnim odnosom i
odgovarajućeg generatora, i razvijanje
novih kompaktnijih konstrukcija,
uz primenu lakših materijala,
ekstremno jakih magnetnih polja na
elektrogeneratoru i odgovarajuće
prateće elektronike za kompenzaciju
opterećenja. Spoljašnja i unutrašnja
opterećenja multiplikatora, deformacije
energija
i naponi u pojedinim komponentama
su takođe predmet savremenih
istraživanja. Kroz aerodinamička,
aeroelastična, aeroakustična i
strukturalna istraživanja kako
podsistema tako i vetroturbine u celini
očekuje se povećanje efikasnosti
postojećih mašina, pouzdanosti i
smanjenja uticaja na okolinu. Potrebno
je integrisanje aerodinamičkih modela
sa modelima koji opisuju ponašanje
strukture i elektrokomponenti. Posebna
grana istraživanja se odnosi na razvoj
multidisciplinarnih višekriterijumskih
metoda optimizacije koji će biti
integrisani u CAD razvojna okruženja.
Istraživanja u oblasti vetroenergetskih
tehnologija su i u Sjedinjenim
američkim državama podržana od
strane države. SANDIA obavlja
primenjena vetroenergetska
istraživanja u nekoliko oblasti u cilju
poboljšanja performansi i smanjenja
cene vetroturbina. Program je podeljen
u tri glavne oblasti: tehnologije
vetroturbina za male brzine vetra,
prateća istraživanja i tehnologije
i primena razvijenih tehnologija.
Osnovni cilj istraživanja je dostizanje
cene energije od 3 centa po kilovatu
za male brzine vetra do 2012. godine.
Istraživanja se vrše u oblasti inoviranja
postojećih aeroprofila za lopatice
vetroturbina kako bi se povećala
efikasnost ili smanjila opterećenja u
zavisnosti od specifičnosti lokacija i
drugih zahteva. U toku su istraživanja
nelinearnih modela za proračun
čvrstoće u cilju povećanja tačnosti
predviđanja radnog veka lopatica pod
datim spektrom opterećenja. U saradnji
sa privredom vrše se poboljšanja
tehnologije izrade lopatica. Aktuelna
istraživanja se odnose na napredne
kompozitne materijale sa ugljeničnim
vlaknima i procese izrade. Američka
Nacionalna laboratorija za obnovljive
izvore energije (NREL) ostvaruje
saradnju sa SANDIA laboratorijom i
bavi se sličnim istraživanjima.
4. Pravci razvoja tr`i{ta
i mogu}nosti razvoja
vetroenergetike u Srbiji
Prosečna cena vetroturbina se
relativno ravnomerno povećavala u
periodu od 2004. do 2007. godine
sa 1000 evra/kW na 1380 evra/
kW. Predviđanja za 2009. godinu su
pokazivala da će se cena ustaliti na
tom nivou [10]. Uzroci povećanja su
rast cena materijala, povećani troškovi
proizvodnje i veliko povećanje tražnje
uz nedostatak proizvodnih kapaciteta
koji bi tu tražnju podmirili. Visok nivo
subvencija u nekim državama dovodi
[048]
do rasta cena u ostatku sveta s obzirom
da su proizvođači u mogućnosti da
biraju države gde će dobiti najveću
cenu za svoj proizvod. Očekuje se da
cena vetroturbina 2020. godine iznosi
826 evra/kW, da bi do 2050. pala na
762 evra/kW [11].
Pretpostavlja se da će godišnji rast
kapaciteta vetroelektrana iznositi
između 15% i 20% tokom naredne
decenije. Faktori koji uslovljavaju
rast su: stalna tehnološka poboljšanja
koja utiču na pad cene proizvodnje,
izgradnje i održavanja, podrška
većine razvijenih država kroz
oslobađanje od poreza, subvencije
i pozitivnu pravnu regulativu, kao
i pojačane kontrole emisije štetnih
gasova. Najbitniji faktor koji može
biti ograničavajući u pogledu daljeg
rasta tržišta je proizvodni kapacitet
industrije i nemogućnost održivog
rasta. Dobavljači nisu u mogućnosti
da isporuče tražene količine što
je rezultiralo povećanjem cene i
smanjenjem kvaliteta isporučenih
delova. U isto vreme, nagli razvoj
industrije na globalnom nivou je
uticao na ulazak na tržište većeg broja
nespecijalizovanih kompanija.
Nagli rast tržišta predstavlja veliki
izazov za lanac dobavljača u pogledu
isporuke kvalitetnih komponenata,
materijala i usluga u kratkim rokovima.
S obzirom na veliku tražnju, rok
isporuke je često duži od dve godine.
Lanac dobavljača je vrlo kompleksan
i podložan velikom broju rizika s
obzirom da vetroturbine velike snage u
proseku imaju više od 8000 delova. Na
slici 7 prikazani su procentualni udeli
cena komponenti u ceni vetroturbine
velike snage. Rizici su znatno povećani
ulaskom novih dobavljača na tržište.
Do svetske ekonomske krize glavni
problemi u dobavljačkom lancu su bili
vezani za multiplikatore, velike ležaje
i lopatice rotora koji se oslanjaju na
finansijski zahtevna postrojenja za
proizvodnju za koje treba duže vreme
da se izgrade. Takođe, materijali koji
ulaze u proces proizvodnje, kao što
su čelik, liveno gvožđe i dr. su visoko
traženi u teškoj industriji. Prelazak na
višemegavatne mašine sa delovima
većih dimenzija je dodatno opteretio
već opterećen lanac dobavljača, što se
posebno odnosi na proizvođače velikih
ležajeva za multiplikatore i glavna
vratila. Na primer, ležaji za velike
multiplikatore i uležištenje glavnog
vratila su slabo dostupni. Prema
studijama rok isporuke iznosi od 16 do
18 meseci, kada se ne radi o isporuci
strateškom dugoročnom partneru.
Stabilizacija ponude i potražnje se ne
energija
energija
Slika 7 Procentualni udeli komponenti u fiksnim investicionim troškovima za
vetroturbinu velike snage (5MW REpower) [11]
očekuje pre 2012. godine.
Jedan od najbitnijih činilaca
koji određuje rokove izgradnje
vetroelektrane je logistička podrška
i transport komponenata. Isporuka
sklopova i podsklopova je često vezana
za različite fabrike iz celog sveta što
znatno usporava proces izgradnje.
Usled toga, javlja se tendencija
izgradnje proizvodnih kapaciteta bliže
potencijalnim tržištima, što predstavlja
nove izazove za vodeće kompanije
s obzirom na pojavu novih tržišta u
severnoj Americi i Aziji, kao i stalnom
povećanju zahteva od postojećeg
evropskog tržišta.
Sa sazrevanjem vetroenergetske
industrije velike kompanije stiču uvid
u važnost pouzdanosti dobavljača
kao izvora mogućih gubitaka ili
profita. U narednim godinama se
očekuje povećanje kvaliteta usluga
i pouzdanosti samih vetroturbina
kako bi se izgradila prepoznatljiva
imena kompanija u ovoj oblasti.
S obzirom na velike tehnološke
promene, subvencije i poreske
olakšice u svetu, kao i povoljne
kredite pre svetske ekonomske
krize, pojavio se veliki broj malih
i srednjih preduzeća. Preživljavaju
kompanije koje nude najviše sa
najefikasnijom strukturom troškova,
najpouzdanijim dobavljačima roba
i usluga i odgovarajućim modelom
poslovanja. Velike kompanije koje
nisu imale dugogodišnju tradiciju
u proizvodnji vetroelektrana ulaze
na tržište tako što kupuju postojeća
preduzeća ili kupovinom licenci za
proizvodnju i tehnologije. Kompanije
sa dobrom strukturom troškova će biti
u prednosti. Uz izgradnju fabrika na
teritorijama koje su bliže potencijalnim
tržištima i manju cenu transporta
velike kompanije mogu da računaju
na povećanu konkurentnost. Velika
konkurencija utiče na specijalizaciju
kompanija, što može uticati na
velike kompanije da se orijentišu
ka strategijama racionalizacije i
preuzimanja malih specijalizovanih
kompanija. Iz razloga sigurnosti
nabavke, vodeće kompanije se
odlučuju da imaju bar dva dobavljača
za sve ključne komponente.
Kompanije koje se bave
vetroturbinama su 2008. godine
zapošljavale 104350 ljudi u Evropi.
U izveštaju [12] od 2003. godine
EWEA je iznela podatke prema
kojima je bilo 47625 zaposlenih.
Prema tom istraživanju 89% ljudi je
bilo zaposleno u Nemačkoj, Španiji i
Danskoj koje su tada imale blizu 70%
ukupne instalisane snage vetroturbina
u Evropi. Koncentracija radnih mesta
u ove tri zemlje je opala ispod 70% do
2009. godine, usled otvaranja novih
proizvodnih pogona i tržišta u ostalim
evropskim državama. U istočnoj
Evropi broj radnih mesta koji direktno
ima veze sa vetroturbinama je vrlo
nizak, ali se očekuje značajan rast u
narednih tri do pet godina.
Angažovanje domaće radne snage
je moguće ostvariti kako kroz
konsultantske usluge i usluge vođenja
projekata izgradnje vetroelektrana
u Srbiji i regionu, tako i kroz
pokretanje razvojno – istraživačkih
i proizvodnih delatnosti. Zemlje
u okruženju su započele ovaj
proces. U Grčkoj je izgrađeno
blizu 1100 MW vetroenergetskih
kapaciteta, a kompanije koje se
[049]
bave vetroenergetikom imaju
preko 1500 zaposlenih, pretežno
u sektoru izgradnje, održavanja
i istraživanja. Pored povećanja
instalisane snage vetroelektrana
u poslednjih nekoliko godina,
nakon donošenja odgovarajućih
propisa, Bugarska je na putu da
započne proizvodnju komponenti.
Nekoliko velikih kompanija je
zainteresovano za investiranje u
postrojenja za proizvodnju u ovoj
državi. Rumunija planira izgradnju
200MW do 2010. godine i ima
visok vetroenergetski potencijal. U
Mađarskoj vetroenergetika je u povoju
sa 201 MW instalisane snage. Većina
novootvorenih radnih mesta se nalaze
u sektoru konsultantskih i pravnih
usluga, kao i u sektoru izgradnje.
S obzirom na nedostatak sirovina
za kompozitne materijale grupa
kompanija iz Mađarske koje se bave
proizvodnjom ugljeničnih vlakana je
značajan deo proizvodnje orijentisala
ka vetroenergetskom tržištu. Neki
proizvođači imaju planove da u
narednih nekoliko godina započnu
proizvodnju vetroturbina i delova u
državama istočne Evrope [13].
Protekle dve godine kompanije iz
oblasti vetroenergetike imaju manjak
radne snage posebno u oblastima
proizvodnje i razvoja na radnim
mestima koji zahtevaju visok stepen
odgovornosti. Postoji manjak inženjera
u proizvodnji i osoblja za održavanje
vetroturbina, kao i menadžera za
upravljanje projektima u zemljama
gde bi trebalo proširiti vetroenergetske
kapacitete. Određene kompanije
pokušavaju da pronađu obučenu radnu
snagu na području istočne Evrope, što
može predstavljati razvojnu mogućnost
za Srbiju.
Imajući u vidu da je tokom 2008.
i 2009. godine Ministarstvo
rudarstva i energetike RS izdalo
energetske dozvole za izgradnju
vetroelektrana ukupne snage preko
1100 MW [14] vetroelektrane u
Srbiji imaju perspektivu. U periodu
posle 2005. otvoreno je više malih
i srednjih preduzeća koja se bave
vetroenergetikom. Njihove aktivnosti
su u velikim delom vezane za
konsalting u oblasti vetroenergetike,
procenu energetskih potencijala,
pronalaženje lokacija i obezbeđenje
potrebne dokumentacije za izgradnju.
Potrebno je pojačano angažovanje
kako privatnog sektora, tako i državnih
institucija u cilju obezbeđenja
materijalnih resursa i radne snage u
realizaciji odobrenih projekata, a u
cilju transfera tehnologija i sticanje
energija
neophodnog iskustva u izgradnji,
eksploataciji i održavanju vetroturbina
i vetroelektrana. S obzirom na velike
planirane kapacitete i investicije
potrebno je razmotriti načine
privlačenja investicija od strane
vodećih proizvođača u proizvodne
kapacitete.
Transfer tehnologija u ovoj oblasti
je vrlo značajan za sve zemlje u
kojima je vetroenergetika nedovoljno
razvijena ili na samim počecima.
Razvijanjem vetroturbina i delova,
kao visokotehnoloških proizvoda,
može se uticati na revitalizaciju
dela mašinske industrije. Specifična
tehnologija proizvodnje kompozitnih
delova, koja zahteva kvalifikovanu i
kvalitetnu radnu snagu, omogućava
razvoj proizvodnje uz relativno
niske investicione troškove. Moguće
je otvaranje novih radnih mesta na
poslovima razvoja, proizvodnje,
ispitivanja, izgradnje i održavanja
vetroenergetskih sistema za koje u
Srbiji postoje kvalifikovani stručni
kadrovi u sličnim i komplementarnim
oblastima. Dalje obrazovanje i obuka
radne snage su potrebni kako bi
se odgovorilo zahtevima tržišta u
budućnosti. Tehnologija proizvodnje
određenih delova vetroturbina je
prihvatljiva i za relativno male
kompanije s obzirom da se radi
o proizvodima koji se izrađuju u
relativno malim serijama, čiji je
opstanak na tržištu vezan za korišćenje
savremenih tehnologija projektovanja,
savremenih kompozitnih i drugih
materijala i visokokvalifikovane radne
snage.
5. Zaklju~ak
Vetroenergetika predstavlja jednu
od grana industrije sa najvećom
stopom rasta. Ukupni instalisani
kapaciteti u svetu će dostići 150000
MW do kraja 2009. godine. Trendovi
razvoja vetroturbina su orijentisani
ka povećanju snage mašina, kao i
povećanju efikasnosti, pouzdanosti i
raspoloživosti.
U toku su brojna istraživanja kako
u naučnim institucijama tako i
u razvojnim centrima vodećih
vetroenergetskih kompanija koja
se sprovode s ciljem povećanja
efikasnosti, raspoloživosti i
pouzdanosti vetroturbina, kao i
smanjenja njihove cene. Raznovrsnost
razvojnih oblasti ukazuje na
multidisciplinarnost istraživanja i
potrebu za integracijom specifičnih
znanja. Evropska unija finansijski
podržava naučno – istraživačku
saradnju i implementaciju rezultata
energija
istraživanja u privredu kroz FP6 i FP7
projekte. Kroz saradnju se postižu
inovativna tehnička rešenja koja su u
funkciji smanjenja cene proizvodnje
vetroturbina i proizvedene električne
energije.
Razvoj vetroenergetike u Srbiji
se može odvijati kroz izgradnju
vetroelektrana na pogodnim
lokacijama i razvoj sopstvenih
naučno – istraživačkih i proizvođačkih
kapaciteta za šta je potrebno
dodatno angažovanje na transferu
vetroenergetskih tehnologija.
S obzirom na veliku tražnju za
vetroturbinama i manjak radne snage
u istraživanju i proizvodnji, velika
ulaganja i finansijsku podršku od
strane Evropske unije, kompanije
iz evropskih država koje nemaju
razvijene proizvodne kapacitete imaju
mogućnosti za učešće u međunarodnim
projektima i u lancima dobavljača
velikih kompanija. Izgradnja
vetroelektrana u Srbiji dodatno će
poboljšati mogućnosti za razvoj
proizvodne i prateće industrije u
oblasti vetroenergetike.
Literatura
1. Directive 2009/28/EC of the
European Parliament and of the
Council, Official Journal of the
European Union, 2009
2. Wilkes J., Moccia J., Wind in power,
2009 European statistics, EWEA,
2010
3. World Wind Energy Report 2008,
World Wind Energy Association,
2009
4. Tehničke specifikacije vetroturbine
Siemens SWT-2.3-101, dostupno
na www.siemens.com/energy/
productfinder/en/wind, sajt posećen
februara 2010.
5. Tehničke specifikacije vetroturbine
Enerkon E-70, dostupno na www.
enercon.de, sajt posećen februara
2010.
6. IEC 61400-1 Wind turbine
generator systems - Part 1: safety
requirements, IEC 2005
7. International Energy Agency, Longterm research and development
needs for wind energy for the time
frame 2000 to 2020, IEA R&D
Wind, PWT Communications, 2001
[050]
8. International Energy Agency, Endof-Term Report 2003-2008 and
Strategic Plan for 2009-2013, IEA
Wind, 2008
9. www.windplatform.eu, sajt
posećen februara 2010.
10. Engels W. Obdam T. Savenije F.
Current developments in wind –
2009, ECN-E-09-96
11. Blanco M. I., The economics
of wind energy, Renewable and
Sustainable Energy Reviews 13
(2009), str. 1372-1382
12. Wind Energy – The facts, European
Wind Energy Association, 2003
13. Blanco M. I., Rodrigues G., Direct
employment in the wind energy
sector: An EU study, Energy Policy
37 (2009), str. 2847-2857
14. Ministarstvo rudarstva i energetike
Republike Srbije, Registar
energetskih dozvola, 2010.
energija
mr Aleksandar Savi}, Mr @eljko \uri{i},
prof. dr Nikola Rajakovi}
Elektrotehnički fakultet Beograd, Srbija
UDC:621.245.001.6/.003
Optimalno pozicioniranje
vetrogeneratora u okviru
farme vetrogeneratora uz
uvažavanje “WAKE” efekata
1. Uvod
Rezime
Vetroenergetika je oblast energetike sa
najvećim trendom razvoja poslednjih
godina, sa godišnjim trendom porasta
instalisanih kapaciteta od preko 35 %.
Perspektive vetroenergetike su veoma
dobre jer resursi tehnički iskoristivog
vetra višestruko prevazilaze trenutne
globalne potrebe za električnom
energijom. Imajući u vidu sve veći
značaj vetroenergetike, prilikom
formiranja farmi vetrogeneratora
posebno je važno njihovo formiranje
na optimalan način pri čemu bi
se raspoloživi vetar maksimalno
iskoristio. Problem optimalne lokacije
vetrogeneratora bio je tema mnogih
radova [1,2]. Kao kriterijumi izbora
lokacije poslužili su maksimizacija
profita i produktivnosti proizvodnje
električne energije.
U ovom radu prikazan je jedan
pristup rešavanju problema optimalne
lokacije vetrogeneratora u okviru
farme, uvažavajući pri tome efekat
senke (“Wake” efekat) koji se javlja
kod farmi vetrogeneratora. Nakon
uvodne sekcije u sekciji 2 dat je prikaz
upotrebljenih modela. Opisan je model
farme vetrogeneratora, zatim način
na koji su modelovani podaci o vetru.
Opisan je i model “Wake” efekta, kao i
model investicionih troškova. U sekciji
3 opisan je optimizacioni postupak.
Sekcija 4 daje rezultate proračuna.
Konačno u sekciji 5 dati su zaključci.
Perspektive energije vetra danas su veoma dobre.Resursi energje vetra značajno
prevazilaze globalne potrebe za energijom. Uzimajući u vidu neke prognoze u do
2020. godine proizvodnja energije iz vetra dostićiće 12 % ukupne proizvodnje.
Upotreba energije vetra u mnogim zemljama je postala veoma važna tema.
Samim tim, veoma je važno koristiti energiju vetra na ekonomičan način. U
ovom radu predložen je optimizacioni metod za pozicioniranje vetrogeneratora
u okviru farme vetrogeneratora uvažavajući efekat senke. Predloženi metod
baziran je na genetičkom algoritmu. Optimizacioni metod je testiran koristeći
realne podatke o vetru.
Ključne reči: Energija vetra, optimalna lokacija, genetički algoritam.
2. Modeli
Kao što je ranije rečeno u ovom radu
izložem je jedan pristup rešavanju
problema optimalnog formiranja farme
generatora. U ovoj sekciji dat je prikaz
modela koji su korišćeni kod rešavanja
ovog problema.
Abstract
Perspectives of wind power applications today are very good. Wind resources
are significantly bigger then global needs for electrical energy. Based on some
predictions, the world wind energy production in 2020. will reach 12 % of total
electrical energy production. Wind power today is advanced technology in many
countries. Hence, it’s very important to use wind energy in economical way. This
paper proposes an optimization method for optimal positions of wind turbines
inside wind farm considering wake effect. This optimization method is based on
genetic algorithm. The optimization method is tested using real wind data.
Key words: Wind farm, wake effect, genetic algorithm.
2.1. Model farme vetrogeneratora
Farma vetrogeneratora modelovana je
u obliku mreže koju čine kolone i vrste
u čijim presecima se nalaze pojedini
vetrogeneratori koji čine farmu
vetrogeneratora. Ilustracija modela
data je na slici 1.
Veličine na prethodnoj slici imaju
sledeća značenja. Ugao β predstavlja
nagib ose farme vetrogeneratora (ose
mreže vetrogeneratora) u odnosu
na usvojenu referentnu osu. Za
referentnu osu može se usvojiti pravac
prema severu. Uglom γ modelovan
je “nagib”, odnosno odstupanje od
pravougaonog oblika mreže. Veličina
d predstavlja međusobno rastojanje
između vrsta i kolona koje formiraju
[051]
mrežu sa vetrogeneratorima. Pored
navedenih veličina, koje definišu
geometriju farme vetrogeneratora,
farma je modelovana i ukupnim
brojem vetrogeneratora koji je
formiraju, tipom vetrogeneratora
i rasporedom vetrogeneratora
unutar farme. Pod rasporedom se
podrazumeva način formiranja farme
za dati broj vetrogeneratora koji je
formiraju. Na slici 2, ilustracije radi,
dati su razmatrani rasporedi za farmu
od 20 vetrogeneratora.
2.2. Model rapolo`ive lokacije za
farmu vetrogeneratora
Raspoloživa lokacija za farmu
vetrogeneratora modelovana je
energija
energija
relativnim vremenskim trajanjem vetra
u datom pravcu u odnosu na vremenski
period koji se posmatra. Pošto su
podaci o vetru, dobijeni merenjem,
na nekom području veoma obimni
(merenja se često vrše na svakih
10 minuta) moguće je postupkom
grupisanja i ekvivalentiranja veliki
set podataka svesti na znatno manji
set podataka ali dovoljno tačan
i reprezentativan. Na primer svi
izmereni podaci za jedan pravac vetra
u vremenskom periodu u kojem je
vršeno merenje mogu se ekvivalentirati
samo jednim setom podataka (pravac,
brzina, vremensko trajanje), vodeći
računa o tome da energija koja se može
dobiti od vetra datog pravca ostane
ista.
Slika 1 Model farme vetrogeneratora
Slika 2 Razmatrani rasporedi za farmu vetrogeneratora
2.4. Modelovanje ”Wake” efekta
δ. Na slici 3
ilustrovan je
opisani model.
Slika 3 Model raspoložive lokacije
2.3. Modelovanje
podataka o
energiji vetra
pravougaonom površinom dimenzija
poznatih dimenzija, sa nagibom u
odnosu na referentnu osu pod uglom
Podaci o energiji
vetra na području
na kojem
razmatramo
izgradnju farme
vetrogeneratora
modelovani su
setom podataka koji sadrže podatke o
pravcu vetra u odnosu na referentnu
osu, brzinom vetra u datom pravcu i
Slika 4 Modelovanje “Wake” efekta
[052]
Efekat senke ili ”Wake” efekat
predstavlja efekat ometanja jednog
vetrogeneratora od strane drugog
vetrogeneratora. Drugim rečima ako
se između jednog vetrogeneratora i
pravca vetra nađe drugi vetrogenerator,
prvi vetrogenerator proizvodiće
manju snagu jer dolazi do slabljenja
brzine vetra usled prisustva drugog
vetrogeneratora. Modelovanje ovog
efekta ilustrovana je na slika 4.
Oznake na slikama imaju sledeća
značenja:
x – rastojanje između vetrogeneratora
VG1 i VG2,
rrot – poluprečnik rotora
vetrogeneratora VG1 i VG2,
r(x) – poluprečnik kruga “senke”
koju stvara vetrogenerator VG1
vetrogeneratoru VG2. Ova veličina se
računa prema obrascu: r(x) = rrot + x ·
tgε,
tgε - predstavlja koeficijent širenja
“senke”u zavisnosti od rastojanja x.
Za ovaj faktor se u literaturi usvaja
vrednost od 0,04 do 0,08.
vo – brzina vetra,
vx – umanjena (redukovana) brzina
vetra usled postojanja vetrogeneratora
VG1,
Arot – površina rotora, vetrogeneratora
VG1 i VG2,
A(x) – površina “senke” koju stvara
vetrogenerator VG1
Ash – površina rotora vetrogeneratora
VG2 koja se nalazi u senci
vetrogeneratora VG1.
Usled postojanja “wake” efekta brzina
vetra iza vetrogeneratora VG1 se
smanjuje tako da na deo rotora VG2
koji se nalazi u senci vetrogeneratora
VG1 (površina Ash) dolazi vetar
umanjene brzine vx. Deficit brzine
energija
energija
usled “wake” efekta računa se prema
formuli [3]:
.
(1)
U prethodnoj formuli veličine C i n
predstavljaju empirijske koeficijente
koji zavise od karakteristika
vetrogeneratora. Ove konstante se
nalaze u opsezima: 1 ≤ C ≤ 3 i 0,77 ≤
n ≤ ,25.
Redukovana brzina vetra koja dolazi
na deo vetrogeneratora VG2 koji je u
senci računa se prema formuli:
.
Kod drugog pristupa, za razliku od
prvog, radi se o višekriterijumskoj
optimizaciji. Konkretno radi se
o minimizaciji dve kriterijumske
funkcije:
1. Specifične cene proizvodnje jednog
kwh za farmu vetrogeneratora i
2. Ukupne instalisane snage.
Sprecifična cena proizvodnje jednog
kWh može se definisati kao količnik
ukupnih investicionih troškova u farmu
vetrogeneratora i ukupne električne
energije koju farma vetrogeneratora
proizvede za posmatrani vremenski
period.
(2)
(5)
Pošto na jedan deo rotora
vetrogeneratora VG2 dolazi vetar
jedne, a na drugi deo druge brzine to se
snaga koju ovaj vetrogenerator može
proizvesti može izračunati kao neka
usrednjena snaga na sledeći način:
(3)
gde je:
P(vo) – snaga koju vetrogenarator
može proizvesti za vetar brzine vo,
P(vx) – snaga koju vetrogenarator može
proizvesti za vetar brzine vx.
2.5 Model investicionih tro{kova u
farmu vetrogeneratora
Investicioni troškovi u farmu
generatora modelovani su na takav
način da zavise samo od broja
vetrogeneratora koji čine farmu [2]:
(4)
gde je:
N – broj vetrogeneratora u okviru
farme,
C1 – investicioni troškovi za jedan
vetrogenerator,
Cuk – ukupni investicioni troškovi u
farmu vetrogeneratora
Optimizacioni problem postavljen kroz
minimizaciju ove dve kriterijumske
funkcije daće set optimalnih rešenja
za farme sa različitim brojem
vetrogeneratora. Ujedno dobijeni set
rešenja daće zavisnost specifične cene
jednog kWh od instalisane snage.
Kao matematički aparat za rešavanje
optimizacionog problema, kod oba
pristupa, upotrebljen je genetički
algoritam. Kod jednokriterijumske
optimizacije korišten je
klasični genetički algoritam sa
standardnim operatorima (selekcija,
ukrštanje i mutacija) za slučaj
celobrojnih promenljivih [4]. Kod
višekriterijumske optimizacije
korišten je evolutivni metod u
literaturi poznat kao NSGA-II
algoritam (Nondominated Sorted
Genetic Algorithm) [5] i to za slučaj
celobrojnih promenljivih. Primena ove
metode kao rešenje daje set optimalnih
rešenja koji minimizuje dve napred
definisane funkcije. Set rešenja u
literaturi je poznat i kao Pareto front za
zadati optimizacioni problem opisan sa
dve ili više kriterijmskih funkcija.
Kod oba pristupa jedan član
populacije, koji inače predstavlja
jednu potencijalnu konfiguraciju farme
vetrogeneratora, kodiran je na način
dat narednom formulom:
3. Optimizacioni postupak
Problem nalaženja optimalne
konfiguracije farme vetrogeneratora,
u ovom radu, formulisan je kroz
dva različita pristupa. Prvi pristup
je nalaženje optimalne konfiguracije
za konkretan, unapred dat, broj
vetrogeneratora unutar farme. Tu se
radi o jednokriterijumskoj optimizaciji
gde je cilj određivanje takve
konfiguracije farme vetrogeneratora za
koju će se na najbolji način iskoristiti
raspoloživa energija vetra.
(6)
gde je:
BrojVG – broj vetrogeneratora u
okviru farme,
TipVG – tip vetrogeneratora od kojih je
formirana farma,
RaspVG – raspored vetrogeneratora u
okviru farme,
β, γ, d – veličine koje definiču oblik
farme vetrogeneratora (date su na sl. 1).
[053]
Ovakvim načinom kodiranja u
potpunosti je definisana jedna moguća
konfiguracija farme vetrogeneratora.
4. Rezultati prora~una
Proračuni su izvršeni za konkretne
podatke o vetru koji su mereni na
lokaciji predviđenoj za izgradnju
farme vetrogeneratora. Na slici 5 dati
su podaci, pripremljeni za proračun,
a koji su dobijeni na osnovu merenih
vrednosti. Na prvom grafiku date su
brzine vetra u m/s u funkciji ugla, a
na drugom relativno trajanje vetra u
funkciji ugla. Ugao je meren u odnosu
na pravac severa.
Kod prvog pristupa posmatrana je
farma sa 24 vetrogeneratora. Cilj
proračuna je nalaženje optimalne
konfiguracije, takve da se dobije
maksimalno iskorištenje energije vetra
za posmatrani period. Ograničenja
za promenljive kojima je kodirana
jedna konfiguracija su tipa gornja
i donja granica i data su narednim
jednačinama:
,
. (7)
U proračunima su razmatrana tri
različita tipa vetrogeneratora različitih
snaga pa otuda je gornje ograničenje
za promenljivu TipVG jednako 3.
Karakteristike ovih generatora date su
u tabeli 1.
Za poslednji podatak iz prethodne
dve formule potrebno je dodatno
objašnjenje. U suštini donja i gornja
granica od 50 i 70, respektivno,
predstavljaju ograničenje od 5 i 7
dijametara rotora vetrogeneratora.
Razlog za 10 puta veće vrednosti
je taj da sve promenljive budu
celobrojne i da se na taj način lakše
primeni genetički algoritam, a da se
pri proračunu dobije zadovoljavajuća
tačnost kod ove promenljive.
Proračun je izvršen za dva slučaja.
U prvom slučaju nije razmatrano
ograničenje vezano za lokaciju. U
drugom slučaju ovo ograničenje je
uzeto u obzir pri čemu je raspoloživa
lokacija definisana veličinama
Duz=2880 m, Sir=2160 m i δ=0°.
Vrednosti za dužinu i širinu lokacije
odgovaraju vrednostima od 40 i 30
dijametara vetrogeneratora najveće
snage iz tabele 1, respektivno.
U tabeli 2 dati su rezultati proračuna
za oba slučaja. Dati su podaci koji
definišu farmu vetrogeneratora
kao i podaci o ukupnoj električnoj
energiji koju može proizvesti
farma vetrogeneratora na osnovu
raspoloživog vetra. Podatak
energija
energija
Slika 6 Izgled farme vetrogeneratora
za 2. slučaj
Tabela 1 Podaci o vetrogeneratorima
Slika 5
Podaci o vetru dobijeni na osnovu merenih podataka
Slika 7 Prikaz rešenja u prostoru
kriterijumskih funkcija
Tabela 2
vetrogeneratora. Na slici 6, ilustacije
radi, dat je izled farme vetrogeneratora
za drugi slučaj. Pravougaona površina
predstavlja raspoloživu lokaciju,
dok crne tačke predstavljaju položaj
vetrogeneratora u okviru farme.
Kod drugog pristupa, odnosno
kod višekriterijumske optimizacije
proračun je izvršen bez uvažavanja
ograničenja po pitanju lokacije.
Kod ovog proračuna ograničenja
za promenljive kojima je kodirana
jedna konfiguracija data su narednim
jednačinama:
Rezultati proračuna
Tabela 3 Prikaz seta optimalnih rešenja
,
. (8)
o električnoj energiji dat je u
relativnim jedinicama u odnosu na
maksimalnu električnu energiju koja
se može proizvesti na datoj farmi
vetrogeneratora. Ovaj podatak na neki
način predstavlja efikasnost farme
[054]
Potrebno je reći da broj mogućih
rasporeda RaspVG zavisi od broja
vetrogeneratora u okviru farme.
Cilj ovog proračuna bio je
dobijanje seta optimalnih rešenja
za širi dijapozon po pitanju broja
vetrogeneratora u okviru farme (2050), a takođe i dobijanje zavisnosti
specifične cene od instalisane snage.
Proračun je urađen sa populacijom
od 40 članova. Na slici 7 u prostoru
kriterijumskih funkcija dati su svi
članovi populacije odnosno set
optimalnih rešenja. Slika 7 predstavlja
ujedno i zavisnost specifične cene
od instalisane snage. U tabeli 3
data su sva rešenja sa slike 7. Pored
podataka o veličinama koje definišu
farmu vetrogeneratora dati su podaci
o instalisanoj snazi, speifičnoj ceni
i mogućoj proizvodnji električne
energije. Iz dobijenih rezultata može se
reći da je specifična cena niža što je je
broj instaliranih vetrogenratora veći.
energija
5. Zaklju~ak
U radu je predstavljen jedan prilaz
rešavanju problema optimalne
konfiguracije farme vetrogeneratora.
Predstavljena su dva pristupa.
Jednokriterijumska optimizaija i
višekriterijumska optimizacija. Kod
oba pristupa, kao matematički aparat
za rešavanje optimizacionih problema
upootrebljeni su genetički algoritmi.
Moguća primena ovog prilaza
rešavanju problema optimalne
konfiguracije vetrogeneratora je kod
formiranja farmi u ravničarskim
predelima, kao i na morskim
površinama.
Literatura
[1] U.A.Ozturk, B.A.Norman,
Heuristic methods for wind energy
conversion system positioning,
Electric Power Szstems Research
70 (2004), pp.179-185.
[2] S.A.Grady, M.Y.Hussaini,
M.M.Abdullah, Placement of wind
turbines using genetic algorithms,
Renewable Energy 30 (2005),
pp.259-270.
[3] F. Koch, M. Gresch, F. Shewarega,
I. Erlich, U. Bachmann,
“Consideration of Wind Farm
Wake Effect in Power System
Dynamic Simulation”, Power Tech,
2005, IEEE Russia.
[4] K. Deb, Genetic Algorithms for
Optimization, KanGAL Report,
Indian Institute of Technology,
Kanpur, India.
[5] K. Deb, Single and Multi-objective
Optimization Using Evolutionary
Computation Genetic Algorithms:
NSGA-II, KanGAL Report Number
2004002, Indian Institute of
Technology, Kanpur, India.
\or|e Romani}, Maja Banjali}
South East Europe Consultants Ltd.
UDC:551.508.5 : 551.524.55
Metodi modelovanja
anemometra na krovu
meteorološke stanice pri
određivanju potencijala vetra
Rezime
Donošenjem konkretnih mera finansijskih podsticaja proizvodnje električne energije
korišćenjem obnovljivih izvora, broj potencijalnih investitora u razvoj vetroelektrana
se povećao. Imajući u vidu značaj tačnosti određivanja potencijala vetra, u okviru
ovog rada, biće predstavljen jedan aspekt koji može biti zanemaren pri njegovom
izračunavanju.
Naime, tačnost izmerenih podataka o vetru je jedna od najvažnijih stavki u projektima
energetskog iskorišćenja vetra. Anemometri se često nalaze na krovu meteoroloških
stanica što predstavlja izvor nesigurnosti izmerenih podataka. Usled uticaja zgrade
na strujanje, izmereni podaci ne daju realne vrednosti brzine vetra, već vrednosti
koje odstupaju usled turbulencije prouzrokovane objektom. S obzirom da je kinetička
energija srazmerna trećem stepenu brzine, sledi da male greške u izmerenoj brzini
vetra dovode do velikih grešaka u izračunatoj proizvodnji vetrogeneratora. Ovaj rad
će predstaviti razlike u proizvodnji električne energije jednog vetrogeneratora, u
zavisnosti od metoda modelovanja anemometra koji se nalazi na krovu meteorološke
stanice. Modelovanje potencijala vetra i proizvodnja vetrogeneratora je računata
WAsP modelom. U prvom slučaju je zenemaren uticaj meteoroločke stance, dok je
u drugom slučaju meteoroločka stanica predstavljena kao objekat koji je prepreka
strujanju vazduha. Treći i najefikasniji metod je tretirao meteorološku stanicu kao
veštačko brdo sa nagibom 20%. Metod je predložen od strane danskog instituta Riso
National Laboratory iz Roskildea.
Ključne reči: Potencijal vetra, Meteorološka stanica, Anemometar, Proizvodnja
vetrogeneratora, WAsP
Methods for modeling of anemometer positioned on a roof of
meteorological station in determining of wind potential
By adopting concrete measures of financial incentives for electricity production using
renewable energy sources, the number of potential investors in wind power projects
has been increased. Having in mind the importance of accurate determining of wind
potential, in this paper, we will present one issue that can be overlooked throughout
the calculation process.
Namely, a reliability of measured wind data is one of the most important aspects
of any wind power project. Anemometers are oftenly located on the roofs of
meteorological stations, which cause the uncertainty of measured data. Due to the
impact of building on the flow, measured data do not give the real values of wind
speed, but the values contaminated due to the turbulence caused by the object. Since
a kinetic energy is proportional to the velocity of power three, it follows that those
small errors in measured wind speed lead to a large errors of calculated electricity
production. This paper will present the difference in electricity production of the wind
turbine, depending on the method of modeling an anemometer positioned on the roof
of meteorological station. Both wind potential and energy production was calculated
using WAsP model. In the first case, the presence of meteorological station have not
been taken into consideration, while in the second case, meteorological station have
been presented as an obstacle to the free wind flow. The third and most effective
method was treated meteorological station as an artificial hill with a slope 20%. The
Danish institute “Riso National Laboratory” from Roskilde proposed this method.
Key words: Wind potential, Meteorological station, Anemometer, Wind turbine
production, WAsP
[055]
energija
Uvod
U mnogim oblastima širom sveta
anemometri se postavljaju na
krovovima meteoroloških stanica.
Ovo se čini prvenstveno kako bi se
eliminisao uticaj blokiranja vetra iz
određenog smera, što dalje dovodi do
novog problema. Naime, meteorloška
stanica sama po sebi utiče na strujanje
vazduha, što ima za posledicu da
vetar koji dolazi do anemografa1 ne
predstavlja stvarnu brzinu vetra, već
poremećenu brzinu vetra izazvanu
meteorološkom stanicom. Unutar ovog
rada će pokazati da li je korišćenjem
WAsP modela moguće eliminisati
uticaj meteorološke stanice na
izmerene podatke o vetru.
Opis eksperimenta
Modelovanje potencijala vetra, kao
i računanje proizvodnje električne
energije, je vršeno koristeći WAsP
9 model koji je razvijen od strane
instituta Riso National Labaratory iz
Roskiledea, Danska. U eksperimentu
je korišćen četrnaestogodišnji niz
podataka o vetra sa meteorološke
stanice Banatski Karlovci. Digitalna
mapa terena, koordinate anemometra
(tj. položaj meteorološke stanice)
i dimenzije meteorološke stanice
su proizvoljno izabrani. Da bi se
eksperiment uprostio, uzeto je da
cela oblast ima jedinstvenu visinu
hrapavosti z0=0,03 m. Anemometar
se nalazi na visini 10 m od tla i
5 m od vrha krova meteorološke
stanice; drugim rečima, visina krova
meteorološke stanice je 5 m od tla.
Dimenzije meteorološke stanice su
predstavljene na slici 1.
Pretpostavljeno je da gustina vazduha
iznosi 1,225 kg/m3, a proizvodnja
električne energije je računata za
vetrogenerator nominalne snage 3 MW
(Vestas V-90). Radi jednostavnosti
gubici2 nisu uzeti u obzir, a imajući
u vidu da je eksperiment sproveden
samo za jedan vetrogenerator efekat
zaklanjanja ne postoji. Visina
horizontalne ose V-90 vetrogeneratora
je 80 m od tla, a dijametar rotora je 90 m.
Modelovanje
U nastavku će biti prikazana tri načina
modelovanja anemometra na krovu
meteorološke stanice, a potom će
rezultati biti poređeni.
Anemograf je instrument koji kontinuirano
meri brzinu, pravac i smer vetra.
2
Električni gubici, raspoloživost vetrogeneratora,
gubici izazvani gubitkom aerodinamičnosti
elisa usled naslaga prašine i leda, histerezis, itd.
1
energija
Slika 1 Dimenzije meteorološke stanice; anemometar je obeležen crvenim
krugom
Slika 2 Digitalna mapa terena u slučaju kada meteorološka stanica nije uzeta u
obzir
Slika 3 Digitalna mapa terena u slučaju kada je meteorološka stanica
predstavljena kao prepreka
U prvom slučaju ćemo pretpostaviti
da zgrada meteorološke stanice
nema uticaja na brzinu vetra. Ovo je
verovatno metod koji većina modelara
koristi jer je visina anemometra uvek
data kao visina u odnosu na zemljinu
površinu, dok informacija o tome da
li je anemometar postavljen na krovu
zgrade ili pored nije dostupna ili je
modelari previde. U ovom slučaju,
digitalna mapa terena izgleda kao na
slici 2.
U drugom slučaju meteorološka
stanica se posmatra kao prepreka koja
dovodi do poremećenja vetra. Dakle,
visina anemometra je opet data u
[056]
odnosu na zemljinu površinu. Izgled
digitalne mape, za ovaj slučaj, je dat na
slici 3.
U ovom slučaju meteoroločka
stanica se unosi kao prepreka, što je
predstavljeno na slici 4.
Na slici 4 pozicija anemometra je
indikativno predstavljena crvenim
krugom.
U trećem slučaju meteorološka stanica
je predstavljena kao veštačko brdo sa
nagibom 20% na sve strane. Dakle,
visina anemometra je data u odnosu
na krov zgrade. Izgled digitalne mape,
koja odgovara ovom slučaju, je dat na
slici 5.
energija
energija
Slika 4 Meteorološka stanica modelirana kao
prepreka
prvi pogled, ovako nešto nije
logično, uvidom u jednačine
WAsP modela dolazi se do
razjašnjenja. Naime, u prvom
slučaju modelar smatra da
meteorološka stanica nema
uticaja na strujanje vazduha,
dok u drugom slučaju modelar
uzima u obzir meteorološku
stanicu, ali na pogrešan
način -kao prepreku. Ukoliko
Slika 5 Digitalna mapa terena u slučaju kada je meteorološka stanica
predstavljena kaoveštačko brdo
Slučaj I
Tretirajući anemometar na način kako
smo to opisali dobijaju se sledeći
rezultati.
Brzina vetra na visini horizontalne
ose rotora vetrogeneratora iznosi
V^=6,47 m/s, što odgovara gustini
snage od P^=339 W/m2. U ovom
slučaju godišnja proizvodnja električne
energije koju proizvede jedan
vetrogenerator V-90 iznosi E^=6,253
GWh/god.
Slučaj II
Ukoliko se meteorološka stanica
modelira kao prepreka tada se dobijaju
rezultati slični rezultatima u slučaju I.
Naime, brzina vetra na visini
horizontalne ose rotora vetrogeneratora
iznosi V2=6,47 m/s, što odgovara
gustini snage od P2=339 W/m2. Sa
ovom gustinom snage, izračunata
godišnja proizvodnja električne
energije iznosi E2=6,253 GWh/god.
Slučaj III
U trećem slučaju kada je meteorološka
stanica predstavljena kao veštačko
brdo sa nagibom 20% na sve strane
srednja brzina vetra na visini
horizontalne ose rotora vetrogeneratora
V-90 iznosi V3=6,02 m/s. Gustina
snage vetra, po jedinici površine,
iznosi P3=265 W/m2, te je godišnja
proizvodnja električne energije jednaka
E3=5,259 GWh/god.
Obrazlo`enje
U prvom i drugom slučaju rezultati su
vrlo slični ili gotovi identični. Iako, na
meteorološku stanicu predstavimo
kao prepreku, tada bi anemometar
trebao da se nalazi na samoj prepreci.
S obzirom da ovako nešto nije
moguće uneti u WAsP model u tom
slučaju anemometar se postavlja u
tačku (sa određenom koordinatom), a
meteorološka stanica se modelira tako
da bude na minimalnom rastojanju od
date koordinate anemometra. Unutar
WAsP modela uticaj prepreka na
strujanje vazduha se računa pomoću
empirijske formule dobijene u
vazdušnim tunelima od strane Perere
(Perera, 1981.) koja ima sledeći oblik:
,
pri čemu je
x- rastojanje od anemometra,
Uh- neporemećena brzina vetra na
visini prepreke h,
n - koeficijent vertikalnog smicanja
vetra (n=0,14)
Po- poroznost prepreke
z - visna za koju se poremećenje
računa
K- konstanta koja zavisi od visine
prepreke i visine hrapavosti terena
Naime, imajući u vidu da se
anemometar nalazi na najmanjem
[057]
mogućem rastojanju od prepreke, tj. x
0 i analizirajući gornji izraz za slučaj
kada x 0, dobija se da Pe 0, za bilo
koju visinu z. Odnosno, dobijaju se
rezultati analogni rezultatima u slučaju
kada nema prepreke strujanju vazduha.
U trećem slučaju meteorološka
stanica je predstavljena sa dve
izohipse. Prva izohipsa ima oblik i
dimenzije meteorološke stanice, a
vrednost izohipse je visina terena plus
visina krova meteorološke stanice.
Druga izohipsa treba da ima oblik
meteorološke stanica, a nalazi se
na takvom rastojanju da sa prvom
izohipsom pravi nagib od 20%, dakle
rastojanje će zavisiti od visine krova
meteorološke stanice. U ovom slučaju
visina anemometra je data u odnosu na
krov meteorološke stanice. Ovaj metod
je eksperimentalno dokazan u danskom
institutu Riso National Laboratory iz
Roskildea, iz koga je potekao i sam
WAsP model.
Naime, ukoliko uporedimo rezultate
u prvom i trećem slučaju, uočava se
sledeće:
z U prvom slučaju WAsP će preceniti
srednju brzinu vetra za 7%-9%,
z Ovo će dovesti do greške u
proizvodnji eletrkične energije za
oko 15%-20%,
z S obzirom da će proizvodnja biti
precenjena, ovo će dovesti do
pogrešnih procena isplativosti
projekta-isplativost bi bila veća
nego što zaista jeste.
Zaklju~ak
Unutar ovog dokumenta smo pokazali
kako je upotrebom WAsP modela
moguće odstraniti grešku u izmerenim
podacima o brzini vetra koja nastaje
usled uticaja meteorološke stanice na
strujanje. Pored toga, pokazali smo i
koliko je odstupanje izmerene brzine
vetra od stvarne brzine vetra (oko 7%)
i koliki uticaj ima na krajnju procenu
proizvodnje električne energije
(do 20%).
z Da bi anemometar bio propisno
modeliran, potrebno je da se
ispoštuje sledeća procedura:
z Napraviti veštačko brdo sa nagibom
1:5, na sve strane od meteorološke
stanice,
z Zatim ga uneti u postojeću digitalnu
mapu terena,
z Uneti koordinate anemometra, a
visinu anemometra dati u odnosu na
krov zgrade
z Na ovaj način WAsP će izračunati
koliko je poremećenje brzine vetra i
odstraniti ga.
energija
Na ovaj način smo odstranili grešku
u proizvodnji električne energije
vetroelektrane koja, ako se ne koristi
odgovarajuća metodologija, može da
bude od 15%-20%.
Adriana Sida Manea, Laurentiu Mircea,
“Politehnica” University of Timisoara
Literatura
Documentation on the
current state of harnessing
wind energy, wind potential
in Romania
1. Toren I., Petersen E. L., European
WindAtlas. Ris0 National
Labaratory: Roskilde, 1989.
2. Landberg L., Mortensen N.G.,
Rathmann O., Mylleryp L. Wind
Atlas Analysis and Application
Program: WAsP 9.1 Help Facility.
Ris0 National Labaratory: Roskilde,
2009.
3. Landberg L., The mast on the house.
Ris0 National Labaratory: Roskilde,
2000.
Du{ica Pavlov
UDC:621.311.001/.008 (498
Abstract
Romania has the greatest potential for wind power in Central and Eastern
Europe and could attract investment in renewable energy from 18.2 billion Euros
by 2020, of which 4 billion in farm windmills. Wind potential of the country
exceeds the current installed capacity of 2,000 MW Romanian and emblem.
Realizing the potential of wind requires much higher investment, because of
it’s conditional ability of transportation and balancing. On the other hand, we
can not store energy and therefore we need an alternative source of coverage in
situations where wind is strong enough.
Moldova and Dobrogea regions are considered best for the development of wind
farms. In particular the south-eastern Dobrogea which was called, in more
specialized studies, the second region as a potential in Europe
The national network has an energy potential of 12,000 MW installed in
conditions in which they were granted permits for a further 2200 MW technical.
Key words:wind potential, wind farm, electrical energy.
1 Introduction
A new study of the European Wind
Energy Association shows that by
2020, European Union wind energy
industry will double. And that the
European wind energy industry will
reach 330,000 jobs. Because of the
need for states to foster economic
growth, more companies will invest in
this area.
Wind energy has the capacity to
sustainably meet the growing demand
Tab. 1
[058]
for electricity. However, this segment
proves to be an undeniable stimulus for
the economies of states.
Today, on the other hand, in the
context of the new energy and
economic situation of mankind’s
attention is directed toward new energy
sources, renewable energy: solar,
geothermal, wave and wind power.
Reasons which led to the search for
new sources energies are not those of
the ancient time. Today energy offered
by nuclear plants and coal-fired today
energija
Fig. 1
Wind potential in Romania
Fig. 2 Wind potential in Dobrogea
provides 2/3 of world electricity, but
are still responsible for adverse effects
on environment (greenhouse effect,
acid rain, etc.).
2. Romania’s national
recovery program of wind
energy
In particular, a more extensive and
widespread use of solar and wind
energy presents many advantages to
the nature of technique (safe energy
source compared to natural ecosystems
Fig. 3
energija
creating very low
environmental
impacts, with a
possible high overall
efficiency, simplicity
of construction
and during plant)
and economic (low
financial investment,
operation and
maintenance costs
relatively low).
The Directive
2001/77/EC, of
September 27, 2001, on promotion of
electricity produced from renewable
energy in the single market, has
established a strategic objective on
the contribution of renewables in total
primary energy consumption, which
might reach 11% in 2010. White Book
estimates that by 2010, this will create
between 500,000 and 900,000 new
jobs by implementing the SRE. The
White Book also predicts an estimated
reduction of CO2 emissions, according
to the scenario to be achieved by 2010
for EU countries, such as:
Cumulative curve
In terms of installed power growth,
Europe strengthens its position in
wind energy, which caused a grouth
of 39% per year between 1998 to
2003. Moreover, wind energy world
market could be worth over 27
billion annually by 2010. Based on
the evaluation and interpretation of
the data recorded, in Romania, wind
energy potential is most favorable to
the Black Sea, in mountain areas and
highlands in Moldova and Dobrogea.
Also, favorable locations have been
identified in regions with relatively
good wind potential, if they are to the
effect of energy exploitation flow over
hilly peaks, and drainage of draft.
Despite the successes achieved in
developing technology for energy
production from renewable energy
sources, cost of electricity from these
resources is still higher than the cost of
electricity generated by burning fossil
fuels.
The cost of electricity generated from
renewable resources would be less
than the energy of the network if
indirect costs (such as environmental
remediation, medical costs, costs of
security of energy) generated in the
production of electricity by burning
fossil fuels should be included in
unit cost of electricity. Utilization of
renewable energy has improved in
recent years, benefiting many countries
direct support from their governments.
Although it is risky to make scientific
predictions, leading institutions
believe that renewable energy will
play an important role in the world of
tomorrow, since the decade of the third
millennium. In a scenario developed
by a European company specialized
in conventional energy, the intake
will flatten from the years 2020-2030,
Instead the contribution of renewable
will continue to grow and therefore
cover the years 2040-2050 over 30 to
50% of the world energy.
3. Using wind energy in
Romania. Wind regime in
Romania
In Romania, the wind regime is
determined by both the atmospheric
general circulation features (different
systems Baric which crosses) and the
active surface features. It emphasizes
the role of the orographic barrier of the
Carpathians, which determines certain
regional peculiarities of wind. The
average speed is directly influenced
by the orographic and thermal
stratification of air; in Dobrogea the
average speed (4 to 5 m/s) direction is:
[059]
energija
Fig. 4
energija
Frequency curve was constructed to heights of 10, 30, 40 m.
Fig. 5 The cumulative curve kinetic energy unit
and the meridian of longitude 290 east.
Including areas surrounding the places
where its sides, Delta covers an area
of 5640 km2 of which 4470 km2 is our
country’s territory.
The entire delta is presented as an
almost flat plain, sloping gently toward
the east, having an extremely low slope
of only 0.006%, vegetation consisting
mainly of rush forming brush and
willows.
Monthly averages of air temperature
ranges as follows: June 220C, 24.40
C in July, August, 250C, and water
as follows: June 20.20 C in July and
August 22.40 C, 21.80C.
An important factor it’s the climate
and wind. At the Black Sea, the wind
is moving in counter-clockwise, as it
happens around any other depressions
in the northern hemisphere. From
meteorological data collected the
Sulina site height h = 10 m above the
ground have built a Cumulative curve
also being the first graphic correction:
The frequency curve was constructed
to heights of 10, 30, 40m, high,
velocities that were calculated by the
relationship:
(1)
Fig. 6 The curve of frequency of kinetic energy per unit Ecu ρ1
V10 = velocity measured at h = 10m
h10 = reference height at which
Meteorological measurements
were made
h = any type of height
Vh = speed at height h
On the relationship:
(2)
N, NV, NE 43.8 %
S, SE 30.4%
Areas of interest for the territory of
Romania are: Zone Dobrogea, Zone
Banat and Moldova Plateau. This
paper is the analyzed Dobrogea region.
The establishment of these areas was
initially based on the fact that all
are located in sub-favorable, wind
potential appropriate forms of relief:
the hills and plateaus, mountainous
coastline, along with great plains
(with wind speeds exceeding 6.7 m/s),
according to data contained in the wind
map of Romania:
The Danube Delta is located parallel to
the maintenance of 450 North latitude
[060]
This equation was needed to build the
cumulative curve per kinetic energy
unit, fig.5.
These charts are a result of the
calculations for the air density
ρ1 = 1.151 kg/m3 at t = 30oC.
We constructed the curve of frequency
of kinetic energy per unit Ecu with
ρ = ρ1 and the curve of frequency of
electrical energy per unit Eeu with
ρ = ρ1, for h = 10, 30 and 40 m.
To the properly ρ2 = 1.342 kg/m3
and temperature T =-10 0C using the
relationship:
(3)
On which we built the frequency curve
of kinetic energy per unit Ecu for
ρ = ρ2 and the frequency curve of
energija
energija
Fig. 7 The curve of frequency of electrical energy per unit Ecu ρ1
On these grounds it can be concluded
that the maximum energy you can get
comes to heights of 40 m.
Because air density ρ = 1.151
kg/m3 appropriate warm period
is predominant, all subsequent
calculations will be conducted for
ρ = 1.151 kg/m3 and h = 40 m without
study compared the heights of 10 and
30 m.
5. Acknowledgement
This paper was possible trough the
CNCSIS Grant IDEI cod 929/2008
nr. 679/2009 director dr. ing.
Adriana Sida MANEA and CNMP
21047/1467/2007, contract manager dr.
ing. Ilare BORDEASU.
Fig. 8 The curve of frequency of kinetic energy per unit Ecu ρ2
8. Bibliography
Fig. 9 The curve of frequency of electrical energy per unit Ecu ρ2
electrical energy per unit Ecu for
ρ = ρ2, for h = 10, 30, 40 m.
4. Conclusions:
It is noted that for h=40 m recorded the
highest frequency for speeds of 10 to
12 m/s and a good frequency for v =
13 to 20 m/s.
Also, for a constant speed, Ecu and
Eeu increases with increasing air
density and decreases with decreasing
height above the ground.
[061]
1. A. Bej, Turbine de vant, Ed.
Politehnica, Timisoara, 2003
2. *** Wind Directions, Magazine
of the European Wind Energy
Association, London, UK, 2009
3. I. Vlad, Energia vantului, Ed.
Tehnica, Bucuresti, 1982.
4. ***Studiu privind evaluarea
potenţialului energetic actual
al Surselor regenerabile de
energie în romania (solar, vânt,
biomasă, microhidro, geotermie),
identificarea celor mai bune locaţii
pentru dezvoltarea investiţiilor în
producerea de energie electrică
neconvenţională***, Sinteză
5. A.S. Bugarschi, C.D. Galeriu, La
simulation des sillages des agregats
eoliens sur des modeles statiques
des simulation, Buletinul stiintific
si tehnic al Universitatii Politehnica
din Timisoara, Tom 41(55),
Mecanica, Timisoara, 1996.
energija
spec. sci Martin ]alasan, prof. dr Milutin Ostoji}
Elektrotehnički fakultet, Podgorica
UDC:621.224 : 621.313.12.004
Ispitivanje limitera pobudne
struje statičkog pobudnog
sistema sinhronih generatora
iz HE “Perućica”
1. Uvod
Rezime
Održavanje stalne vrijednosti napona
na izvodima generatora predstavlja
jedan od osnovnih uslova za
obezbjeđenje optimalnog režima rada
EES-a. Obezbjeđenje ovog uslova
se ostvaruje preko sistema pobude,
odnosno automatskog regulatora
napona, promjenom pobudne struje
sinhronih generatora. Iz tih razloga
se za pobudne sisteme često kaže da
predstavljaju „srce EES-a“ [1].
Regulacija pobude u normalnim
radnim uslovima ima zadatak da
održava napon i reaktivnu snagu na
željenim vrijednostima i da realizuje
raspodjelu reaktivnog opterećenja
između sinhronih generatora koji rade
paralelno u EES-ma. U poremećenim
režimima rada, funkcija regulatora
pobude jeste da vrši održavanje
stabilnosti, odnosno da povećava
sigurnost rada generatora.
Pobudni sistem uključuje mašine
i aparate potrebne za proizvodnju
struje pobude (pobudnica), uređaje za
regulaciju pobude (regulator pobude) i
elemente ručnog upravljanja, mjerenja,
zaštite i automatike [2].
U zavisnosti od toga na koji način se
obezbjeđuje jednosmjerna pobudna
struja sinhronih mašina, razlikuju se 3
tipa pobudnih sistema [2-4]:
¾ Jednosmjerni (DC) sistemi
¾ Nezavisni naizmjenični (AC)
sistemi pobude
¾ Statički naizmjenični (ST) sistemi
pobude
Kod jednosmjernih (DC) sistema
pobude, kao izvor struje pobude
sinhronog generatora koriste se
generatori za jednosmjernu struju. Kod
nezavisnih naizmjeničnih (AC) sistema
U ovom radu je prikazano ispitivanje limitera pobudne struje statičkog pobudnog
sistema sinhronih generatora iz HE “Perućica”. U tu svrhu je, u programskom
paketu Matlab-Simulink, razvijen model ovog pobudnog sistema. Međutim, da
bi se moglo vršiti ispitivanje bilo kog limitera, ovaj pobudni sistem je potrebno
implementirati u jedan dio EES Crne Gore. Zbog toga je razvijen i model
jednog generatora iz ove elektrane sa blok transformatorom i dalekovodom
do Podgorice. Nakon objašnjenja rada limitera pobudne struje, izvršeno je
poređenje odziva koji se dobijaju, pri ispitivanju ovoga limitera, upotrebom
realizovanog modela, sa odzivima koje je dobio VOITH Siemens mjerenjem
prilikom ugradnje ovoga pobudnog sistema u HE “Perućica”.
Ključne riječi: Statički pobudni sistem – Simulink model – Limiter pobudne
struje.
Testing of the Field Overcurrent Limiter of Static Excitation
system Synchronous Generator in HPP “Peru}ica”
This paper presents testing of the Field OverCurrent limiter of the static
excitation system synchronous generator in HPP Perućica. For this purpose,
Simulink model of this excitation system was developed. However, for testing
any limiter it is necessary to implement this excitation system as a part of the
electric power system of Montenegro. For this purpose the model of a generator
in HPP “Perućica“, including block transformer and transmission lines to
Podgorica was developed. After the explanation of Field OverCurrent limiter of
this excitation system, a comparison of the responses obtained using this model
and the measured responses obtained by Voith Siemens during installation of
this excitation system has been done. Very good agreement of computed and
measured results was obtained.
Keywords: Static Excitation system – Simulink model – Field OverCurrent
limiter.
pobude, pobudna struja se dobija
korišćenjem pobudnog sinhronog
generatora i ispravljača. Ispravljači
mogu biti nekontrolisani (upotrebom
dioda) ili kontrolisani (upotrebom
tiristora). Statički naizmjenični sistemi
pobude uzimaju energiju za pobudu
sa krajeva samog generatora kojeg
pobuđuju. Osim transformatora, koji
može biti ili obični energetski ili
kompaudni (sekundarni napon takvog
transformatora zavisi ne samo od
[062]
primarnog napona već i od primarne
struje) u ovom slučaju koriste se i
ispravljači, kako kontrolisani tako i
nekontrolisani [2].
Svaki pobudni sistem ima brojne
limitere, koji imaju zadatak da spriječe
nedozvoljena radna stanja mašine.
Odnosno, postoje: limiter potpobude
(UEXc limiter – Under Excitation
limiter), limiter struje generatora
(GOC limiter – Generator OverCurrent
energija
limiter), limiter struje pobude (FOC
limiter – Field OverCurrent limiter),
brzi limiter struje pobude (FCL limiter
– Fast Current Limiter) i limiter fluksa
u mašini (VHz – Volt Hertz limiter).
U HE „Perućica“, u toku
modernizacije, na prva četiri
generatora, ugrađen je novi statički
pobudni sistem, tiristorskog tipa,
proizvod firme VOITH Siemens
[5-7]. Ovaj pobudni sistem, nazvan
Thyricon, danas predstavlja jedan
od najmodernijih pobudnih sistema i
ugrađen je u elektranama širom svijeta.
U EES Crne Gore, on je ugrađen i kod
generatora u HE „Piva“.
Zadatak ovog rada jeste da se
ispita dejstvo limitera pobudne
struje kod statičkog pobudnog
sistema sinhronih generatora iz HE
„Perućica“. Da bi se to ostvarilo,
potrebno je napraviti model jednog
generatora iz HE „Perućica“1 (sa ovim
pobudnim sistemom), zajedno sa blok
transformatorom i dalekovodom do
trafostanice Podgorica 1. Takođe,
zadatak je da se dobijeni odzivi
prilikom ispitivanja ovog limitera
uporede sa odzivima koje je dobio
VOITH Siemens, mjerenjem prilikom
ugradnje ovoga pobudnog sistema u
HE „Perućica“. Programski paket koji
će biti korišćen je Matlab-Simulnk.
Postoje brojni radovi koji opisuju
limitere pobudnih sistema [8-12].
U svim ovim radovima opisuju
se njihove karakteristike, navode
opsezi njihovih parametara i logika
dejstva. Modeli limitera pobudnih
sistema koji se danas najviše koriste
predstavljeni su u radu [9], dok se
u radu [10] potvrđuju performanse
limitera modernih pobudnih sistema.
Dinamičke performanse digitalnih
pobudnih sistema se objašnjavaju i
potvrđuju u radu [11], a u radu [12]
govori se o mogućnostima primjene
simulacionih modela limitera pobudnih
sistema. Radovi [13-15] detaljnije
opisuju limiter pobudne struje.
2. Stati~ki pobudni sistem
Thyricon
Thyricon spada među najmodernije
pobudne sisteme sinhronih generatora,
koji su našli veliku primjenu u brojnim
elektranama širom svijeta. Upravo iz
te činjenice slijedi jedna njihova bitna
prednost u odnosu na druge pobudne
sisteme: napravljeni su od standardnih
proizvoda, pa je njihovo održavanje,
remont i upravljanje olakšano.
1
Generator: Un=10,5 kV, Sn=40MVA,
In=2200A,cosφ=0.95, fn=50Hz, n=375ob/min,
Ufn=180V, Ifn=550A
energija
Slika 2.1 Glavne komponente Thyricon-a
Slika 3.1 Opšta podjela upravljačkih modova Thyricon-a
Pobudni sistem Thyricon podijeljen je
na dva dijela: komandni i energetski,
a njegove glavne komponente
prikazane su na slici 2.1. Komandni
dio čine elektronski moduli, kao što
su: programabilni logički kontroleri
(PLC), interfejs čovjek-mašina
(operacioni panel), komandne
table, pretvarači (konvertori), releji,
komunikacione table i slično. Thyricon
koristi standardni konvertor Siemens
AG (Simoreg 6RA70), koji radi na
principu integrisanog komandnog
sistema, što znači da se komanda
vrši u panelima T400 (odgovoran
je za kontrolu komandne petlje
upravljanja), CUD1 (vrši paljenje
tiristora u ispravljačkim mostovima),
CUD2 (dodatak kartice CUD1),
koje su smještene u konvertorskoj
jedinici. U energetski dio spadaju
kola i komponente koje su robusnije
od komandnog dijela, kao što su
mostovi ispravljača, kola za detekciju
[063]
prenapona, kolo field fleshing (kolo
koje obezbjeđuje početnu energiju
pobudnom namotaju), kolo za
pražnjenje prenapona i slično [5-7].
3. Upravlja~ki modovi
Thyricon-a
Thyricon je dizajniran tako da
nudi kompletan set automatske i
ručne regulacije napona sinhrone
mašine. Slika 3.1 prikazuje podjelu
upravljačkih modova.
Svrha automatskih modova jeste
automatsko regulisanje napona
generatora, reaktivne snage i faktora
snage generatora. Regulator reaktivne
snage i faktora snage koristi AVR
kao podređenu strukturu, mijenjajući
podešenu vrijednost napona radi
dobijanja željene vrijednosti reaktivne
snage ili samog faktora snage.
Kod ručnog moda Thyricon-a vrši
se ručna kontrola izlaznog napona
energija
energija
Slika 3.2 Automatski regulator napona Thyricon-a
generatora, na taj način što se djeluje
na struju pobude. Podešavajući
pobudnu struju, vrši se indirektna
kontrola izlaznog napona. Ručni mod
regulatora napona radi kao podrška
automatskom modu, a najčešće se
upotrebljava kod ispitivanja u praznom
hodu i u kratkom spoju generatora.
Postoji FCR – regulator struje pobude
i EFCR – pomoćni regulator struje
pobude.
Slika 3.2 predstavlja automatski
regulator napona Thyricon-a sa svim
limiterima. Ugsp predstavlja podešenu
vrijednost napona (setpoint napona),
koja može biti podešen na vrijednost
između 90% i 110% nominalnog
napona. Setpoint napona može biti
podešen ili lokalno, sa HMI-a, ili
daljinskim putem, ili iz komandne
prostorije. Sljedeća tri ulaza u sumator
su: FOC (limiter struje pobude), GOC
(limiter struje generatora) i UExc
(limiter potpobude), a potom se vrši
upoređivanje tog signala sa vrijednošću
izlaza iz limitera VHz (limiter fluksa
u mašini). Zatim se vrši dodavanje
uticaja stabilizatora EES-a (PSS).
Sa druge strane, vrijednost stvarnog
napona se propušta kroz pretvaračku
vremensku konstantu (blok PTi) i
njemu se dodaje uticaj signala iz
AVRdroop_a (kompenzator reaktivne i
aktivne snage). Dobijeni signal greške
predstavlja ulaz u PI regulator AVR-a.
Na kraju se izlaz iz PI regulatora
AVR-a limitira pomoću FCL (brzih
limitera struje pobude). Obrađeni
signal se uvodi dalje u tiristorski most
(njega čini pretvarač napona u ugaonu
vrijednost i kosinusna funkcija od
tog ugla) i na izlazu se dobija napon
pobude Vf. Diferencijalni član ovog
regulatora nije aktivan kod pobudnog
sistema sinhronih generatora iz HE
„Perućica“.
4. Simulink model Thyricon-a
Na slici 4.1 prikazan je realizovani
Simulink model Thyricon-a.
Pobudni sistem Thyricon spada u
multivarijabilne pobudne sisteme, jer
Slika 4.1. Simulink model Thyricon-a
uzima veliki broj podataka da bi se
regulisao pobudni napon. Ulazi u ovaj
pobudni sistem su: setpoint napona
(podešena vrijednost napona), stvarna
vrijednost napona, struja generatora,
reaktivna komponenta struje
generatora, pobudna struja, aktivna
snaga, reaktivna snaga i frekvencija.
Sa iste slike se vidi da su u posebnim
blokovima realizovani svi limiteri,
zatim stabilizator EES-a i kompenzator
reaktivne i aktivne snage, čiji su ulazi
svi predhodno nabrojani podaci. Izlazi
iz ovih blokova se uvode u blok AVR automatski regulator napona, na čijem
izlazu se dobija signal za paljenje
tiristora u ispravljačkom mostu. Na
ovoj slici, u bloku AVR nalazi se i
blok za konverziju signala za paljenje
tiristora u napon pobude.
Da bi se mogla ispitati dinamika
ovakvog pobudnog sistema, potrebno
ga je implementirati u neki dio
elektroenergetskog sistema. U tu svrhu
realizovan je model jednog generatora
od 40 MVA iz HE „Perućica“, sa
blok-transformatorom i dalekovodom
110kV do Podgorice.
5. Simulink model jednog
generatora od 40 MVA
iz HE „Peru}ica“ sa
blok-transformatorom i
dalekovodom do Podgorice
HE „Perućica“ ima sedam sinhronih
generatora. Na slici 5.1 prikazan
je jedan generator od 40MVA, sa
dalekovodom 110kV do TS Podgorica
1. U referenci [6], navedeni su pobudni
sistemi sinhronih generatora koji
postoje u HE „Perućica“ i njihove
odlike. Na ovoj slici Generatorski blok
čine generator, sopstvena potrošnja
elektrane, transformator, pobudni
sistem, turbinski regulator i blokovi za
mjerenja. Za regulaciju protoka fluida
iskorišćen je turbinski regulator koji
postoji u biblioteci SimPowerSystem
u Simulinku, dok pobudni sistem
odgovara stvarnom statičkom
pobudnom sistemu Thyricon, čije
je model prikazan na slici 4.1. Blok
Mjerenja obavlja upravo istoimenu
funkciju, dok Blok Upravljanje služi
za podešavanje iznosa aktivne snage
koju generator daje mreži.
6. Limiteri pobudne struje
Kod statičkog pobudnog sistema
sinhronih generatora iz HE „Perućica“
postoje dva limitera pobudene struje –
FOC i FCL limiter.
6.1 FOC - limiter pobudne struje
Limiter pobudne struje (Field
OverCurrent - FOC) ima zadatak
[064]
energija
energija
Slika 5.1 Simulink model jednog generatora iz HE „Perućica“
Slika 6.1 Prikaz AVR, sa posebnim osvrtom na limiter pobudne struje
Slika 6.2 Limiter pobudne struje
da spriječi pretjerano zagrijavanje
pobudnog namotaja, odnosno, ovaj
limiter vrši termičku zaštitu pobudnog
namotaja. Jedna od njegovih najbitnijih
karakteristika jeste i ta da on djeluje
s vremenskim
kašnjenjem.
Prilikom rada u EES-u
veoma često se može
desiti da pobudna
struja dostigne
vrijednost veću od
nominalne. Jedini
uslov da mašina to
izdrži, jeste da to
preopterećenje kratko
traje i da se pobudni namotaj ne
pregrije (poznato je da ograničenje
pobudne struje zavisi prije svega od
karakteristika pobudnog namotaja,
odnosno od njegove otpornosti -
Slika 6.3 Poređenje dejstva starih i novih limitera pobudne struje, respektivno
otpornost se može promiijeniti preko
20%, ako se temperatura promijeni sa
25°C na 75°C ).
Suština rada limitera pobudne
struje je sljedeća: vrši se detekcija
preopterećenja, zatim se dozvoljava
da to preopterećenje traje određeno
vrijeme i na kraju se djeluje u smjeru
smanjenja pobudne struje [13-15].
Moderni limiteri pobudne struje
uglavnom se baziraju na dvije tehnike
upravljanja, kao što je prikazano na
slici 6.1 isprekidanim linijama:
Ö U prvom slučaju, signal iz
limitera pobudne struje se
uvodi u fukciju min, koja na
svom izlazu daje minimalni,
od dva ulaza. Na ovaj način se
obezbjeđuje stabilnost pobudnog
sistema u toku poremećaja, a sa
druge strane pobudni namotaj je
u potpunosti zaštićen.
Ö Prema drugoj tehnici, limiter
pobudne struje formira signal
koji se dodaje u glavni sumator,
ali sa negativnim predznakom.
Vrijednost ovoga signala u
normalnim uslovima rada je nula,
dok u slučaju forsiranja pobude,
on vrši promjenu referentne
vrijednosti napona generatora. U
ovom slučaju, limiter pobudne
struje ne pruža direktnu zaštitnu
funkciju pobudnom namotaju,
već to obavlja čitav AVR.
Slika 6.2 predstavlja opšti slučaj
limitera pobudne struje. Na osnovu ove
slike može se napisati sljedeća relacija:
(6.1)
gdje je:
- maksimalno dopuštena vrijednost
pobudne struje
Ifd - stvarna vrijednost pobudne struje
Sve dok je pobudna struja, manja od
dopuštene vrijednosti, limiter će imati
izlaznu vrijednost nula.
Ako se sa to označi trenutak kada
struja pobude postane veća od
dopuštene vrijednosti, a sa tsw trenutak
kada počinje da djeluje FOC limiter
(trenutak kada na izlazu limitera
postoji vrijednost različita od nule),
može se napisati:
(6.2)
gdje je A – konstanta
Relacija 6.2 predstavlja činjenicu da
je preopterećenje pobudnog namotaja
obrnuto srazmjerno vremenu.
Stari sistemi za zaštitu od
preopterećnja pobudnog namotaja,
[065]
energija
energija
Slika 6.4 Blok dijagram limitera pobudne struje kod pobudnog sistema Thyricon
1, pri čemu je u normalnom pogonu
vrijednost izlaznog signala FCL
max=1, dok je vrijednost FCL min=-1.
Ako struja pobude predje vrijednost
maksimalno dozvoljene vrijednosti
Iffclmax =1.4Ifn, tada izlazni signal FCL
max snižava izlaznu vrijednost (ona
postaje manja od 1) i na taj način se
smanjuje vrijednost signala koji vrši
paljenje tiristorskih mostova (smanjuje
se pobudni napon pa se i struja pobude
smanjuje). Isto tako, ako vrijednost
pobudne struje padne ispod minimalno
dozvoljene vrijednosti Iffcl min=0.3Ifn,
tada će se vrijednost signala FCL min
povećati i na taj način će se povećati
Slika 6.5 Brzi limiter struje pobude
imali su fiksno dejstvo, odnosno, za
bilo koju vrijednost preopterećenje
davali su istu vrijednost izlaznog
signal [15]. Današnji sistemi uzimaju
u obzir vrijednost preopterećenja i
ako je to preopterećenje veće, oni će
brže odreagovati (slika 6.3). Kao neki
standard, maksimalno dopuštena struja
pobude u normalnom režimu je 110%
nominalne pobudne struje [10].
Blok dijagram limitera pobude kod
pobudnog sistema Thyricon, prikazan
je na slici 6.4. Vrijednost pobudne
struje se poredi sa vrijednošću
Ifmax=1.1Ifn i dobijeni signal se
uvodi u integralni član. Integralni
član ima odloženo djelovanja, što
je adekvatno i ovom limiteru, koji
neće odmah odreagovati ako struja
pobude pređe vrijednost od 10%
iznad nominalne vrijednosti. Da bi se
spriječilo zasićenje samog integratora,
on je realizovan preko Anti-WindUp
limitera.
U zavisnosti od toga da li je izlaz
iz integralnog člana negativan ili
pozitivan, propuštaće se signal sa
ulaza pomnožen konstantom K.
Izlazna vrijednost ovoga limitera
je ograničena na vrijednost između
FOCmax=0 i FOCmin= -0.1, odakle se
vidi da je vrijednost izlaza ovoga
limitera negativna. Odnosno, ovaj
limiter ima tako dejstvo da vrši
smanjivanje referentne vrijednosti
napona generatora, pa samim tim
utiče na smanjenje pobudnog napona,
i u krajnjem slučaju pobudne struje.
Posmatrajući donju granicu izlaznog
limitera uočava se da ovaj limiter može
izvršiti smanjenje referentnog napona
za maksimalno 10%.
6.2 FCL - brzi limiter struje pobude
Postoje dva brza limitera pobudne
struje: FCLmax - maksimalni brzi
limiter pobudne struje i FCLmin minimalni brzi limiter pobudne struje
(FCL – Fast Current Limiter).
Ovaj limiter nema vremensko
kašnjenje za razliku od FOC-a
(limitera pobudne struje). Ako se
posmatra njegov blok dijagram (slika
6.5), to je sasvim i logično jer je
njegov AntiWindup limiter realizovan
preko PI regulatora, a poznato je
da, zbog proporcionalnog člana, PI
regulator nema vremensko kašnjenje.
Najčešće dopuštene vrijednosti
pobudne struje kod FCLmax limitera
su od 1.4 do 2 puta veće od nominalne
pobudne struje. Kod Thyricon-a, ta
vrijednost je 140% Ifn (Iffclmax=1.4Ifn).
Sa druge strane, kod FCLmin
limitera minimalna dozvoljena
vrijednost pobudne struje je 30% Ifn
(Iffclmin=0.3Ifn).
U Poglavlju 3 objašnjen je AVR
pobudnog sistema Thyricon. Sa slike
3.2, iz tog poglavlja, vidi se da je
izlaz iz PI regulatora AVR-a limitiran
vrijednostima signala sa brzih limitera
pobudne struje. Opseg izlaznih
signala ova dva limitera je od -1 do
[066]
vrijednost signala koja vrši paljenje
tiristorskih mostova (povećava se
pobudni napon pa i se povećava i
struja pobude).
Ispitivanje rada ovog limitera uvijek
se vrši zajedno sa ispitivanjem limitera
pobudne struje (FOC).
7. Ispitivanje limitera pobudne
struje
Da bi se izvršilo ispitivanje limitera
pobudne struje, formira se step
smetnja na referentnoj vrijednosti
napona generatora, koja će dovesti
do aktivacije ovih limitera. Sa druge
strane, vrši se i spuštanje granice
aktivacije limitera pobudne struje - If
max i brzog limitera pobudne struje
- If fcl max, ili ako se ispituje limiter
minimalne struje pobude, vrši se
podizanje granice aktivacije ovoga
limitera – If fcl min (slike 6.4 i 6.5). U
ovom slučaju će biti ispitano dejstvo
FOC i FCLmax limitera.
Formirana step smetnja direktno
utiče na povećanje vrijednosti greške
na ulazu u PI regulator AVR-a. Kao
posljedica toga, napon pobude se naglo
povećava, a samim tim i struja pobude.
Forsirajući pobudnu struju mašine i
iznos reaktivne snage se povećava.
Pošto step smetnja ne utiče na snagu
turbine koja pokreće rotor mašine,
aktivna snaga se nije promijenila,
mada pošto postoji koliko-tolika veza
između aktivne i reaktivne snage, ona
energija
energija
Tabela I : Skala “y” ose odziva sa slika 7.1 i 7.2
je malo zaoscilovala.
Kako se povećao
iznos rektivne snage
koju mašina daje
mreži, a aktivna snaga
je ostala konstantna,
promijenio se i faktor
snage. Osim toga,
forsiranjem pobude
dolazi i do smanjenja
ugla opterećenja.
Slika 7.1 Odzivi karakterističnih veličina prilikom ispitivanje limitera pobudne
struje koje je dobio VOITH Siemens mjerenjem u HE „Perućica“
transformatorom i dalekovodom
do Podgorice. Skala „y“ ose za
ove odzive prikazana je u Tabeli
I. Granica limitera pobudne struje
postavljena je na vrijednost 0.6 pu
(Ifmax=0.6*550A=330A), a granica
brzog limitera pobudne struje na
0.70 pu (Iffclmax=0.70*550A=385A).
Vrijednost step smetnje je 5%.
Sa ovih odziva se uočava da limiter
pobudne struje, za ovo opterećenje,
počinje da djeluje za oko 14s (slika
7.1). Takođe jasno se može uočiti kako
ovaj limiter djeluje na sniženje napona
generatora, a samim tim i na sniženje
iznosa reaktivne snage. Za razliku od
njega, FCL limiter djeluje odmah po
nastanku poremećaja.
Analizom rezultata prikazanih na ovim
slikama uočava se dobro poklapanje
rezultata, kako po vremenu posle koga
odreaguje limiter, tako i po novim
vrijednostima karakterističnih veličina
nakon dejstva step smetnje. Osim
toga, uočava se dobro poklapanje
dobijenih odziva i po brzini promjene
karakterističnih veličina.
Zaklju~ak
Slika 7.2 Odzivi karakterističnih veličina prilikom ispitivanje limitera pobudne
struje koji se dobijaju upotrebom realizovanog GUI modela jednog
generatora iz HE „Perućica“ sa blok-transformatorom i dalekovodom
do Podgorice
2
SKALA predstavlja razmjeru „y“ ose za
odzive prikazane na slikama 7.1 i 7.2. Skala za
aktivnu snagu je od 20% do 100% nominalne
snage generatora. To znači, da na grafiku 7.1
vrijednosti 70% odgovara 20% nominalne
snage, a vrijednosti 110% odgovara vrijednost
100% nominalne snage generatora (u ovom
slučaju aktivna snaga u ustaljenom stanju je
25% nominalne snage, tj 10 MW ).
Na slici 7.1 prikazani su odzivi
karakterističnih veličina prilikom
ispitivanja limitera pobudne struje,
koje je dobio VOITH Siemens, a
na slici 7.2 prikazani su isti odzivi
dobijeni pomoću realizovanog
Simulink modela jednog generatora
iz HE „Perućica“, sa blok
[067]
U ovom radu je izvršeno ispitivanje
limitera pobudne struje statičkog
pobudnog sistema Thyricon. S’ tim u
vezi, upotrebom programskog paketa
Matlab-Simulink, realizovan je model
ovog ovoga pobudnog sistema sa
svim limitera. Osim toga, u ovom
radu je prikazan i model jednog
generatora iz HE „Perućica“ sa bloktransformatorom i dalekovodom do
Podgorice.
Analizom dobijenih odziva u
simulaciji i odziva koje je snimio
VOITH SIEMENS u HE „Perućica“
uočava se dobro poklapanje rezultata,
kako po vrijednostima karakterističnih
veličina, tako i po brzini njihove
promjene i po vremenu posle koga
limiteri pobudne struje proreaguju.
Zbog toga, realizovani Simulink
model pobudnog sistema Thyricon
može biti iskorišćen za ispitivanja i
drugih limitera, kao i za razne analize.
Osim toga, moguće je ispitivati i
kratke spojeve, kako na sabirnicama
generatora, a takođe i bilo gdje i u
mreži i porediti dobijene podatke
sa vrijednostima dimenzionisanih
parametara elementa za zaštitu
(provjeravati vrijeme isključenja
prekidača, i slično).
Literatura
[1] M. Ostojić: Sinhrone Mašine,
UNIREKS-Nikšić, 1994 godine
energija
[2] M. Ćalović: Regulacija
elektroenergetskih sistema, Tom 2,
ETF Beograd, 1997.
[3] IEEE Recommended Practice for
Excitation System Models for
Power System Stability Studies,
IEEE Std 421.5-1992, IEEE, NewYork, NY, USA, 1992.
[4] Excitation system models for
power system stability studies,
IEEE Transactions on Power
Apparatus and Systems, Vol. PAS100, No. 2, February 1981
[5] M. Ćalasan, M. Ostojić:
Ispitivanje dejstva step smetnje
na referentnu vrijednost napona
generatora sa pobudnim
sistemom Thyricon, ETF Journal
of Electrical Engineering,
Podgorica, Novembar 2009.
[6] M. Ćalasan, R. Vukotić: Pobudni
sistemi sinhronih generatora koji
su u funkciji u HE „Perućica“,
CIGRE, oktobar 2009.
[7] Tehnička dokumentacija statičkog
pobudnog sistema sinhronih
generatora br. 1, 2, 3 i 4 iz HE
”Perućica”
[8] Recommended Models for
Overexcitation Limiting Devices,
IEEE Transactions on Energy
Conversion, Vol. 10, No. 4,
December 1995
[9] C. R. Mummert: Excitation
System Limiter Models for use in
System Stability Studies, IEEE
Cutler Hammer Division of Eaton
Corp. Arden, USA
[10] G. K. Girgis, H. D. Vu:
Verification of limiter
performance in modern
excitation control systems,
IEEE Transactions on Energy
Conversion, Vol. 10, No. 3,
September 1995
[11] M. L. Orozco, H. Vásquez:
Dynamic Performance of an
Excitation System Built in a
Digital Way, Universidad del
Valle, Colombia
[12] G. Roger Bérubé, Les M.
Hajagos, R. E. Beaulieu, A Utility
Perspective on Under-Excitation
Limiters, IEEE Transactions on
Energy Conversion,Vol. 10, No. 3,
september 1995, pp 532-537.
[13] S. Patterson: Overexcitation
Limiter Modeling for Power
System Studies, Denver, USA
[14] T. V. Cutsem, C. Vouras: Voltage
Stability of Electric Power
Systems, Power Electronics and
Power system series
[15] G. Erceg, N. Tonković, R.
Erceg: Excitation Limiters for
Small Synchronous Generators,
Automatika 42(2001) 1-2, 63-69
Aleksandar Bojkovi}
Elektrotehnički institut „Nikola Tesla”, Beograd
\or|e Jankovi}, Bo{ko Bajalica
Energoprojekt – Hidroinženjering, Beograd
Svetozar Bulatovi}, Dragan Jovovi}
Elektroprivreda Crne Gore – Nikšić, HE „Piva” – Plužine
UDC:621.311.21.004
Revitalizacija hidroelektrana
– primer HE „Piva”
Rezime
U radu su izloženi glavni razlozi zašto je revitalizacija, modernizacija i
povećanje snage hidroelektrana vrlo popularan svetski trend, uključujući
zemlje jugoistočne Evrope. To su rentabilnost ulaganja u produženje radnog
veka postojećih elektrana umesto izgradnje novih, povećanje raspoloživosti
i pouzdanosti, smanjenje preliva, troškova održavanja i gubitaka, smanjenje
troškova priozvodnje itd. Revitalizaciji prethode obimne pripreme da bi se
odabrala optimalna tehno-ekonomska varijanta (snimanje stanja, ispitivanja
vitalnih delova opreme, kao što su dovodni cevovod pod pritiskom, zatvarači,
turbina, generator, blok-transformator itd., izrada studija i tenderske
dokumentacije itd.), kao što je detaljno prikazano na primeru HE „Piva”. U
njoj su ranijih godina već obavljeni izvesni radovi na modernizaciji, kao što su
zamena elektromašinske pobude savremenom tiristorskom pobudom i ugradnja
opreme za električno kočenje. U 2009. godini obavljena su obimna ispitivanja
hidromehaničke i električne opreme, na osnovu kojih se privode kraju studije o
preostalom radnom veku opreme i mogućnosti povećanja snage.
Ključne reči: Hidroelektrana, Revitalizacija, Modernizacija, Povećanje snage,
Produženje radnog veka, Snimanje stanja, Ispitivanja, Preostali radni vek
Refurbishment of Hydroelectric Power Plants – Case of HPP
“Piva”
Paper presents main reasons why refurbishment and uprating of hydroelectric
power plants presents very popular trend worldwide, including countries of
southeastern Europe. They are economic advantage of life extension of existing
power plants instead of building new ones, increase of availability and reliability,
decrease of spilling, maintenance expenditures and losses, reduced production
cost etc. Extensive preparations are needed before start of refurbishment,
in order to select the best variant, taking into account both technical and
economical considerations (screening, tests of main parts of equipment, like
turbine, studies concerned with remaining life and possibility for uprating ),
as shown on the example of HPP “Piva”. In that power plant some upgrading
works were already done in previous years, such as replacement of rotating
exciters with static exciters and introduction of electrical braking. In 2009
extensive testing of hydromechanical and electrical equipment, which are the
basis for studies about remaining life of equipment and possibility of uprating.
Key words: Hydroelectric power plant, Refurbishment, Modernization,
1. Uvod
Mada su prve hidroelektrane na
Balkanu izgrađene još krajem XIX
i početkom XX veka, intenzivnijem
korišćenju hidropotencijala se
pristupilo tek posle II svetskog rata,
[068]
pedesetih godina prošlog veka. Među
prvence savremene hidroenergetike
na ovim prostorima spadaju HE
“Ovčar Banja”, HE “Međuvršje”, HE
“Zvornik” i druge. Navedene elektrane
uspešno rade već duže od 50 godina.
energija
Međutim, vreme čini svoje. Neki
delovi opreme stare i habaju se pod
dejstvom pogonskih naprezanja, a
drugi više ne odgovaraju savremenim
tehničkim zahtevima. Navešćemo
nekoliko primera koji ovo ilustruju, ne
pretendujući da obuhvatimo sve štetne
faktore koji skraćuju radni vek opreme,
niti sve delove opreme koji su po
svojim karakteristikama prevaziđeni.
Hidromehanički delovi opreme
su ugroženi delovanjem korozije
(cevovodi, zatvarači, sprovodni
aparat, turbina) i kavitacije (turbina),
a kod elektromehaničkih (generator)
najosetljiviji deo opreme predstavlja
izolacija namotaja, koja se sastoji od
organskih materijala i podložna je
termičkom starenju, a pored njega i
degradaciji pod dejstvom mehaničkih
(vibracije), električnih (parcijalna
pražnjenja), hemijskih i ambijentalnih
uticaja. Jedna od potencijalno
slabih tačaka električne opreme, npr.
energetskih transformatora, je takođe
njihova izolacija, koju kod velikih
transformatora tradicionalno čini uljnopapirna izolacija, dok se kod manjih
transformatora u hidroelektranama
(pobudni transformatori, transformatori
sopstvene potrošnje) sve češće sreću
suvi transformatori, tamo gde su
ranije zbog zahteva sigurnosti od
požara korišćeni transformatori sa
polihlorisanim bifenilima (PCB), a za
koje se iz ekoloških razloga zahteva
zamena. Loše stanje opreme dovodi do
kvarova, koji smanjuju raspoloživost
agregata, zahtevaju opravku koja
ponekad može biti dugotrajna i skupa,
a kao posledica se može javiti i znatan
preliv.
Kada je u pitanju prevaziđenost
nekih elemenata postrojenja, kao
primer se mogu navesti klasični
elektromehanički sistemi pobude (koje
danas zamenjuju tiristorski sistemi
pobude), merno- regulaciona oprema,
elektromehanička relejna zaštita,
kočioni sistemi generatora, odvodnici
prenapona (zamena klasičnih sa ZnO
odvodnicima) itd. Ponekad nova
rešenja diktira i nemogućnost nabavke
rezervnih delova za neke elemente
opreme zbog nestanka pojedinih
proizvođača ili gašenja proizvodnje
starih tipova opreme u fabrikama koje
još uvek postoje.
Kod starih hidroelektrana monitoring
opreme u pogonu je veoma oskudan.
Svodi se na praćenje nekoliko
osnovnih pogonskih parametara, kao
što su napon, struja, snaga, radne
temperature. Znatno bolji uvid u
stanje opreme i otkrivanje problema u
začetku, pre nego što nastupe neželjene
energija
posledice, omogućavaju savremene
metode i oprema za monitoring, te
je revitalizacija pogodan trenutak
da se nešto uradi u tom pravcu. Isto
važi za uvođenje daljinskog nadzora i
upravljanja.
Imajući u vidu napred rečeno,
ne iznenađuje da svetski trend
revitalizacije hidroelektrana, kao
ekološki čistih i obnovljivih izvora
električne energije, nije zaobišao ni naš
region. U pojedinim zemljama dodatni
podsticaj da se pristupi revitalizaciji
hidroelektrana predstavlja okolnost
da su već najvećim delom iskoristile
raspoloživ hidropotencijal svojih
reka, tako da nema mogućnosti za
gradnju novih hidroelektrana, nego
treba sačuvati u funkciji postojeće,
a po mogućstvu i povećati njihovu
instalisanu snagu i proizvodnju.
To kod nas još uvek nije slučaj.
Postoji, nažalost, još uvek značajan
neiskorišćen hidropotencijal.
Navedimo kao primer sliv reke Drine.
Međutim, opredeljenje za izvođenje
revitalizacije hidroelektrana u našim
krajevima ekonomski opravdavaju
neke bitne činjenice.
Pre svega, u ceni gradnje
hidroelektrana dominantna je cena
građevinskih radova, kojoj treba
pridodati troškove potapanja zemljišta i
objekata zbog formiranja akumulacije,
dok su kasniji proizvodni troškovi
mali u poređenju sa elektranama na
fosilna goriva i nuklearkama. Pritom
je srećna okolnost da očekivani radni
vek građevinskih objekata iznosi 60
do 80 godina [2], tako da prevazilazi
ostale objekte hidroelektrane. Dakle,
postojanje brane u dobrom stanju,
akumulacionog jezera, infrastrukture,
kao i dovodnih tunela i ukopane
mašinske hale kod elektrana u
planinskim predelima znatno smanjuje
ulaganja u odnosu na novi objekat.
Dalje, ima nagoveštaja da se, kao
deo globalnih klimatskih promena,
javlja promena hidrologije, koja
se između ostalog, manifestuje
ubrzavanjem kruženja vode u
hidrosferi. Nekadašnji proračuni
prosečnih dotoka, stogodišnjih voda
i sličnih hidrololoških pojmova,
na osnovu kojih su projektovane
postojeće hidroelektrane verovatno
će se u bliskoj budućnosti pokazati
kao pesimistički s tačke gledišta
optimalnog korišćenja vodenih
potencijala uz minimalne prelive,
a veoma optimistički kada je reč
o zaštiti od poplava. Najzad, zbog
nedovoljnog iskustva projektanata i
manje razvijenih metoda proračuna,
vitalni elementi postrojenja (kao što su
[069]
turbina, generator, blok-transformator)
u starim hidroelektranama su
predimenzionisani, tako da mogu
dati veću snagu. S druge strane,
zahvaljujući kvalitetnijim materijalima
i savršenijim konstrukcijama, mogu
se zamenom postojećih turbina,
generatora i transformatora postići i
znatno veća povećanja snage unutar
postojećih građevinskih gabarita (npr.
generatorske jame ili trafo-boksa), ako
je to opravdano na osnovu hidroloških
proračuna. Nova oprema takođe može
imati bolji stepen iskorišćenja, što uz
isti utrošak vode daje veću proizvodnju
električne energije.
Sve što je napred rečeno objašnjava
zašto su u toku radovi na revitalizaciji
niza hidroelektrana u Srbiji (HE “
Bajina Bašta”, HE “Đerdap I”, HE
“Ovčar Banja”, HE “Međuvršje”),
a da se planiraju i pripremaju
revitalizacije niza drugih (HE
“Zvornik”, “Vlasinske hidroelektrane”,
“Limske hidroelektrane”). U Crnoj
Gori su takođe obavljene pojedine
faze modernizacije HE “Piva” i HE
“Perućica”, a u toku su pripreme za
naredne faze revitalizacije. Prikaz
dosadašnjih aktivnosti na revitalizaciji
HE “Piva” biće predmet ovog rada.
2. Ciljevi revitalizacije
Revitalizacija hidroelektrana obično
obuhvata bar dva, a ponekad i tri
segmenta:
z Produženje radnog veka,
z Modernizaciju,
z Povećanje snage (eventualno).
Glavni ciljevi revitalizacije
hidroelektrana mogu se rezimirati na
sledeći način:
z Produženje radnog veka,
z Vraćanje snage na projektovani nivo
ili povećanje snage i proizvodnje,
z Smanjenje troškova eksploatacije,
z Smanjenje gubitaka odnosno
povećanje stepena korisnosti,
z Povećanje raspoloživosti i
pouzdanosti.
U sadašnje vreme produženje radnog
veka hidroelektrane revitalizacijom
praktično podrazumeva usklađivanje
životnog veka hidro i elektroopreme
sa životnim vekom građevinskih
delova elektrane. Usled pogoršanja
stanja opreme vremenom može doći
do ograničenja pogonskog dijagrama
opreme, odnosno dozvoljenih režima
rada, a time i do smanjenja snage.
Prva dva od napred navedenih ciljeva
se često mogu postići uz relativno
mala ulaganja, pošto ne zahtevaju
kompletnu zamenu opreme, nego
energija
samo kritičnih delova koji su u
sumnjivom ili evidentno lošem stanju.
U pojedinim slučajevima time se
automatski postiže i povećanje snage
i proizvodnje (npr. zamena dotrajalog
statorskog namotaja generatora sa
klasom izolacije B novim namotajem
sa izolacijom klase F, čija debljina
je manja, omogućava povećanje
snage generatora). Smanjenje broja
otkaza i povećanje raspoloživosti i
pouzdanosti takođe stvara uslove za
povećanu proizvodnju, a eliminisanje
kvarova u pogonu i potrebe za
čestim i dugotrajnim remontima i
opravkama automatski smanjuje
troškove eksploatacije. Isto se takođe
postiže smanjenjem gubitaka, odnosno
povećanjem stepena korisnosti. Vidi
se da su ciljevi revitalizacije i efekti
koji se postižu njihovom realizacijom
međusobno povezani i da ispunjenje
nekog od njih pomaže realizaciju
drugih.
3. Redosled aktivnosti na
pripremi revitalizacije
Priprema revitalizacije obuhvata
sledeće aktivnosti:
1. Ocenu stanja postrojenja i opreme,
2. Izradu Idejnog projekta,
3. Izradu Studije izvodljivosti,
4. Utvrđivanje Plana revitalizacije
postrojenja, uključujući dinamiku
radova i potrebna sredstva,
5. Izradu Tenderske dokumentacije za
nabavku opreme.
3.1 Ocena stanja postrojenja i
opreme
Dva su postupka koji se primenjuju pri
određivanju potencijalnih kandidata
za revitalizaciju – snimanje stanja i/ili
ispitivanja.
Obično je prvi korak snimanje
stanja, koje istovremeno
omogućava određivanje prioriteta,
odnosno redosleda revitalizacije
blokova jedne hidroelektrane ili
rangiranje hidroelektrana jednog
elektroprivrednog preduzeća u
pogledu redosleda revitalizacije.
Snimanje stanja podrazumeva
posetu ekspertskog tima elektrani (ili
elektranama) radi neposrednog uvida
u stanje, prikupljanje dokumentacije o
pogonskim časovima, broju puštanja u
pogon, bitnim pogonskim događajima,
kvarovima i opravkama, redovnom
održavanju, prijemnim ispitivanjima,
ispitivanjima opreme u okviru njene
preventivne kontrole, prelivima
itd. Ekspertski tim sačinjavaju bar
tri inženjera – po jedan inženjer
energija
elektrotehnike, mašinstva i građevine.
Pored dokumentacije, važan izvor
informacija je i razgovor sa osobljem
elektrane, pošto je često dokumentacija
neuredno vođena, zagubljena,
nedovoljno jasna itd. Naime, u ranije
vreme nije u dovoljnoj meri sagledavan
značaj dokumentacije, tako da se kao
nužna korekcija nameće razgovor
sa osobljem elektrane, ali značajnu
teškoću predstavlja okolnost da zbog
odlaska u penziju mnogi od onih koji
bi mogli da pruže najrelevantnije
informacije nisu na raspolaganju
za razgovor. Poznavanje pogonskih
iskustava u drugim elektranama sa
istom ili sličnom opremom je takođe
veoma korisno. Najzad, u okviru
snimanja stanja pažnja se posvećuje
stanju zaliha neophodnih rezervnih
delova i mogućnostima njihove
nabavke. Ceo postupak snimanja
stanja i odgovarajućih analiza koje
zatim slede može znatno olakšati
postojanje kvalitetne baze podataka
u elektronskoj formi. Prema ugovoru
sa Elektroprivredom Srbije Institut
„Nikola Tesla“ je uradio bazu podataka
za generatore EPS u okviru Studije
Procena stanja i preostalog radnog
veka generatora proizvodnih jedinica
EPS-a [3].
Pored napred navedenih tehničkih
potrebno je u okviru snimanja stanja
prikupiti i određene ekonomske
pokazatelje, pri čemu je za procenu
potrebe revitalizacije naročito
indikativan trend sve većeg rasta
troškova održavanja, koji dovodi u
pitanje dalju isplativost rada elektrane.
Ukoliko je dobro pripremljena,
poseta tima eksperata radi snimanja
stanja ne traje duže od nekoliko dana.
Elektranu treba blagovremeno izvestiti
o podacima i dokumentaciji koju treba
da pripremi, a ekspertski tim treba
da pripremi spisak značajnih pitanja
i informacija i formulare za unos
podataka. Poželjno je da se poseta
poklopi sa terminom remonta, pošto je
tada moguće ostvariti najbolji uvid u
stanje objekta vizuelnom kontrolom.
U nekim slučajevima snimanje
stanja je nepotrebno. Npr. jasno je da
elektrane koje su u pogonu kraće od 15
godina nisu kandidati za revitalizaciju.
S druge strane, kritično stanje nekih
elektrana može biti očigledno i bez
snimanja stanja.
Uobičajena ispitivanja u okviru
preventivne kontrole opreme
hidroelektrane, čiji rezultati
se prikupljaju tokom snimanja
stanja, obično nisu dovoljna ni
po svom obimu ni po redovnosti
[070]
sprovođenja da se potpuno sagleda
stanje opreme i njen preostali radni
vek, kao ni mogućnost povećanja
snage. Između ostalog, redovnost
preventivne kontrole i održavanja
je ugrožena nedostatkom sredstava
i potrebom rigorozne štednje, što
karakteriše period sankcija. Potrebu
za dodatnim ispitivanjima nameće
i skromna oprema za monitoring
opreme u pogonu kod starih
hidroelektrana. Primera radi, kod starih
hidrogeneratora ne postoji ugrađena
oprema za monitoring vibracija, struja
vratila, debljine međugvožđa, stanja
međuzavojne izolacije rotorskog
namotaja, parcijalnih pražnjenja u
izolaciji statorskog namotaja. Osim
toga, neka od ispitivanja imaju
praktičnu primenu samo u cilju
razmatranja mogućnosti povećanja
snage, što ne spada u domen
preventivne kontrole.
U drugoj fazi se, u zavisnosti od
nalaza na osnovu snimanja stanja
i veličine, cene i značaja objekta,
određuje i realizuje odgovarajući
program ispitivanja. Opsežan program
ispitivanja, kakav je npr. sproveden
u periodu april-maj 2009. godine u
HE „Piva“, sasvim razumljivo, zbog
svoje cene nije isplativ za neku malu
ili mini-elektranu. Jedan od prvih
zadataka konsultanta je bio izrada
programa i tendera za ispitivanja,
pomoć Investitoru pri evaluaciji
prispelih ponuda, izboru Ispitivača i
zaključenju ugovora.
3.2 Izrada Idejnog projekta
Idejni projekat daje pregled
alternativnih planova revitalizacije, bez
ulaženja u detalje, koji će bii predmet
narednih aktivnosti. Na osnovu
raspoloživih podataka može se suziti
izbor na rešenja koja imaju realnu
podlogu, a koja su predmet detaljne
tehnoekonomske analize u Studiji
izvodljivosti.
3.3 Izrada Studije izvodljivosti
Kroz Studiju izvodljivosti dolazi
se do izbora optimalne varijante
revitalizacije. Opredeljenjem za
konkretnu varijantu revitalizacije
stvaraju se uslovi za sve dalje
aktivnosti, u koje spadaju izrada
planova i projekata, tenderske
dokumentacije, izbor najpovoljnijeg
ponuđača, sklapanje ugovora i
realizacija projekta. Da bi se obezbedio
kvalitet isporučene opreme i radova,
potrebno je u toku realizacije, kao kada
je u pitanju gradnja novih objekata,
obezbediti nadzor konsultanta pri
fabričkim ispitivanjima, montaži i
ispitivanjima u objektu.
energija
4. Osnovni podaci o HE
„PIVA“ i glavnim elementima
njene opreme
HE „Piva“ je puštena u rad 1976.
godine. Ima tri istovetna agregata.
Turbine su vertikalne Francisove,
nominalne snage 114 MW, nominalnog
protoka 80 m3/s, a maksimalnog
protoka 84 m3/s. Minimalni pad
je 100,42 m, nominalni 162 m, a
maksimalni 183,39 m. Nominalna
brzina obrtanja je 250 o/min, a brzina
pobega 455 o/min. Maksimalni stepen
korisnosti pri nominalnom padu iznosi
94,7%.
Trofazni sinhroni generatori imaju
sledeće osnovne podatke:
- Nominalna snaga Sn (MVA):
120
- Nominalni napon
Un (kV):
15,75 ± 5%
- Nominalna struja In (A): 4398 ± 5%
- Nominalni cosφ:
0,95
50
- Nominalna frekvencija fn (Hz):
- Nominalni napon pobude
Upn (V):
235
- Nominalna struja pobude Ipn (A): 1180
- Klasa izolacije
(statorski/rotorski namotaj):
F/F
- Stepen korisnosti pri punom
opterećenju:
98,5%
- Hlađenje:
Vazdušno u zatvorenom
ciklusu, sa
vodenim hladnjacima
Trofazni uljni blok-transformatori
imaju sledeće osnovne podatke:
- Nominalna snaga Sn (MVA):
120
- Odnos transformacije
(kV/kV):
15,75/245
- Hlađenje:
OFWF
Šinske veze između generatora i bloktransformatora su od aluminijuma, na
keramičkim provodnim izolatorima za
24 kV.
Veza blok-transformatora i razvodnog
postrojenja je ostvarena pomoću
jednofaznih kablova punjenih uljem,
preseka bakarnog provodnika 150
mm2, nominalnog napona 245 kV,
nominalne struje 315 A pri ambijentnoj
temperaturi 35 ºC.
5. Podaci o dosada{njem
pogonu i bitnim pogonskim
doga|ajima
U periodu od puštanja u rad do
1.3.2009. godine generatori HE
„PIVA“ su imali pogonske podatke
koji su prikazani u tabeli 1.
Prema metodologiji EPRI ekvivalentan
broj časova rada se dobija kada se broj
startova pomnoži sa 10 i dobijenim
energija
rezultatom uveća broj časova rada.
Smatra se da je radni vek izolacionih
sistema klase F između 350.000 i
500.000 ekvivalentnih časova rada [2].
U toku dosadašnjeg pogona generatora
desili su se sledeći značajni događaji
ovim hronološkim redom:
z Generator G-3, 24.5.1996: Proboj
izolacije stujnih veza od kliznih
prstenova ka rotorskom namotaju
na mestu gde one ulaze u centralni
otvor vratila; neplanirani zastoj radi
opravke
z Generator G-2, 27.11.1998:
Pregorevanje strujne veze za dovod
pobudne struje na rotorski namotaj
na praktično istom mestu kao kod
G-3; neplanirani zastoj radi opravke
z Generator G-2, 14.01.2001:
Praktično ponovljen isti kvar kao
1998. godine, ali većeg intenziteta
i obima oštećenja (istopljeno 2/3
zavrtnja koji drži vezu i pojava 4
velike prskotine, uz veći broj manjih
oko njih, na vratilu u zoni kvara
strujne veze); neplanirani zastoj radi
opravke
z Generator G-3, 2003: Havarija
generatora usled kratkog spoja;
dugotrajna opravka, tokom koje je
zamenjen statorski namotaj.
Prva tri navedena događaja pokazuju
da na generatorima postoji kritično
mesto na strujnoj vezi između kliznih
prstenova i prvog pola rotorskog
namotaja, na kojem može nastati
pregrevanje usled lošeg kontakta.
Ukoliko revitalizacija ne predviđa
kompletnu zamenu generatora novim,
potrebno je ovo slabo mesto otkloniti
novim konstruktivnim rešenjem.
Na transformatorima je zabeležen
samo jedan problem koji je zahtevao
intervenciju. Gasnohromatografskom
analizom je otkriveno lokalno
pregrevanje sa temperaturom u
opsegu od 300 do 700 ºC kod bloktransformatora agregata 3. Mesto
kvara je bilo u uvodu kabla 245 kV
jedne faze u blok-transformator. Ono
je sanirano 1982. godine. Očigledno
je da se radilo o grešci pri montaži,
a ne o konstruktivnoj grešci, tako da
ovaj kvar ne zahteva rekonstrukciju
za slučaj da se pri revitalizaciji zadrže
postojeći kablovi i blok-transformatori.
6. Dosada{nji radovi na
modernizaciji HE „Piva“
U HE „Piva“ su u ranijim godinama
izvedeni sledeći radovi na
revitalizaciji:
z Zamena elektromašinske pobude
tiristorskom sa digitalnim
regulatorom napona na sva tri
agregata
z Zamena pneumatskih prekidača u RP
220 kV novim prekidačima sa gasom
SF6
z Zamena rastavljača u dalekovodnim
poljima novim na elektromotorni
pogon
z Ugradnja električnog kočenja
generatora.
Električno kočenje nije u funkciji zbog
vibracija šinskih veza koje nastaju pri
njemu, što je potvrđeno merenjima
u 2003. godini. Postoji projekat za
otklanjanje ovog problema. Takođe
je planirana hitna zamena jednog
dela opreme, za koju je urađen Idejni
projekat i tenderska dokumentacija.
Menja se:
z Oprema u razvodnom postrojenju
220 kV,
z Zaštita dalekovoda i sabirnica 220
kV,
z Zaštita generatora i blok
tansformatora,
z Oprema pomoćnog napajanja 220 V
JSS i 220V, 50 Hz besprekidno,
z Pomoćna oprema zatvarača na
ulaznoj građevini.
7. Ispitivanja
U 2009. godini detaljno je ispitana
sledeća oprema sva tri agregata:
1. Zatvarač na ulaznoj građevini,
2. Cevovod,
3. Predturbinski zatvarač,
4. Turbina sa ležajem i sprovodnim
aparatom,
5. Sifonski zatvarač,
6. Generator,
7. Šinske veze 15,75 kV,
8. Blok transformator i
9. Kablovi 220 kV.
Ispitivanja građevinskih objekata, koja
predstavljaju zasebnu celinu, zbog
ograničenog prostora neće ovde biti
razmatrana. Ona obuhvataju:
Tabela 1 Podaci o pogonu generatora HE „Piva“
[071]
energija
utvrdjivanje stanja gradjevinskih
konstrukcija,
z snimanje zapremine akumulacije i
z istražne radove u nestabilnim
zonama bokova brane i akumulacije
i utvrđivanje stanja injekcionih
zavesa.
z
7.1 Ispitivanja zatvara~a na ulaznoj
gra|evini
a) Vizuelni pregled,
b) Kontrola dimenzija i oblika,
d) Merenje procurivanja zatvarača,
Pogonska kontrola zatvarača – merenje
vremena podizanja i spuštanja
zatvarača, provera signalizacije
automatskih uređaja, provera
unutrašnjeg procurivanja servomotora.
7.2 Ispitivanja cevovoda pod
pritiskom
a) Vizuelni pregled,
b) Kontrola antikorozione zaštite,
c) Merenje debljine zida cevovoda,
d) Merenje debljine injekcione mase
e) Ultrazvučna provera varova.
7.3 Ispitivanja leptirastih
predturbinskih zatvara~a
a) Funkcionalna ispitivanja,
b) Merenje procurivanja,
c) Provera by-pass-a,
d) Merenje vremena otvaranja i
zatvaranja,
e) Kontrola dimenzija i oblika,
f) Vizuelni pregled.
7.4 Turbine
7.4.1 Merenja performansi turbine u
stacionarnom stanju i prelaznim
režimima
7.4.2 Ispitivanja dinamičkog
ponašanja turbine
a) Merenje napona i opterećenja na
turbinskim sklopovima (vratilo,
lopatice sprovodnog aparata,
servomotor sprovodnog aparata,
radno kolo turbine, turbinski
poklopac, turbinski vodeći ležaj),
b) Merenje pulsacije pritisaka u
turbinskom dovodu, uključujući
spiralno kućušte, turbinski
poklopac i konus sifona,
c) Merenje buke u turbinskoj jami,
mašinskoj zgradi i kavitacione
buke.
7.4.3 Mehanička ispiivanja turbinskih
sklopova
a) Radno kolo (uključujući i
rezervno): vizuelna kontrola,
ispitivanja kvaliteta površine
ultrazvukom, magnetnim
energija
česticama ili radiografska
ispitivanja,
b) Statorski prsten i spiralno
kućište: vizuelna kontrola,
merenja hrapavosti površina,
detektovanje prskotina
penetrantima i magnetnim
česticama,
c) Sprovodni aparat i njegove
lopatice: vizuelni pregled,
merenje hrapavosti površina,
detekcija prslina, merenje zazora
između lopatica sprovodnog
aparata, merenje vremena
otvaranja/zatvaranja sprovodnog
aparata u zavisnosti od hoda
servomotora,
d) Vratilo: vizuelni pregled i
detekciju prslina naročito u zoni
radijusa prema radnom kolu,
merenje hrapavosti površina u
zoni turbinskog ležaja,
e) Turbinski vodeći ležaj: vizuelni
pregled i merenje zazora,
f) Turbinski poklopac: vizuelni
pregled i detekcija prslina,
ultrazvučna ispitivanja i provera
antikorozione zaštite,
g) Regulacioni prsten: vizuelni
pregled, ultrazvučna ispitivanja
pristupačnih varova, provera
antikorozione zaštite.
Pored navedenih, na agregatu broj 2
su izvršena dodatna ispitivanja u cilju
utvrđivanja preostalog životnog veka
radnog kola i vratila.
7.5 Ostala hidroma{inska oprema
a) Sifon: vizuelni pregled konusnog
dela i čeličnog dela sifona,
provera antikorozione zaštite,
b) Sistem rashladne vode: vizuelni
pregled zavarenih spojeva,
pregled antikorozione zaštite,
merenje debljine cevovoda,
c) Sifonski zatvarači: vizuelni
pregled, funkcionalna
ispitivanja, kontrola oblika i
dimenzija, merenje procurivanja
7.6 Generatori
7.6.1 On-line ispiivanja
Pošto su sva 3 generatora istog tipa,
merenja označena zvezdicom su
izvedena samo na G-1 generatora,
a) merenje ugiba generatorskog
krsta kod nosećeg ležaja.
merenje gubitaka i određivanje
stepena korisnog dejstva*
b) merenje ventilacione k-ke
generatorskih lopatica*
c) određivanje karakteristike
3-polnog kratkog spoja
[072]
generatora, određivanje
karakteristike praznog hoda
generatora,
d) ogled zagrevanja generatora,
e) merenje parcijalnih pražnjenja
„on-line“ metodom,
f) provera međuzavojne izolacije na
statoru indukovanim naponom,
g) provera stanja kliznih prstenova
(vizuelna inspekcija, merenje
temeperatura, izbačaj vratila),
h) termo-vizuelna inspekcija (IC
kamera) fleksibilnih veza
i) merenje elektromagnetnih polja u
praznom hodu i pri opterećenju
7.6.2 Off-line ispitivanja
Obim ispitivanja generatora G-1 je
zahvaljujući vađenju rotora zbog
remonta bio nešto veći nego kod
ostalih generatora, a po završenom
remontu neka ispitivanja su
ponovljena. Od ispitivanja dovedenim
povišenim naponom statorskog i
rotorskog namotaja generatora G-2
i G-3 se odustalo zbog bojazni da bi
proboj izolacije u toku remonta G-1
doveo do velikog preliva.
a) ispitivanje statorskog namotaja:
merenje omskog otpora,
merenje otpora izolacije,
indeksa polarizacije i struje
odvoda, RAMP test-ispitivanje
jednosmernim naponom,
merenje ugla dielektričnih
gubitaka i kapaciteta izolacije,
merenje parcijalnih pražnjenja
„off-line“ metodom, vizuelna
kontrola korone (samo G-1),
naponsko ispitivanje dovedenim
naponom (samo G-1), provera
zaklinjenosti (samo G-1);
b) ispitivanje paketa statorskih
limova pri indukciji oko
1T i snimanje IR kamerom,
ispitivanje paketa niskom
indukcijom (samo G-1), merenje
otpora izolacije zavrtanja
za pritezanje paketa statora,
kontrola izolacije između
segmenata paketa statora;
c) ispitivanje rotorskog namotaja:
merenje otpora izolacije i
indeksa polarizacije, ispitivanje
međuzavojne izolacije udarnim
naponom, visokonaponsko
ispitivanje rotorskog namota
naizmeničnim naponom (G-1),
merenje ukupnog omskog
otpora, merenje omskog otpora
po polu i pada napona na
međupolnim vezama (G-1),
merenje ukupne impedanse
i impedanse po polu (G-1),
merenje kapaciteta izolacije
namotaja.
energija
7.7 Šinske veze 15,75 kV
a) vizuelni pregled celokupne trase
sabirnica,
b) merenje otpora izolacije,
c) ispitivanje podnosivim
naizmeničnim naponom,
d) snimanje elektromagnetnih polja
duž trase šinskih veza
7.8 Blok-transformatori
a) električna ispitivanja*: merenje
otpora izolacije, merenje
kapaciteta i faktora dielektričnih
gubitaka, merenje struje i
snage u praznog hodu sa
smanjenim naponom, merenje
innduktivnosti usled rasipanja,
merenje preostalog napona
uključujući proračun vlage u
papirnoj izolaciji korišćenjem
RVM metode, merenje omskog
otpora namotaja;
b) ispitivanje uzoraka
transformatorskog ulja iz
transformatorskog suda i
kablovskih glava na strani
višeg napona**: određivanje
standardnih fizičko-hemijskih
i električnih karakteristika,
gasnohromatografska analiza
sadržaja rastvorenih gasova,
kvantitativna i kvalitativna
analiza PCB u ulju, određivanje
sadržaja vlage u ulju i merenje
dielektrične čvrstoće ulja,
određivanje sadržaja 2FAL
i drugih derivata furana,
ispitivanje broja i veličine
čestica u ulju te udela metalnih
čestica, analiza ulja IR
spektoskopijom, određivanje
sadržaja inhibitora, ispitivanje
prisutnosti korozivnog sumpora
u ulju;
c) u on-line režimu obavljeno je
snimanje elektromagnetnih polja
u trafo boksu.
* električna merenja su vršena
bez odvajanja uljnih kablova na
strani višeg napona
** neka od ispitivanja uzoraka
ulja vršena su i na licu mesta i u
laboratoriji
7.9 Kablovi 245 kV
energija
7.10 Ostala ispitivanja
Pored napred navedenih lokacija,
snimanje magnetnih polja je obavljeno
i u drugim delovima elektrane, gde
je to bilo od interesa s tačke gledišta
bezbednosti na radu.
8. Preliminarni zaklju~ci o
stanju i preostalom radnom
veku oopreme HE „Piva“
Uočene manjkavosti su uglavnom
manjeg značaja i njihovo otklanjanje
spada u domen redovnog održavanja.
Procena preostalog radnog veka,
zavisno od posmatrane komponente,
kreće se od 15 do 30 godina. Povoljni
faktori koji objašnjavaju očuvanost
opreme su kvalitet izrade, dobro
pogonsko održavanje i mala pogonska
naprezanja opreme. Npr. zagrevanje
generatora i blok-transformatora
u pogonu je nisko, što objašnjava
umereno termičko starenje njihove
izolacije. Istovremeno, niske radne
temperature opreme omogućavaju da
se ide na povećanje snage.
Na osnovu iskustva sa havarijama
generatora u drugim elektranama,
preporučuje se zamena ventilatorskih
lopatica i njihovog nosećeg prstena
novim od boljeg materijala.
9. Literatura
[1] Đ. Janković, Z. Kapuši, B.
Bajalica, A. Bojković, M.
Gvozdenović, B. Božović, R.
Pavićević, D. Manojlović, S.
Bulatović, D. Jovović, M. Cicmil:
Revitalizacija proizvodnih
objekata u EES Crne Gore
Uvodno izlaganje na okruglom
stolu I Savjetovanja Crnogorskog
Komiteta CIGRE, Pržno, 2009
[2] EPRI: Hydro Life Extension
Modernization Guides, 1999/2001
[3] Procena stanja i preostalog radnog
veka generatora proizvodnih
jedinica EPS-a
Elektrotehnički institut „Nikola
Tesla“, Beograd, 2010
Obavljena je vizuelana kontrola
kontrola kablova duž njihove trase, kao
i pripadajuće opreme (ekspanzionih
sudova, manometara, kablovskih
glava na oba kraja). Međutim,
veoma značajno ispitivanje uzoraka
ulja iz kablova nije izvedeno, pošto
nije postojala specijalna oprema za
uzimanje uzoraka ulja iz kablova pod
pritiskom.
[073]
energija
Miroljub Jevti}*, Ljiljana An|elkovi}, Jordan Radosavljevi}
Fakultet tehničkih nauka u Kosovskoj Mitrovici
Miroslav ]iri}
Elektrodistribucija Jugoistok, Niš
UDC:621.22.018 (497.11)
Merenje stepena iskorišćenja
mikro hidroelektrane i
ugrađene turbine
1. Uvod
Rezime
U slivu reke Trgoviški Timok, sagrđen
je veći broj mikro hidroelektrana
(MHE) koje su priključene na
distributivnu mrežu ED Knjaževac.
MHE su sagrađene devedesetih
godina, mnogo pre donošenja
Uredbe Vlade Republike Srbije
o obnovljivim izvorima energije,
kada cena isporučene energije nije
mogla da obezbedi povraćaj uloženih
sredstava u ovakvu investiciju.
Zbog toga su vlasnici sagrađenih
MHE neisplativost ove investicije
nadoknađivali sopstvenim uloženim
radom i ugradnjom jeftinijih turbina
radioničkog tipa (uglavnom tipa
Banki). U Tabeli1 su navedene
11 MHE sa svojim parametrima i
lokacijama, koje su priključene na
istu distributivnu mrežu. Na slici 1
je prikazana jednopolna šema ove
mreže [1, 2] Cilj ovog rada je da se
proveri u kojoj su meri navedene
MHE efikasne tj da se odredi njihov
stepen iskorišćenja i proceni stepen
iskorišćenja ugrađenih turbina.
Rezultati merenja i proračuna se daju
za MHE1 (tabela 1). Na osnovu ovih
procena daće se predlozi za eventualno
povećanje energetske efikasnosti MHE.
U radu se daju rezultati merenja parametara i proračun stepena iskorišćenja
mikro hidroelektrane instalisane snage 37 kW. Procenjuje se, takođe, stepen
iskorišćenja turbine tipa Banki kojа је ugrađenа u ovој mikro hidroelektrani.
Proračun je vršen na osnovu merenja protoka u cevovodu i električne snage
generatora. Dobijeni rezultati se upoređuju sa očekivanim rezultatima na bazi
proračuna iz literature. Na osnovu dobijenih rezultata preporučuju se mere za
povećanje stepena iskorišćenja i energetske efikasnosti mikro hidroelektrane.
Ključne reči: Mikro hidroelektrana, Banki turbina, stepen iskorišćenja mikro
hidroelektrane.
Efficiency Measuring of Micro Hydropower Plant and Turbine
The results of testing the parameters and efficiency calculation of micro hydro
power plant of 37 kW power are given. The efficiency estimation of Banki turbine
which was mounted in this micro power plant is given too. The calculation
was performed on the base of flow measurement in the penstock and power
measurement on the generator. The results are compared with results of the
calculation from literature. On the base of given results the measures for energy
efficiency increase of micro hydro power plant is recommended.
Key words: micro hydropower plant, Banki turbine, efficiency of micro
hydropower plant.
protoke, tj za različite položaje
zatvarača dveju mlaznica.
Na slici 3 prikazan je agregat MHE1
u Mezdreji, gde su izvršena merenja.
Podaci o turbini su: tip Banki; prečnik
radnog kola 460 mm, dužina radnog
kola (ukupna dužina dve mlaznice)
2x470mm, desna polovina je sa
Tabela 1 Osnovni podaci o MHE sagrađenim na pritokama Trgoviškog Ttimoka
2. Opis eksperimenta
Merenje protoka je vršeno na
dovodnoj cevi MHE1 (tabela 1)
primenom ultrazvučnog merača
protoka, tipa SEBA DYNATRONIC
UDM 100 (slika 2). Merenje bruto
visinske razlike između nivoa donje i
gornje vode izvršeno je geodetskom
opremom. Merenje električne snage na
izlazu iz generatora vršeno je mrežnim
analizatorom. Merenja protoka i snage
vršena su istovremeno za različite
[074]
energija
energija
28 lopatica a leva sa 24. Podaci o
generatoru: tip asinhroni motor u
generatorskom režimu, snaga 37 kW,
brzina obrtanja 740 min-1, cos φ = 0.81.
Cevovod je od PVC-a, unutrašnjeg
prečnika 476 mm i dužine 590 m.
Ukupni vodeni pad (visinska razlika
nivoa gornje i donje vode) je18 m.
3. Rezultati merenja
U tabeli 3 dati su rezultati merenja
protoka i aktivne električne snage
i proračuna: ulazne snage turbine,
ulazne snage MHE, neto visinske
razlike gornje i donje vode (neto
vodenog pada), stepena iskorišćenja
dovodnog cevovoda, stepena
iskorišćenja turbine i stepena
iskorišćenja MHE. Snaga na ulazu
turbine je izračunavana prema izrazu:
Put = 9,81QHn
(1)
gde su, Put – ulazna snaga turbine,
kW; Q – protok vode, m3/s; Hn – neto
vodeni pad, m.
Neto vodeni pad, Hn, je izračunavan
prema sledećem postupku (tabela 2) [3].
Primenom gore navedenog postupka za
različite izmerene protoke dobijene su
vrednosti neto visina, Hn, procentualni
gubici pada ΔH% (iz kojih se dobijaju
stepeni iskorišćenja cevovoda, ηc) a
zatim, primenom izraza (1), izračunate
su ulazne snage turbine, Put. Vrednosti
Hn , Put i ηc date su u tabeli 3.
Ukupni stepen iskorišćenja MHE, η
(tabela 3) izračunavan je iz odnosa
aktivne električne snage na izlazu iz
generatora, Pg, i ulazne snage MHE, Pu:
(2)
gde je: Pu = 9,81QHuk
Ukupni stepen iskorišćenja MHE,
η predstavlja proizvod stepena
iskorišćenja cevovoda, ηc, turbine, ηt,
mehaničkog prenosa, ηm i generatora,
η g:
η = ηc·ηt·ηm·ηg
(3)
Očekivana zavisnost stepena
iskorišćenja Banki turbine od protoka
dat je na slici 5 [3,4]. Sa slike se vidi
da je za Banki turbine radioničke
izrade stepen iskorišćenja relativno
nizak i kreće se, uglavnom, u opsegu
od 60% do 70%, za protoke od 0,25Qm
do Qm .
Asinhroni motor, koji je u MHE1
primenjen u generatorskom režimu,
Tabela 2 Postupak izračunavanja neto pada na dovodnom cevovodu mikro
hidroelektrane
ℓc
ima stepen iskorišćenja 94 %, a
mehanički prenos sa remenicama se
procenjuje[3] na 95%.
Približni stepen iskorišćenja ugrađene
turbine ηt se dobija iz izraza (3).
Na slici 4 nanesene su tačke koje
odgovaraju dobijenim stepenima
iskorišćenja turbine, za izmerene
protoke.
4. Provera izabranog pre~nika
dovodnog cevovoda
U tabeli 3 date su neto visine
dovodnog cevovoda za različite
protoke. Uočava se da su za veće
protoke gubici pada u cevovodu
izuzetno veliki. Stepen iskorišćenja
cevovoda se kreće od 94% (za oko
1/3 raspoloživog protoka) do 67% (za
ukupni mogući protok kroz cevovod).
Uobičajeno je da se projektovanje
cevovoda vrši tako da se gubici u
njemu kreću u granicama od 4 % do
7 %, tj za stepene iskorišćenja od 93
% do 96 % [3]. Prema tome, u MHE1
nije odabran odgovarajući prečnik
cevovoda za raspoloživi protok, tj
prečnik treba da bude veći. Pošto
je cevovod prečnika 500 mm već
instaliran, potrebno je dodati još jedan
cevovod istog prečnika. U tom slučaju,
uz manju modifikaciju postojeće
turbine, dobila bi se dvostruko veća
instalisana pik-snaga (71 kW) za isti
maksimalni protok. Ovde treba uočiti
da je moguće još veće povećanje snage
ako se bolje iskoristi raspoloživi protok
u reci. U tom slučaju potrebna je veća
rekonstrukcija MHE.
5. Provera izabranih
parametara primenjene
turbine
Tabela 3 Rezultati merenja protoka i aktivne električne snage i proračuna neto
visine i ulazne snage turbineMHE.
ℓ/s
[075]
Iz rezultata merenja (tabela 3) uočava
se da su izmerene aktivne snage MHE
različite za isti protok ali pri različitim
načinima otvaranja mlaznica. Tako
je izmerena aktivna snaga 35,63 kW
pri protoku od 340 ℓ/s i pri potpunom
otvaranju jedne mlaznice (dok je druga
mlaznica zatvorena). Međutim, kada
je dobijen približno isti protok (347
ℓ/s) ali sa otvaranjem dve mlaznice
na po ½ ukupnog hoda, aktivna snaga
je iznosila svega 18,70 kW, tj upola
od prethodne. Ovaj rezultat pokazuje
da turbina konstruktivno nije dobro
izvedena. I ostali rezultati merenja
pokazuju da kada se otvaraju obe
mlaznice naglo se smanjuje stepen
iskorišćenja turbine u odnosu na njen
rad sa jednom mlaznicom.
Pri proveri parametara (prečnika
radnog kola, dužine i debljine mlaza)
primenjene Banki turbine pošlo se od
sledećih unapred zadatih podataka:
energija
energija
Slika 1 Distributivna mreža na Staroj Planini, sa priključenim MHE
Neto pad Hn = 18·0,95 ≈ 17 m;
Sinhrona brzina obrtanja generatora
n = 750 min-1; Protok od 200 do 600
ℓ/s; Prenosni odnos remenica turbine i
generatora 1:2 (brzina obrtanja turbine
nt = 375 min-1).
Potreban prečnik radnog kola, Drk
turbine za gore navedene podatke
dobija se iz izraza [3]:
(4)
odakle je Drk = 0,451 m.
Ukupna širina mlaznica (dužina radnog
kola, ℓrk) određuje se iz izraza [3]:
(5)
Slika 2 Merenje protoka vode u dovodnoj cevi MHE1 pomoću ultrazvučnog
merača protoka SEBA DYNATRONIC UDM 100
gde su: Q – protok; cp – koeficijent
smanjenja protoka (uzima se cp =
0,98); g – ubrzanje zemljine teže;
Hn – neto pad; Sm – površina otvora
mlaznice; dm – debljina mlaznice
(obično se uzima u granicama od
0,1Drk do 0,2Drk [3,5] a u konkretnoj
turbini je dm = 0,1Drk) ; ℓrk - dužina
mlaznice (dužina radnog kola).
Zamenom usvojenih vrednosti za cp i
dm u izrazu (5), za dužinu radnog kola
se dobija:
(6)
Slika 3 Mašinska hala MHE1, sa asinhronim generatorom, turbinom, dovodnim
cevovodom i dve mlaznice
odakle se, za Qmax = 600 ℓ/s , Hn = 17
m i Drk = 0,451 m, dobija: ℓrk = 0,742
m.
Iz rezultata proračuna Drk i ℓrk vidi se
da je potreban prečnik radnog kola
približno isti postojećem a proračunata
potrebna dužina radnog kola je 20%
manja od postojeće. Za relativno
velike padove kao što je pad na MHE1
preporučuje se kraća turbina [3] pa je
trebalo usvojiti vrednost za dm blizu
gornje granice, što bi iz (5) dalo manju
vrednost ℓrk.
6. Zaklju~ak
Mikro hidroelektrane koje su
sagrađene na Staroj Planini i
priključene na distributivnu mrežu ED
Knjaževac imaju pionirski značaj u
ovoj oblasti u Srbiji. Istovremeno, one
imaju niz nedostataka s obzirom da su
građene u vreme kada nisu postojale
nikakve podsticajne mere za izgradnju
obnovljivih izvora energije, osim
entuzijazma lokalnog stanovništva.
Ova činjenica je potvrđena
sprovedenim merenjima i proračunima
na jednoj od MHE koja je sagrađena
na Crnovrškoj Reci u selu Mezdreja
na Staroj Planini. Utvrđeno je da zbog
neodgovarajućeg dovodnog cevovoda
i neodgovarajuće konstrukcije turbine
[076]
energija
energija
Slika 4 Očekivani stepen iskorišćenja Banki turbine[3,4,5]: 1-fabričke
izrade; 2-radioničke izrade i tačke koje odgovaraju proračunatom
stepenu iskorišćenja turbine u MHE1: ● - pri radu turbine sa jednom
mlaznicom; o – pri radu turbine sa dve mlaznice.
(radioničkog tipa) snaga MHE je upola
manja od one koja bi se dobila pri
istim parametrima lokacije (protok,
pad, dužina cevovoda) ali sa precizno
odabranim prečnikom cevovoda i
turbinom. Predloženo je da se pored
ugrađenog cevovoda ugradi još
jedan istog prečnika (500 mm) i da
se rekonstruiše postojeća turbina
(izjednači broj lopatica jedne i druge
polovine turbine i ista podeli na tri
dela, smanji širina mlaznika turbine i
isti podeli, odgovarajuće, na tri dela,
provere veličine i uglovi lopatica.
Ovakva rekonstrukcija bi dovela do
dvostrukog povećanja snage MHE.
Postojeći asinhroni generator se ne bi
menjao s obzirom da je on nominalne
snage 110 kW, ali je za trenutnu
namenu njegov statorski namotaj
prevezan iz trougla u zvezdu pa radi sa
37 kW nominalne snage.
Posebna preporuka je da se doda i treći
odgovarajući cevovod sa agregatom,
kako bi se iskoristio neiskorišćeni deo
protoka reke.
Literatura
[1] M.Jevtić: “Istraživanje 16 mikro
hidroelektrana sagrađenih u
slivnom području Timoka u cilju
povećanja njihove energetske
efikasnosti - godišnji izveštaj“,
[2]
[3]
[4]
[5]
evidencioni broj ТР - 18001А,
Ministarstvo za nauku i tehnološki
razvoj Republike Srbije, Beograd,
2009.
J. Radosavljević, M.Jevtić and
D. Klimenta: The Analysis of
a Rural Distribution Network
with Distributed Generation in
Catchment Area of Stara Planina,
Facta Universitatis – Ser. Elec.
Energ. vol. 22, no. 1, 2009, 7189.
A. Harvey, A. Brown, P.
Hettiarachi, and A. Inversin,
Micro-Hydro Design Manual.
A Guide to Small- Scale Water
Power Schemes, Intermediate
Technology Publications, London,
1993, (reprinted 2000).
A. T. Sarić i M. Jevtić, Izbor
turbine i generatora za mikro
hidroelektrane, Elektroprivreda,
Br. 3, 2005, str. 98-106.
*** Zgradimo majhno
hidroelektrano, 3.del – Turbine
in pomožna oprema, Zveza
organizacij za tehničko kulturo
Slovenije, Ljubljana, 1983.
Zahvalnica
Autori se zahvaljuju Ministarstvu za
nauku i tehnološki razvoj Republike
Srbije na finansiranju projekta pod
nazivom “Istraživanje 16 mikro
[077]
hidroelektrana sagrađenih u slivnom
području Timoka u cilju povećanja
njihove energetske efikasnosti“,
evidencioni broj ТР - 18001А, u okviru
koga je nastao ovaj rad.
energija
Ilija Todorovi}, dipl.ma{.in`., Radovan Jovanovi}, dipl.el.in`.,
Zoran Kukobat, dipl.el.in`.
ABS MINEL Elektroprema, Beograd
UDC:621.221 : 621.314.58
Izvedba petopolnog
rastavljača 245 kV u
RHE „Bajina Bašta”
1.Uvod
Rezime
Reverzibilna hidroelektrana”Bajina
Bašta” (RHE Bajina Bašta), snage
614 MW, nalazi se na reci Drini,
u blizini mesta Perućac, nizvodno
od protočne hidroelektrane „Bajina
Bašta”,snage 4x92MW. Jednostepena
pumpa-turbina, tipa Francis, i motorgenerator snage 315MVA su direktno
spojeni i obrću se sa 428,6 o/min.
Gornja akumulacija reverzibilne
hidroelektrane je formirana izgradnjom
dve nasute brane i nalazi se na planini
Tari.
Akumulaciono jezero protočne
hidroelektrane istovremeno služi i
kao donja akumulacija reverzibilne
hidroelektrane. Betonski tunel dužine
8 km i prečnika 6,3 m i podzemni
čelični cevovod prečnika 4,2 ÷ 4,8m,
koji su zajednički za oba reverzibilna
agregata, povezuju gornju akumulaciju
i mašinsku zgradu RHE.
RHE “Bajina Bašta” je puštena u rad
1982. godine. Razvodno postrojenje
220 kV nalazi se neposredno uz
objekat RHE i služi za povezivanje
elektrane sa mrežom 220 kV.
Postrojenje je klasičnog tipa, smešteno
na otvorenom prostoru, sa opremom
za spoljašnju montažu. Pored ostale
opreme postrojenje je opremljeno i
petopolnim rastavljačima koji služe za
promenu redosleda faza pri motornom
i generatorskom radu agregata.
Kada je reč o pouzdanosti bilo kog
sistema, pa dakle i elektroenergetskog,
jasno je da je njegova pouzdanost
manja od pouzdanosti bilo kog
njegovog elementa. To je razlog zbog
koga se od opreme koja se ugrađuje u
ovako složene sisteme zahteva visok
kvalitet. Dostizanje i održavanje
visokog nivoa kvaliteta proizvoda cilj
je svake firme koja ima ambicije da se
održi na tržištu.
Udeo u proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora svakoga dana raste u
razvijenim zemljama. Problem većine obnovljivih izvora energije je diskontinuitet
eksploatacije, a problem električne energije je njeno skladištenje. Oba problema
se mogu rešiti pravljenjem akumulacija vode, koje bi s jedne strane bile
punjene energijom proizvedenom iz obnovljivih raspoloživih izvora, a kasnije
pretvarane u električnu energiju. Tipičan primer za rešenje ovakvog problema je
Reverzibilna hidroelektrana Bajina Bašta.
U radu su prikazani rastavljači fabrike ABS Minel Elektrooprema a.d. u Ripnju
koji imaju i dodatnu tehničku funkciju i strukturu, kakve se ređe susreću u praksi.
Uobičajene su izvedbe jednopolnih, dvopolnih ili tropolnih rastavljača, dok su
petopolni rastavljači retkost.
Dva petopolna rastavljača proizvedena u ovoj fabrici, ugrađena su u razvodno
postrojenje 220 kV rezverzibilne hidroelektrane “Bajina Bašta” pre 28 godina
i do danas su u eksploataciji. Kompleksni eksploatacioni uslovi i dug životni
vek ovih aparata, doprineli su izradi nove generacije ovih prizvoda u koje su
ugrađena i stečena iskustva iz eksploatacije.
Ključne reči:rastavljač,reverzibilna hidroelektrana, obnovljivi izvori.
Abstrakt
Share in electricity production from renewable sources each day grows in
developed countries. The problem of most renewable energy sources is the
discontinuity of exploitation, and the problem of electricity is its storage. Both
problems can be solved by creating a reservoir of water, which, on one side
were filled with energy produced from available sources, and later turned into
electricity. A typical example for the solution of this problem is Reversible
hydroelectric power station “Bajina Bašta”.
The paper presents Disconnectors factory ABS Minel Elektrooprema a.d. in
Ripanj who have additional (interesting) function and structure, what is less
frequently encounter in practice. Common performance of disconnectors are
onepole, twopole or threepole, while fivepole disconnectors are rare.
Two 220kV fivepole disconnectors were produced in this factory, built-in
distribution plant Reversible hydroelectric power station “Bajina Bašta”
28 years ago and today are in operation. Complex exploitation conditions
and durability of these devices, were contributed to the development of new
generations of these produces .
Key words: disconnector, reversible hydroelectric power station, renewable
sources.
Petopolni rastavljač o kome će ovde
biti reči pripada grupi dvostubnih
visokonaponskih rastavljača tipa
[078]
RS(ZZ) koji se proizvode za naponske
nivoe od 72,5 kV do 420 kV i nazivne
struje od 1250 A do 3150 A i sa
energija
energija
Slika1 Osnovni konstrukcioni delovi dvostubnog rastavljača
podnosivim strujama kratko spoja do
50 kA. Kao rasklopni aparat rastavljač
se može funkcionalno podeliti na dve
celine, a to su glavni kontaktni sistem
koji se kreće u horizontalnoj ravni i
noževi za uzemljenje koji se kreću u
vertikalnoj ravni. Sa stanovišta struje
glavni kontaktni sistem ima zadatak da
trajno provodi naznačenu trajnu struju,
da podnese kratkotrajnu podnosivu
struju (termička struja kratkog spoja)
kao i temenu podnosivu vrednost struje
(dinamička struja kratkog spoja), a
pri otvorenim kontaktima mora da
obezbedi rastavni razmak između
otvorenih kontakata.
Sa stanovišta struje nož za uzemljenje
ima zadatak da podnese kratkotrajnu
podnosivu struju (termička struja
kratkog spoja) kao i temenu podnosivu
vrednost struje (dinamička struja
kratkog spoja). Ovi rastavljači su
namenjeni za spoljašnju montažu (za
otvorene prostore, što znači da su
tokom eksploatacije izloženi različitim,
najčešće agresivnim uticajima
okoline. Osnovni konstrukcioni delovi
dvostubnog rastavljača (slika 1) su:
kontaktni sistem, izolatori, šasija,
polužja i pogoni.
2.Petopolni rastavlja~
Promenu redosleda faza pri radu
reverzibilnih agregata u pumpnom
(motornom) ili turbinskom
Slika 2 Izgled petopolnog rastavljača
[079]
energija
(generatorskom) režimu omogućuje
petopolni rastavljač sastavljen od pet
polova. Svaki pol se sastoji od po dva
obrtna izolatora sa pokretnim rukama
koje se završavaju kontaktnim delom
(slika 1.). Polovi rastavljača povezani
su sistemom poluga na poseban način
tako da se pokretanje grupa polova
za određeni režim rada reverzibilnog
agregata (pumpni/turbinski) obavlja
istovremeno, kao što je detaljnije
objašnjeno u tekstu koji sledi.
Ako su polovi rastavljača koji
sačinjavaju petopolni rastavljač
označeni sa R1, R2, R3, R4 i R5 (slika
2.) tada je pol u sredini (R3) zajednički
za oba režima, dok dva njemu susedna
pola (R2 i R4) čine grupu koja pripada
turbinskom tj.generatorskom, a grupa
krajnjih polova (R1 i R5) pumpnom
tj. motornom režimu. Pogoni P1, P2
i P3 pokreću noževe za uzemljenje
jednopolno.
Pogon P4 pokreće rastavljač R3
jednopolno. Pogon P5 pokreće preko
polužja polove R2 i R4 zajedno (kao
dvopolni). Pogon P6 pokreće, preko
polužja, polove R1 i R5 zajedno (kao
dvopolni).
Funkcionisanje petopolnog rastavljača,
bez obzira u kom režimu treba da
radi, počinje iz otvorenog položaja
kontaktnog sistema i noževa za
uzemljenje.
Uključivanje na generatorski režim
vrši se tako što se istovremeno (preko
pogona P4) uključuje pol R3 i (preko
energija
pogona P5) polovi R2 i R4. Da bi
prešli na pumpni (motorni) režim
rada moramo dovesti u isključen
položaj polove R3, R2 i R4 pa zatim
uključujemo ponovo (preko pogona
P4) pol R3 i (preko pogona P6) polove
R1 i R5. (Treba uočiti da pol R3 radi u
oba režima i ima približno dvostruko
veći broj operacija u odnosu na ostale
polove što ga sa aspekta pouzdanosti
čini interesantnijim).
Pogoni P5 i P6 međusobno su
blokirani mehanički i električno i
njihov rad je uslovljen tako da ako je
jedan od njih u uključenom položaju
drugi ne može da se uključi.
Noževi za uzemljenje mogu biti
uključeni samo kada su polovi
za generatorski režim R2, R3 i
R4 otvoreni (pri tome trebaju biti
otvoreni i polovi R1 i R5), jer postoje
mehaničke i električne međublokade
koje to uslovljavaju.
Ovde pominjemo mehaničke
međublokade koje su bitne kod
ručnog komandovanja, a isto tako je
obezbeđeno i daljinsko komandovanje
i upravljanje.
Rad petopolnog rastavljača se može
lakše pratiti posmatranjem ciklograma
petopolne grupe (slika 3.). Prazan hod
označen na ciklogramu znači da je
agregat u stanju mirovanja.
3.Pouzdanost
Pouzdanost i trajnost rasklopnih
aparata, pa dakle i rastavljača, u
eksploataciji
najvećim delom
Slika 3 Ciklogram rada petopolnog rastavljača
zavisi od pouzdanosti
i trajnosti njihovih
mehanizama. Pod
mehanizmom
u ovom smislu
podrazumevamo
ne samo pogonski
mehanizam nego
i mehanizam koji
ulazi u strukturu
samog rastavljača.
Spoljašnja montaža
i uslovi u kojima
rade ti mehanizmi
Tabela 1 Karakteristični pogonski podaci za jedan od petopolnih rastavljača
[080]
doprinose dodatno smanjenju
pouzdanosti.
Provera graničnih sposobnosti
rasklopnih aparata vrši se u
specijalizovanim laboratorijama sa
složenom i skupom opremom u skladu
sa propisima. Međutim, ispitivanja
u laboratorijskim uslovima se vrše
u kratkom vremenskom trajanju
(mehanička ispitivanja npr.) u odnosu
na eksploatacione uslove tako da
su iskustva iz eksploatacije prava
dragocenost za proizvođača.
Kada je reč o delovima sklopova kroz
koje protiče struja njihova pouzdanost
je najviše ugrožena zbog habanja bilo
mehaničke ili električne prirode. To se
naročito odnosi na pokretne kontakte.
Sa aspekta pouzdanosti proizvođači
mogu imati, uslovno rečeno, dva
pristupa ili zadatka u cilju postizanja
uslovne optimizacije:
1. Dostizanje traženog stepena
pouzdanosti uz minimalne troškove
(masovna industrija).
2. Dostizanje maksimalnog stepena
određenog pokazatelja pouzdanosti
uz troškove u dopuštenim
granicama.
Dugoročno, drugi pristup donosi
niz prednosti. No bez obzira na
sve preduzete mere i dostignuća u
teoriji pouzdanosti sistema i različite
metodologije praćenja pouzdanosti
nikako se ne sme zanemariti tehničko
opsluživanje i rukovanje opremom.
Iskustva pokazuju da tamo gde se
proizvodi iz iste serije različito pokažu
u praksi, te razlike više potiču od
različitog nivoa tehničkog opsluživanja
i/ili različitih uslova ekploatacije,
nego od razlike u samim jedinicama
proizvoda.
Tamo gde je tehničko opsluživanje
na visokom-preporučenom nivou kao
što je to slučaj u RHE „Bajina Bašta”
pouzdanost proizvoda je veća. Ovo
potvrđuje i primer dugogodišnjeg rada
ranije ugrađenih petopolnih rastavljača
koji su neprekidno u pogonu već 28
godina, koji su za ovaj period imali
približno isti broj sati rada i broj
pogonskih operacija (ciklusa). U tabeli
1 su dati karakteristični pogonski
podaci za jedan petopolni rastavljač.
Pod tehničkim opsluživanjem
podrazumevamo redovno spoljašnje
osmatranje, podmazivanje, proveru
stanja ležajeva, brisanje, čišćenje,
otklanjanje manjih defekata, delimično
regulisanje naročito posle redovnog
remonta i niz drugih aktivnosti.
Dobre navike da se sve te aktivnosti,
ne samo urade, nego i uredno i stručno
registruju, uz kvalitet izrade i dobro
energija
energija
Slika 4 Funkcija intenziteta otkaza proizvoda
tehničko rešenje rastavljača, garantuju
dugogodišnju pouzdanu eksploatraciju.
Sve primedbe i sugestije korisnika
ozbiljno se razmatraju i uvažavaju,
a takva postrojenja za proizvođača
predstavljaju najbolji “ispitni
poligoni”.
Kad je reč o petopolnom rastavljaču
(ukupno instalisano dva komada tj.dve
petopolne grupe) koji je trenutno
u eksploataciji, glavne naznake iz
njegove eksploatacije su sledeće:
Tokom eksploatacije po jednom
godišnje vršeni su remonti i revizije
od strane stručne ekipe proizvođača i
stručne ekipe HE.
U prvoj polovini navedenog
eksploatacionog perioda, pored
početnih „doterivanja” oprema je
radila normalno i izuzev zamene
oštećenih kontakata drugih kvarova
nije bilo.
Od značajnih zamena bitnih
komponenti rastavljača, evidentirana
je zamena ležajeva na izolatorima
posle dvadeset godina rada i zamena
pojedinih obrtnih izolatora zbog loma.
U poslednje vreme pojavljuju se
kvarovi koji funkcionisanje rastavljača
čine manje pouzdanim (kvarovi
ili oštećenja: pogonskih motora,
kontaktora, pretvarača, signalnih
kutija, glavnih kontakata, obrtnih
izolatora).
Pregledom izolatora, utvrđeno je da su
pojedini delimično oštećeni (pukotine
oko prirubnice i porcelana izolatora).
U teoriji o pouzdanosti proizvoda
poznato je da funkcija intenziteta otkaza
proizvoda ima oblik kao na slici 4.
Kao što se vidi funkcija u početku
opada, što predstavlja period
razrađivanja, kada kod novog
proizvoda uzrok neispravnosti leži u
greškama proizvodnje, montaže ili
konstrukcije. Posle toga nastupa period
normalne eksploatacije, kada mogu da
nastupe slučajni otkazi. Treći period
kada funkcija raste naziva se periodom
starenja, kada nije celishodno dalje
korišćenje opreme i tada se ne
predviđa nikakva profilaktička zamena
iz razloga
nepredvidivosti
koji će deo
otkazati i kada.
Kada nastupi
treći period
tj.povećan broj
otkaza, rešenje
je u zameni
rastavljača
sa novim
odgovarajućim.
4. Zaklju~ak
Povećanje pouzdanosti sistema usko
je vezano sa povećanjem investicionih
ulaganja. Sa druge strane cena
proizvoda koji se ugrađuju u sistem
mora ostati u prihvatljivim granicama.
Osnovno je pitanje do koje granice
treba povećati pouzdanost sistema, a
da to bude ekonomski isplativo.
Kombinovanim sadejstvom
proizvođača koji u svom domenu daje
optimum i korisnika koji tehničkim
opsluživanjem daje maksimum, dolazi
se do željenog cilja, kao što je slučaj
sa proizvodom o kome je reč u ovom
radu.
Razmenom iskustava između
proizvođača i korisnika stvara se
podloga za unapređenje i dostizanje
većeg stepena kvaliteta u sledećoj
generaciji opreme. Ako je životni vek
proizvoda dug, kao što je u ovom
slučaju, neophodno je uključiti i
tehnološka dostignuća i saznanja koja
su u međuvremenu uznapredovala.
[081]
energija
Nikola Mari~i}, Djordje Novkovi}, Djurica Markovi},
Ljiljana Andjelkovi}
Fakultet tehničkih nauka u Kosovskoj Mitrovici
UDC:621.311.21 : 621.224. 001.573
Opis postupka i razvoj
softvera za proračun banki
turbine
1.Uvod
Rezime
Na engleskom govornom području,
u okviru pretraživača Google, na
raspolaganju je softver BANKI.EXE
[1] za preliminarno odredjivanje
karakteristika hidropostrojenja sa
Banki turbinom, na osnovu poznatih
ulaznih podataka. Namera je autora
ovog rada da obrazloži postupak i stavi
na raspolaganje i slobodno korišćenje
sličan softver BANKI_RS.EXE.
U prvom delu rada obrazložene su,
u postupku proračuna hidraulike
cevovoda i Banki turbina, korišćeni
pojmovi i proračunski izrazi. U
drugom delu dati su rezutati testiranja
programa BANKI_RS.EXE na bazi
primera iz [2] i [7].
Predmetni razvoj radjen je u okviru
projekta EE-18011 Ministarstva
za nauku i tehnološki razvoj Vlade
Republike Srbije.
U radu je sistematizovan poznati postupak za proračun male hidroelektrane sa
Banki turbinom. Na osnovu ovog postupka razvijen je interaktivni softver kojim
se, na bazi definisanih ulaznih podataka, dobijaju karakteristični podaci za
cevovod i odgovarajuću Banki turbinu. Rad treba da bude od koristi širokom
spektru potencijalnih korisnika malih hidroelektrana, čije turbine imaju
specifični broj obrtaja u domenu korišćenja Banki turbina.
Ključne reči: hidroturbine, Banki turbine, Osbergerove turbine
Banki Waters’ Turbine Procedure Description and Software
Development
Well-known procedure for calculation of small hydro power plant with Banki
turbine has been systemized in this paper. On the basis of this procedure
interactive software was developed which, based on known input data, obtains
the appropriate characteristic date of penstock and Banki turbine. Paper should
be of use to a wider range of potential users of small hydropower plants, which
have a specific speed in the field using Banki turbines.
Key words: Banki turbine, cross flow turbine, Ossberger turbine
dužina cevovoda Lcev [m],
poznate, recimo iz [3], karakteristike
materijala cevovoda (zatezni napon
loma σcev,lom [bar], moduo elastičnosti
Ecev [bar]),
z Maningov koeficijent trenja n ili
srednja geometrijska apsolutna
hrapavost cevovoda δh,
z broj obrtaja turbine N [o/min] – bira
se na osnovu broja obrtaja generatora
i prenosnog odnosa izmedju brojeva
obrtaja generatora i turbine (ne
preporučuje se da bude veći od 2).
Prečnik cevovoda u dostupnoj literaturi
bira se na osnovu dva kriterijuma:
z Iz [2] - da brzina vode u cevovodu
bude mala, oko vcev = 2 [m/s]:
z
2. Kori{}eni pojmovi u
prora~unu cevovoda malih
hidroelektrana
Automatizovan postupak za
odredjivanje glavnih veličina
hidropostrojenja-hidroelektrane sa
Banki turbinom može se podeliti
u nekoliko delova. Naprimer:
definisanje cevovoda, proračun Banki
turbine, proračun i izbor generatora,
povezivanje generatora sa naponskom
mrežom i veći broj medjukoraka
za integraciju ovih celina. Predmet
automatizacije u ovom radu su prva
dva koraka, tj. definisanje cevovoda i
izbor dimenzija Banki turbine.
Polazni podaci u proračunu cevovoda i
Banki turbine su:
z bruto pad hbr [m],
z maksimalni protok Qmax,
z
[082]
z
Ili iz [4] - da gubitak energije vode,
izražen preko pada visine, bude do
4% bruto pada:
Hidraulički gubitak zbog tečenja
kroz cevovod, izražen preko gubitka
visine, zbir je linijskih (usputnih) i
lokalnih gubitaka. Ako je L /dcev > 750
lokalni gubici, su zanemarljivo mali u
odnosu na gubitke trenja u cevevodu.
Kod najvećeg broja hidroelektrana
dimenzije cevovoda zadovoljavaju
prethodni uslov. Zato je gubitak
energije u cevovodu, izražen preko
gubitka visine, funkcija raspoloživosti
odgovajajućeg koeficijenta trenja u
cevovodu.
Ako je dat Maningov koeficijent trenja
n, tada je gubitak visine:
energija
energija
3. Kori{}eni pojmovi i izrazi u
prora~unu banki turbina
Ako je poznat Darsijev koeficijent
trenja cevovoda λ, tada je:
Darsijev λ i Maningov n koeficijent
povezuje relacija:
Ako hidrauličku karakteristiku
cevovoda treba definisati preko
poznate srednje geometrijske
apsolutne hrapavosti cevovoda δh,
tada se Darsijev koeficijent odredjuje
iterativno na osnovu transcedentne
implicitne relacije Colebrook-a ili
eksplicitne relacije Swamee-Jain.
U domenu
gde je j stepen sigurnosti, koji prema
[3] treba da je veći od 3.5.
Skok pritiska zbog hidrauličnog
udara odredjen je prema [3] i [4].
Prvo se proceni brzina širenja malih
poremećaja kroz cevovod ispunjen
vodom:
Zatim se izračuna ekstremni prirast
pritiska i porast visine zbog udara
Ukupni pritisak u cevovodu sa
uključenim efektom hidrauličnog
udara, izražen preko visine, je:
htotal = hbr + Δhudara
Debljina cevovoda, sa obuhvaćenim
efektom udara, se odredjuje iterativno
na osnovu relacije:
primenom eksplicitne relacije
Swamee-Jain-a:
pravi se greška od 1% relativno prema
koeficijentu trenja λ odredjenom
prema obracu Colebrook-a, odnosno
Mudijevom dijagramu. U gornjoj
relaciji je:
Iterativni postupak je potreban zbog
implicitne sadržanosti debljine cevi
δcev u gornjem izrazu. Naime, ukupni
pritisak cevovoda izražen preko visine
htotal je funkcija brzine širenja malih
poremećaja ccev, a ova brzina zavisi od
δcev. Kraj iteracija se ostvaruje kada
stepen sigurnosti cevi bude veći od 3.5,
tj.:
jcev ≥ 3.5
gde je νvode kinematička viskoznost
radnog fluida u cevovodu.
Na osnovu odredjenog gubitka visine
zbog cevovoda može se odrediti neto
pad hidropostrojenja:
Prema [8] debljina cevovoda, sa
konzervativno uključenim efektom
hidrauličnog udara, može da se
definiše na osnovu izraza:
hneto = hbr – hL
Po Bernulijevoj jednačini maksimalni
pritisak u cevovodu je:
Gornji pritisak ne obuhvata prelazne
pojave strujanja medju koje treba
uvrstiti i hidraulični udar.
Debljina zida cevovoda funkcija je
pritiska u cevovodu i udarnih pritisaka.
Samo na osnovu pritiska u cevovodu
debljina zida cevovoda bi bila
Gornji izraz povezan je sa stepenom
sigurnosti j=2.5 koji propisuje AWWA
(American Water Works Association).
Opisani postupak analize cevovoda
hidroelektrane ugradjen je u program
BANKI_RS.EXE. Razvijeni postupak
primenljiv je generalno za cevovod ma
koje hidroelektrane bez obzira na tip
hidroturbine, koja se koristi.
[083]
Banki (Ossberger, Mitchell, crossflow) je akcijsko-reakcijska turbina.
Radni fluid dva puta prolazi kroz
radno kolo (videti sliku 1.). Oko 80%
snage ove turbine ostvaruje se u prvom
prolasku, a ostatak od oko 20% u
drugom prolasku fluida kroz radno
kolo Izgled turbine dat je na slici 2.
Da bi mogao da se izvrši izbor
dimenzija Banki turbine treba, pored
ulaznih podataka opisanih u prethodnoj
tački rada, definisati izvestan
broj veličina karakterističnih za
hidropostrojenje:
z Brzinski koeficijent mlaza cmlaza
uticanja u radno kolo Banki turbine.
Ovaj koeficijent se odredjuje
eksperimentalno. Prema [2] kreće
u intervalu 0.95 ÷ 0.99. Manje
vrednosti koeficijenta treba primeniti
na mlaznike kod kojih ulazni mlaz u
radno kolo manje gladak.
z Eksperimentalno odredjeni
koeficijent k1 koji koreliše debljinu
mlaza sa prečnikom radnog kola.
Prema [7] ima vrednost k1 = 0.075
÷ 0.10. Ovaj koeficijent direktno
utiče na broj lopatica u radnom
kolu turbine. Vrednost k1 = 0.075
odredjuje kolo sa 21 lopaticom,
vrednost k1 = 0.10 radno kolo
sa 16 lopatica. Novija ispitivanja
[3] pokazuju da se koeficijent k1
može kretati u granicama 0.10 ÷
0.20 , recimo kod Banki turbina
tipa T-12. Za precizno definisanje
ovog koeficijenta treba konsultovati
proizvodjače Banki turbina.
z Stepen korisnosti hidropostrojenja
η0, koji povezuje snagu na vratilu
Banki turbine sa raspoloživom
hidrauličnom snagom vode. Ovaj
stepen korisnosti obuhvata gubitke
u cevovodu i sve gubitke u Banki
turbini. Prema raspoloživim
podacima iz literature i sa Interneta
ovaj stepen korisnosti se kreće u
intervalu η0 = 0.55 ÷ 0.85.
Oblast korišćenja pojedinih vrsta hidro
turbina definiše specifični broj obrtaja:
U prethodnom izrazu bruto
(raspoloživa) snaga Pbr [kW] radnog
fluida – vode gustine ρ ⎡⎣ kg m3 ⎤⎦ je
odredjena relacijom:
Iz statistike uspešnih konstrukcija,
naprimer u [2] , [3], [4] i [5], za Banki
energija
energija
Slika 1
turbine važi:
Slika 2
z
Debljina mlaza
z
broj lopatica radnog kola,
z
Dimenzije pravougaonog poprečnog
preseka mlaza na ulasku u radno
kolo
z
odnos unutrašnjeg i spoljašnjeg
prečnika radnog kola u uslovima
maksimalnog stepena korisnosti,
z
radijalna dužina lopatice,
z
poluprečnik krivine lopatice,
z
centralni ugao lopatice,
36 ≤ Nsp ≤ 146
Oblast primene Banki turbina [6]
odredjen je i na osnovu domena
upotrebe i u dijagramu protok
Q ⎡⎣ m3 s ⎤⎦
– bruto pad. Na Slici 3.
dat je Q − hbr dijagram.
Za definisane ulazne podatke iz tačaka
2. i 3. i na osnovu proračuna cevovoda
iz tačke 2. ovog rada jednoznačno
slede karakteristične veličine Banki
turbine:
z Snaga na vratilu turbine
z
Brzina mlaza na izlazu iz mlaznika i
ulasku na lopatice radnog kola:
z
Prečnik radnog kola Banki turbine
b × δmlaza
Ostale veličine od interesa za
geometriju i struni tok kroz Banki
turbinu mogu se odrediti na osnovu
[7] i [9]. Ako se zanemare debljine
lopatica, za poznati napadni ugao α1
ulazne apsolutne brzine vode vmlaza = c1,
mogu se izračunati sledeće veličine:
z debljina ulaznog mlaza merena
normalno na ulaznu relativnu brzinu,
s1 = k1D1
z korak radnog kola,
gde je
Slika 3
z
z
Dužina radnog kola Banki turbine
lučna dužina
lopatice
llop,lucno = φlop ρlop
z
Ugao α1 može da se
menja u intervalu
150 ÷ 220. Najčešće
je α1= 160.
Lopatice radnog
kola, definisane kao
deo kružnog luka,
imaju konstantnu
debljinu δlop
jednaku debljini
lima, od koga
su napravljene.
Poprečni presek mlaza
[084]
energija
energija
Slika 4
Komparativni rezutati drugog primera
iz [7] i iz programa BANKI_RS.EXE
dati su u tabeli 2.
Na osnovu rezultata sa slike 5. i iz
tabele 2. evidento je dobro slaganje
rezultata dobijenih programom
BANKI_RS.EXE sa podacima iz [7]
i [2].
Tabela 1
5. Zaklju~ak
U prethodno izvedenim izrazima
zanemarena je debljina lopatica. Uticaj
zanemarene debljine lopatica uvodi se
u analizu kroz korekciju dužine radnog
kola sledećim postupkom:
Zbog debljine lopatice smanjuje se
debljina ulaznog strujnog mlaza po
lopatici
s1,kor = s1 − δlop
Kako je presek mlaza konstantan mora
se promeniti dužina radnog kola, tj.
4. Primeri testiranja
razvijenog programa
Na osnovu izloženog postupka u
tačkama 2. i 3. ovog rada razvijen je
program BANKI_RS.EXE.
Rezultati testiranja ovog programa,
na bazi poznatih ulaznih i izlaznih
podataka primera iz [2], dati su na slici
4. Deo uporednih rezultata dat je u
tabeli 1.
Na osnovu tabele 1. vidi se dobro
slaganje rezultata iz [2] sa rezultatima
sa slike 4.
Kao drugi primer testiranja razvijenog
programa uzet je Bankijev originalni
primer iz [7], koji je takodje testiran u
[2]. U ovom primeru nema podataka
za cevovod. Zato je kao ulazni
podatak u programu BANKI_RS.EXE
uneta nulta dužina cevovoda (Lcev =
0). Dobijeni rezultati, kao izlaz iz
programa BANKI_RS.EXE , dati su na
slici 5.
[085]
U radu je opisan postupak i dati
rezultati testiranja razvijenog
softvera BANKI_RS.EXE za
proračun cevovoda i preliminarno
dimenzionisanje Banki turbina. Softver
je testiran na većem broju primera iz
raspoložive literature.
Zahtevom preko mail-a nik.maricic
@sezampro.rs može se dobiti na
korišćenje ažurirana, izvršna verzija
programa BANKI_RS.EXE .
U program BANKI_RS.EXE, u
narednom periodu, treba da se
detaljnije razraditi efekat zaštite od
hidrauličnog udara. Prisutna je i
mogućnost da se u pojednostavljenu
analizu hidrauličnog udara u program
uključi i uticaj dužine trajanja vremena
zatvaranja ventila, odnosno pasivna
zaštita od hidrauličnog udara. Takodje,
program treba doraditi u smislu
proračuna čvrstoce lopatica radnog
kola i dimenzionisanje torzionog
vratila radnog kola Banki turbine.
energija
energija
Slika 5
Tabela 2
6. Literatura
[1] Mornhinweg M.: Cross flow
turbine design software, http://
ludens.cl/, Mornhinweg M.: Design
of Cross Flow runner, http://mewserver.mecheng.strath.ac.uk/
group2005/groupg/Files/runner_
calcs.pdf
[2] Harvey A.: Micro-Hydro Design
Manual, Intermediate Technology
Publications Ltd., Warwichshire,
1993.
[3] European Small Hydropower
Association – ESHA: Guide
on How to Develop a Small
Hydropower Plant – Part 1, 2004.
[4] European Small Hydropower
Association – ESHA: Guide
on How to Develop a Small
Hydropower Plant – Part 2, 2004.
[5] Erdmannsdoerfer H.: Barrages
– Small Hydropower Stations,
ICOLD Annual meeting 2001.,
Dresden, 2001.
[6] Mackmore A., Merryfield F.: The
Banki Water Turbine, Bulletin
Series No.25, Oregon State
Collage, Corvallis, 1949.
[7] Inversin A.: Micro-Hydropower
Source Book, SKAT 22-541, 1986.
[8] Maričić N. Novković Dj. Marković
Dj., Andjelković Lj.: Istraživanje
mogućnosti gradnje mini
hidroelektrana na vodotocima
severnog Kosova i Metohije i
definisanje njihovog spregnutog
rada, Studija po projektu EE–
273017, Ministarstvo za nauku
Republike Srbije, Beograd, 2007.
[086]
energija
Adriana Sida Manea, Daniel Cătălin Stroiţă
“Politehnica” University of Timisoara
UDC:621.22.004 (498)
Efficient hydro energy using
in Romania
1. Introduction
Abstract
Presently there are national and
international studies in order to valuate
the hydro energetic micro potential.
Concerning Romania were realized
different studies about the hydro
energetic potential. If we take into
account the whole hydro-energetic
potential established through small
hydro electrical power plants (SHP),
it is observed that those assimilates to
almost 80 % of the energy produced by
the Iron Gates I, with the distinguish
that the SHP are distributed on the
whole country surface and that their
construction would increase that
economy in all country zones.
The micro potential settled at
1.01.2005 totalized 380 SHP having
the installed power of 500 MW and
the medium project energy of 1508
GWh/year.
From the total of 380 existing SHP,
78% are running, 13% are in execution
and 9% are worn-out.
From the total of the installed power
of 501 MW in the 380 SHP, 73% are
installed on SHP which are running,
25% are installed in SHP which are in
construction, afresh 2% are installed in
SHP which are worn-out.
Efficient hydro energy using in Romania is one of the energeticians main goals.
After the analysis of the hydro potential in Romania, was concluded the valuating
of the small rivers energetic potential could produce 1600 MW. This paper
presents the Romania’s micro hydro potential and the small dimension turbines
presently used.
Key words: hydro energy, efficient use, turbine.
• The basin “Olt”;
• The basin “Argeş”;
• The basin “Ialomiţa”;
• The basin “Siret – Prut”;
• The basin “Dunării”.
The water resources from inside
country are characterized through
a high variability, in space and
time. Large and important zones as
Romanian Bent, Moldova’s Rand and
Dobrogea are poor in water. Also
appear big flow rate variations in the
same year or from year to year. In
spring months (March-June) flows
50% from the year fund achieving
maximum flow rates of hundred time
more than the minimum ones. All
those impose the conclusion of flowrate compensation through artificial
storages.
Fig. 1 The hydrographic map of Romania
2. The hydro energetic
potential of Romania
From hydro energetic point of view,
Romania’s territory was shared in 10
hydro energetic basins:
• The basin “Tisa – Someş”;
• The basin “Crişuri”;
• The basin “Mureş”;
• The basin “Timiş – Nera – Bârzava”;
• The basin “Cerna – Jiu”;
[087]
energija
energija
In table no. 1 are indicated
the values of the hydro
energetic potential of
precipitations, of flow,
theoretical linear considered
at the medium and technical
installed flow rate, for some
of the important water flow
basins from our country.
Table no. 1
3. The valuating of
the hydro energetic
potential
The efficient valuating of
the hydro energetic micro
potential can be done only
through performant micro
hydro turbines, from the
point of view of the ratio
price/valuated energy.
Fig. 2 The hydro energetic settlement for high heads
Fig. 3 The hydro energetic settlement for low heads
[088]
The hydro energetic settlement of
the small rivers is simplified beside
the big power plants, but keeping
the same principle. In figures 2 and
3 are presented the schemes for two
settlements in which the hydraulic
machine used is given by the head.
The small power turbines and the
micro hydro turbines are realized in
building bricks. The number of the
building bricks and the flow rates and
heads domain differs from constructor
to constructor. In these conditions
doesn’t exist stability, in unitary mode
the powers which define the border
between the high power turbines, small
power and micro turbines.
4. Small turbines made in
Romania. The Banki turbine.
In Romania the group UCM Reşiţa
produces small power turbines and
micro turbines, classified after the
power gamma are produced:
- Hydro aggregates with the power
between 100 and 1.200 (2.500) kW:
• with horizontal Francis type turbine
for heads between 15 and 130 m;
• with helicoidal turbines, semi
Kaplan, Kaplan, horizontal, with
hydraulic circuit in “S” for heads
between 3 and 15 m;
• with Pelton turbines for heads
between 100 and 700 m;
• with automatic speed governors or
with pozitioner type systems;
• with synchronous or non
synchronous generators;
- Micro hydro aggregates with powers
until 100 kW:
• for heads between 4,5...14,5 m and
flow rates between 0,11 and 0,33
m3/s;
• for heads between 16...35 m and flow
rates between 0,145 and 0,37 m3/s;
• Hydro aggregates with the unit
power under 5MW; Hydro
• Hydro aggregates of small power
standard type FO (Francis turbine,
horizontal shaft) and EOS( Propeller
turbine, horizontal shaft, S-shaped);
• Micro hydro aggregates of large
using MLU;
- Other types of hydro aggregates of
small power in prototype stage:
• with Pelton turbine with the unit
power between 8,5 at 37 kW, for
heads between 45...60 m and flow
rates between 0,024 and 0,08 m3/s;
• with axial tube turbine with the unit
power between 1,6 at 8 kW, for
heads between 3,5...8 m and flow
rates between 0,08 and 0,17 m3/s;
energija
energija
Fig. 4. The energy distribution from a micro hydro power plant
two hydro aggregates Banki type. The
turbines run at heads H=8…15 m, flow
rates Q=2...7 m3/s and have the power
of 750 kW.
Another settlement with Banki type
turbines is the one from the Water
Treatment Plant for Râmnicu Vâlcea
town. Here the turbines are installed
on the water adduction penstock and
cover the energy used by the plant, the
surplus being delivered to the National
Grid.
Another using of the Banki type
turbine is for the energy supply of
some isolated cabins, which are settled
Fig. 5. The hydro electric settlement Zerveşti and the Banki turbines used
Fig. 6. Rm. Vâlcea Water treatment Plant settlement
• with Banki turbine with the unit
power between 1,9 at 50 kW, for
heads between 4...40 m and flow
rates between 0,075 and 0,24 m3/s.
From the small turbines produced in
Romania a higher using have the Banki
type turbines, they have the following
advantages:
• The specific speed domain is
completely covered from 50…150
rev/min;
• Presents constructive simplicity;
• There are no needed complex hydro
energetic settlements;
• It has low execution and exploiting
cost;
• It runs at partial flow rates with high
efficiency using the divided wicket gate;
• The runner is not susceptible for
cavitation.
In figure 5 is presented the hydro
electric settlement Zerveşti which uses
[089]
in un electrified and with hard aces
zones, the presented case is the Mija
cabin from Parâng Mountains.
5. Conclusions
- The hydro energetic Romania’s
potential although it represents a
national fortune is not all valuated
(only 54%).
- The small and medium rivers could
be used as green energy sources for
the isolated local communities.
energija
energija
Fig. 7 The geographic position of Mija cabin
Fig. 8 Mija Cabin
- Although the majority of the big
rivers are relative energetic valuated,
the local hydro electric aggregates
producers are oriented on the
producing of small and micro turbines.
- From the small turbines used locally,
because of their advantages the Banki
type turbines are the most often met.
6. Acknowledgement
This paper was possible trough the
CNCSIS Grant IDEI cod 929/2008 nr.
679/2009 director dr. ing. Adriana Sida
MANEA.
7. Bibliography
1. M. Bărglăzan, Turbine hidraulice
şi transmisii hidrodinamice, Ed.
Politehnica, Timişoara 2001.
2. D.C: Stroiţă, Identificarea dinamică
a turbinelor cu dublu flux, Ed.
Politehnica, Timişoara, 2009.
3. ***Evaluarea micropotenţialului
hidroenergetic românesc, sursă
regenerabilă de energie, în vederea
identificării de amplasamente
pentru dezvoltarea investiţiilor în
acest sector***, Proiect finanţat de
Ministerul Economiei şi Comerţului
4. ***Studiu privind evaluarea
potenţialului energetic actual
al Surselor regenerabile de
energie în romania (solar, vânt,
biomasă, microhidro, geotermie),
identificarea celor mai bune locaţii
pentru dezvoltarea investiţiilor în
producerea de energie electrică
neconvenţională***, Sinteză
5. A. Kovalev, Gidravliceskie Turbini,
Ed. Maşinostroienie, Leningrad
1971
[090]
energija
dr Vanja [u{ter{i~, Vladan Stevanovi}, dipl. ing.,
prof. dr Milun Babi}, prof. dr Du{an Gordi}
Mašinski fakultet, Univerzitet u Kragujevcu, Regionalni evro centar za
energetsku efikasnost, Kragujevac, Srbija
UDC: 621.176:553.78].003/.004
Tehno – ekonomska analiza
primene geotermalne
toplotne pumpe za grejanje
poslovno – stambenog
objekta
1.0 Uvod
Rezime
Većina zemalja širom sveta suočava
se sa ozbiljnim nedostacima
energije ili će se sa tim problemom
suočiti u bliskoj budućnosti. Velika
potrošnja i porast broja stanovnika
u svetu primoraće stanovnike tih
zemalja da se suoče sa problemom
kritičnog smanjenja zaliha domaćih
fosilnih energetskih izvora. Trenutna
energetska zavisnost od nafte i njenih
derivata zahteva i znatne ekonomske
izdatke a u budućnosti nagoveštava
negativne efekte na nacionalne
ekonomije, kao i na međunarodnu
bezbednosnu situaciju.
Geotermalna energija je toplotna
energija koja se stvara u Zemljinoj kori
laganim raspadanjem radioaktivnih
elemenata, hemijskim reakcijama,
kristalizacijom i stvrdnjavanjem
rastopljenih materijala ili trenjem pri
kretanju tektonskih masa. Količina
takve energije je tako velika da se
može smatrati skoro neiscrpnom.
U prirodi se geotermalna energija
najčešće pojavljuje u formi vulkana,
izvora vruće vode i gejzira. U mnogim
zemljama se geotermalna energija
koristi već vekovima za potrebe
banja odnosno rekreativno – lekovitih
centara. No razvoj nauke nije se
ograničio samo na područje lekovitog
iskorišćenja geotermalne energije
već je iskorišćavanje geotermalne
energije usmerio i prema procesu
dobijanja električne energije kao i
grejanju domaćinstava i industrijskih
postrojenja. Grejanje zgrada i
iskorišćavanje geotermalne energije u
procesu dobijanja električne energije,
glavni su ali ne i jedini načini na koji
se ta energija može iskoristiti. Takođe,
može se iskoristiti i u druge svrhe
kao što su na primer: u proizvodnji
Zemlja svakodnevno apsorbuje značajan deo sunčeve energije. Upravo ovu
postojeću temperaturu Zemlje koriste geotermalni sistemi kao osnovnu energiju
za svoje funkcionisanje. Geotermalni sistemi su univerzalni i funkcionišu kao
sistemi za grejanje i hlađenje. Oni u režimu grejanja vrše transfer toplote iz
Zemlje u prostor, odnosno objekat koji se greje, a u režimu hlađenja obrnutim
procesom vrše transfer toplote iz hlađenog prostora, odnosno objekta u Zemlju.
U radu je analiziran primer poslovno-stambenog objekta ukupne površine
korisnog prostora od 2 000 m2 u kome je, nasuprot konvencionalnog sistema
grejanja kotlom na gas i hlađenja klima uređajem, instalirana geotermalna
toplotna pumpa (GTP). Predviđeno je da se u poslovno-stambenom objektu
postavi sistem podnog grejanja (niskotemperaturno grejanje), ali i sistem prisilne
konvekcije za potrebe hlađenja. Na temelju odabrane opreme, klimatoloških
prilika grada Kragujevca i energetskih potreba same zgrade, izvršeno je
poređenje sistema sa geotermalnom toplotnom pumpom i konvencionalnog
sistema grejanja, a tehno – ekonomskom analizom dokazana je moguća
isplativost ugradnje.
Abstract
Earth absorbs a significant part of solar energy every day. Geothermal energy
systems use the existing Earth’s temperature as a base for their operation.
Geothermal systems are universal and operate as systems for heating and
cooling. In the heating mode, they transfer the heat from the Earth into the space,
or to the heated object, and in the cooling mode, they reversely transfer the heat
from the cooled space or object into the Earth.
The paper analyzes the example of a business- residential building of the total
useful area of 2.000 m2 in which, contrary to conventional heating systems with
gas boilers and cooling systems with air conditioners, a geothermal heat pump
(GTP) is installed. It is predicted that floor heating system (low temperature
heating) and system of forced convection for cooling purposes are to be installed
in the business-residential building. The system with geothermal heat pump and
conventional heating system are compared based on selected equipment, climate
conditions of the city of Kragujevac and energy needs of the building itself.
Techno-economic analysis proved the possible cost-effectiveness of installation.
papira, pasterizaciji mleka, plivačkim
bazenima, u procesu sušenja voća i
povrća, ali i za mnoge druge svrhe.
2.0 Primena toplotnih pumpi
Toplotne pumpe kao toplotni izvor
mogu da koriste površinske slojeve
[091]
tla koji su i najdostupniji, a čija je
temperatura konstantna tokom godine.
Njihova toplota najvećim delom potiče
od Sunčeve energije, a tek manjim
delom od toplotnog toka iz dubina
Zemlje. Temperatura tla, a time i
temperatura radnog medija unutar
energija
cevi razmjenjivača toplote zavise od
spoljašnje temperature, ali su u kraćim
razdobljima (tokom dana ili nedelje)
gotovo konstantne. Kao radni fluid
se pri tome najčešće koristi smesa
etilenglikola ili propilenglikola i vode
čija temperatura u uslovima punog
opterećenja (neprekidan rad tokom
više hladnih zimskih dana) ne bi smela
da padne ispod -5°C. Za korišćenje
toplote tla, postavlja se odgovarajući
razmjenjivač toplote kojim se radni
fluid dovodi do isparivača toplotne
pumpe, a obzirom na način polaganja
cevi, takve toplotne pumpe se mogu
podeliti u dve osnovne grupe:
z s vodoravnim razmenjivačem, kao
kolektorsko polje cevi i
z s vertikalnim razmenjivačem, kao
toplotne sonde.
Vodoravni razmenjivači ili
kolektorska polja koriste se kada su na
raspolaganju veće površine zemljišta
ispod kojeg se mogu postaviti cevi i na
kojima se mogu izvoditi radovi (npr.
u ruralnim područjima). Procenjuje
se da je na pr. za porodičnu kuću
potrebno oko 500 m2 zemljišta, a važi i
pravilo da potrebna površina zemljišta
(kolektorskog polja) mora biti veća ili
jednaka dvostrukoj površini prostorija
koje treba grejati.
Vertikalni razmenjivači ili toplotne
sonde su naročito pogodni, pa i
Slika 1 Mapa geotermalnih izvora
energija
neophodni, u gusto naseljenim
područjima gde nema ili ima veoma
malo raspoloživog zemljišta. Sonde
se polažu na dubini od 30 do 60
m, a najviše do 100 m, pri čemu je
najčešći materijal izrade polietilen
koji garantuje dobru razmenu toplote
i jednostavno rukovanje, a otporan je
na uslove koji vladaju unutar zemlje
(vlaga, pritisak, mikroorganizmi).
Što se tiče Srbije, geotermalna energija
se simbolično koristi, i to samo sa
86 MW ukupno instalisane snage.
Od toga je 12 MW za zagrevanje
toplotnim pumpama [3], iako po
geotermalnom potencijalu Srbija spada
u bogatije zemlje. Njeno korišćenje
i eksploatacija moraju postati
intenzivniji, jer na to primoravaju
sledeći faktori: tenzije naftnoenergetske neravnoteže, neminovna
tranzicija na tržišnu ekonomiju, stalni
porast deficita fosilnih i nuklearnih
goriva, pogoršavanje ekološke
situacije i porast troškova za zaštitu
okoline. Najveći značaj za Srbiju
imaće direktno korišćenje geotermalne
energije za grejanje i toplifikaciju
ruralnih i urbanih naselja i razvoj
agrara i turizma.
Takođe, u Srbiji se koristi samo
geotermalna energija iz geotermalnih
– mineralnih voda, uglavnom na
tradicionalan način (slika 1), najviše u
balneološke i sportsko
– rekreativne svrhe.
Korišćenje geotermalne
energije za grejanje
i druge energetske
svrhe je u početnoj
fazi i veoma skromno
u odnosu na potencijal
geotermalnih resursa
[2].
3.0
Termodinami~ki
prora~un rada
toplotne pumpe
sa sistemom
bu{otinskog
razmenjiva~a
toplote
U daljem delu ovog rada
analiziraćemo primer
primene geotermalne
toplotne pumpe za
grejanje poslovnostambenog objekta koji
ima ukupnu površinu
korisnog prostora od
2.000 m2. Nasuprot
konvencionalnom
sistemu grejanja kotlom
na gas i hlađenja
klima uređajem
[092]
predviđeno je da se instalira se sistem
bušotinskih razmjenjivača toplote,
odnosno geotermalna toplotna pumpa.
Predviđeno je da se zgrada zagreva
uz pomoć sistema podnog grejanja
(niskotemperaturno grejanje) ali i da
poseduje sistem prisilne konvekcije za
potrebe hlađenja. Na temelju odabrane
opreme, klimatoloških prilika grada
Kragujevca i energetskih potreba
same zgrade, izvršeno je poređenje
sistema sa geotermalnom toplotnom
pumpom i konvencionalnog sistema,
a tehno – ekonomskom analizom
dokazana moguća isplativost ugradnje.
Cene su izražene u evrima radi lakšeg
poređenja srpskog i inostranog tržišta
toplotnim pumpama. Na temelju
tehničko-tehnoloških podataka
proizvođača opreme, za toplotnu
pumpu sistema zemlja – voda, izvršen
je termodinamički proračun u skladu
sa stvarnim režimom rada [5].
Ulazni podaci potrebni za
termodinamički proračun su sledeći:
- efektivna površina prostora zgrade za
grejanje i hlađenje: 2.000 m2,
- ulazna temperatura vode u
razmenjivač toplote toplotne pumpe
(izlaz iz bušotinskog razmenjivača
toplote): tgu = 15°C,
- temperatura vode na izlazu iz
toplotne pumpe: tgi = 5°C,
- ulazna temperatura rashladnog
sredstva u kompresor : t1 = 10°C,
- temperatura nakon kompresije: t2 =
70°C,
- temperatura kondenzacije: t3 = 40°C,
- temperatura isparivača: t4 = 4°C,
- temperatura podnog grejanja (ulaz):
tru=35°C,
- temperatura podnog grejanja (izlaz):
tri =20°C.
U radu su posmatrana tri različita
slučaja pri kome su korišćena tri
različite rashladne tečnosti i to:
R-407C, R-134a i R-410A koje, za
razliku od prvobitno korišćenog freona
12 (CF2Cl2) ne deluju negativno na
ozon.
Za površinu poslovne zgrade od Az
= 2.000 m2 (tri toplotne pumpe u
sistemu, jedinične površine 666,6 m2)
potrebna količina toplote za grejanje
iznosila bi:
Q = fog · AzQ [kWt]
(1)
gde je fog = 62 [W/m2] - potrebna
toplotna snaga.
Topota isparivača se računa na sledeći
način:
q0 = h4 – h1 [kJ/kg]
(2)
energija
energija
Rad kompresora se računa kao razlika
entalpija 1 – 2:
Wk = h2 – h1 [kJ/kg]
Slika 2 Ciklus rada toplotne pumpe prikazan na p,i dijagramu za R-407C,
R-134a i R-410A
(3)
Količina toplote u kondenzatoru se
računa kao razlika entalpija 2 – 3:
q = h2 – h3 [kJ/kg]
(4)
Potrebna količina rashladne tečnosti:
[kg/h]
(5)
Potrebna količina vode u sistemu
podnog grejanja:
[kg/h]
(6)
Toplota isparavanja, ekvivalentno
rashladnom učinku u ciklusu hlađenja:
Qo = mrt · qo [MJ/h]
(7)
Potrebna količina antifriza mešavine/
voda (50% voda / 50% etilenglikol):
[kg/h]
a)
(8)
Snaga kompresora:
[kWe]
(9)
Koeficijent efikasnosti toplotne pumpe:
,
,
(10)
.
4.0 Tehno-ekonomska analiza
primene geotermalne toplotne
pumpe (GTP)
b)
Nakon izvršenog termodinamičkog
proračuna pristupilo se tehnoekonomskoj analizi grejanja i
hlađenja stambeno-poslovnog objekta
geotermalnom toplotnom pumpom sa
vertikalnim postavljanjem, pri čemu
je maksimalna temperatura vode u
sistemu tmax= 35°C.
Ukupna potrebna snaga cirkulacione
pumpe 9,6 kW.
Usvojeno je da su koeficijenti prolaza
toplote kroz:
- zidove k = 0,39 W/m2·K,
- krov
k = 0,21 W/m2·K,
- prozore k = 2,50 W/m2·K,
- pod
k = 0,99 W/m2·K.
Najniža dnevna temperatura zimi za
grad Kragujevac iznosi -14°C, dok bi
potrebna temperatura u prostorijama
trebalo da iznosi 20 oC i zimi i leti.
c)
[093]
energija
Pre ugradnje toplotne pumpe
neophodno je prvo izvršiti pribavljanje
geološke mape terena, zatim pristupiti
izradi projekta i pribaviti potrebne
dozvole, kao i izvršiti bušenje rupa
dužine 141 m i prečnika 145 mm (15
rupa). Što se tiče opreme, neophodna
je reverzibilna toplotna pumpa sistema
voda - voda, namenjena grejanju i
hlađenju, sa meračem predate toplote
i potrošene struje i elektronskom
regulacijom rada i temperature vode.
Zatim, bojler za sanitarnu vodu sa
grejačem od 2 kW koji služi kao
rezerva. Takođe, mora se izvršiti
montaža toplotne pumpe i povezivanje
sa razdelnicima, kao i ugradnja
cirkulacione pumpe i testiranje rada
toplotne pumpe.
Za pribavljanje dozvola za bušenje
neophodno je oko 2 – 3 meseca, dok
je za izvođenje radova potrebno i do
20 dana. Početna investicija ovakvog
sistema iznosila bi oko 80.100 €
(tabela1).
Posle procene ukupnih troškova
instalisanja toplotne pumpe pristupilo
se uporednoj analizi troškova grejanja
stambeno-poslovnog objekta kada bi
se on grejao električnom energijom,
prirodnim gasom, lož uljem ili
toplotnom pumpom. Aktuelna cena
električne energije za široku potrošnju,
po izbalansiranoj dnevnoj i noćnoj
potrošnji sa pdv-om iznosi:
z za zelenu zonu: 4,06 rsd/kWh,
z za plavu zonu: 6,10 rsd/kWh,
z za crvenu zonu: 12,19
rsd/kWh,
pri čemu se prilikom grejanja na
električnu energiju izlazi iz okvira
zelene i plave zone, pa se stoga
u daljem proračunu te tarife ne
razmatraju.
Cena gasa, od oktobra 2008. godine
iznosi 34,01 rsd/m3 bez uračunatog
poreza. Sa porezom od 8% na gas/
energiju, formirana je cena od 36,72
dinara za fizička lica po kubnom
metru. Dakle, podatke o kWh elektične
energije potrebno je podeliti sa
3,6* kako bi ih izrazili u jedinici za
energiju i rad, sa ciljem da uporedimo
sa energijom koju obezbeđuje gas.
Takođe, toplotna moć gasa se dobija
deljenjem jedinice kubnog metra sa
koeficijentom toplotne moći 33,5.
Postoji još jedan važan aspekt:
stepen efikasnosti uređaja koji koriste
električnu energiju i koji iznosi
98%, dok se sa uređajima na gas ili
lož ulje (uzimajući u obzir gubitak
*
energija
Tabela 1
Ekonomski pokazatelji
kroz dimnjak, gasne kotlove i sl.),
u najboljim uslovima dostiže 70%.
Obzirom na gore navedene parametre,
koristeći jedinicu rsd/MJ, dobijamo
sledeću cenu električne energije za
dnevnu i noćnu tarifu:
- za plavu zonu: 1,73 rsd,
- za crvenu zonu: 3,45 rsd, kao i
- za prirodni gas: 1,56 rsd.
Kad je reč o toplotnim pumpama,
moramo razumeti pojam tzv.
koeficijenta efikasnosti COP
(Coefficient of performance) koji
predstavlja količnik uložene energije
i dobijene energije za grejanje. Ovaj
parametar pokazuje koliko puta veću
energiju grejanja dobijamo u odnosu
na uloženu električnu energiju. Ovaj
koeficijent za različite tipove toplotnih
pumpi iznosi:
- COP za vazdušne toplotne pumpe
je: 3,3-4,1;
- COP za toplotne pumpe voda/
zemlja je: 4,3-6 i
Tabela 1
1kWh = 3,6 MJ (1 MJ = 106 J)..
[094]
Ekonomski pokazatelji
- COP za toplotne pumpe voda/voda
je: 5,5-6,1.
Poređenjem cene ostalih vrsta grejanja
u odnosu na proizvodnju 1 MJ grejne
energije dobijamo:
z Grejanje strujom (kombinovana
tarifa, crvena): 3,45 rsd;
z Lož ulje: 1,86 rsd;
z Prirodni gas u zemljama EU: 2,00
rsd;
z Prirodni gas (DP „Novi Sad Gas“):
1,56 rsd;
z Vazdušna toplotna pumpa: 0,47 rsd;
z Toplotna pumpa voda/zemlja: 0,38
rsd;
z Toplotna pumpa voda/voda: 0,29 rsd.
Na osnovu prethodno dobijenih
vrednosti za grejanje prosečno
izolovanog poslovno – stambenog
objekta od 2.000 m2 potrebno je 150
kW energije po kvadratom metru.
Ako računamo do 2.000 sati grejanja
na godišnjem nivou, za grejanje je
energija
potrebno 300.000 kWh, što iznosi
1.080.000 MJ energije. Sa navedenim
proračunima cena potrošnje energije u
dinarima na godišnjem nivou iznosi:
- Grejanje strujom (kombinovana
tarifa, crvena): 3.726.000 rsd,
- Lož ulje: 2.008.800 rsd,
- Prirodni gas u zemljama EU:
2.160.000 rsd,
- Prirodni gas (DP „Novi Sad Gas“):
1.684.800 rsd,
- Vazdušna toplotna pumpa: 507.600
rsd,
- Toplotna pumpa voda/zemlja:
410.400 rsd,
- Toplotna pumpa voda/voda:
313.200 rsd.
Činjenica je da se ugradnja toplotne
pumpe isplati i u slučaju da cena gasa
ostane ne promenjena. Međutim, cena
gasa u zemljama Evropske unije je
duplo skuplja i teško je poverovati da
za kratko vreme neće i domaće cene
gasa postići taj iznos. Poređenjem
cena grejanja odnosno rashlađivanja
prostorija dobijamo da bi, uz:
z ukupnu početnu investiciju:
80.100 €,
z troškove grejanja na godišnjem
nivou (gas): 17.925 €,
z troškove grejanja na godišnjem
nivou (toplotna pumpa): 4.365 €,
z troškove hlađenja na godišnjem
nivou (klima uređaj): 2.720 €,
z troškove hlađenja na godišnjem
nivou (toplotna pumpa): 1.145 €,
z rok otplate jednog ovakvog
sistema bio od 5 – 6 godina.
Slika 3. 3D model poslovnostambenog objekta sa geotermalnom
toplotnom pumpom
energija
potrošnje. To su realni ciljevi prema
iskustvima zemalja koje su imale ili
imaju pravilan geotermalni razvoj.
6.0 Literatura
[1.] J. Hanova: „Environmental and
techno-economic analysis of
ground source heat systems“,
Master thesis, The University of
British Columbia, 2008
[2.] V.Šušteršič, M. Babić:
„Geotermalna energija-enegija
prirodnih i veštačkih izvora tople
vode“, monografija, Mašinski
fakultet u Kragujevcu, 2009
[3.] Milivojević M., Martinović M.:
“Geothermal energy possibilities,
exploration and future prospects
in Serbia”, Proceedings World
Geothermal Congress 2000,
Kyushu - Tohoku, Japan, 2000
[4.] J. Hanova, H. Downlatabadi:
„Strategic GHG reduction through
the use of ground source heat
pump technology“, Environmental
Research Letter. 2 (2007) 044001
(8pp)
[5.] R. Rawlings: „Ground Source Heat
Pumps“, Technology review,1999
5.0 Zaklju~ak
Korišćenje geotermalne energije i
njenih resursa u Srbiji veoma je malo
u odnosu na geotermalni potencijal.
Na prvi pogled razlozi takvog stanja su
nerazumljivi, pogotovo kada se uzme
u obzir da su pojedini geotermalni
lokaliteti među najboljim u Evropi i
da je razvoj geotermalne tehnologije
u Srbiji, počeo u isto vreme kao
i u zemljama u kojima je danas
geotermalna tehnologija na najvišem
stepenu razvoja. Sa relativno malim
investicionim ulaganjima, u odnosu
na ulaganja u klasične ekološki
nepovoljne uvozne i domaće energente
(nafta, gas, ugalj), čija eksploatacija
i korišćenje stvara ogromne skrivene
troškove, geotermalna energija može
za nekoliko godina, tj. do 2015te godine da pokrije 10% toplotne
[095]
energija
Gordana Dra`i}, Svetlana Sekuli}, Jelena Milovanovi},
Jordan Aleksi}
Fakultet za primenjenu ekologiju “Futura”, Univerzitet Singidunum, Beograd
UDC: 662.756.3 : 620.9.001.6
Master plan plantaže
energetskog useva
Miscanthus giganteus
Rezime
Miscanthus giganteus, (slonovska trava, kineski šaš) visokoproduktivna biljna vrsta poreklom iz jugoistočne Azije, u Evropi se više od 20
godina gaji kao energetski usev. Biomasa miskantusa poseduje gornju toplotnu moć preko 16 MJ/kg. Prinosi tehnološki suve biomase se
kreću 15-20 t/ha/god.. Biomasa se karakteriše niskim sadržajem azota i hlora i visokim udelom holoceluloze što je čini veoma pogodnom
za sagorevanje i briketiranje.
Interes za razvoj tehnologije gajenja i korišćenja biomase poreklom iz poljoprivrede i šumarstva, prepoznat kroz Strategiju razvoja
energetike Republike srbije kao i Directive 2001/77/EC on the promotion of electricity produced from renewable energy sources in the
internal electricity market bio je podsticaj za izradu master plana plantaže miscantusa.
Planirano je zasnivanje plantaže miscantusa na delimično degradiranom zemljištu i prerada biomase do paleta (briketa). Najveća
ulaganja u podizanje plantaže su u prvoj godini, dok kasnije održavanje zasada iziskuje minimalna sretstva. Planira se eksploatacija
od najmanje 20 god. a svaake godine se sa iste površine žanje nadzemni deo koji se ili balira ili secka, transportuje, skladišti i sabija u
brikete kao finalni proizvod. Predračun je izvršen za plantaže od 1, 10 i 100 ha.
Rezultati ekonomske analize (T = 4 god; A = 0,61; E = 6,53; stepen sigurnosti 81%) ukazuju da je ukupna ocena projekta je
zadovoljavajuća
Poseban osvrt je dat na ekološke aspekte (smanjenje rizika od klimatskih promena , očuvanje plodnosti zemljišta i zaštite voda od
zagadjenja, zaštita biodiverziteta) proizvodnje i korišćenja biomase miscantusa. Visoka enegetska i vodna efikasnost same biljke daju
proizvodnji ove biomase značajne predbnosti u odnosu na žetvene ostatke drugih kultura.
Ključne reči: biomasa, bioracionalno korišćenje zemljišta, ekoremedijacije,energetski usevi.
Abstract
Miscanthus giganteus (Giant Chinese Silver Grass), highly productive plant which originates from South East Asia, has been cultivated
in Europe for more than 20 years as energy crops. Miscanthus biomass has upper caloric value of more than 16 MJ/kg. Yields of
technologically dry biomass range between 15 and 20 t/ha per annum. Biomass is characterized with low nitrogen and chlorine content
and high share of holocelulose, which makes it very suitable for combustion and briquettes.
Researches related to technology of miscanthus biomass production in the Republic of Serbia started in 2006, and were continued
through the project “Biorational Use and Ecoremediation of Soil through Cultivation of Plants for Industrial Processing” implemented
by Ministry of Science and Technological Development. In small experimental lots basic agro-ecological parameters needed for the
development of this allochtnous plant have been examined. The results indicate that production of miscanthus in Serbia is possible at
technological level, respecting ecosystem restrictions and applying appropriate agro-technical measures.
Interest for development of technology for cultivation and use of biomass which originates from agriculture and forestry, recognized
through Energy Development Strategy of the Republic of Serbia, as well as through the Directive 2001/77/EC on the promotion of
electricity produced from renewable energy sources in the internal electricity market was incentive for development of the Master Plan
for Plantation of Miscanthus.
It has been planned to establish a plantation of miscanthus at partially degraded soil and to process biomass to pellets (briquettes).
Calculations were made on the basis of realistic prices for repro-material and services, realistically expected yield of technologically dry
biomass of miscanthus (10 to 30 t/ha per annum) and current process for conventional and alternative energy sources, as well as process
of electricity defined in the Regulation on incentives in production of electricity through utilization of renewable energy sources. Highest
investments into the establishment of such plantation are in the first year, while later maintenance of crops requires minimal investments.
It has been planned that exploitation lasts at least for 10 years, whereat there are no yields in the first year, and stable biomass yields
and incomes are expected after third year. This is consequence of biological characteristics of the plant itself. The above ground part of
the plant is harvested every year at the same area, which is cut or baled, transported, stored and pressed into briquettes as final product.
Estimated bill of quantities has been developed for plantations of 1, 10 and 100 ha.
The results of economic analysis:
z Recovery of total investments of the project is T = 4 years
z Accumulation in full year is A = 0.61
z Cost-effectiveness of the project is E = 6.53
z Degree of project safety is 81%
z From the above stated, total estimation of the project is satisfactory
Special attention is given to ecological aspects of production and use of miscanthus biomass. From the aspect lowered climate
change risk: net carbon balance in production and combustion of miscanthus biomass is 0, sulphur emission is negligible, as well as
nitrogen oxides emission. From the aspect of conservation of soil fertility and protection of water against pollution, characteristic of
nitrogen recycling and high energy and water efficiency of the plant itself, enable cultivation with minimal water and mineral fertilizer
consumption, as well as consumption of pesticides and herbicides. On the other hand, developed plantations become habitats for some
important animal species, therefore contributing to biodiversity conservation.
Key words: biomass, bio-rationale use of soil, eco-remediation, energetic crops.
[096]
energija
Uvod
Strategija razvoja energetike
Republike Srbije, do 2015 godine,
promoviše selektivno korišćenje
novih i obnovljivih izvora energije,
sa ciljem usporavanja stope rasta
uvoza energenata, smanjivanje
negativnog uticaja na okolinu i
otvaranja jedne dodatne aktivnosti
za domaću industriju i zapošljavanje
lokalnog stanovništava, uključujući
i prilagođavanje praksi i regulativi
EU u ovoj oblasti, stimulisanje
naučno-istraživačkog rada, usmerenog
obrazovanja i usavršavanja kadrova
i. zasnivanje tehnološko-razvojnih
programa za potrebe energetske
privrede. Ove aktivnosti su obuhvaćene
delatnošću Fakulteta za primenjenu
ekologiju „Futura“ kroz projekte
finansirane od strane Ministarstva za
nauku i tehnološki razvoj, projekte
Republičkog Fonda za zaštitu životne
sredine, medjunarodne projekte i
razvojne projekte u okviru saradnje
Istraživačko Razvojnog Centra
„Futura“ sa javnim preduzećima i
druge. Kao najznačajnija aktivnost
u ovoj oblasti je prilagodjavanje
tehnologije gajenja energetskih useva
lokalnim agroekološkim uslovima i
procena integralnog uticaja na životnu
sredinu aplikacije gajenja ovih useva
na tehnološki značajnom nivou.
Generalni cilj je da se dobije što više
energije sa jedinice površine zemljišta
uz minimalnu potrošnju (energije i
materijala) uz što je moguće manji
negativni uticaj na životnu sredinu.
Iz ovog cilja proističe niz specifičnih
ciljeva, vezanih za odredjene
lokalitete, odredjene biljne vrste i
integraciju znanja i veština vezanih za
produkciju, preradu i plasman biomase
energetskih useva. Da bi se postigli
navedeni ciljevi neophodna je saradnja
eksperata iz oblasti biologije, hemije,
poljoprivrede, šumarstva, energetike,
mašinstava, ekonomije, sociologije i
drugih. U ovom radu će biti prikazani
rezultati ispitivanja rentabilnosti
plantaže miskantusa na tehnološki
značanim pvršinama.
Energetsi usev miscantus
Biomasa koja se proizvodi za
energetske potrebe mora ispunjavati
kriterijume vezane za produktivnost
i kvalitet kako bi se sa jedinične
površine zemljišta dobio maksimum
energije uz minimalnu produkciju
zagađenja prilikom korišćenja. U
Evropi se gaje visokoproduktivne
biljne vrste među kojima je i
Miscanthus giganteus. Biološki ciklus
ove višegodišnje trave počinje sadnjom
energija
rizoma u aprilu (kada prestane
opasnost od kasnih mrazeva), u toku
proleća i leta se razvijaju izdanci koji
maksimalnu biomasu dostižu ujesen
kada počinje žućenje i opadanje lišća
koje se uz sušenje odvija i tokom
zime. U rano proleće (kraj februara
ili početak marta) se vrši žetva
osušenih izdanaka sa ostacima lišća
koja se može koristiti za proizvodnju
energije, građevinsih materijala ili u
industriji papira. Ciklus se na istoj
parceli ponavlja do 20 godina uz
maksimalne prinose treće do petnaeste
vegetacije. Ranoprolećna žetva
omogućava optimalan kvalitet sirovine
za pomenute industrije. Biomasa
miskantusa se odlikuje visokim
energetskim sadržajem (16 GJ/t što
je dvostruko više od lignita) i niskom
produkcijom pepela i azotnih oksida
prilikom sagorevanja. Objavljeni su
prinosi do 40 tona tehnološki suve
mase po hektaru godišnje u funkciji
klimatskih i agroekoloških uslova,
pa se čine napori da se postojeća
tehnologija gajenja prilagodi lokalnim
uslovima. Aktuelnost ovih istraživanja
se ogleda i u naučnoj produkciji (broj
naučnih radova 2006: 43; 2007: 63;
2008: 93) u oblasti agronomije, zaštite
životne sredine i energetike. Ogled
sa miskantusom postavljen je prvi
put u Srbiji 2007. god na oglednom
polju INEP-a a 2008. godine na još
6 lokacija. U cilju bioracionalnog
korišćenja zemljišta treba nastaviti
ispitivanja razvoja biomase miskanusa
sa aspekta kavliteta i kvantiteta i
komparacije sa ekološkim, energetskim
i ekonomskim karakteristikama u
odnosu na biomasu žetvenih ostataka
konvencionalnih useva.
Literaturni podaci ukazuju da je
energetski najefikasnije gajenje
miskantusa u odnosu na druge
producente biomse kao osnove
biogoriva (Lewandowsi et.al. 2008).
U gajenju ove biljke za industrijsku
preradu treba slediti strategiju da se
poveća udeo stabljike u odnosu na
lisnu masu na kraju vegetacije jer
takva biomasa poseduje povoljnije
karakteristike sagorevanja, veću
toplotnu moć i manji sadržaj pepela
(Monti et al. 2008.). Pokazano je
takođe da ova biljka ima izuzetno
značajan potencijal skladištenja,
isključivanja iz biogeohemijskog
ciklusa ugljenika, što je čini značajnom
u borbi protiv globalnog zagrevanja
(Cliftom-Brown et al 2007.). U
centralnoj Grčkoj su saopšteni prinosi
do 28 t/suve mase/godišnje u funkciji
gustine sadnje useva i đubrenja azotom
(Danalotos et.al., 2007.). Miskantus,
sterilni hibrid pored produktivnosti
[097]
ima i specifičnosti u odnosu na teške
metale i druge stresore, verovatno
zahvaljujući Miscanhtus sinensis
roditelju koji je značajno otporniji
od M. sachariferus (nosilac visoke
produktivnosti) što mu omogućava
razvoj i na zemljištu lošijeg kvaliteta
(Ezaki et al 2008. i Scebba et al.
2006.).
Poslovna ideja:
Plantažiranje Miscanthus giganteusa-a
i proizvodnja peleta i/ili briketa od
Miscanthus Giganteus-a
Investitor: IRC Fakulteta za
primenjenu ekologiju “Futura”
sa strateškim partnerima: 1. JP
za podzemnu eksploataciju uglja
RESAVICA , Despotovac, 2. JKP “2.
Oktobar”, Vršac , 3. JP “Srbijašume” ,
Beograd , 4. Perunn doo, Petrovaradin
Lokacija: Surčin, Vršac, Despotovac
(degradirano zemljište)
Investicije: april 2010 do april 2011
Projektovana proizvodnja: 200t
briketa/godišnje
Ekonomski vek projekta: 20 godina
Finansijski pokazatelji - likvidnost:
Posao je likvidan u svom veku.
- ekonomičnost:
E= 6,53
- akumulativnost:
A = 0,23
- vreme povrata investicije: T = 4,4
Racionalne mogu}nosti:
Povećanje cene struje i dr. energenata
u narednoj godini, osvešćenje gradjana
u smislu energetske efikasnosti
svakako će uticati na menjanje
navika i preorjentaciju i investiranje
u instalacije čiji su pogon obnovljivi
izvori energije, kako na mikro tako i na
makro planu.
Praktično velika, jer se još niko u
Vojvodini ne bavi plantažiranjem
Miscanthus Giganteus-a. A polja
primene ove biljke zaista su vrlo široke
i to: Gradjevinska industrija (-Laki
beton i spoljne i unutrašnje oblogeizolacioni material-zidovi, spoljni
i unutrašnji-pokrivanje krovovaestrich-zaštita od vetra) Automobilska
industrija-(Daimler-Crysler in Stuttgart
, Fabrika C4-Navaro, Wittenberge)
Industija celuloze -(materijal za
pakovanje-Papir i karton) Uredjenje
vrtova-zamena za treset-saksije za
cveće, Energija-(sagorevanje-dobijanje
gasa (staklenici,...)-termoelektranetoplane na biomasu, kogeneracija).
11.12.2009. donošenjem Uredbe o
merama podsticaja za proizvodnju
električne energije korišćenjem
obnovljivih izvora energije i
kombinovanom proizvodnjom
energija
energija
električne i toplotne energije,
odredjenim rezultatima istraživanja
gore navedenih Institucija, podrške i
saglasnost strateških partnera stvoreni
su uslovi da se zasade veće površine
ovom biljno vrstom i da se praktično
otpočne proizvodnja.
Proizvod :
Biomasa miscantusa:
- godišnja obnovljivost istog zasada,
otporna na bolesti i parazite
- mali troškovi održavanja
- razvoj tehnologije korišćenja kao
alternativnog goriva.
- max prinosi preko 30 t/ha u starosti
od 6-8 god
- emisija CO2 do 90 % niža u odnosu
na ugalj
- biomasa Miscanthus Giganteus-a pri
sagorevanju karakteriše:
z količina toplote:
17- 19 GJ/t
z energetska vrednost:
16 GJ/t
z gustina prilikom žetve:70-100kg/m³
z gustina bala:
130-300 kg /m³
z sadržaj pepela
1,5 -4,5 %
z sadržaj sumpora
0,1 %
Palete I briketi
Oblik briketa i peleta može da bude
valjkast i ciglast.
z
Dimenzije valjkastih briketa mogu
da budu prečnika od Φ = 20 do110
mm i
z dužine l = 30 do 300 mm. Pelete su
manjeg prečnika.
z Dimenzije ciglastih briketa su:
poprečni presek 20 do 100 mm x 20
do 100 mm i dužine od 30 do 300 m.
z Zapreminska masa (gustina) briketa
iznosi 1.100 do 1.400 kg/m3.
Gustina se smanjuje za 7 do 12 puta
u odnosu na rinfuzni materijal.
z Nasipna gustina gomile briketa i
peleta iznosi 600 do 750 kg/m3.
z Toplotna vrednost briketa i peleta
iznosi od 13 do 18 MJ/kg.
z Sadržaj pepela posle sagorevanja
iznosi 0,5 do 7%.
z U pepelu nema sumpora ili ga ima u
tragovima.
z Brikete na povećavaju sadržaj CO2 u
atmosfer.
z Brikete i pelete podležu evropskom
standardu CEN ako se izvoze.
Prihod je formiran na bazi cene briketa
od Miscanthus G. u Austriji od 130
Eur/t (tabela 1).
Proizvodna cena Miscantusa samo u
prvoj godini (pošto se rizomi moraju
nabaviti iz inostranstva) iznosi ca.
z
Tabela 1 Plan ukupnog prihoda
2.980 eur/ha i ona podrazumeva
(tabela 2).
U narednim godinama genetsko
reproduktivni Centar će sam
obezbedjivati rizome i proširivati
zasade i proizvodnju, čime će se sticati
dodatan profit namenjen razvojnim
ciljevima.
Direktni troškovi po jedinici mere, toni
briketa
Plan bilansa uspeha:
Ekonomski pokazatelji investicija
(stati~ka ocena):
Za period veka trajanja zasada od 20
godina
z Return on Capital Employed
–ROCE u EUR
Operating profit
---------------------- x 100 =
Capital Employed
435.000
= ---------------- x 100 = 447,07 %
97.300
Ukupno uloženi kapital vlasnika će 4,4
puta doneti veći prosečan profit.
ROCE = 447.07 % do kraja 2030.
z Working capital turnover
Ukupan Prihod
505.050
------------------- = ------------ = 9,82
Uloženi capital
51.400
WCT = 9,82
Start up capital će biti obrnut skoro 10
puta do kraja poslovanja 2030. god.
z Ekonomičnost
Prosečni prihodi 42.087
E =-------------- = -------------= 6,53 >1
Prosečni rashodi 6.442
Prihodi su značajno veći od rashoda,
čime nije ugroženo poslovanje.
z Akumulativnost
A = dobit u godini punog kapaciteta/
predračunska vrednost investicija =
Neto dobit
36.500
A =----------------- = ------------- = 0,61
Vredn. Investicije 59.400
Tabela 2 Proizvodna cena Miscanthusa
A = 0,61 što znači da je prilikom
pune eksploatacije projekta pokrivena
cena izvora finansiranja i preko toga
ostvarena dobit.
Diskusija
Interes za razvoj tehnologije gajenja
i korišćenja biomase poreklom iz
poljoprivrede i šumarstva, prepoznat
kroz Strategiju razvoja energetike
Republike srbije kao i Directive
2001/77/EC on the promotion of
electricity produced from renewable
[098]
energija
energy sources in the internal
electricity market bio je podsticaj
za izradu predloga plana plantaže
energetskih useva na području opštine
Kikinda..
Razvoj tehnologija bioracionalnog
korišćenja zemljišta suštiski obuhvata
istraživanja relacija zemljište-biljka
sa aspekata biologije, geologije,
agronomije i agrohemije praćenjem,
konstruisanjem i održavanjem
antropogenih ekosistema u cilju
maksimalnog iskorišćenja potencijala
rodnosti i samoprečišćavanja.
Biomasa koja se proizvodi za
energetske potrebe mora ispunjavati
kriterijume vezane za produktivnost
i kvalitet kako bi se sa jedinične
površine zemljišta dobio maksimum
energije uz minimalnu produkciju
zagađenja prilikom korišćenja. U
Evropi se gaje visokoproduktivne
biljne vrste među kojima su
najzastupljenije vrbe Salix (od
drvenastih) i kineski šaš ili slonovska
trava Miscanthus giganteus (od
višegodišnjih trava). Biološki ciklus
slonovske trave počinje sadnjom
rizoma u aprilu (kada prestane
opasnost od kasnih mrazeva), u toku
proleća i leta se razvijaju izdanci koji
maksimalnu biomasu dostižu ujesen
kada počinje žućenje i opadanje lišća
koje se uz sušenje odvija i tokom
zime. U rano proleće (kraj februara ili
početak marta) se vrši žetva osušenih
izdanaka sa ostacima lišća koja se
može koristiti za proizvodnju energije,
građevinsih materijala ili u industriji
papira. Ciklus se na istoj parceli
ponavlja do 20 godina uz maksimalne
prinose treće do petnaeste vegetacije.
Sve navedene vrste se karakterišu
visokom energetskom vrednošću
(preko 18 GJ/t) i prinosima koji se
kreću preko 20 tona tehnološki suve
biomase godišnje (osim trske) što ih
čini energetski veoma efikasnim..
Najznačajnija prednost ovako
proizvedene biomase u odnosu na
biomasu poreklom od žetvenih
ostataka je što se prilikom gajenja
koriste minimum djubriva, hemijskih
preparata za fitopatološku zaštitu i
minimum agrotehničkih mera. To
je moguće zahvaljujući njihovim
biološkim karakteristikama da
recikliraju hranljive materije i vodu
iz zemljišta i visokoj tolerantnosti na
organska i neorganska zagadjenja u
zemljištu.
Treba naglasiti i ekoremedijacione
karakteristike energetskog useva
Misacanthus giganteus:
Gajenjem predloženih biljaka na
zagadjenom ili degradiranom
energija
zemljišti se postiže prečišćavanje
zemljišta i voda (podzemnih i
nadzemnih), produkcija biomase kao
godišnjeobnovljivog izvora energije,
ublažavanje klimatskih promena i
očuvanje i unapredjenje staništa koje
pogoduje očuvanju biodiverziteta.
Predložene plantaže zahvaljujući ovim
karakteristikama biljaka pokazuju
izuzetnu ekološku efikasnost.
Da bi se postigli očekivani rezultati
neophodno je ispitati komparativne
prednosti gajenja energetskih useva
na konkretnim parcelama koje se
ne koriste za proizvodnju hrane i
predložiti minimalne agrotehničke
uslove za postizanje prinosa koji bi
ovu proizvodnju učinio ekonomski
efikasnom.
Zahvalnost
Ovaj rad je uredjen u okviru projekta
Ministarstva za nauku i tehnološki
razvoj Republike Srbije Ev. Br. TR
20208 (Bioracionalno korišćenje i
ekoremedijacija zemljišta gajenjem
biljaka za industrijsku preradu). Autori
se zahvaljuju ministarstvu na podršci.
Literatura
1. Boehmel, C. , Lewandowski, I. ,
Claupein, W. Comparing annual
and perennial energy cropping
systems with different management
intensities. Agricultural Systems
Volume 96, Issue 1-3, March 2008,
Pages 224-236
2. J. C . C L I F TON-BROWN, J.O¨
ERN BREUER and M.B. JONES
Carbon mitigation by the energy
crop, Miscanthus. Global Change
Biology (2007) 13, 2296–2307
3. Danalatos, N.G. , Archontoulis,
S.V., Mitsios, I. Potential growth
and biomass productivity of
Miscanthus×giganteus as affected
by plant density and N-fertilization
in central Greece, Biomass and
Bioenergy 31, 2007, 145-152
4. Ezaki, B., Nagao, E., Yamamoto, Y.,
Nakashima, S., Enomoto, T. Wild
plants, Andropogon virginicus L.
and Miscanthus sinensis Anders,
are tolerant to multiple stresses
including aluminum, heavy metals
and oxidative stresses, Plant Cell
Reports: 2008, in press
5. Monti, A., Di Virgilio, N., Venturi,
G. Mineral composition and ash
content of six major energy crops.
Biomass and Bioenergy 32 (3),
2008. pp. 216-223
[099]
6. F. Scebba, I. Arduini, L. Ercoli and
L. Sebastiani. Cadmium effects on
growth and antioxidant enzymes
activities in Miscanthus sinensis,
BIOLOGIA PLANTARUM 50 (2):
688-692, 2006
7. Dražić G., Mihailović N.,
Dželetović Ž., Šinžar J. i
Stevanović B. (2008): Annual
water and nitrogen dynamics in
the whole plant od Miscanthus
giganteus. III International
symposium of ekologists of the
Republic of Montenegro (ISEM3).
Herceg Novi 8-12.10. 2008. The
Book of abstracts and programme,
pp 171.
8. Dražić G., Dželetović Ž.,
Stojiljković D. i Mihailović N.
(2008): Neki uticaji proizvodnje
i korišćenja biomase miskantusa
na životnu sredinu. Regionalna
konferencija «Industrijska
energetika i zaštita životne sredine
u zemljama jugoistočne Evrope»,
24. – 28. juni 2008., Zlatibor,
Srbija, Knjiga apstrakta , strana 6061. COBISS Sr-ID 149511948; CD
9. Dželetović, Ž., Mihailović,
N., Glamočlija, Đ., Dražić, G.,
(2009): Odložena žetva Miscanthus
× giganteus – uticaj na kvalitet
i količinu obrazovane biomase.
PTEP – časopis za procesnu
tehniku i energetiku u poljoprivredi
(Novi Sad), Vol. 13, No. 2: 170173.
10. Dželetović, Ž., Mihailović,
N., Glamočlija, Đ., Dražić, G.:
Odložena žetva Miscanthus ×
giganteus – uticaj na kvalitet i
količinu obrazovane biomase.
XXI Nacionalna konferencija
„Procesna tehnika i energetika
u poljoprivredi – PTEP 2009“,
Divčibare, 21-26. april 2009.,
Zbornik rezimea, str. 103.
energija
P. Had`i}, Lj. Janju{evi}, M. Radosavljevi}
Institut Goša, Beograd, Srbija
D. Stojiljkovi}, V. Jovanovi}, N. Mani}
Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd, Srbija
UDC: 662.756.3 : 62-843.6 : 006
Biodizel iz malih šaržnih
reaktora - eksperimentalni
podaci usaglašenosti kvaliteta
sa zahtevima standarda SRPS
EN14214:2005
1. Uvod
Abstract
Pojam biodizel označava gorivo za
dizel motore dobijeno iz biljnih ulja
i životinjskih masti. Po hemijskom
sastavu biodizel predstavlja smešu
metil ili etil estara viših masnih
kiselina iz biljnih ulja i životinjskih
masti dobijenu preesterifikacijom
nativnih triglicerida sa nižim
alkoholima metanolom i etanololom[1].
Tehnologija za proizvodnju biodizela
je jednostavna sa stanovišta potrebnih
tehnoloških
operacija, kao i u smislu tehnoloških
zahteva (opreme).
Dostupnost literaturnih podataka o
načinu i postupcima transesterifikacije
biljnih ulja i životinjskih masti, bilo
u originalnim naučnim časopisima,
bilo na Internet mreži, već pomenuta
jednostavnost postupka dobijanja
biodizela, dostupnost podataka o
tipovima i načinu konstruisanja malih
reaktora (50 – 250 dm3) za proces
individualne proizvodnje biodizela,
kao i postojanje video tutorijala koji
u skoro realnom vremenu prikazuju
proces, čini mogućnost proizvodnje
biodizela veoma privlačnom i za
pojedince koji se u kućnim uslovima
bave proizvodnjom biodizela za svoje
sopstvene potrebe.
Veliki doprinos popularnosti
proizvodnje biodizela u malim
reaktorima je mogućnost proizvodnje
biodizela od otpadnih (korišćenih)
biljnih ulja i životinjskih masti.
Teorijski radovi snažno podržavaju
mogućnost korišćenja otpadnih (waste
Biodiesel refers to a vegetable oil, or animal fat based fuel for CI engines
consisting of fatty acid alkyl esters. It is made by chemically reacting lipids with
an alcohol (presumably methanol) in the presence of catalyst. Used vegetable oil
is also adequate source for biodiesel production.
Evident and encouraging simplicity of chemical reaction with massive range
of feedstock, availability of information on process equipment and tutorials on
reaction practical implementation, makes small batch production attractive for
individual producers.
In this paper, the quality of biodiesel produced from waste vegetable oil in small
batch reactor is discussed. Pilot plant for small batch production of biodiesel
was constructed and the production was performed according to experimental
conditions most frequently suggested in literature. The quality of obtained
biodiesel is analyzed and discussed regarding its compliance with SRPS
EN14214:2005 and is based on data obtained by laboratory analysis.
Some suggestions concerning the necessary steps toward improvement of quality
of biodiesel obtained from waste vegetable oil in small batch reactors are also
discussed.
Key words: Biodiesel, waste vegetable oil, transesterification, biodiesel reactor.
Ključne reči: Biodizel, otpadno biljno ulje, transesterifikacija, biodizel reaktor.
Ovaj rad je podržan od strane Ministarstva
nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije
ugovorom br. TP – 18009 18009
vegetable oil, WVO) biljnih ulja i
životinjskih masti u individualnoj
proizvodnji biodizela, a subjektivni
utisci individualnih proizvođača o
kvalitetu biodizela proizvedenog u
kućnim uslovima daju širok zamah
pokretu koji ima za cilj energetsku
samodovoljnost malih korisnika.
Međutim, individualni proizvođači
biodizela često gube iz vida da su
postupci opisani u
originalnim radovima zapravo
laboratorijski postupci - zaključci
izvedeni iz laboratorijskih
eksperimenata ne moraju nužno
odslikavati uslove sinteze u pilot
postrojenjima. U relevantnoj literaturi
nedostaju podaci o kvalitetu biodizela
dobijenog od izrađenog biljnog ulja u
malim šaržnim reaktorima.
[100]
U ovom istraživanju je ispitivan
kvalitet biodizela dobijenog od
korišćenog biljnog ulja u šaržnom
reaktoru sopstvene konstrukcije
u pogledu zadovoljenja zahteva
određenih standardom SRPS EN
14214:2005.
2. Konstrukcija reaktora
Šaržni reaktori za proizvodnju
biodizela mogu biti različitih veličina i
konstrukcija.
Najjednostavniji reaktor predstavlja
reakcioni sud za rad na atmosferskom
pritisku sa mogućnošću šaržiranja
reaktanata cirkulacionom pumpom,
kao i instalisanim sistemom za mešanje
reaktanata i regulaciju temperature.
Prečišćavanje sirovog biodizela se vrši
ispiranjem vodom. Uobičajeno je da se
energija
energija
izlagano i sadržaja
slobodnih masnih
kiselina. Ulje koje je
korišćeno na višim
temperaturama,
s druge strane,
najčešće ne sadrži
vlagu.
Sadržaj slobodnih
masnih kiselina
u sirovini se
određuje titracijom.
Sadržaj SMK je
odlučujući faktor
da li se u procesu
dobijanja FAME
može primeniti
jednostavni postupak
transesterifikacije u alkalnoj
sredini, ili se ulje mora podvrgnuti
transesterifikaciji u kiseloj sredini
radi esterifikacije SMK i kasnijoj
transesterifikaciji di- i monoglicerida
u alkalnoj sredini. Opšte je prihvaćeno
da korišćena ulja sa manje od 1-2 %
SMK mogu biti transesterifikovana u
alkalnoj[2] sredini.
Slika 1 Postrojenje za proizvodnju biodizela
ispiranje vrši u posebnom sudu, a ne u
samom reaktoru zbog potrebe očuvanja
anhidrovanih uslova tokom reakcije.
Postrojenje koje je projektovano
i izvedeno i na kojem su vršena
ispitivanja sastoji se od reaktora
zapremine 200 dm3, sistema za
mešanje i transport sirovine tokom
reakcije, sistema termoregulacije i
očitavanja temperature reakcije, kao i
suda za prečišćavanje sirovog biodizela
zapremine 160 dm3. Shematski prikaz
postrojenja je dat na slici 1.
Sistem za prečišćavanje sirovog
biodizela je poseban sud u kojem
se vrši višekratno ispiranje vodom
i gravitaciono taloženje vode od
ispiranja pri odvajanju od gotovog
proizvoda (biodizela).
3. Faktori koji uti~u na proces
dobijanja biodizela u malim
{ar`nim reaktorima
Proces dobijanja transesterifikovanih
proizvoda (biodizel, metil estri viših
masnih kiselina, FAME) od korišćenih
biljnih ulja i životinjskih
masti zavisi od više činilaca: kvaliteta
sirovina, molskog odnosa rekatanata,
tipa katalizatora, trajanja i temperature
reakcije, itd.
3.1. Kvalitet sirovina
Kvalitet sirovina je jedan od
odlučujućih faktora od kojeg zavisi
prinos u reakciji transesterifikacije, kao
i kvalitet proizvoda. Pod kvalitetom
sirovine se u prvom redu podrazumeva
sadržaj slobodnih masnih kiselina
(SMK) u biljnim uljima i životinjskim
mastima, kao i sadržaj vlage.
Sadržaj slobodnih masnih kiselina
u korišćenom biljnom ulju zavisi
od dužine upotrebe ulja, kao i od
procesa kojima je ulje podvrgnuto
tokom korišćenja. Postoji direktna
zavisnost od temperature kojima je ulje
3.2. Molski odnos reaktanata, tip
katalizatora
Reakcija esterifikacije masnih kiselina
ili transesterifikacije triglicerida
je povratna reakcija i ravnotežno
stanje zavisi od polaznog odnosa
reaktanata (ulja i alkohola). Teorijski
je za transesterifikaciju jednog mola
triglicerida potrebno tri mola alkohola.
Međutim, u praksi se u reakciji koristi
višak alkohola[3] u odnosima od 1:3 do
1:15.
S druge strane veliki višak alkohola
otežava izdvajanje glicerina po
završetku reakcije time što povećava
rastvorljivost glicerina u biodizelu.
Takođe, višak alkohola povećava
i rastvorljivost sapuna nastalih iz
slobodnih masnih kiselina i time
otežava izdvajanje kvalitetnog
proizvoda.
Najčešće se u praksi koristi molski
odnos ulje/alkohol 1:6.
Kao katalizator za reakciju
transesterifikacije se najčešće koristi
natrijum hidroksid. Brzina reakcije,
ali ne i ravnotežni odnos reaktanata
i proizvoda, zavisi od količine
katalizatora. Katalizator natrijum
hidroksid se tokom reakcije delom
troši za neutralisanje SMK u sirovini.
To je razlog zbog kojeg se uvek pre
započinjanja reakcije transesterifikacije
mora odrediti sadržaj SMK u polaznoj
sirovini. Za upotrebljena biljna ulja koja
sadrže 1-2 % SMK u polaznom ulju se
preporučuje korišćenje 1% po težini
katalizatora prema polaznoj masi ulja [4].
[101]
3.3. Trajanje reakcije i temperatura
reakcije
Reakcija transesterifikacije je brza
reakcija. Ispitivanje brzine alkalne
transesterifikacije pokazuje da 80 %
količine polaznih triglicerida izreaguje
za prvih deset minuta od početka
reakcije[5] Reakcija transesterifikacije
di- i monoglicerida zahteva duže
vreme. Uobičajeno je da u praksi
ciklus proizvodnje biodizela u šaržnim
reaktorima traje od tridesetak minuta
do dva časa [6].
Reakciju transesterifikacije u sudovima
pod atmosferskim pritiskom rade
na najvišoj mogućoj temperaturi
vodeći računa o mogućem izdvajanju
metanola zbog isparavanja. Kada
je to moguće (kada postoji povratni
hladnjak na reaktoru) reakcija se radi
na temperaturi ključanja metanola.
3.4 Ostali faktori
Među ostalim faktorima koji utiču
na kvalitet dobijenog biodizela su
način i intenzitet mešanja reakcione
smeše, kao i metoda ispiranja sirovog
biodizela.
Ulje se na sobnoj temperaturi ne meša
sa alkoholom. Mehaničko mešanje
reakcione smeše je tokom reakcije
od velike važnosti. Bez mešanja se
reakcija transesterifikacije ne odvija,
ali brzina mešanja nije presudna.
Brzina mešanja utiče na brzinu reakcije
transesterifikacije samo pri veoma
malom mešanju zbog nemešljivosti
reaktanata (ulja i alkoholnog rastvora
katalizatora).
Pri proizvodnji biodizela od
korišćenog biljnog ulja u malim
reaktorima ispiranje sirovog biodizela
je od izuzetne važnosti. Ispiranje je
gotovo jedini ekonomsko prihvatljiv
način da se uklone zaostali reaktanti
(metanol), katalizator i reakcijom
oslobođeni glicerin. Karaosmanoglu i
saradnici [7] su detaljno ipitivali proces
ispiranja biodizela i predložili da se
biodizel ispira vodom temperature
50-70 °C. Preporučeni broj ispiranja
kojim se postiže poboljšanje kvaliteta
biodizela je prema istom autorima do
sedam.
4. Rezultati ispitivanja
Ispitivano je više parametra kvaliteta
biodizela dobijenog iz izrađenog
biljnog ulja kao polazne sirovine u
malom šaržnom reaktoru prema SRPS
EN14214:2005 standardu, i to:
1. sadržaj metil estara (% m/m)
2. metil estar linolenske kiseline
(% m/m)
3. polinezasićeni metilestri (% m/m)
energija
energija
biljne vrste iz koje je ulje dobijeno
i neznatno se može promeniti
korišćenjem ulja u prehrambene svrhe,
odnosno procesom preesterifikacije pri
dobijanju biodizela.
Sadržaj metil estara je konstantno i
značajno ispod standardom propisane
granice. Prema dobijenim rezultatima,
biodizel dobijen iz otpadnog ulja u
malim šaržnim reaktorima
jednofaznim postupkom
transesterifikacije uz korišćenje
natrijum hidroksida kao katalizatora
po pravilu ne može da zadovolji
važeće standarde. U prilog takvom
zaključku govore i ispitivanja reakcije
preesterifikacije smeše otpadnog ulja i
životinjskih masti [8].
Rezultati tog istraživanja su pokazali
da u jednofaznom postupku nije
moguće dobiti biodizel sa sadržajem
FAME koji propisuje EN14214,
čak i kada se radi u laboratorijskim
uslovima.
Nizak sadržaj FAME u uzorcima
biodizela dobijenih u našem
istraživanju reakcije u šaržnom
reaktoru je razumljiviji ako se
proces pripreme hrane posmatra kao
delimična ekstrakcija životinjskih
masti biljnim uljem na visokim
temperaturama. Drugim rečima,
polazna sirovina (korišćeno biljno
ulje) za dobijanje biodizela je uvek
u uslovima opisanog postupka
proizvodnje bila smeša biljnog ulja i
životinjskih masti.
U pogledu sadržaja vlage, ispitivani
uzorci 1 – 4 takođe nisu zadovoljili
zahteve standarda. Sadržaj vlage varira
u pojedinim uzorcima, ali je ovaj
nedostatak moguće otkloniti dužim
trajanjem gravitacione separacije pre
analize uzoraka.
Na osnovu dobijenih rezultata, mali
šaržni reaktori mogu biti korišćeni za
proizvodnju biodizela jednofaznim
postupkom iz otpadnog ulja ako se
kao tehnološka operacija u sklopu
proizvodnje koristi
vakuum destilacija.
Slika 1 Postrojenje za proizvodnju biodizela
Uzorak 4D (tabela
1) predstavlja
biodizel prečišćen
destilacijom
polaznog uzorka
4. Dobijeni
rezultati ispitivanih
parametara
u potpunosti
zadovoljavaju
zahteve SRPS
EN14214.
Uvođenje
destilacije u
4. sadržaj vlage i isparljivih materija
(mg/kg)
Analiziran je kvalitet biodizela iz četiri
šarže korišćenog biljnog ulja koje su
obrađene prema istovetnoj proceduri.
Polazne sirovine u svim šaržama
su pre reakcije ispitane na sadržaj
SMK i vlažnost: u svim korišćenim
sirovinama je sadržaj SMK bio u
granicama 0,9-1,1 %, a sirovine nisu
sadržale vlagu.
Postupak: Izrađeno biljno ulje (80 kg,
96.5 M) je zagrejano i prebačeno u
reaktor. U reaktor je zatim odjednom
dodat metanol ( 18.5 kg, 580 M) u
kojem je prethodno rastvoren natrijum
hidroksid p.a. (0.8 kg). Po dodavanju
alkohola započeto je mešanje
cirkulacionom pumpom, a temperatura
reakcione smeše tokom reakcije je
održavana na 50±5 °C u toku dva sata.
Po završetku reakcije isključeno
je mešanje i reakciona smeša je
ostavljena tokom sat vremena da se
izdvoji glicerin koji je odbačen.
Sirovi biodizel je prebačen u sud za
ispiranje, ispran vodom (30 dm3)
temperature oko 50 °C i ostavljen da
se razdvoje slojevi. Voda od ispiranja
je odbačena i ispiranje je ponovljeno
ukupno sedam puta. Gotov proizvod
je ostavljen nedelju dana radi
gravitacionog izdvajanja vode i uzorci
dobijenog biodizela su analizirani.
Rezultati analize navedenih
karakteristika biodizela u pogledu
usaglašenosti sa SRPS EN14214:2005
su prikazani u tabeli 1.
Tabela 1 Vrednosti karakteristika
različitih uzoraka biodizela *
Rezultati analize kvaliteta uzoraka
1 – 4 pokazuju da je sadržaj metil
estra linolenske kiseline, kao i sadržaj
polinezasićenih metilestara uvek u
granicama propisanim standardom.
Ipak, prisutnost linolenske kiseline
i polinezasićenih estara je unapred
određena osobina ulja zavisno od
[102]
opisani proces proizvodnje biodizela
podiže cenu tako dobijenog proizvoda
što ga u ekonomskom smislu čini
nekonkurentim dizel gorivu dobijenom
iz nafte.
*
Analize izvršila SP Laboratorija AD,
Bečej. Br. izveštaja R10-240 i R10-875
Zaklju~ak
Mali šaržni reaktori za proizvodnju
biodizela korišćenjem otpadnog
biljnog ulja su jednostavne
konstrukcije. Međutim, pojedine
karakteristike biodizela proizvedenog
od korišćenog biljnog ulja u
malim reaktorima reakcijom
transesterifikacije prema najšešće
korišćenim postupcima, uglavnom ne
zadovoljavaju zahteve standarda SRPS
EN14214:2005.
Uvođenje destilacije kao popstupka
dorade biodizela je način za
ispunjavanje svih zahteva navedenog
standarda.
Literatura
[1]. L. C. Meher, D. Vidya Sagar,
S. N. Naik. “Technical aspects
of biodiesel production By
transesterification-a review”,
Renew.Sustain. Energ. Rew., Vol.
10, No. 3, pp.248-268 (2006) J.
Van Gerpen, “Biodiesel processing
and production”, Fuel Process.
Technol., Vol. 86, No. 10. pp 10971107 (2005)
[2]. A. V. Tomasevic, S. S. SilerMarinkovic, Methanolysis of
used frying oil, Fuel processing
technology, 81, pp 1-6 (2003)
[3]. B. Freedman, E. H. Pryde, T.
L. Mounts, Variables Affecting
the Yields of Fatty Esters from
Triesterified Vegetable Oils, J. Am.
Oil Chem. Soc.,61, pp 1638/1643
(1984)
[4]. J. Van Gerpen, B. Schranks, R.
Puszko, D. Clements, G. Knothe,
Biodiesel Production Technology,
str. 34, National Renewable
Energy Laboratory, Battelle, USA
(2004)
[5]. E. Ahn., M. Koncar, M.
Mittelbach, R. Marr, A LowWaste Process for the Production
of Biodiesel, Sep. Sci. Technol.,
No.30, pp 2021-2033 (1995)
[6]. D. Danoko, M. Cheryan, Kinetics
of Palm Oil Transesterification
in Batch Reactor, J. Am. Oil
Chem. Soc., 77(12), pp 1263-1267
(2000)
energija
[7]. M. Cetinkaya, F. Karaosmanoglu,
Optimization of baze Catalyzed
Transesterification of Used
Cooking Oil, Energy&Fuels,
18(6),pp. 1888-1895 (2004)
[8] J. M. Dias, M. C. M. A. Ferraz, M.
F. Almeida, Mixture of Vegetable
Oils and Animal Fat for Biodiesel
Production: Influence on Product
Composition and Quality, Energy
Fuels, 22(6), pp 3889-3893 (2008).
Radivoje Penjin, dip.ing.teh
UDC: 662.767.2 : 628.4.042].003
Produkcija biogasa iz
biološkog otpada
- Ekonomska opravdanost Rezime
Živimo u veku kada našoj prelepoj planeti preti ekološka katastrofa jer se
konstantno zagreva zbog efekta staklene bašte. Ovaj rad se posle uvoda i kratkog
opisa najpovoljnijeg rešenja za investitore bavi i iznalaženjem ekonomski
opravdanih rešenja koje finansijski daju posticaj investitorima da ulažu u
postrojenja za proizvodnju biogasa iz obnovivih izvora energije. Kroz rad je
obrađeno postrojenje koje ostvaruje dobit svojim radom.
Isplativost ovakvih postrojenja je oko 4,5 godina, a vek minimalno 15 godina.
Pored ekonomske isplativosti za izgradnju ovakvih pogona tu je i ekološka
opravdanost jer se smanjuje emisija gasova koji izazivaju efekat staklene bašte.
Ključne reči: ekonomska opravdanost, ekonomska isplativost, biogas
postrojenje, elektrana na biogas (tj na biomasu), uredba Vlade, obnovivi izvori
energije, emisija gasova, dobit – profit, efekat staklene bašte.
Abstract
We live in a time when our beautiful planet threatens ecological disaster because
it is constantly heated due to greenhouse effect. After the introduction and a
brief description of the best solutions for investors this work deals with finding
economically feasible solutions that would encourage investments in facilities
for the production of biogas from renewable energy sources. Furthermore, there
is a description of feasible biogas installation. Payback period is approximately
4.5 years with minimum life-cycle of 15 years. Beside the economic reasons,
important motive for investor should be ecology because these installation help
lowering greenhouse gases emission.
Key words: economic justification / economic reasons, economic feasibility,
biogas installation, biomass/biogas power plant, government regulation,
renewable energy sources, gas emission, gain, greenhouse effect.
Obnovljivi vid energije
Živimo u XXI veku gde postoji sve
veća potreba za energijom, predviđa se
u dogledno vreme nestašica energenata
(fosilna goriva). Nedostatak fosilnih
goriva primorava nas da počnemo da
koristimo obnovive vidove energije i
samim tim razvijamo nove tehnološke
postupke za dobijanje takve energije.
Najefikasniji energent je biogas, koji
se može dobiti iz zelenog rastinja
[103]
i organskih otpadaka. Biogas je
pozitivan u bilansu za životnu okolinu
jer iz njega nastaje manje CO2 gasa,
energija
nego što biljka utroši za fotosintezu
biomase iz koje smo dobili biogas.
Osnova dobijanja biogasa
Tokom samog procesa fermentacije
anajrobnih bakterija dolazi do
razgradnje organskih materija u
više faza do konačnih produkata,
u najvećem udelu su CO2 (ugljen
dioksid) i CH4 (metan). Sam proces
fermentacije možemo podeliti u tri
faze odnosno tri različita procesa, do
konačnih produkata metana (65 – 75%
CH4) i ugljen dioksida (30 – 35%
CO2). Proces metanskog vrenja je
veoma složen jer u njemu učestvuje
veliki broj bakterijskih vrsta, a svaka
od njih je zavisna od vrste supstrata.
Procesi se odvijaju uz veliki broj
anajrobnih bakterija i fakultativno
ajrobnih, koje su akteri u sledećim
fazama:
• hidroliza – razgradnja složenih
molekula, u vodi nerastvornih
materija prevode se u rastvorni oblik
(poli saharidi, belančevine, lipidi ….)
• kiselinsko vrenje – organski
zagadjiivači se prevode u jednostavne
organske kiseline i alkohole
• metansko vrenje (sinteza biogasa)
– dešava se pod dejstvom bakterija
metanskog vrenja, nastaje metan i
ugljen dioksid iz nastalih organskih
kiselina.
Mulj (talog) koji nastaje pri
fermentaciji, izbacuje se iz sistema,
bogat je mineralnim materijama i oligo
elementima. Energija koja se dobije
sagorevanjem ugljenih hidrata teoretski
je jednaka energiji koja nastane
sagorevanjem biogasa. Dobijena
energija jednaka je onoj energiji koja
se utroši za fotosintezu.
Biogas poseduje velike prednosti
kao energent, jer ga kogeneracijom
(Combined Heat and Power – CHP)
energija
lako i jednostavno možemo prevesti
u električnu energiju i toplotnu
energiju. Biogas sagoreva u plinskom
motoru (ili gasnoj turbini) koji goni
elektrogenerator. Tokom ovog procesa
sagorevanja stvara se veća količina
toplotne energije, koja se lako koristi
za zagrevanje industrijskih postrojenja
i zgrada.
iz domaćinstva, često ga je potrebno
pre tretmana sterilisati – da bi proces
mogao da se odvija. Kod ovakvih
postrojenja mulj (blato) koji izlazi iz
postrojenja mora se dodatno tretirati
na temperaturama od 55 – 75 oC (jer
se najbolje razlaganje postiže rastom
termofilnih bakterija) da bi moglo da
se koristi kao djubrivo (slika 1).
Izvorne sirovine za dobijanje
biogasa
Postrojenje biogasa snage
500 kW
U principu se može upotrebiti svaka
organska supstanca. Za dobijanje
biogasa upotrebljavaju se ugljeni
hidrati, masti,belančevine, celuloza..,
dok se lignin veoma sporo ražlaže i
praktično ostaje u mulju pa ga kao
sirovinu ne koristiti.
Na osnovu onoga što smo rekli mogu
se koristiti sledeće organske supstance:
• tekući i čvrsti stočni izmet iz
intenzivne stočarske proizvodnje,
• ostaci sa poljoprivrednih njiva,
• otpadni materijal iz prehrambene
industrije i
• organski otpad iz domaćinstva.
Za ovakav proces možemo dati bilans
produkcije biogasa iz kog dobijamo
adekvatne količine električne i toplotne
energije (tabela 1).
Godišnja produkija biogasa
je 1.308.840 m3 kojim se u
kogeneracijskom postrojenju proizvede
4.200 MWh električne energije i 2.700
MWh toplotne energije snage oko 700
MW a po potrebi veće. Kogeracijsko
postrojenje (plinski motor + elektro
generator ili sa gasnom turbinom) ima
insalisan elektro generator snage 500
kW.
Optimalni uslovi
Na proces anaerobne fermentacije
– dobijanje biogasa utiče veliki broj
faktora a poseban značaj imaju:
temperatura, pH – vrednost, vrsta i
koncentracija zagadjenja, koncentracija
nutrijenata i toksina, vreme boravka
u biološkom reaktoru, mešanje,
koncentracija kiseonika itd. Količina
proizvedeneg biogasa je direkno
zavisna od organske osnove koja ulazi
u proces, pH – vrednosti, temperature i
vremena zadržavanja u digestoru.
Tok procesa
Kod sistema koji preradjuju isključivo
otpad iz prehrambene industrije i otpad
Slika 1
Postrojene biogasa snage 1
MW
Postrojenje gde se preradjuju
životinjski otpaci (izmet - stajnjak)
i zeleno rastinje (trava i korov) sa
njiva možemo nazvati ‘’zelenim
metanolskim postrojenjem,, jer iz
njega pored biogasa izlazi i mulj
(blato) koji je dobro djubrivo bez
potrebe da se dodatno tretira.
Godišnja produkcija biogasa
je 2.417.760 m3 kojim se u
kogeneracijskom postrojenju proizvede
8.300 MWh električne energije i
4.580 MWh toplotne energije, snage
oko 1.000 MW a po potrebi veće.
Kogeneracijsko postrojenje (plinski
motor + elektro generator ili sa gasnom
turbinom) ima insalisan elektro
generator snage 1 MW (tabela 2,
slika 3).
Oprema koja je sastavni deo
ovakvog postrojenja
Ovakva jedna stanica mora se opremiti
sledećom opremom: fermentorom,
pofermentorom, skladištem
biogasa, boksom za silažu – zeleniš,
dekanterom, pumpnim stanicama,
boksovima za stočni izmet, potrebnim
cevovodima, izmenjivačima toplote,
kogeneracijskim postrojenjem,
trafoom sa uklopnicom i potrebnom
automatikom za upravljanje procesom.
Moguća varijanta je da postrojenje
bude opremljeno kompresorom za
biogas sa odgovarajućim skladištem,
da bi se gas koristio za pogon motornih
Tabela 1
[104]
energija
energija
Tabela 2
Slika 2
Slika 3
vozila – teško da će moći da zaživi kod
nas dok se ne razvije tržište prometa
biogasa, slika 3.
,,Primer’’
Primer je farma koja ima 200 krava
muzara i 1000 svinja (od čega 150
krmača) pored toga farma proizvodi
hranu i ima godišnje 1.500 tona trave,
lisnate mase i slama od žitarica.
Sirovine (kravlji i svinjski stajnjak)
dopuniće se lisnatom masom i slamom
žitarica što će nam omogućiti da
proizvedemo 500.000 m3 biogasa na
godišnjem nivou.
Postrojenje je opremljeno
kogeneracijom koja proizvodi 123
Slika 4
Slika 5
[105]
kWh/h električne energije i 166 kWh/h
toplotne energije. Višak električne
energije biće prodat elektroprivredi
po povlašćenim cenama od 16 cEura.
Količina električne energije dobijene
za godinu dana je 984.000 kWh – za
8.000 h rada kogeneraciskog agregata
jer je neophodno utrošiti oko 10 %
vremena na održavanje motora.
Toplotna energija koja se dobije je
ekvivalentna količinama gasa (138.700
Nm3 ) potrebnih da se dobije ova
količina toplotne energije. Zimi se
koristi sva količina toplotne energije
za grejanje a leti je moguće preko
toplotnih pumpi za hladjenje.
Na sledećem dijagramu su materijalni
i energetski bilansi našeg postrojenja,
gde su prikazane unete količine
sirovine , dobijene količine elektro i
toplotne energije i dobijene količine
tečnog i kompast djubriva u toku
godine (slika 4).
Tehnolo{ka specifikacija
Biomasa se sastoji od slame žitarica,
lisnate mase, kravljeg i svinjskog
tečnog stajnjaka, pa smatram da je
pogodna termofilna fermentacija
sa vremenom zadržavanja u prvom
fermentoru (digestoru) od oko 17 do
20 dana, radna zapremina primarnog
digestora mora biti oko 600 m3 . Drugi
fermentor (digestor) sa nešto većim
vremenom zadržavanja. Institucije
evropske unije za obnovljivu energiju
predlažu da se fermentori (digestori)
izrade od kiselo otpornog betona
sa krovom od dvoslojnih gumenih
membrane. Fermentori se izrađuju
i od čelika zaštićeni epoksidnim
premazima. Digestori su opremljeni
sa parom mešalica odgovarajuće
konstrukcije, zatim ispod membrana
je sistem za apsorbovanje vodonik
sulfida.
U sledećem blok diagramu se može
sagledati kompletno postrojenje
(slika 5).
Celovito postrojenje se sastoji od
pripremne jedinice (prijemne i sabirne
jame), od pre – tretmana (ako je
potrebno izbvršiti pripremu otpada –
sitnjenje, sterilizacija, pasterizacija...),
od fermentora (digestora) u ovom
postrojenju dva iste zapremine.
Fermetisana tečnost odlazi na
dekantaciju gde se odvaja đubrivo
(kompast) i tečna faza koja može da
se koristi kao tečno đubrivo ili ide na
dalji tretman voda da bi se vratila voda
u vodotokove. Danas se postrojenja
opremaju centrifugalnim dekanterima
koji efikasno izdvajaju čvrstu fazu.
Ovakvo postrojenje ima i energetsku
jedinicu koja se sastoji od
energija
energija
Slika 6
kogeneracionog agregata, trafoa,
merne opreme za isporučenu električnu
energiju EPS –u, upravljačko
nadzorne jedinice. U sastav ulaze
izmenjivači toplote i pumpe tople
vode za distribuciju toplotne energije
(grejanje potrošača).
Kao što se sa šeme vidi ovako
postrojenje je opremljeno i bakljom
za hitne slučajeve (kvar motora
kogeneratora, preterana produkcija
biogasa ....)
Na šemi je prikazano ovo postrojenje
(slika 6).
Slika 7
Na sledećoj šemi (slika 7) možemo
pogledati principijalni dijagram
funkcionalnosti kogeneraciskog
–
CHP agregata koji umesto
motora za pogon generatora ima
ugrađenu gasnu mikroturbinu (mikro
turbokompresor). Agregati sa mikro
turbinama su mnogo efikasniji jer
imaju samo jedan pokretni deo, a
održavanje je jednostavnije sa manjim
troškovima (turbogeneratorski setovi
koji trenutno rade imaju pouzdanost:
21.841.520 je ukupan fond operativnih
sati – prosečno vreme između dva
zastoja je 15.300 sati) Kod izrade
novih projekata
treba razmotriti
i mogućnost
ugradnje agregata
sa gasnom mikro
turbinom.
Slika 8
[106]
Automatsko upravljanje i
nadzor
Celo postrojenje se upravlja
automatski, jer je neophodno
održavati zadate tehnološke parametre
i pratiti funkcionalnost sistema kroz
dug vremenski period. Upravlja
se crpnim pumpama iz prijemnih
jama, svim mešalicama, grejanjem
fermentora (digestora), isporukom
toplotne energije ka potrošačima,
upravljanje biogasom, kogeneratorom
i isporukom električne energije ka
EPS-u. Za operativnu kontrolu
dovoljna je jedna osoba, koja je
obučena da preko računara prati i
menja parametre ako je neophodno.
Program sa odgovarajućom skadom
prati, evidentira i koriguje relevantne
parametre gde spada i količina
isporučene električne energije.
Postrojenje je pretstavljeno vizualno
na monitoru računara ( tač panelu na
energija
upravljačkom ormanu) u kontrolnoj
sobi gde je moguć automatski rad za
lokalnu ili daljinsku kontrolu (slika 8).
Kontejner
,,ADV-CS`` je dizajnirao sistem
koji omogućava brzu, laku, na licu
mesta instalaciju i puštanje u rad
– kontejner sistem, za kompaktno
biogas postrojenje, obuhvata jedinicu
kogeneracije (CHP – Combined
Head and Power) kao i sve tehničke
komponente neophodne za rad biogas
postrojenja u rasponu snage od 80 do
500 kW.
Kontejner je podeljen u tri odvojene
sobe, u kojima su integrisani procesni
uređaji. Inovacije i efikasnost su glavne
prednosti ovog sistemskog rešenje.
Sistem kontejneri su u potpunosti
proizvedeni u protiveksplozivnoj
zaštiti. Završni test funkcija, da bi se
obezbedilo pravilno funkcionisanje,
vrši se u našoj Fabrici u uslovima
“stanje-na-objekatu-sigurnosno
testiranje”.
ADV-CS sistem kontejner je
kompatibilan sa većinom fermentatora,
Tabela 3
energija
nudi visok stepen fleksibilnosti, brz i
uspešan početak proizvodnje električne
i toplotne energije.
Soba upravljanja: PLC, server i
razvodni ormani.
Mašinska soba sadrži kogeneracisko
postrojenje (CHP) – snabdevanje
proizvedenim biogasom,
uključujući: biogas, sistem za hlađenje,
regulator gasa, pritisak gasa, toplotni
kalorimetar, uređaje za izuzimanje
električne energije ka EPS-u.
Distribuciona soba za snabdevanje
supstratom i distribuciju toplote:
supstrat – pumpa, merenje količine
podloge, temperature podloge, brojač
količine toplote i distributivne cevi.
Ekonomska opravdanost
Na osnovu tehnoloških rešenja,
dobijenih informacionih ponuda
za projektovanu opremu koja bi se
ugradila, kreditne linije Evropske
Investicione Banke (EIB) i korišćenja
načina izračunavanja investicionih
i tekućih troškova kao i dobiti po
protokolima evropske agencije Biogas
for Eastern Europe (BiG > East).
Pri izradi ekonomske
opravdanosti obuhvaćena
je i uredba Vlade Srbije
o merama podsticaja za
proizvodnju električne
Tabela 4 Procene isplativosti energetskog postrojenja za biogas ,,Postrojenje“
[107]
energije korišćenjem obnovljivih
izvora energije i kombinovanom
proizvodnjom električne i toplotne
energije – ona nam definiše cenu
proizvedene i isporučene električne
energije proizvedene u elektranama
na biogas do 0,2 MW od 16 cEura
(tabela 3).
Isplativost ,,Postrojenja ’’ se bobija
kada se ukupne investicije podele
sa dobijenom dobiti na godišnjem
nivou 451.290/100.065 = 4,5 godine,
ovaj projekat je isplativ. Životni vek
ovakvog postrojenja je minimalno
15 godina, iskustvo iz Zapadne
Evrope kažu da neka postrojenja rade
več dvadesetak godina bez većih
investicionih troškova
Nisu obrađene ni uštede na transportu
i lagerovanju svežeg stajskog đubriva
i korišćenje velikih obradivih površina
za lagune gde se odlaže tečno stajsko
đubre (oseka).
Iz tabele 4 se vidi da je ekonomski
opravdano investirati u ovaj tip
objekta – zatim se izgradnjom ovakvog
postrojenja smanjuje emisija gasova
(metana i ugljen dioksida) koji dovode
do stvaranja efekta staklene bašte.
Literatura
1. Slobodan Šušić, Sava Petrov,
Gojko Kukić, Vesna Sinobad, Panto
Perunović, Borivoje Kornosovac,
Đuro Bašić Osnovi tehnologije
šećera, Druga knjiga strana 423 –
497, Izdavač ,,Jugošećer’’ Beograd
1995 god.
2. Grupa autora (Dejan Bajič, Josip
Baras, Bojan Đoršević, Luka
Knežević, ......) Priručnik za
industriju šećera, Prva knjiga strana
639 – 703, Izdavač Savez hemičara i
tehničara Jugoslavije, Beograd 1980
god.
3. Radosavljević, M.: Korišćenje
biogasa za kombinovanu
proizvodnju toplotne i električne
energije, Procesna tehnika, Beograd,
XII, br. 3Ù4/1996, str. 286-289.
4. M. Kuburović, M. Stanojević,
“Biotehnologija: procesi i oprema”,
Smeits, Beograd, 1997.
5. Stefanović, G., Heckmann, S.,
Ćojbašić, Lj.: Dobijanje biogasa iz
organskog otpada, Procesna tehnika,
Beograd, XII, br. 3-4/1996, str. 281285.
6. Gerard Kiely, Environmental
engineering, Chapter thirteen,
Anaerobic digestion and sludge
treatment, McGraw-Hill, 1998.
energija
7. Arbi-Probag, 1993; Vergärung
biogener Abfälle aus Haushalt,
Industrie und Landschaftspflege.
In.: Schriftenreihe des
Bundesamtes für Energiewirtschaft
Schweiz 47,5.
8. Baserga, U. 1998:
Landwirtschaftliche CoVergärungs-Biogasanlagen Biogas aus organischen Reststoffen
und Energiegras. Eidgenössische
Forschungsanstalt für
Agrarwirtschaft und Landtechnik
(FAT), FATBericht Nr. 215, CH8356 Tänikon.
9. Bundesumweltministerium 2007;
Entwicklung der erneuerbaren
Energien im Jahr 2006 in
Deutschand;
10. Eder, B.; Schulz H.; 2006;
Biogas Praxis; Grundlagen
Planung Anlagenbau Beispiele
Wirtschaftlichkeit; Ökobuch
Verlag, Staufen ei Freiburg.
11. Fachverband Biogas e.V. ; http://
www.fachverband-biogas.de/
12. Krieg, A. 1993; Verwertung
organischer Reststoffe in
landwirtschaftlichen Biogasanlagen
-Rahmenbedingungen und
Potentiale-; Fachverband Biogas
e.V.
13. Wellinger et al. 1998;
Untersuchungen zur anaeroben
Aufbereitung von Schlachtabfällen;
Grieder AG; Schlussbericht
dr Du{an Gordi}, dr Milun Babi}, dr Vanja [u{ter{i~,
Davor Kon~alovi}, student doktorskih studija,
Dubravka Jeli}, student doktorskih studija
Mašinski fakultet u Kragujevcu, 34000 Kragujevac
UDC:621.317.38 : 674.23
Mogućnosti uštede energije
u industriji drvenog
nameštaja
Rezime
Industrija nameštaja spada u grupu relativno malih energetskih potrošača. Zato se
često na troškove energije u ovim preduzećima gleda kao fiksan režijski trošak,
mada je zapravo jedan od troškova kojima se najlakše upravlja (gazduje). I zaista,
u velikom broju zemalja EU i posebno SAD, iskustvo je pokazalo da mnoge
fabrike ove industrije mogu smanjiti troškove za energiju (pre svega prirodni
gas i električnu energiju) i do 20% sa relativno malim ulaganjima i brzim rokom
povraćaja sredstava i da je često lakše povećati profit preduzeća smanjenjem
troškova za energiju nego povećanjem obima prodaje. U radu su identifikovane
i sitematizovane preporuke u vezi smanjenja potrošnje energije u industriji
proizvodnje nameštaja, uključujući očekivane uštede i period otplate, kao i
mogućnost primena ovih mera i našim preduzećima ove industrije.
Ključne reči: ušteda energije, energetska efikasnost, industrija nameštaja.
Possibilities of Energy Conservation in Wood-Furniture
Industry
The furniture industry belongs to the group of relatively small energy consumers.
Therefore, energy costs are often treated as the fixed overhead costs, although it
is actually one of the costs which are easiest to manage. In many EU countries
and especially the United States, experience has shown that many plants of this
industry can reduce energy costs (primarily natural gas and electricity) up to
20% with a relatively small payback time. It is often easier to increase company
profit by reducing energy costs than increasing sales volume. Recommendations
regarding reduction of energy consumption in the furniture industry are identified
and systematised in the paper, including the expected savings and the payback
time, and the possibility of applying these measures at domestic enterprises of the
industry.
Key words: energy conservation, energy efficiency, furniture industry.
1. Uvod1
Industrija nameštaja uključuje
izradu delova nameštaja i njihovo
sklapanje sa odgovarajućom završnom
obradom. Osnovni materijal u ovoj
1
Rad nastao kao deo istraživanja na projektu
Ministarstva za nauku i tehnološki razvoj ev.
br. TR-18202 A pod nazivom: “Uspostavljanje
sistema energo-eko menadžmenta u demo
preduzeću industrije nameštaja”
[108]
industriji je drvo i pločasti materijali
bazirani na drvetu (iverica, univer,
MDF, HDF, OSB, lesonit, itd).
Uz to koriste se prateći materijali,
kao što su: metal, sunđer, tkanina,
plastika i sl. Prema klasifikacijama
DOE (USA Departmant of Energy)
i IEA (International Energy Agency)
industrija nameštaja spada u grupu
relativno malih energetskih potrošača.
Prema sistematizovanim podacima za
različite industrijske grane (Odyssee
energija
Energy Efficiency Indicators in Europe
Database), srednja specifična potrošnja
primarne energije u industrijskim
preduzećima industrije proizvodnje
nameštaja u EU iznosi relativno malih
0,386 MWh/t gotovog proizvoda [1].
Često se na troškove energije u ovim
preduzećima gleda kao fiksan režijski
trošak, mada je zapravo to jedan od
troškova kojim se najlakše upravlja
(gazduje) i čijim se smanjenjem može
bitno povećati njihova produktivnost.
I zaista, u velikom broju zemalja EU i
posebno SAD (izvor: IAC - Missisipi
State University), iskustvo je pokazalo
da mnoge fabrike ove industrije mogu
smanjiti troškove za energiju i do 20%
sa relativno malim ulaganjima i brzim
rokom povraćaja sredstava i da je
često lakše povećati profit preduzeća
smanjenjem troškova za energiju nego
povećanjem obima prodaje.
Prema podacima Republičkog zavoda
za statistiku, industrija nameštaja
u Srbiji, trenutno zapošljava više
od 15.000 radnika u preko 2.000
kompanija i 3.000 radionica, koje su
pretežno u privatnom vlasništvu [2].
Najveći broj privatnih kompanija je
kategorisan kao „male kompanije”
(91,7%). Kompanije srednje veličine
čine 7,1%, i velike kompanije
pokrivaju preostalih 1,3%. Velike
i srednje kompanije su u značajnoj
meri orijentisane ka izvozu svojih
proizvoda. Srpski izvoz nameštaja se
skoro utrostručio do 2004. do 2008.
godine, pa je porasto sa 81 miliona
na 223 miliona $ [2]. Preduzeća
ove industrijske grane, kao i ostala
mala i srednja preduzeća iz Srbije,
na putu uključivanja u ekonomiju
EU zasnovanu na znanju, susreću se
sa brojnim izazovima, koji dodatno
naglašavaju važnost istraživanja za
njihovu konkurentnost.
Cilj ovog rada je da se analiziraju
primeri najbolje prakse za povećanje
energija
energetske efikasnosti u industriji
nameštaja tj. dostupna relevantna
iskustva renomiranih svetskih
proizvođača nameštaja, koja treba
da posluže kao osnov za rešenja
konkretnih problema u preduzećima
domaće industrije.
2. Energenti koji se koriste u
industriji name{taja
Relevantna svetska iskustva pokazuju
da su osnovni energenti u ovim
postrojenjima (uz vodu) električna
energija i prirodni gas, pri čemu je
električna energija sa troškovnog
stanovišta dominantna [3]. U
određenom broju preduzeća, umesto
prirodnog gasa, kao energent, koristi
se otpadni drveni materijal koji
nastaje u procesu obrade materijala
na bazi drveta, što značajno umanjuje
troškove energenata, ali i troškove
odlaganja otpadnog materijala. Prema
sistematizovanim podacima u više od
30 preduzeća ove industrije, najveći
deo godišnje potrošnje električne
energije (43%) odlazi na obavljanje
procesa (za pokretanje procesnih
elektromotora). Na osvetljenje
se godišnje troši 23% električne
energije, dok se za grejanje i hlađenje
prostora, uglavnom kancelarija, koristi
18% električne energije. Tipično,
proizvodne hale se ne klimatizuju,
zbog visokih troškova. Sistemi za
prikupljanje prašine koja nastaje
obradom drvnih materijala, koriste
procentualno najmanje količine
električne energije. Sve veći broj
preduzeća proizvodnje nameštaja
dobija drvene podsklopove ili drvene
komponente spremne za sastavljanje
i finu obradu. Uz to, sve manje se
koriste i peći za sušenje jer fabrike
kupuju već isušenu drvenu građu ili
pločaste materijale. Godišnja potrošnja
električne energije potrebne za rad
kompresora je 12%.
Najveći deo
toplotne energije
Slika 1 Prosečna potrošnja električne energije krajnjih
u preduzećima
potrošača industrije nameštaja [3]
industrije
nameštaja koristi
se za zagrevanje
proizvodnih
pogona. Procesna
oprema koja se
koristi u industriji
proizvodnje
drvenog nameštaja
ne obezbeđuje
dovoljno toplote
za klimatizaciju
proizvodnih
prostorija. Ostatak
godišnje potrošnje
energenata odnosi
[109]
se na korišćenje prirodnog gasa u
nekim procesima, kao što su sušenje
boje i montaža [4].
Preduzeća industrije nameštaja po
pravilu nisu veliki potrošači vode, jer
se voda ne koristi u velikim količinama
za obavljanje osnovnih proizvodnih
operacija.
3. Mogu}nosti u{tede energije
u industriji name{taja
Mogućnosti za smanjenje troškova
enegije u jednom preduzeću
proizvodnje nameštaja su
mnogobrojne. U radu će biti pomenute
samo one koje obezbeđuju preduzeću
koje ih implementira period povraćaja
uloženih finansijskih sredstava od
maksimalno 2 godine, što su i obično
zahtevi menadžmenta preduzeća ove
industrije.
3.1. Mogu}nosti u{tede elektri~ne
energije
Najveći deo troškova električne
energije potiče iz samog procesa izrade
nameštaja. Mogućnosti za smanjenje
troškova električne energije generalno
se odnose na: poboljšanje/smanjenje/
kontrolu rasvete, poboljšanje KGH
sistema, poboljšanje efikasnosti
sistema za prikupljanje prašine i
piljevine, poboljšanje efikasnosti
sistema komprimovanog vazduha i
poboljšanje faktora snage.
Osnovna preporuka za poboljšanja
efikasnosti procesnih elektromotora
je zamena standardnih klinastih
kaišnih (remenih) prenosnika
sinhronim kaišnim prenosnicima radi
efikasnijeg prenošenja snage (slika
1). Sinhroni kaiševi nemaju klizanje,
što obezbeđuje bolji prenos snage,
dok standardni klinasti kaiševi usled
trenja klizanja zahtevaju dodatnu
jačinu struju iz elektromotora, tako da
sinhroni kaiš obezbeđuje u proseku 2%
veću efikasnost u odnosu na klinasti
remen. Ugradnja sinhronih kaišnika
na elektromotorima snage preko 15
kW, obezbediće period otplate od dve
godine ili kraće kod rada u više
smena [5].
Zamena dotrajalih elektromotora,
novim visokoučinskim, često je bolji
izbor od naše uobičajene prakse
ponovnog namotavanja motora.
Ovi elektromotori smanjuju gubitke
energije kroz poboljšanu konstrukciju,
bolje materijale, uže tolerancije i
poboljšane tehnike izrade. Uz pravilnu
instalaciju, energetski efikasni motori
rade na nižoj temperaturi i zato se
lakše održavaju, imaju duži radni
vek ležajeva i izolacije i smanjene
vibracije. Prema podacima CDA
energija
energija
Slika 2 Različiti tipovi kaiševa (remenja): a) pljosnati kaiš; b) klinasti;
c) nazubljeni klinasti; d) sinhroni kaiš
(Copper Development Association)
zamena starog, prema EPA
kriterijumima energetski neefikasnog,
elektromotora snage 37 kW, će se
isplatiti kroz uštedu energije za 15
meseci.
U slučajevima gde se vršna
opterećenja mogu smanjiti, ugradnjom
elektromotora manje snage potrošnja
električne energije se može smanjiti za
1,2 %, dok je za elektromotore manjih
snaga taj procenat i viši. Više studija
pokazuju da je prosečan rok povraćaja
ovakve investicije oko 1,5 god.
(Industrial Assessment Center (IAC) http://oipea-www.rutgers.edu/database/
db_f.html).
Instalacija programabilnih termostata
na manjim unitarnim sistemima,
adekvatno podešavanje temperatura
i odvajanje klimatizacije magacina
od klimatizacije proizvodnih hala su
osnovne preporuke za poboljšanje
efikasnosti klimatizacijskih sistema.
Ukoliko postrojenje poseduje
više termostata, pogodno je uvesti
centralizovani računarski sistem
nadgledanja kontrole čime se mogu
obezbediti uštede i do 20% [3].
Godišnji broj radnih sati (broj
dnevnih smena) u preduzeću koje
proizvodi drveni nameštaj je kritičan
faktor koji određuje finansijsku
atraktivnost primene mera koje se
odnose na rasvetu. Zamenom T-12
fluorescentnih lampi sa magnetnim
balastima T-8 fluorescentnim lampama
sa elektronskim balastima, zamenom
inkadescentnih svetiljki fluorescentnim
i zamenom živinim sijalicama
visoko-pritisnim natrijumovim, kao
i kontrolom rasvete (foto-senzorima)
i korišćenjem aktivnog dnevnog
osvetljenja, može se uštedeti i do 25%
električne energije koja se troši na
rasvetu [6]. U Tabeli 1 su prikazani
periodi otplate zasnovani na tipu
zamene osvetljenja i broju smena u
kojima postrojenje radi [3].
Smanjenje i kontrola osvetljenja
će takođe uštedeti energiju. Načini
za smanjenje troškova osvetljenja
su: korišćenje osvetljenja prema
potrebama radnog mesta, smanjenje
osvetljenja u oblastima minimalnog
saobraćaja, upotreba svetlarnika
(posebno u oblastima magacinskog
prostora), bojenje zidova i podova
svetlim reflektujućim bojama, upotreba
dnevnog svetla, isključivanje svetla
tokom neradnih sati i u oblastima
gde se ne radi i isključivanje balasta
sa lampi bez sijalica. Preporučuje se
instaliranje foto-senzora za korišćenje
dnevnog svetla i senzora pokreta u
magacinskim prostorima radi kontrole
osvetljenja [6].
Mogućnosti smanjenja utroška energije
u sistemima sa komprimovanim
vazduhom mogu se kategorisati na
sledeći način (zajednički za većinu
industrija):
Tabela 1 Period finansijske isplativosti ugradnje efikasnijih svetlosnih izvora
[110]
(1) generisanje komprimovanog
vazduha,
(2) priprema komprimovanog vazduha,
(3) razvod sistema komprimovanog
vazduha,
(4) upotreba komprimovanog
vazduha [4].
Kada se procenjuje korišćenje energije
u sistemima sa komprimovanim
vazduhom, ovi sistemi se moraju
analizirati kao celina, a ne kao suma
sastavnih delova. Izvođenje izmena u
jednom delu sistema, bez uzimanja u
obzir njegovog uzajamnog dejstva sa
ostalim delom sistema, može dovesti
do značajne redukcije u korišćenju
vazduha – ali sa minimalnom
redukcijom zahteva za energijom.
Najrasprostranjeniji metod
komprimovanja vazduha u industriji
drvenog i pločastog nameštaja je
upotreba jednostepenog uljnog
rotacionog zavojnog (vijčanog)
kompresora. Malo sistema sa
komprimovanim vazduhom radi
pod punim opterećenjem sve vreme.
Delimično opterećeni sistemi su,
prema tome, kritični, i njihove
performanse na prvom mestu zavise
od tipa kompresora i strategije
upravljanja. Za sistem koji ima jedan
kompresor sa veoma ravnomernom
potražnjom, prikladno rešenje je
jednostavan upravljački sistem. Sa
druge strane, kompleksan sistem sa
nekoliko kompresora, potražnjom koja
varira i sa mnogo krajnjih korisnika
zahteva puno sofisticiraniju strategiju
upravljanja.
U smislu energetske efikasnosti,
standardno modularno upravljanje
(upravljanje prigušenjem – najčešće
otvaranjem/zatvaranjem ulaznog
ventila) je najmanje efikasno, a zatim
slede razni modifikovani modularni
sistemi, pa upravljanje tipa optereti/
rastereti, kao efikasnije (u većini
slučajeva neopterećeni rotacioni
zavojni kompresor koristi 15 – 30
% snage od one koju bi koristio
potpuno opterećen), do najefikasnijeg
upravljanja regulisanjem broja obrtaja
pri čemu se neprekidno prilagođava
ugaona brzina elektromotora da bi se
na taj način prilagodila promenjiva
tražnja sistema komprimovanog
vazduha. Kada se koristi više
kompresora, treba koristi centralni
upravljački sistem koji raspoređuje
kompresore na principu sistema
prioriteta i zahtevanih pritisaka u
distributivnom sistemu.
Druge preporuke u vezi smanjenja
energije potrebne za rad kompresora
uključuju korišćenje spoljašnjeg
vazduha za hlađenje i na ulazu u
energija
energija
Slika 3 Godišnji troškovi zbog curenja vazduha kroz otvore u funkciji cene
električne energije i prečnika otvora kružnog poprečnog preseka
kompresor i korišćenje sintetičkih
sredstava za podmazivanje.
Priprema komprimovanog vazduha
obuhvata sušenje komprimovanog
vazduha, njegovo početno filtriranje i
stabilizaciju pritiska u sistemu. Sušači
treba da budu određeni i izabrani
na osnovu performansi i potrošnje
energije u sistemu. Važno je pripremiti
stvarne tehničke specifikacije količine
ulaznog vazduha koju treba sušiti,
kao i njegovu temperaturu i pritisak.
Ako je ulazna temperatura veća od
projektovane temperature sušača,
sušač će morati da otkloni više vlage
od one za koju je projektovan, što
zahteva više energije za regeneraciju
sredstva za sušenje. Ostale preporuke
se odnose na adekvatno održavanje
filterskih elemenata u cilju održavanja
predviđenog pada pritiska vazduha
kroz njih.
Mere koje se odnose na razvod sistema
komprimovanog vazduha uključuju:
kontrolu i sprečavanje isticanja
vazduha u sistemu i obezbeđenje
adekvatnog kapaciteta skladištenja
(rezervoara) komprimovanog vazduha
u sistemu. Najčešća preporuka u
sistemima komprimovanog vazduha
je da se redovno proveravaju cevi za
vazduh radi otkrivanja i popravke
pukotina. Samo na jednom otvoru
prečnika 3 mm godišnje se gubi oko
2000 € zbog curenja komprimovanog
vazduha (za cenu električne energije
od 0,05 €c/kWh – slika 3). Iskustvo
u drvnoj industriji je pokazalo da je
upravljanje curenjem bitan problem
koji odnosi od 10% do 50% kapaciteta
sistema kompresora u ekstremnim
slučajevima [3].
Dimenzionisanje vodova je bitno
za smanjenje pada pritiska. Ciljna
vrednost za pad pritiska u sistemu
ne bi trebalo da bude veća od 1520 kPa u razvodnom sistemu [7].
Visok pad pritiska zahteva dodatnu
energiju i često se manifestuje
kao jasan nedostatak količine
vazduha ili negovog pritiska.
Nivo komprimovanog vazduha
uskladištenog u razvodnom sistemu
može uticati na rad sistema.
Neadekvatan kapacitet rezervoara,
uslovljava potrebu korišćenja
Slika 4 Rezultat merenja faktora snage u domaćem preduzeću industrije
nameštaja
kompresora većeg kapaciteta, kako
bi se obezbedila količina vazduha
za kratkotrajnu vršnu potražnju. U
suprotnom slučaju, postojaće primetno
smanjenje pritiska kod krajnjeg
korisnika (čime se ne obezbeđuje
potrebna snaga kod potrošača) ili
se može javiti nedovoljna količina
vazduha koja značajno usporava rad
izvršnih organa.
Zahtevi potrošača za korišćenjem
komprimovanog vazduha diktiraju
izbor i dimenzionisanje svih
komponenata sistema komprimovanog
vazduha. Smanjenje zahteva potrošača
za komprimovanim vazduhom,
zahvaljujući efikasnijim i efektnijim
alternativnim metodama, utiče na
proizvodnju vazduha i sisteme za
pripremu. U nekim slučajevima, to
može da uslovi da kompresor(i) mogu
biti isključeni sa vodova i da redukuje
opterećenje sušača vazduha – što
rezultuje smanjenjem energetskih
zahteva.
Sistem pneumatskog transporta se
veoma često koristi u fabrikama
za preradu drveta za izdvajanje
strugotine, prašine i drugih ostataka sa
proizvodnih mašina (kao što su testere,
rendisaljke, glačalice, itd.) i transport
ovih ostataka do filterskih sistema.
Mere se odnose na izbor centrifugalnih
ventilatora velike efikasnosti,
smanjenje protoka vazduha u cevima
tj. kontrolu optimalne brzine na usisu
cevovoda (usaglašavanje sa potrebama
mašina do nivoa koji nije mnogo
veći od brzine taloženja materijala
- smanjenje protoka u sistemu
sakupljanja prašine za 10% dovodi do
smanjenja potrošnje energije od skoro
30%) i saniranje curenja [3, 8].
Zbog prisustva relativno velikog
broja elektromotornih pogona u
proizvodnim postrojenjima ove
industrije, faktor snage često odstupa
od dozvoljene vrednosti (slika 4). Za
korekciju problema vezanih za faktor
snage (slika 4), koristite se najčešće
kondenzatorske baterije za grupnu
kompenzaciju. Popravkom faktora
snage ugradnjom kondenzatorskih
baterija mogu se smanjiti troškovi
energije za oko 4 % sa periodom
otplate do jedne godine ili manje, dok
se upravljanjem aktiviranja energetskih
potrošača može redukovati angažovana
snaga postrojenja [3].
3.2. Mogu}nosti u{tede toplotne
energije
Kotlovi su „srce“ sistema za
generisanje toplotne energije i na
njima su moguća značajna poboljšanja
efikasnosti. Glavne mere za povećanje
[111]
energija
efikasnosti se fokusiraju na poboljšanu
kontrolu procesa, smanjene gubitke
toplote i poboljšanu regeneraciju
toplote. Osim ovih mera, važno je
zapaziti da novi kotlovi treba da
gotovo uvek budu konstruisani po
želji/potrebama korisnika. Troškovi
energenta za rad kotla se mogu
značajno redukovati ukoliko se
otpadna piljevina iz procesa koristi kao
energent.
Još jedna preporuka u u vezi smanjenja
korišćenja energenta za grejanje
(najčešće prirodnog gasa) je da da se
koristi otpadna toplota kompresora
za grejanje prostorija u objektima.
U posmatranim fabrikama u SAD,
ponovna upotreba otpadne toplote
kompresora ima potencijal smanjenja
upotrebe prirodnog gasa za grejanje od
12% [3,4].
energija
[5] Beals, C., Ghislian, J., Kemp,
H. et. al, Improving Fan System
Preformance, U.S. Department of
Energy, Industrial Technologies
Program, Washington D.C., 2004.
[6] Wood, D., Lighting Upgrades, A
Guide for Facility Managers, The
Fairmont Press, New York and
Basel, 2004.
[7] Yeaple, F., Fluid Power Design
Handbook, Marcel Deckker inc.,
New York, 1996.
[8] David Mills, Pneumatic Conveying
Design Guide, Sec. Ed., Elsevier
Butterworth-Heinemann, Great
Britain, 2004.
4. Zaklju~ak
Svi pobrojani podaci o energetskim
efektima primenjenih mera dobijeni
su na osnovu relevantnih svetskih
iskustava.Predložene mere obezbeđuju
uštedu od oko 10-15% ukupne uštede
energije u prosečnom domaćem
preduzeću industrije nameštaja.
Izuzetno je važna činjenica da se
ove mere mogu vrlo jednostavno
implementirati i u drugim domaćim
malim i srednjim preduzećima.
U jednom prosečnom preduzeću
industrije nameštaja srednje veličine,
godišnje se može ostvariti ušteda
od nekoliko hiljada €. S obzirom
na relativno veliki broj kompanija
i radionica (oko 5.000) koje se u
našoj zemlji bave ovom delatnošću,
finansijski efekti uštede energije mogu
biti znatni.
Literatura
[1] Morvay, Z., Gvozdenac, D.,
Applied Industrial Energy and
Environmental Management,
JohnWiley & Sons Ltd, 2008
[2] Republički zavod za
statistiku,htpp://webrzs.stat.gov.rs
[3] Emplaincourt, M., Kristoffer F.,
Hodge, B. Energy Conservation
in the Wood-Furniture Industry,
Proceedings of the 2003 ACEEE
Summer Study on Energy
Efficiency in Industry, Rye, NY,
July 2003., pp 2,29-2,37
[4] Council of Forest Industries
and CIPEC, Energy Efficiency
Opportunities in the Solid Wood
Industry, Cat. No. M27-01-828E,
Canada, 1996
[112]
energija
Marko Jovanovi}1, Simo Mileti}1, Nikola [aranovi}1,
Milan Filipovi}1, Nemanja Jankovi}1, Milun Babi}2
UDC:662.76.034 : 66.05.001.6
Razvoj apsorpcionog suda
za prečišćavanje biogasa
1. Uvod
Cilj ovog saopštenja je da upozna
stručnu i naučnu javnost sa rezultatima
akademskog projekta koji smo
realizovali u okviru predmeta
Procesni aparati i postrojenja, pod
rukovodstvom prof. dr inž. Miluna J.
Babića, o našem rešenju apsorpcionog
suda za proizvodnju biogasa koji se
proizvodi u Centru za prečišćavanje
otpadnih voda „Cvetojevac“ (u daljem
tekstu: CPOV Cvetojevac). Ovo
postrojenje pušteno je u pogon 1990.
godine. Ono prečišćava komunalne
vode koje se generišu u gradu
Kragujevcu i izgrađeno po nemačkoj
tehnologiji, a jedino je takve vrste
na Balkanu. Gas generatori koji su
sastavni deo CPOV Cvetojevac, pune
su tri godine proizvodili struju za
sopstvene potrebe, a onda se desila
havarija. U toku trajanja havarije gas je
spaljivan, a deo korišćen za zagrevanje
prostora i opreme. Zahvaljujući
donaciji Južnomoravske regije Češke
Republike i grada Kragujevca, od
postojeća dva, jedan gas generator je
vraćen u funkciju, čime se nastavlja
energetsko korišćenje dobrog dela
biogasa koji se trenutno proizvodi.
Njegova instalisana snaga je 250
kilovata i dnevno će biti u funkciji
od 8 do 12 časova, što će omogućiti
godišnju proizvodnju do 3.000.000,00
kWh električne energije. Na ovaj način
će se pokrivati godišnja potreba za
električnom energijom koju za svoje
funkcionisanje troši ovo postrojenje,
čime se prave znatne energetske i
ekonomske uštede i bitno povećava
Studenti Smera za energetiku i procesnu tehniku
Mašinskog fakulteta u Kragujevcu
2
Profesor Mašinskog fakulteta u Kragujevcu
1
Rezime
Cilj ovoga saopštenja je da prikaže interesantne rezultate akademskog projekta
koji smo uradili pod rukovodstvom prof. dr inž. Miluna J. Babića, a čiji je cilj
bio da se iz biogasa, koji se proizvodi u Centru za prečišćavanje otpadnih voda
„Cvetojevac“, omogući uklanjanje H2S i CO2, radi povećanja proizvodnje
električne energije i smanjenja zagađenja životne sredine. Posebno nam je
bilo važno da stvorimo uslove za dalju komercijalizaciju viškova proizvedenog
biogasa njegovim uvođenjem u distributivnu gradsku gasnu mrežu i za uspešno
mešanje sa prirodnim gasom koji struji kroz nju.
Ključne reči: Otpadne vode, biogas, postrojenje, metan, prečišćavanje,
apsorpcija, razlaganje, aeracija, kalorična moć, zvonasti podovi, energetska
efikasnost.
Development of Absorption Container for Biogas Purification
The aim of this announcement is to show interesting results academic project
that we did under the leadership of prof. Dr. Eng. Milun J. Babic, whose goal
was to be from biogas, which is produced Center for wastewater treatment
“Cvetojevac“, allow the removal of H2S and CO2, to increase power production
and reduce environmental pollution. Especially for us was important to
create conditions for further commercialization of the excess biogas produced
his introduction of city gas distribution network and successfully mixing
with natural gas streaming through it.
Key words: Waste water, biogas, plant, methane, purification, absorption,
decomposition, aeration, calorie power, bell floors, energy efficency.
energetska i ekološka efikasnost
CPOV Cvetojevac i JKP Vodovod i
kanalizacija Kragujevac, koje upravlja
radom postrojenja.
Dalji razvoj i unapređivanje
funkcionisanja CPOV Cvetojevac,
kao i želja da se omogući da se
višak proizvedenog biogasa meša sa
prirodnim gasom i putem distributivne
gasne mreže isporučuje klijentima,
nameću potrebu za prečišćavanjem
biogasa radi uklanjanja štetnih
komponenti kao što su H2S, CO2,
odnosno za povećanjem udela
CH4, a samim tim i kalorične moći
proizvedenog biogasa. Za ovu svrhu
neophodan je mali redizajn postrojenja,
[113]
projektovanje, izgradnja i stavljanje
u pogon tzv. apsorpcionih sudova za
prečišćavanje proizvedenog biogasa sa
ciljem da se iz njega eliminiše jedna,
ili više štetnih komponenti vezivanjem
za tečni kalcijum hidroksid Ca(OH)2 i
neka druga jedinjenja. U razumevanju
hemizama koji se u ovom procesu
odvijaju veoma nam je pomogao prof.
dr Slobodan Sukodlak sa Prirodno
matematičkog Fakulteta u Kragujevcu,
na čemu mu se najlepše zahvaljujemo.
Razvoj odgovarajućih apsorpcionih
sudova zahtevao je razne vrste
proračuna, radi optimizacije tehničkotehnoloških parametara, smanjivanja
energetskih gubitaka i povećanja
energija
energija
Na osnovu optimalnog idejnog
rešenja smo, u daljem toku realizacije
našeg akademskog projekta, izvršili
reprojektovanje CPOV Cvetojevac
u 3D virtualnoj formi uz pomoć
softverskog paketa CATIA V5R17.
Reprojektovanje CPOV Cvetojevac i
projektovanje dodatnih apsorpcionih
sudova urađeno je po dimenzijama
koje su uzete iz postojećeg
građevinskog projekta, čime smo
omogućili da se bitno skrati postupak
pripreme izrade izvođačkog projekta
za ovu svrhu.
Slika 1 Digestori
2. Kratak opis sada{njeg
stanja CPOV Cvetojevac
ekološke efikasnosti. Kao rezultat,
naših matematičkih modeliranja
dobili smo i sve neophodne parametre
koji definišu stepen prečišćavanja
apsorpcionih sudova, kalorične moći
prečišćenog biogasa, kao i optimalne
dimenzije nekoliko varijantnih rešenja
Slika 2 Rezervoar
koja smo na početku bili zamislili.
Nakon dodatnih tehno-ekonomskih
analiza optimizovanih varijantnih
rešenja, izabrali smo ono koje obećava
najmanji rok povraćaja investicionih
sredstava koja će se uložiti u redizajn
CPOV Cvetojevac.
Slika 3 Gorionik
Slika 5 Motor sa generatorom
Slika 4 Kotao za sagorevanje biogasa
Kao što je u uvodu rečeno, mi smo
projektni zadatak postavili na osnovu
sadašnjih i razvojnih potreba CPOV
Cvetojevac.
Biogas se u CPOV Cvetojevac dobija
anaerobnom digestijom mulja iz
komunalnog i industrijskog otpada u
digestoru zapremine 2000 m3 (slika
1.) pri temperaturi od 36ºC. Postoje
dva digestora, s tim što je jedan u
funkciji, a drugi predstavlja rezervu
u slučaju povećanja kapaciteta,
ili tehničkog otkaza primarnog.
Proces digestije traje 21 dan nakon
čega se eksploatisani mulj presuje i
dobija kvalitetno đubrivo. Međutim,
komunalni otpad, u ovom slučaju,
sadrži teške metale pa se tako dobijeno
đubrivo ne može koristiti.
Biogas se skladišti u rezervoaru (slika
2.) maksimalne zapremine 800 m3,
što ne zadovoljava potrebe dnevne
proizvodnje biogasa koja se kreće u
proseku oko 2000 m3. Iz tog razloga
spaljuje se oko 175 m3 gasa dnevno
preko gorionika prikazanog na slici 3.
Proizvedeni biogas koristi se za
zagrevanje supstrata u digestoru preko
kotla (slika 4.), kao i za proizvodnju
električne energije. Sagorevanje
biogasa vrši se u motorima
(rekonstruisani dizel motori, slika 5.)
koji pokreću generatore za proizvodnju
električne energije.
Sastav proizvedenog biogasa
Procentualna koncentracija biogasa
zavisi prvenstveno od sastava supstrata
(masti, proteini i ugljeni hidrati) koji
je indirektno povezan sa godišnjim
dobom. Ova koncentracija je dakle
promenjiva i ne meri se u okviru
postrojenja. Iz tog razloga uzete
su srednje uobičajene vrednosti
procentualne koncentracije biogasa,
koje su date u tabeli 1.
Tabela 1.
Ovako dobijen, neprečišćen, biogas
[114]
energija
energija
Tabela 1
Slika 7 Dispozicija zvonastog poda
Slika 6 Uticaj H2S na koroziju kotla
ne može se komercijalizovati, a
njegova upotreba u okviru postrojenja
izaziva česte tehničke otkaze (slika
6.). Prisustvo vodoniksulfida izaziva
koroziju instalacione opreme i kotlova,
dok ugljendioksid smanjuje kaloričnu
moć biogasa.
4. Prora~un zapremine
Ca(OH)2 neophodne za
uklanjanje apsorpcijom H2S
i CO2 iz biogasa
U ovom odeljku ćemo, kao
najkarakterističniji, izneti deo
proračuna koji se odnosi na
određivanje neophodne zapremine
Ca(OH)2 koja učestvuje u procesu
prečišćavanja biogasa i koja je od
velike važnosti za dalji postupak
određivanja dimenzija apsorpcionog
suda. Polazni podatak za ovaj
proračun nam je bio da zapremina
biogasa koji se proizvodi u toku
24 h iznosi V=2044 m3 i da njegov
sastav odgovara onom datom u tabeli
2. Molekulske mase komponenti
biogasa su, takođe, date u istoj tabeli,
u kojoj su izloženi zapreminski udeli
komponenti u dnevnoj proizvodnji
biogasa, koji su računati se na sledeći
način:
,
,
,
i
Pri otklanjanju H2Spotrebno je dnevno
obezbediti sledeću količinu kalcijum
hidroksida [Ca(OH)2]1:
Molska masa Ca(OH)2, koja nije
komponenta biogasa, već se koristi
za njegovo prečišćavanje iznosi
M[Ca(OH)2] = 74 g/mol.
Postupak uklanjanja H2S i CO2
iz proizvedenog biogasa obavlja
se stupanjem u hemijsku reakciju
navedenih komponenti biogasa sa
Ca(OH)2 i aparatu za apsorpciju.
Dakle, u toku sledeće hemijske rekcije:
Ca(OH)2 + H2S → CaS + H2O,
(3)
.
(1)
(4)
a pri otklanjanju CO2 potrebno je
dnevno obezbediti sledeću količinu
kalcijum hidroksida [Ca(OH)2]2:
(5)
(6)
iz biogasa se uklanja H2S, a u toku:
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O, (2)
uklanja se CO2.
Masa Ca(OH)2 koja se koristi u toku
ova dva procesa izračunava se na način
opisan u narednom tekstu.
Tabela 2
Tabela 3
[115]
Ukupna dnevna potrošnja Ca(OH)2
koja se mora potrošiti u aparatu za
apsorpciju radi uklanjanja H2S i
CO2 iz dnevno proizvedenog biogasa
iznosi:
energija
energija
m[Ca(OH)2] = m[Ca(OH)2]1 +
m[Ca(OH)2]2; m[Ca(OH)2] =
1769,15 kg.
(7)
5. Dimenzionisanje
apsorpcionog suda
Apsorpcioni sud (apsorber) za
prečišćavanje biogasa sastoji se
od kolone (kućište apsorbera) i
većeg broja podova koji povećavaju
kontaktnu površinu između tečne i
gasovite faze.
Osnovne dimenzije kolone su prečnik
osnove i visina. Prečnik osnove
kolone određuje se na osnovu prečnika
dovodne cevi gasa u apsorber, dok
se visina određuje u zavisnosti od
broja podova i njihovog međusobno
rastojanja.
Polazni parametri za dobijanje
osnovnih dimenzija poda i njegovih
sastavnih delova su: protok tečne faze
kroz apsorber, protok gasovite faze
kroz apsorber i brzina kretanja gasa
kroz njega. Na osnovu izračunavanja
i usklađivanja sa preporučenim
vrednostima koje se najčešće sreću u
literaturi, došli smo do vrednosti koje
su navedene u tabeli 3.
Dispozicija odabranog poda prikazana
je slikom 7. Slivnici zauzimaju 10 ÷
30 % površine poda, dok periferni deo
služi za učvršćivanje poda za kolonu i
zauzima 2 ÷ 5 % ukupne površine.
Na slici 8. prikazane su osnovne
dimenzije zvonastog poda koje
su bile od interesa za proračun
i projektovanje. Njihovim
određivanjem, obezbedili smo sve
potrebne uslove za projektovanje naših
apsorpcionih sudova, čiji je spoljašnji
3D izgled prikazan na slici 15. Zbog
ograničenosti prostora, u radu nisu
izloženi konstrukcijski detalji njihove
unutrašnjosti.
6. 3D model postrojenja za
pre~i{}avanje otpadnih voda
Na osnovu sprovedenih matematičkih
analiza utvrđen je optimalni
položaj novoprojektovane baterije
apsorpcionih sudova u CPOV
Cvetojevac i saglasno njemu izvršeno
redizajniranje tog postrojenja. 3D
vizualizacija tog redizajniranog
postrojenja, sa nekim interesantnim
detaljima prikazana je na slikama 9,
10,11,12, 13, 14, 16 i 17.
Slika 8 Skica zvonastog poda
Slika 10 Rezervoar
Slika 9 Digestori
[116]
energija
energija
Slika 11 Primarni taložnici
Slika 12 Zavojne pumpe
Slika 13 Sekundarni taložnici
Slika 14 Aeracioni bazeni
Slika 15 Apsorpcioni sudovi
[117]
energija
energija
Slika 16 Postrojenje za prečišćavanje biogas
Slika 17 Redizajnirani 3D izgled CPOV Cvetojevac
[118]
energija
Zaklju~ak
Prikazani akademski projekat imao
je za cilj da podigne energetsku
efikasnost CPOV Cvetojevac i
da poveća zaštitu životne sredine
eliminacijom H2S i CO2 iz
proizvedenog biogasa u postrojenju,
ali i da poveća tržišne mogućnosti JKP
Vodovod i kanalizacija, stvaranjem
mogućnosti da se prečišćeni biogas
meša sa prirodnim gasom u gradskom
distributivnom gasovodu i prodaje
klijentima.
Pored prethodnog, ne treba ispustiti
iz vida da će se redizajniranjem
postrojenja izvršenim u okviru
našeg projekta otkloniti latentno
nezadovoljstvo lokalnog
stanovništva, koje se pretežno bavi
gajenjem povrtarskih kultura, zbog
nekontrolisanog isijavanja H2S i CO2 i
drugih štetnih agenasa iz postrojenja u
okruženje.
Takođe, važno je istaći da nakon
redizajniranja CPOV Cvetojevac u
skladu sa našim projektom neće biti ni
otrovnih agenasa u mulju iz koga se
proizvodi biogas, pa će se on, umesto
skladištenja na komunalnoj deponiji,
moći prodavati kao visoko vredan
materijal za đubrenje biljaka i tsl.
Vreme povraćaja uloženih sredstava u
redizajn CPOV Cvetojevac nije duže
od 3,7 godina.
Literatura
Hemijsko inženjerstvo, Vesna Aleksić i
Nenad Radošević
Tehnološke operacije, Dimitrije
Voronjec
Upravljanje ekološkim i energetskim
projektima, prof. dr inž. Milun J. Babić
Goran Senti}1, Dragomir Vrani}1, Vladimir Vuka{inovi}1,
Bojan Savi}1, Nikola Vrani}1, prof. dr Milun J. Babi}2
UDC:662.767.2.001.6:66.05:637.5.037
Razvoj postrojenja na biogas
za sušenje mesa i mesnih
prerađevina
Rezime
U ovom radu prikazani su rezultati ostvareni u toku realizacije akademskog
projekta koji je urađen u okviru predmeta Procesni aparati i postrojenja. Cilj
projekta je bio da se razvije postrojenje za sušenje mesa i mesnih prerađevina
na biogas i na taj način stvore uslovi za korišćenje stajnjaka iz farmi kao stalnog
izvora energije za kogenerativnu proizvodnju toplote i električne energije, ali i
za industrijsku proizvodnju sušenog mesa, što bi predstavljalo logično proširenje
farmerske delatnosti. Projektom je upravljao prof. dr Milun Babić, a ostvareni
rezultati su nas podstakli da ga izložimo stručnom sudu javnosti radi ispitivanja
mogućnosti za plasman naše ideje i za stvaranje uslova da za sebe obezbedimo
posao nakon završetka studija.
Ključne reči: sušara, projektovanje, biogas, proračun, tehnologija, sušenje,
postrojenje, CHP postrojenje, meso, šunka, električna energija, energetska
efikasnost
Development of Biogas Plants for Drying Meat and Meat
This paper presents the results achieved in the course of the academic project
that was done in the subject Apparatus and Process Plants. The aim of the
project was to develop a plant for drying meat and meat products in biogas and
thus create conditions for the use of manure from the farm as a permanent source
of energy for CHP production of heat and electricity, but also for industrial
production of dried meat, which would be logical extension of farming activities.
The project is managed prof. Dr. Milun Babic, and achieved results encourage
us to incur professional public court for questioning possibilities for placement
of our ideas and to create conditions to provide for themselves a job after
graduation.
Key words: drying, design, biogas, computation, technology, drying, plant, CHP
plant, meat, ham, electricity, energy efficiency
1 Uvod
U narodu je uobičajeno da se kaže da
se čovek rađa sam, a da, zatim, u toku
celog života uči da mu je za opstanak
i uspešno delovanje neophodno da
bude koristan član ljudske zajednice
Student master studija na Smeru za energetiku i
procesnu tehniku Mašinskog fakulteta u Kragujevcu.
2
Profesor i šef Katedre za energetiku i procesnu
tehniku Mašinskog fakulteta u Kragujevcu.
1
[119]
koja u sociologiji nosi naziv - društvo,
a u struci i nauci - tim. Učinilo nam
se da bi još u toku studija trebalo da
počnemo da se prilagođavamo sve
zahtevnijim i bržim promenama u
privredi, pa smo rešili da osmislimo
jedan integralan projekat, koji bi nam
omogućio da nakon završetka studija
stvorimo uslove za dobijanje kredita
za implementaciju projekta, profita
u toku njegovog životnog veka i
mogućnosti za njegovo proširivanje
energija
i široku primenu. Pri koncipiranju i
kreiranju projekta vodili smo računa
da on bude utemeljen na održivim
ekonomskim principima, ali i da
poštuje sva nastojanja naše države i
EU o poštovanju principa energetske
i ekološke efikasnosti. Zbog toga
smo pokušali da naš projekat, o
kome govorimo u ovom radu, bude
sastavni i prirodan segment jednog
poljoprivrednog repro-ciklusa kakvi se
danas sreću na savremenim farmama.
Posebnu vrednost našeg projekta,
smatramo da predstavlja savremena
sušara za meso, kakva se trenutno još
ne proizvodi kod nas, a nju prate i
druga postrojenja za dobijanje biogasa
iz stajnjaka, koji se kao energent
koristi za kogenerativnu proizvodnju
toplotne i električne energije.
2. Prikaz ograni~enja pri
definisanju projektnog
zadatka
Pristup štednji energije, kao i načini
za njeno iskorišćavanje menjaju se od
zemlje do zemlje, i veoma zavise od
kulturnog i privrednog ambijenta koji
je u konkretnom entitetu dominantan,
ali, takođe, i od geografskog položaja,
prirodnih resursa kojim zemlja
raspolaže, kao i od čvrstine i kvaliteta
državne politike koji se u njoj vodi.
Ali se u svim zemljama sveta može
uočiti težnja da maksimalno iskoriste
svoje obnovljive energetske resurse,
pa smo i mi prilikom definisanja
projektnog zadatka za naš projekat
takvim težnjama posvetili posebnu
pažnju. Ovakav naš pristup je potpuno
u skladu sa važećom legislativom u
Republici Srbiji, ali i sa dosta teškom
privrednom i ekonomskom situacijom
u kojoj deluju srpski farmeri i
industrijska preduzeća. Takođe smo
veoma vodili računa da se Srbija kreće
prema EU integracijama, i da sve što
budemo projektovali mora ispuniti
propise ove evropske zajednice država.
S tim u vezi, kada je reč o procesu
sušenja mesa i mesnih prerađevina,
imali smo u vidu da u oblasti
proizvodnje hrane, danas u EU važi
veoma stroga legislativa, koja svakom
projektantu u ovoj oblasti, stavlja
niz ograničenja. Posebno smo vodili
računa prilikom definisanja projektnog
zadatka za naše postrojenje o činjenici
da mesni proizvodi koji iziđu iz njega
moraju proći niz ispitivanja i kontrola
radi dobijanja tzv. HASSAP certifikata,
što sušeni mesni proizvodi koji se
liferuju iz srpskih tradicionalnih sušara
ne mogu nikako da ispune. Srpski
tradicionalni postupci sušenja meša i
sušare, podrazumevaju sušenje koje
se ostvaruje, najčešće, sagorevanjem
bukovine na temperaturama od 900°
energija
do 1200°C. Pri tim temperaturama
sagorevanja bukovine u sušenom
mesu se ne može izbeći stvaranje
kancerogenih supstanci, što nije
dopušteno ni jednim važećim propisom
ni u Srbiji ni u inostranstvu. Zato su
proizvodnja i promet sušenog mesa
dobijenog iz naših tradicionalnih
sušara veoma ograničeni, a farmeri
i seoska gazdinstva koja se bave
sušenjem mesa ograničeni na veoma
uzak segment tržišta, što njihovu
proizvodnju čini neprofitnom.
Kad su u pitanju HASSAP standardi,
oni nalažu da kontakt čoveka i mesa u
toku pripreme, sušenja i kasnije, mora
biti sveden na minimum, i u skladu sa
propisom, što je uslovilo da prilikom
postavljanja projektnog zadatka imamo
u vidu:
z da naše postrojenje mora raditi
automatski,
z da radni prostori za pripremu,
sušenje i ostale tehnološke
manipulacije sa mesom moraju
onemogućiti kontrolisan kontakt sa
okruženjem, kao i to
z da materijali od kojih treba izraditi
naše postrojenje treba da zadovolje
HASSAP standarde.
S druge strane bilo nam je veoma
stalo, da proizvod koji izađe iz našeg
postrojenja ne izgubi ona svojstva koja
se kod nas smatraju tradicionalnim
vrednostima, i koja bi mogla da
budu dobar osnov za brendiranje
sušenih mesnih prerađevina kao
„tradicionalnih“.
3. Prikaz metodologije razvoja
projekta
Metodologija razvoja našeg projekta
podrazumevala je detaljan i stručan
„prolazak“ kroz sve razvojne faze koje
se preporučuju u literaturi, da bi izbegli
lutanja i našu ideju na najuspešniji
način „pretočili“ u inženjerski
izvođački projekat. Zbog toga smo u
toku razvoja projekta:
z istražili tržište i postojeće baze
podataka koje se odnose na sušare,
propise o hrani i tehnologije sušenja
mesa i mesnih prerađevina, stoci i
drugim relevantnim faktorima koji
su od značaja za projekat;
Tabela 1
[120]
napravili nekoliko idejnih rešenja,
izvršili neophodna masena i
energetska bilansiranja, izračunali
vremena otplate i izabrali
energetsko-ekološko-ekonomski
optimalno rešenje;
z u programu Math CAD-u izvršili
simulaciju radnih procesa i izabrali
najpovoljnije gotove strukturne
komponente postrojenja;
z izradili 3D virtualne modele našeg
rešenja sušare za meso koja koristiti
toplotu nastalu u toku kogenerativne
proizvodnje električne energije iz
biogasa;
z izradili 3D model kompletnog
postrojenja, koje pored sušare
obuhvata postrojenje za proizvodnju
biogasa iz stajnjaka, kogeneracioni
modul i ostale strukturne
podsisteme;
z izvršili 3D vizualizaciju rada
kompletnog postrojenja i
z izradili promo dokumentaciju
sa pratećom dokumentacijom za
korišćenje i održavanje postrojenja.
z
4. Osvrt na tehnologiju
proizvodnje biogasa
4.1 Fizi~ko-hemijske karakteristike
biogasa
Biogas je mešavina gasova koja se
dobija uz pomoć metanogenih bakterija
koje učestvuju u procesu biološke
razgradnje materijala u anaerobnim
uslovima (anaerobna digestija).
Biogas se sastoji (tabela 1) od 50
do 70% metana (CH4) i 30 do 40%
ugljendioksida (CO2) i drugih gasova
kao što su vodonik, vodonik-sulfid,
azot i dr.
Biogas je za oko 20% lakši od
vazduha, a temperatura paljenja mu
je u rasponu od 650º do 750ºC. To je
gas bez jakog mirisa i bez boje. Kada
sagoreva, gori čisto plavim plamenom,
slično kao prirodni gas. Toplotna moć
mu je između 20-30 MJ/Nm3.
4.2 Anaerobna digestija
Anaerobna digestija je višestepeni
biohemijski proces koji se primenjuje
energija
energija
Tabela 2
na više različitih tipova organskih
supstanci. Digestija se izvodi u sledeća
tri stupnja:
z hidroliza (prvi stupanj) – u okviru
koje se čvrsti organski kompleksi,
proteini, masti, celuloza, razlažu
na isparljive organske kiseline,
alkohole, ugljendioksid i amonijak;
z formiranje kiselina (drugi stupanj)
– u okviru koje se produkti dobijeni
u prvom stupnju prevode u acetatske
kiseline, proteinske kiseline,
vodonik, ugljen-dioksid i ostale
nisko molekulske organske kiseline;
z metanogeneza (treći stupanj)
- u okviru koje deluju dve grupe
bakterija, od kojih jedna grupa
pretvara vodonik i ugljen-dioksid
u metan, a druga pretvara acetate u
metan i bikarbonate;
z na način i uz hemijske reakcije
prikazane u tabeli 2.
Na slici 2., grafički je prikazan tzv.
anaerobni proces koji se ostvaruje u
PBG.
Bakterije koje stvaraju metan najbolje
žive u pH neutralnim, ili blago
alkalnim sredinama. Kada se ustali
proces fermentacije pH vrednost je
izmedju 7 i 8.
Slika 1 Spoljašnji i unutrašnji izgled
digestora
Anaerobna digestija se dešava na
temperaturama od 3ºC do 70ºC.
Postoje tri temperaturna opsega u
kojima se odvija digestija, i to :
z psihrofilna (u temperaturnom opsegu
ispod 20ºC),
z mezofilna (u temperaturnom opsegu
između 20 i 40ºC) i
z termofilna (u temperaturnom opsegu
preko 40ºC).
4.3 Brzina digestije
Brzina anaerobne digestije zavisi od
više faktora. Neke od njih možemo
kontrolisati i na taj način upravljati
proizvodnjom biogasa. Tu se pre svega
misli na: pH vrednost, temperaturu,
vreme retenzije, nivo punjenja i
toksičnost. U nastavku ćemo dati
kratak osvrt na spomenute parametre.
Optimalna temperatura anaerobne
digestije je 35ºC i nalazi se u
mezofilnom opsegu. U literaturi se
preporučuje da pri anaerobnoj digestiji
treba izbegavati nagle promene
temperature, a dozvoljava promenu
koja ne sme biti veća od ± 1ºC/h .
Vreme retenzije je vreme zadržavanja
čvrste supstance u digestoru. Ovo
vreme zavisi od sastava mulja i od
radne temperature. Ukoliko je vreme
retenzije kratko, dolazi do “ispiranja”
bakterija iz digestora, jer one ne stižu
da se razmnožavaju tom brzinom.
Kada je vreme retenzije predugačko,
onda zbog toga sistem može postati
neisplativ, jer je količina metana koja
se iscrpi iz mulja veoma mala što se
može videti na dijagramu prikazanom
na slici 3.
Nivo punjenja definiše količinu
sirove supstance po jedinici zapremine
digestora koja se doda u toku dana.
Ukoliko se digestor prepuni, doći će do
akumuliranja acetata koji će stopirati
produkciju biogasa. Preporučuje se
da dnevni unos iznosi 6 kg po 1 m3
digestora, za postrojenja koja rade sa
kravljim izmetom.
Hranjive supstance odnose se na
ambijent u kome se bakterije najbolje
razvijaju. S tim u vezi, mulj u
digestoru treba da sadrži ogovarajući
nivo ugljenika, kiseonika, vodonika,
fosfora, kalijuma, kalcijuma,
magnezijuma.
Kao inhibitor u procesu digestije
koriste se mineralni joni. Male količine
ovih jona pospešuju razvoj bakterija,
dok njihova visoka koncentracija
izaziva toksične efekte.
U toku digestije mora se uspostaviti i
održavati odgovarajući odnos ugljenika
i azota (C/N). Da bi se anaerobni
proces normalno odvijao, potrebno je
zadovoljiti uslov da odnos C/N bude
od 1/20 do 1/30. Ukoliko je ovaj odnos
viši - dolazi do smanjenja produkcije
biogasa, a ukoliko je niži - dolazi do
porasta amonijaka u digestoru što
ima toksičan efekat na bakterije koje
stvaraju metan.
Slika 2 Grafički prikaz tzv. anaerobnog procesa koji se ostvaruje u PBG
[121]
energija
Slika 3
energija
Procenat proizvedenog biogasa u odnosu na ukupan mogući prinos za
različite vrste mulja
Naše postrojenje za sušenje mesa pruža
mogućnost korisniku da se prilagođava
svakom tradicionalnom načinu sušenja
mesa i mesnih prerađevina, i, pored
ostalog, pruža korisniku mogućnost
da suhomesnate proizvode produkuje
koristeći tehnologije:
z hladnog dimljenja (16-30ºC i niže),
z toplog dimljenja (40-60ºC) i
z vrućeg dimljenja (60-90ºC).
6. Prikaz postrojenja za
su{enje mesa na biogas, koje
je razvijeno u okiru na{eg
akademskog projekta
5. Osvrt na tehnologiju
su{enja mesa i mesnih
prera|evina
Tehnologija dimljenja kojom će se
sušiti meso mnogo zavisi od recepta,
koji tačno definiše odnose: mase
mesa koja treba da se suši, procenta
soli u odnosu na vrstu i masu mesa,
broja dana u odnosu na temperaturu
sušenja, broja dana sušenja u odnosu
na vlažnost, itd. Recepti se modifikuju
od jednog do tradicionalnog
suhomesnatog proizvoda, i od njega
zavisi da li on spada u kategoriju
njeguške (slika 4), užičke (slika 5) ili
neke druge pršute, odnosno proizvoda.
Tehnologija sušenja polutrajnih
proizvoda od mesa koji se dobijaju
sušenjem podrazumeva:
z toplo dimljenje, pri čemu temperatura
dima treba da bude 55-85ºC,
z održavanje vlažnosti vazduha u
komori za dimljenje u granicama
65-75% i
z barenje, koje se obavlja u vlažnoj
sredini temperature 70-80ºC.
Slika 4 Njeguška pršuta
U toku sušenja mesa i mesnih
prerađevina obavlja se transport vlage
iz mesa u nezasićeni vazduh, pa se,
suštinski gledano, proces svodi na
transport materijala iz jedne u drugu
fazu, i može se podeliti u dva dela, pri
čemu se:
z u prvom delu obavlja prelaz vlage sa
površine mesa na vazduh i
z u drugoj fazi ostvaruje kretanje vlage
u samom mesu, iz unutrašnjosti
sušenih komada prema spoljašnjoj
površini.
Na kvalitet i vreme sušenja mesa i
mesnih prerađevina bitno utiču sledeći
faktori:
z temperatura,
z vlažnost i
z cirkulacija vazduha.
Temperatura i vlažnost se u sušari
menjaju programirano tokom sušenja.
Željeni nivo cirkulacije vazduha
postiže se uz pomoć ventilatora i on je,
uglavnom, fiksna veličina za konkretnu
sušaru.
Slika 5 Užička pršuta
[122]
Kao što je u odeljcima 1, 2 i 3 ovog
saopštenja rečeno, naš projekat je
obuhvatio projektovanje:
z savremene štale,
z postrojenja za prihvatanje stajnjaka i
proizvodnju biogasa,
z postrojenja za kogenerativnu
proizvodnju toplotne i električne
energije iz proizvedenog biogasa,
z objekte za klanje, pripremu mesa i
mesnih prerađevina za sušenje,
z postrojenje za sušenje mesa,
z objekat za pakovanje i skladištenje
mesa i mesnih prerađevina,
z objekat za prihvat vozila za transport
i utovar mesa,
z objekat za upravljanje i vođenje
procesa.
Svi projektovani objekti i postrojenja
zadovoljavaju važeće HASSAP
standarde.
Na slici 1 prikazan je unutrašnji i
spoljašnji izgled našeg digestora,
a na slikama 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
i 13, prikazani su neki detalji koji
mogu da upute čitaoca na osnovne
vrednosti našeg
projekta. Radi što
boljeg poimanja
suštine projekta,
napravili smo,
koristeći savremene
programske alate
i animirani film,
u okviru koga se
zainteresovani
može „provesti“
kroz celokupan
proces i
postrojenje.
Naša postrojenje
za sušenje mesa i
mesnih prerađevina
namenjena
su, pre svega,
proizvođačima
koji poseduje svoje
firme i klanice
energija
energija
Slika 6 Spoljašnji izgled novoprojektovane sušare za
meso i mesne prerađevine
Slika 7 Unutrašnji izgled novoprojektovane sušare za meso i
mesne prerađevine
Slika 8 Lokacija uređaja za proizvodnju dima sušari
Slika 9 Pogled u unutrašnjost uređaja za
proizvodnju dima
i koji imaju kontinuiranu godišnju
proizvodnju. Godišnji kapacitet
ovih sušara je od 10-50 tona trajnih
suhomesnatih proizvoda godišnje, a
kapacitet ovih sušara u toku jednog
turnusa je od 1-4 tone, što zavisi od
toga šta se suši i kolike su veličine
komada koji se suše.
Sama sušara, čiji je spoljašnji izgled
prikazan na slici 6, sastoji se od tri
komore, kotlarnice i prostora za
komunikaciju. Spoljašnost sušare
i pregrade su izgrađene od tvrdih
građevinskih materijala. Jedna komora
služi za dimljenje i sušenje, dok druge
Slika 10 Ciklusi (faze) koje se programabilno odvijaju u toku sušenja mesnih prerađevina u projektovanom postrojenju
I faza
II faza
[123]
III faza
energija
energija
Slika 11 CHP modul postrojenja za sušenje mesa i mesnih prerađevina
dve služe, isključivo, za sušenje.
Razlog ovakvom projektnom rešenju je
u činjenici da je dim agresivan gas koji
štetno deluje na većinu standardnih
materijala od kojih se izrađuju sušare.
Iz tog razloga komora za dimljenje je
obložena prohromskim limom, koji
je dosta skup, ali svojim tehničkotehnološkim svojstvima obezbeđuje
pouzdano funkcionisanje sušare. Kako
dimljenje traje najduže 24h dovoljno
je samo jednu komoru koristiti za
dimljenje. Naravno, kao što je već
rečeno, ukoliko se suši manja količina
proizvoda, ova komora se može
koristiti i za dimljenje i za za sušenje,
tj. meso se ne mora prebacivati u drugu
komoru.
Prenos toplote od kotlarnice u kojoj
sagoreva proizvedeni biogas, do
Slika 12 Revijalni pogled - I na kompletno postrojenje sušenje mesa i mesnih prerađevina koje je razvijeno u okviru našeg
akademskog projekta
Slika 13 Revijalni pogled – II na kompletno postrojenje sušenje mesa i mesnih prerađevina koje je razvijeno u okviru našeg
akademskog projekta
[124]
energija
komora za sušenje obavlja se uz
pomoć razmenjivača tipa gas-vazduh
i skladno izvedenog vazduhovodnog
postrojenja (
) koje omogućuje
ciklične promene smera toplog
vazduha u komori, regulisanje protoka
i recirkulaciju.
Naša sušara, kao deo ukupnog
postrojenja za sušenje je tako izvedena
da se može locirati u zasebnom
objektu, kao što je to prikazano na
slici 6, ili integrisana u neki drugi
građevinski objekat.
Pošto proces dimljenja mesa
predstavlja važnu kariku u proizvodnji
tradicionalnih suhomesnatih proizvoda,
a pošto nije dobro, iz zdravstvenih
razloga da se on proizvodi
sagorevanjem drveta u samim
komorama za sušenje, ovom problemu
smo prišli na originalan način i
projektovali uređaj za proizvodnje
dima van komora, koji je baziran na
trenju željene vrste drveta o poseban,
za tu svrhu konstruisan, alat. Ovaj
uređaj za proizvodnju dima predstavlja
sastavni deo sušare, i omogućuje
upravljanje količinom i strukturom
dima koji se ubacuje u komore, ali i
pruža mogućnost da se proces vodi uz
pomoć elektronskog programabilnog
modula. Na slikama 8 i 9, prikazan je
položaj uređaja za proizvodnju dima i
njegova unutrašnja struktura.
Upravljanje procesom sušenja
suhomesnatih proizvoda ostvaruje
se programirano i u toku izvršavanja
programa uočljive su tri faze radnih
režima sušare, koje su prikazane na
slici 10.
Kao što je ranije napomenuto, naše
postrojenje obuhvata i tehnološki
modul CHP za kogeneratvnu
proizvodnju električne energije i
toplote. U tu svrhu se koriste dva gasna
motora, od kojih je jedan radni, a
drugi rezervni, koji može u špicevima
potrošnje/proizvodnje biti startovan
i uključen u tehnološki proces.
Spoljašnji izgled ovog tehnološkog
modula prikazan je na slici 11, a
revijalni pogled na ukupno postrojenje
i objekte izložen je na slikama 12 i 13.
energija
otplaćuju u rokovima od 1,5 do 3
godine, zavisno od produkcije mesa i
kretanja cena električne energije.
Postrojenje je projektovano po
modularnom principu, što omogućuje
faznu gradnju, pri čemu svaka faza
može vlasniku donositi prihod.
Za postrojenje je izrađena kompletna
tehnička dokumentacija u 3D
virtuelnoj formi, koja omogućuje brzu
produkciju proizvodne 2D tehničke
dokumentacije za proizvodnju.
Smatramo da bi izgradnja ovakvih
postrojenja bitno doprinela
izvoznim težnjama Srbije, zaštiti
životne sredine, povećanju ukupne
energetske efikasnosti, što se za
svaki konkretan zahtev kupca može
brzu dokumentovati odgovarajućim
podacima koje generiše naš razvijeni
softver.
I na kraju, nije nevažno napomenuti,
da razvoj i implementacija ovakvih
projekta u privredu spada u klasu tzv.
CDM projekata, što investitorima
pruža mogućnost niza benifita i
podsticaja.
9. Literatura
[1] Petrović Predrag, Petrović
Nemanja, Kesić Miodrag,
Mladenović Milan, Borđoški
Vladimir, Akademski projekat
“Razvoj postrojenja za proizvodnju
biogasa u malim poljoprivrednim
seoskim farmama” Mašinski
fakultet Kragujevac
[2] Doc. dr inž. Milan Despotović,
Prof dr inž. Milun Babić, Energija
biomase, Mašinski fakultet
kragujevac 2007
[3] Prof.dr Milun Babić, Radoslav
Vulović, dipl. Inž. Upravljajnje
energo i eko projektima, Mašinski
fakultet kragujevac 2005
[4] Topić Radivoje, Osnove
projektovanja, proračuna i
konstruisanja sušara, M-autor,
Beograd 1989
7. Umesto zaklju~ka
Ovaj rad je imao za cilj da prikaže
osnovne karakteristike i vrednosti
našeg akademskog projekta koji
smo radili i odbranili u toku letnjeg
semestra školske 2008/2009.
Smatramo da su ostvareni rezultati
dobra osnova za njegovu primenu na
farmama i seoskim domaćinstvima
koja imaju stabilnu stočarsku
proizvodnju i da se ostvarena ulaganja
[125]
Download

2010-2 - savez energetičara