Revolvingový fond Ministerstva životního prostředí. Výukové materiály projektu NAUČÍME VÁS, JAK BÝT EFEKTIVNĚJŠÍ VĚTRNÁ ENERGIE

Transkript

1 Výukové materiály projektu NAUČÍME VÁS, JAK BÝT EFEKTIVNĚJŠÍ VĚTRNÁ ENERGIE Výukové materiály vznikly za finanční pomoci Revolvingového fondu Ministerstva životního prostředí. Za jejich obsah zodpovídá výhradně SŠ-COPTH, Praha 9, Poděbradská 1/179 a nelze jejich obsah v žádném případě považovat za názor Ministerstva životního prostředí.

2 VĚTRNÁ ENERGIE Větrná energie patří mezi tzv. obnovitelné zdroje energie. Znamená to, že je můžeme použít opakovaně a že používáním nezanikají. Větrná energie je jedna z nejstarších energií aktivně využívaných člověkem. V dnešní době pozorujeme velký rozvoj větrných elektráren. To je dostatečný důvod něco se o větrné energii dozvědět. Lidstvo má s využitím větrné energie zkušenost několik tisíc let. Jedno z prvních cílených použití bylo v lodní dopravě. S výjimkou síly lidských svalů byla jedinou silou, která při lodní dopravě pomáhala. První zmínky o větrných motorech pocházejí již ze staré Číny. Šlo o větrné motory se svislou osou rotace. Rotor byl tvořen systémem plachet napnutých na dřevěném rámu. Na následujícím videu se můžeme podívat, jak jednoduchý motor se svislou osou vypadá. Pravda, dokonalosti motoru starých Číňanů sice nedosahuje, ale názornou představu nám poskytne. Větrnou energii využívali i obyvatelé Mezopotámie k zavodňování úrodné roviny. O prvních větrných mlýnech se dozvídáme ze záznamů starých Peršanů z doby přibližně před lety. A o motorech s vodorovnou osou rotace máme zprávy ze 3. století př. n. l. ze starého Egypta. K masivnějšímu rozšíření větrných motorů dochází ve středověku v 11. století na Středním východě a ve 13. století i v Evropě. V Čechách je doložen větrný mlýn v roce 1277 na zahradě Strahovského kláštera v Praze. V Evropě byly větrné mlýny až do 19. století velmi rozšířeny. Kolem r bylo v Evropě v činnosti asi větrných mlýnů, z toho jen v Německu asi V 19. století bylo v Čechách zdokumentováno 198 větrných mlýnů, na Moravě a 681 ve Slezsku 681.

3 Ve druhé polovině 19. století vzniklo v Americe několik nových typů větrných motorů. Vyznačovaly se lehkou konstrukcí a dokonalejší samočinnou regulací. Charakteristickým znakem těchto motorů byla kola s větším počtem úzkých lopatek. Nejčastěji byla tato větrná kola užívána k pohonu studničních čerpadel. Prvním, kdo se vážně zabýval myšlenkou vyrábět pomocí větru elektřinu a kdo kolem r sestavil větrný motor vyrábějící elektrický proud pro elektřinu ve své škole, byl fyzik Poul la Cour v Dánsku. Prudký vzestup cen paliv v sedmdesátých letech, zvýšená péče o životní prostředí a vědomí omezenosti zdrojů fosilních paliv změnily názor na využívání větrných motorů. Průkopníkem v instalaci větrných elektráren bylo Dánsko. V r zde bylo 3200 větrných elektráren o celkovém výkonu 410 MW, a to činilo 2,4 % spotřeby Dánska. Poté se větrné elektrárny hodně instalovaly i v Německu. V r tam bylo větrných elektráren o celkovém maximálním výkonu MW, a to činilo 5,9 % spotřeby energie v Německu. Vznik větru Vítr je masa pohybujícího se vzduchu, která v důsledku nerovnoměrného ohřívání atmosféry Sluncem proudí z jednoho místa na druhé. Lehký a teplý vzduch působí na zemský povrch menší tlakem než studený, který tak začíná pronikat do utvořené oblasti tlakové níže. Obdobný případ nastává, když studený vzduch klesá, tím se vytvoří oblast vysokého tlaku, kam naopak může proudit teplý vzduch. Čím vyšší je rozdíl atmosférických tlaků mezi dvěma oblastmi, tím silnější bude vítr. Zjednodušeně řečeno, teplý vzduch je lehčí než studený, a tak vzduch ohřívaný slunečním zářením stoupá vzhůru a na jeho místo se tlačí vzduch studený. Tím se tvoří vzdušné proudění a vzniká vítr. Při zjednodušeném pohledu na zeměkouli by mělo dopadat nad rovníkem na zem více slunečních paprsků než jinde. Vzduch se od nich zahřívá a stoupá do výšky. Zde vzniká zóna,

4 které říkáme bezvětrné pásmo. Když vzduch vystoupí velmi vysoko, ochladí se a v pásmech 30 severně a jižně od rovníku klesá zpět na zem a proudí směrem k rovníku a na druhou stranu směrem k pólům. Při přemisťování do míst s vyšší obvodovou rychlostí zemského povrchu rotující vzduchový prstenec předbíhá pevný povrch a vítr se stáčí na východ. Směr větru v tropických oblastech vane převážně východním směrem k rovníku a v pásmech mezi 40 a 60 severní a jižní šířky převážně západním směrem k pólům. Na obou polokoulích se tak vytvářejí tři samostatné, příčně rotující prstence vzduchu. Jeden je nad tropickým pásmem, druhý nad mírným pásmem a třetí nad polární oblastí. Ve skutečnosti je situace složitější. Ke zmíněným mechanismům se přidávají další vlivy místní tlakové níže a výše dané například občasným pohybem obrovských hmot studeného vzduchu od pólu k rovníku, nerovnoměrným ohříváním pevnin a oceánů během roku atd. Větry v blízkosti povrchu, ve výšce 30 až 60 m, jsou ovlivněny hlavně topografií oblasti, kvalitou zemského povrchu a jinými vlivy, které mohou působit na proudění vzduchu. Znázornění hlavních směrů větrů Směr a rychlost větru Mezi základní charakteristiky větru patří jeho směr a rychlost, četnost výskytu rychlosti větru, stálost a nárazovitost. Tyto veličiny jsou významné při volbě vhodných lokalit pro větrné elektrárny.

5 Měření směru a rychlosti větru se spolu s jinými klimatickými faktory provádí v ČR sítí asi 200 meteorologických stanic Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ), včetně stanic synoptických a klimatologických. Pro měření směru a rychlosti větru existují mezinárodní standardy, např. pro zjištění těchto údajů je to výška 10 m nad zemským povrchem. Směr větru je dán světovou stranou, ze které vítr vane. Udává se v desítkách stupňů azimutu, případně v meteorologii závaznými anglickými zkratkami. Rozlišujeme 36 směrů větru: 01, 02, 03, 35, 36. Například severní vítr (N north) se značí 36, jižní vítr (S south) se značí 18, východní vítr (E east) 09, západní vítr (W west) 27. Údaj 00 označuje bezvětří. Někdy se údaje o směru větru převádějí na číselnou stupnici podle níže uvedené tabulky. SSV SV VSV V VJV JV JJV J JJZ JZ ZJZ Z ZSZ SZ SSZ S Bezvětří NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW N Calm Převod anglického značení směru větru na číselnou stupnici. Směr větru lze sledovat pomocí tzv. větrného pytle (větrného rukávu). Postavení větrného pytle se mění v závislosti na směru větru. Porovnáváním jeho polohy s kompasem je možné určit směr větru. Výsledky získané zaznamenáváním těchto údajů lze přehledně vyjádřit pomocí větrné růžice, v níž je k příslušnému směru přiřazena rychlost a procentuální četnost. Větrná růžice

6 Měření směru větru se však obvykle provádí větrnou směrovkou, která bývá součástí anemometru. Jedná se o svislou desku otáčející se kolem svislé osy. Rychlost větru se sleduje nejčastěji dvojím způsobem. První způsob je vizuální a výsledky pozorování se srovnávají s tzv. Beaufortovou stupnicí rychlosti větru. Stupnici vytvořil roku 1805 kontraadmirál Britského královského námořnictva sir Francis Beaufort ( ), původně pro námořní účely. Za dobu svého používání stupnice prodělala množství změn, které reagovaly na aktuální potřeby měření síly větru. Počet stupňů se z původních 12 stupňů rozšířil na 17. Výhodou stupnice je její praktičnost, představitelnost a použitelnost bez jakýchkoliv přístrojů. V tabulce jsou v souvislosti s klasifikací síly větru a jeho rychlostí pro srovnání uvedeny rovněž údaje o pozorování přírody. Stupeň Vítr Rychlost Projevy větru na souši m*s -1 km*h -1 0 bezvětří < 0,5 < 1 kouř stoupá kolmo vzhůru 1 vánek ~ 1, směr větru je poznatelný podle pohybu kouře 2 větřík ~ listy stromů šelestí 3 slabý vítr ~ listy stromů a větvičky jsou v trvalém pohybu 4 mírní vítr ~ zdvihá prach a útržky papíru 5 čerstvý vítr ~ 9, listnaté keře se začínají hýbat 6 silný vítr ~ ltelegrafní dráty sviští, používání deštníků je nesnadné 7 mírný vichr ~ 14, chůze proti větru je nesnadná, celé stromy se pohybují 8 čerstvý vichr ~ 17, ulamují se větve, chůze proti větru je téměř nemožná 9 silný vichr ~ vítr strhává komíny, tašky a břidlice ze střech 10 plný vichr ~ 24, vyvrací stromy, působí škody na obydlích 11 vichřice ~ působí rozsáhlá pustošení orkán > 30 > 117 ničivé účinky (odnáší střechy, hýbe těžkými hmotami) Beaufortova stupnice rychlosti větru

7 Druhý způsob sledování je pomocí zařízení zvaného anemometr (z řeckého anemos = vítr), větroměr. Je to přístroj pro měření nejen rychlosti, ale i směru větru. Existuje celá řada typů anemometrů, pracujících na různých principech (například aerodynamické anemometry, zchlazovací anemometry, značkovací anemometry, akustické anemometry, ). Nejznámější jsou mechanické anemometry. Jejich funkční část se skládá z rotoru, který se otáčí na svislé hřídeli a je tvořen třemi či čtyřmi rameny, z nichž každé je zakončeno půlkulovými miskami. Otáčky rotoru se jednoduchým mechanismem přenášejí přímo na ručkový ukazatel, popřípadě je možné tento údaj zpracovat elektronicky. Schéma miskového anemometru Práci anemometru si prohlédneme na přiloženém videu. Tento typ přístroje měří rychlost i směr větru. Pokud je anemometr připojený na záznamové zařízení, nazývá se anemograf. Proč je měření větru tak důležité? Optimální rychlost větru pro výrobu elektrické energie je zhruba 12m.s-1. Problém nastává, pokud rychlost větru překročí 26m.s-1. Při těchto rychlostech hrozí poškození elektrárny, proto je nutné ji odstavit. Rychlostní profil větru nad terénem Rychlost větru je zásadním parametrem pro využití jeho energie. Rychlost závisí na celé řadě parametrů. V neposlední řadě na výšce nad povrchem. Obecně lze říct, že s rostoucí výškou rychlost větru roste. Rozeberme si to konkrétněji. Mezi výškou nad terénem a rychlostí větru existuje následující vztah:

8 vh je průměrná rychlost větru ve výšce h nad zemským povrchem *m.s-1] v 0 je průměrná rychlost větru v referenční výšce h0 *m.s-1] h je výška umístění osy rotoru *m+ h 0 je výška, ve které se provádí měření *m+ n je exponent závisející na drsnosti povrchu, vertikálním profilu teplot a výšce nad zemským povrchem; nabývá hodnot 0-1 Hodnotu exponentu n lze odhadnout dle drsnosti povrchu. K tomu nám pomůže následující tabulka. Druh povrchu Hladký povrch Vodní hladina, písek Vysoká tráva Nízké obilné porosty Porosty vysokých kulturních plodin, nízké lesní porosty n 0,16 0,18 0,21 Lesy s mnoha stromy 0,28 Vesnice a malá města 0,48 Použití vzorce pro výpočet rychlosti větru si ukážeme na jednoduchém příkladu. Pochopíte-li ho (o čemž nepochybuji), směle se pusťte do cvičení následujícím po studijním článku. Příklad Měřením v 10 metrech nad povrchem byla zjištěna rychlost větru 7m.s-1. Povrchem je louka s vysokou trávou. Určete rychlost větru v 50 metrech nad povrchem. h 0 = 10m v 0 = 7m.s -1 h = 50m n = 0,18 v =? m.s -1 Řešení Jak známo, z každého pravidla existuje výjimka. Ani u vztahu pro rychlost větru v závislosti na výšce tomu není jinak. Pokud stojí větru v cestě kopec, je rychlost větru blíže terénu větší než

9 ve vyšších výškách. Proč? Na to nám odpoví následující obrázek. Vlivem překážky dojde ke zhuštění větrných proudnic, a proto i k nárůstu rychlosti větru. Teď už tedy také víme, proč je účelné stavět větrné elektrárny na kopcích, pokud je to možné. Křivka četnosti rychlosti větru Údaj o průměrné rychlosti větru je sice důležitým ukazatelem, ovšem pro stanovení výkonu a energie to rozhodně nestačí. Důvod je ten, že rychlost větru se neustále mění, a to někdy i v průběhu velmi krátkých časových intervalů. A jak se křivka četnosti větru prakticky sestrojuje? Při nepřetržitém měření se získávají informace o hodinových průměrech větru. Z nich se dá určit, jakou část doby vítr vane určitou rychlostí. Příklad křivky četnosti větru vidíme na obrázku. Na vodorovné ose jsou vyznačené rychlosti a na svislé ose je poměrná doba, kdy vítr vane uvedenou rychlostí.

10 Pomocí metod matematické statistiky lze z tohoto grafu určit střední rychlost větru. Existují i další možnosti, jak vyjádřit a znázornit rozdělení četností rychlosti větru. Jedna možnost je tzv. distribuční charakteristika rychlostí větru. Její tvar je závislý na průměrné rychlosti větru i na místních podmínkách. Tuto funkci lze zevšeobecnit, a pokud nejsou k dispozici přesnější údaje, předpokládá se, že ve dvou místech, kde je stejná průměrná rychlost větru a podobný charakter proudění, se vyskytuje stejně často i vítr o určité rychlosti. Další možností je na vodorovnou osu vynést rychlost větru a na svislou osu poměrnou dobu, kdy vítr foukal danou rychlostí a rychlostí menší.

11 Větrná mapa ČR Ústavem fyziky atmosféry Akademie věd České republiky byla vypracována studie podmínek větrného proudění na území České republiky. Součástí studie je i větrná mapa České republiky. Je zřejmé, že není možné pokrýt měřeními celou republiku s neomezenou hustotou. Je využívána síť meteorologických stanic a zbytek hodnot je dopočítáván. Nejznámější jsou tři modely. VAS větrný atlas. Výstupem modelu byl soubor základních charakteristik pro oblast velikosti 2 x 2 km, mezi které je možno řadit průměrnou roční rychlost větru ve výšce 10 m, pravděpodobnou chybu, profil rychlosti větru do výšky 70 m pro čtyři typy parametru drsnosti a při zadání typu větrné elektrárny a výšky stožáru umožňuje model provést výpočet roční výroby elektrické energie. WAsP - Velkou výhodou tohoto modelu je menší časová náročnost výpočtu než u numerických modelů proudění. Teoreticky lze model aplikovat v jakémkoli horizontálním rozlišení, hranici tak určuje přesnost zpracování vstupních dat. S geografickými daty, jaké jsou v dnešní době k dispozici, má možnost používat rozlišení 100 x 100 m sítě modelovaných bodů. Hybridní model VAS/WAsP - Tento model kombinuje výhody obou předchozích modelů VAS (schopnost kvalitní velkoprostorové interpolace) a WAsp (vyhodnocení místních podmínek). A nyní se pojďme podívat na konkrétní větrné mapy. Mimo jiné je z nich patrné, že záleží i na směru proudění.

12

13

14 Nevýhody větrných elektráren V následujících odstavcích jsou uvedeny nejčastěji diskutované problémy větrných elektráren. Nevypočitatelnost a nestálost dodávek energie Větrné elektrárny jsou závislé na aktuálních povětrnostních podmínkách. Hluk Hluk může být vyvolán strojovnou elektrárny, přičemž množství hluku závisí na kvalitě výroby jednotlivých technologických částí a na uložení a kapotáži zařízení, popřípadě může jít o hluk aerodynamický, vznikající interakcí proudícího vzduchu s povrchem listů rotoru a uvolňováním vzdušných vírů za hranou listů. Tento hluk je snižován modernější konstrukcí listů vrtule nebo variantností typů rotorů. Součástí dokumentace nutné ke stavebnímu povolení bývá i hluková studie a u existujících strojů lze případně provést měření a na jeho základě omezit jejich provoz. Stroboskopický efekt (vliv stínu rotující vrtule) Tento jev se projevuje pouze za slunečného počasí, je-li Slunce nízko nad obzorem - ráno nebo večer. Proto se při umisťování větrných elektráren již ve fázi projektu dbá na to, aby tento rušivý vliv zasahoval lidská obydlí co nejméně. Součástí tohoto problému je i odraz Slunce na lopatkách, který je eliminován díky matným nátěrům. Narušení krajinného rázu Harmonická krajina, jak ji vnímáme, je založena na rovnováze působení člověka a přírody. Vlivem výstavby velkých větrných elektráren, viditelných až do vzdálenosti několika desítek kilometrů, může docházet k narušení estetického obrazu krajiny. To, že jsou větrné elektrárny vidět, ale ještě neznamená, že pohled do krajiny hyzdí. Někomu se prostě větrné elektrárny líbí, a někomu ne.

15 Rušení zvěře a nebezpečí pro ptáky Podle studií otáčející se lopatky větrných elektráren představují pro ptáky pouze malé riziko. Turbína je pro ně viditelná překážka a komplikace se mohou vyskytnout v noci nebo za mlhy. Rušení zvěře bylo zpochybněno. Mimo to, každý projekt větrných elektráren v ČR prochází posouzením vlivu na životní prostředí (EIA), jehož součástí je také hodnocení vlivu na faunu. Ve sporných případech může úřad zajišťující ochranu přírody nařídit speciální ornitologické studie. Rušení televizního a radiového signálu Tento problém může nastat. Záleží na pozici televizního vysílače, elektrárny a domů, které mají anténu. Problém ohrožuje převážně blízké okolí elektrárny.

16 Konstrukční vady, bezpečnost provozu Problém se týká zejména odletujících kusů ledu v důsledku námrazy na lopatkách rotoru. Výrobci se snaží tento problém řešit tak, že se standardně k větrným elektrárnám dodává počítačový program, který hlídá parametry větru a výkonu. Když se na hladkých plochách lopatky objeví námraza, počítač ji podle poklesu výroby elektřiny zjistí a elektrárnu odstaví. Dalšími standardními bezpečnostními prvky jsou antivibrační čidla. Dlouhé lopatky, které zachytávají energii větru, jsou citlivě vyváženy a kontrolovány, zda u nich nedochází k vibracím, které by ohrožovaly chod stroje a snižovaly jeho životnost. Třetím způsobem kontroly námrazy je instalace námrazového čidla, které sleduje jen tvorbu námrazy. Pokud je námraza zjištěna, zašle zařízení signál do centrálního ovládání elektrárny a stroj je odstaven z provozu. Ale ani tato řešení nevylučují všechna rizika. Určité riziko, které může ohrozit bezpečnost provozu větrných elektráren, vzniká při bouřkách, jak přímým úderem blesku do větrné elektrárny (při něm může dojít k mechanickému poškození listů rotoru a k elektrickému poškození silnoproudého a elektrického zařízení), tak nepřímými údery do okolí elektrárny. Poměrně časově a finančně náročná předrealizační fáze. Při stavbě větrné elektrárny o vyšších výkonech je nutné vynaložit poměrně vysoké investiční náklady. Návratnost vložených finančních prostředků je závislá na využití vyrobené elektrické energie. Kinetická energie větru a její výkon Je jasné, že vzduch něco váží. Když fouká, má i svoji rychlost. Z toho plyne, že má i svoji kinetickou energii. Právě část této energie může být využita při výrobě elektrické energie. Na začátku je dobré vědět, že uvedené vzorce slouží pouze pro orientační stanovení výkonu. Pro přesné výpočty je nutno brát v úvahu mimo jiné i geometrickou charakteristiku listů rotoru, přesné stanovení všech účinností, rozdílnou rychlost větru daleko před rotorem a v rovině rotoru. Takové výpočty lze provádět pomocí speciálních programů na počítači. Kinetická energie proudícího vzduchu se vyjadřuje vztahem: E k kinetická energie vzduchu *J+ m hmotnost vzduchu [kg] v rychlost větru *m s -1 ] Výkon větru lze vypočítat ze všeobecných vztahů

17 P výkon vzdušného proudu *W+ t čas *s+ ρ hustota vzduchu *kg m -3 ] Q objemový průtok vzduchu *m 3 s -1 ] Jelikož výkon větru je funkcí rychlosti větru, hustoty vzduchu a velikosti plochy, kterou proudí, lze uplatnit vzorec: S plocha, která je kolmá k proudícímu vzduchu *m 2 ]. Z uvedeného vztahu vyplývá, že výkon větru stoupá se třetí mocninou rychlosti větru. Při tlaku Pa a teplotě 20 C se obvykle za hustotu vzduchu dosazuje přibližná hodnota 1,2 kg m -3. Závislost výkonu větru proudícího plochou 1 m 2 na jeho rychlosti.

18 Pokud dosadíte uvedené hodnoty do vzorce, od grafu skutečné závislosti se výsledek mírně liší (o necelých 10 %). Je to dáno zejména zjednodušením při odvozování vzorců. Vzpomínáte na první věty tohoto studijního článku? Je tam uvedeno, že vzorce jsou orientační. Rozdělení větrných elektráren Větrné elektrárny můžeme dělit podle různých kritérií. Seznámíme se s nimi v tomto studijním článku. Podle koncepce uložení rotoru Větrné elektrárny s vertikální (svislou) osou rotace V praxi se tento typ elektráren příliš neuplatnil, protože u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, které značně snižuje jejich životnost. Další nevýhodou je malá výška rotoru nad terénem. Z toho plyne menší rychlost, a tedy nízká účinnost rotoru. Jejich výhodou je, že se rotor nemusí nastavovat do směru větru. Jeden z typů je tzv. Savoniův rotor. Jeho jednoduchá konstrukce je patrná z přiloženého videa. Druhým typem rotoru se svislou osou je tzv. Darrieův rotor. Větrné elektrárny s horizontální (vodorovnou) osou rotace Tento typ elektráren je v současné době nejrozšířenější. Do tohoto typu elektráren můžeme zařadit větrné elektrárny s vrtulí a lopatkovými koly. Rotor se nastavuje kolmo na směr větru a listy rotoru jsou umístěny vysoko nad zemí. Účinnost těchto rotorů je vyšší. Podle aerodynamického principu Větrné elektrárny pracující na odporovém principu Tyto elektrárny patří mezi nejstarší a mohou mít horizontální i vertikální osu otáčení. Vertikální osu otáčení má již zmíněný odporový rotor Savoniův. Jejich podstatou je, že plocha nastavená proti větru mu klade aerodynamický odpor, proud vzduchu zpomaluje a vzniklá síla způsobuje rotační pohyb. Větrné elektrárny pracující na vztlakovém principu Mezi větrné elektrárny pracující na vztlakovém principu patří jak vrtule a lopatková kola s horizontální osou rotace, tak elektrárny s vertikální osou rotace, např. již zmíněný rotor Darrieův. U rotorů pracujících na vztlakovém principu jsou listy rotoru tvarované tak, aby vznikla potřebná vztlaková síla uvádějící rotor do pohybu.

19 Podle výkonu větrných elektráren N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Malé větrné elektrárny Za malé větrné elektrárny se považují turbíny s nominálním výkonem menším než 60 kw a s průměrem vrtulí do 16 m. Nejvýznamnější kategorií jsou elektrárny do10 kw, které lze dále rozdělit takto: Mikroelektrárny, s výkonem zhruba do 2,5 kw a průměrem vrtulí od 0,5 m do 3 m, jsou zařízení na výrobu stejnosměrného proudu při napětí 12 V nebo 24 V, které jsou výhradně určeny pro dobíjení baterií. Takto nahromaděná energie může sloužit k osvětlení, k napájení komunikačních systémů, rádiových a televizních přijímačů a dalších elektrických spotřebičů. Elektrárny s nominálním výkonem v rozsahu 2,5 kw až 10 kw a průměrem vrtulí od 3 m do 8 m. Jedná se o zařízení mající výstupní napětí 48 V až 220 V, určená pro vytápění domů, pro ohřev vody, případně pro pohon motorů. Střední větrné elektrárny Za střední větrné elektrárny se považují turbíny s nominálním výkonem v rozsahu 60 kw až 750 kw a s průměrem vrtulí od 16 m do 45 m. Velké větrné elektrárny Za velké větrné elektrárny jsou považovány turbíny s nominálním výkonem v rozsahu 750 kw až 6400 kw a s průměrem vrtulí od 45 m do 128 m. Jsou určeny k dodávce energie do veřejné rozvodné sítě. Větrná elektrárna větrný motor a generátor elektrického proudu Působením aerodynamických sil na listy rotoru převádí větrná turbína umístěná na stožáru energii větru na rotační energii mechanickou. Ta je poté přenášena přes převodovku do generátoru, kde se mění na elektrickou energii. Větrné elektrárny mají zpravidla tyto základní části: Rotor Gondola Stožár Přípojka k elektrické síti

20 Schéma částí větrných elektráren. Rotor Existují čtyři typy rotorů podle osy rotace: Vrtule Je rychloběžný typ větrného rotoru s horizontální osou rotace. Je to technické zařízení, které slouží k přeměně energie rotačního pohybu na tah nebo naopak tah na rotační pohyb. Je tvořena dvěma nebo třemi listy uchycenými na rotoru. Listy jsou vyrobené ze sklolaminátu a jsou zkonstruovány tak, aby jejich optimální tvar umožňoval efektivní přenášení síly větru na rotor s největší dosažitelnou účinností 40 % až 45 %. Průměr listů rotoru se pohybuje od 25 m do 150 m. Vrtule se používá pro výrobu třífázového proudu.

21 Schéma provedení vrtulí: a) jednolistá, b) dvoulistá, c) třílistá. Lopatkové kolo Je pomaloběžný typ větrného rotoru s horizontální osou rotace. Počet lopatek bývá 12 a 24, což způsobuje, že se rotor začne otáčet už při nízkých rychlostech větru (2 m s -1 až 7 m s -1 ). Běžný průměr lopatkového kola je 5 m až 8 m a jeho účinnost se pohybuje v rozmezí 20 % až 43 %. Používá se pro pohon vodních čerpadel a pro výrobu elektrického proudu pro vlastní spotřebu. Nevýhodou je poměrně těžký rotor, protože jeho nosným prvkem je ocelový rám. Lopatkové kolo. Darrieův rotor Byl patentován v roce Jedná se o rychloběžný typ rotoru skládající se ze dvou či více křídel, které rotují kolem vertikální osy. Křídla mohou v průběhu rotace vytvářet válcovou, kuželovou, kulovou nebo parabolickou plochu. Účinnost Darrieova rotoru je až 38 % a používá se pro výrobu stejnosměrného i střídavého proudu. Nevýhodou je špatná schopnost rozběhu. Různé podoby Darrieova rotoru se svislou osou rotace.

22 Savoniův rotor Byl patentován v roce Patří mezi pomaloběžné větrné rotory s vertikální osou rotace. Je tvořen dvěma plochami ve tvaru půlválců, které jsou navzájem přesazeny. Rotor pracuje na tlakovém principu využívajícím rozdíl tlaků působících na vypouklou a dutou stranu půlkruhových lopatek. Maximální účinnost Savoniova rotoru je 23 %. Používá se pro výrobu stejnosměrného proudu a k čerpání vody. Výhodou jsou dobré rozběhové vlastnosti, jednoduchost a levnost výroby. Schéma Savoniova rotoru a princip jeho činnosti. Součástí rotoru je i systém regulace vrtule, který má za úkol udržovat požadované otáčky vrtule, případně vrtuli zabrzdit. Rozlišují se systémy s pevnou vrtulí, vybavené aerodynamickou brzdou, která se vychýlí v případě vysokých otáček rotoru a systémy s nastavitelnou vrtulí, kde je brzdného efektu dosaženo pomocí mechanismu natáčení listů tak, že dojde ke změně úhlu nastavení listů. Pro zabrzdění rotoru je určena speciální kotoučová brzda, která musí být schopna zastavit rotor, a to i při maximálních možných rychlostech větru. U elektráren malých a středních výkonů je proces brzdění řízen jednoduchým odstředivým regulátorem. Vlastní ovládání brzd může být elektrické, hydraulické a mechanické. Gondola Je hlava větrné elektrárny umístěná na vrcholu stožáru, ve které je uložena celá strojová část větrné elektrárny. Hřídel Je polodlouhá rotační součást zařízení, která slouží k přenosu kroutícího momentu. Jsou na ní připevněny další součásti, které se spolu s hřídelí otáčejí kolem její osy. Sama je k zařízení upevněna pomocí jednoho nebo několika ložisek.

23 Převodovka Slouží k přizpůsobení rychlosti otáček potřebám elektrického generátoru. V současnosti se používají speciální několikastupňové převodovky, na jejichž těleso je obvykle připojena brzda. Z důvodů velké životnosti, nízké hlučnosti a vysoké těsnosti jsou požadavky na kvalitu převodových ústrojí velmi vysoké. Převodovka větrné turbíny. Generátor Slouží k přeměně mechanické energie větru na elektrickou energii. Obvykle se používají třífázové generátory s frekvencí 50 Hz a s napětím 700 V. Generátor větrné turbíny. Generátory používané ve větrných elektrárnách je možné rozdělit na: Stejnosměrné generátory, které jsou vhodné pro malé větrné elektrárny pro dobíjení akumulátorů. Synchronní generátory (alternátory), které jsou vhodné pro střední a velké větrné elektrárny. Jejich výhodou je velká účinnost a schopnost pracovat s velkým rozsahem rychlostí větru. Používají se jako záložní zdroje elektrické energie v případě přerušení dodávky elektrické energie z rozvodné sítě. Asynchronní generátory, které jsou rovněž vhodné pro střední a velké větrné elektrárny, mají oproti synchronním generátorům levnější konstrukci a velmi snadné připojení k síti, nevyžadují totiž složitý připojovací systém. Ten pouze hlídá otáčky a rozhoduje o okamžiku připojení k síti.

24 Pomocná zařízení Mezi pomocná zařízení se obvykle řadí: Ovládací a kontrolní systém (řídící elektronika), který lze rozdělit na část technickou, tvořenou řídícím počítačem a ovládacími prvky na řídícím panelu, a část programovou, což je speciálně vyvinutý balík programů určený ke sledování a ovládání jednotlivých částí větrné elektrárny a režimů jejich činnosti. Na řídícím panelu lze snadno sledovat i údaje ze soustavy čidel umístěných na jednotlivých částech větrné elektrárny. Tato čidla sledují například vznik nadměrných vibrací způsobených námrazou nebo poškozením rotoru, teplotu ložisek, otáčky rotoru, vychýlení brzd, okamžitý výkon generátoru atd. Jednoduše lze říci, že ovládací a kontrolní systém kontroluje údaje o chodu celého zařízení a chrání jej před poškozením. Systém natáčení strojovny větrné elektrárny do směru větru slouží k dosažení co největšího výkonu. K zajištění správné orientace rotoru vzhledem ke směru větru se standardně používá některý z uvedených způsobů: 1. Umístění rotoru na závětrné straně gondoly výsledná aerodynamická síla, působící na rotor jako celek, vyvolává moment síly, který jej natáčí stále kolmo na směr větru. Tento způsob se používá pouze u menších rychloběžných větrných elektráren s výkony do několika desítek kilowatt. 2. Ocasní plocha (kormidlo) podstata spočívá v tom, že gondola větrné elektrárny je opatřena plochou specifického tvaru a velikosti, pevně spojenou s rámem gondoly. Při změně směru větru dojde ke vzniku točivého momentu, který uvede větrnou elektrárnu požadovaným směrem. Uvedený způsob se využívá zejména u malých větrných elektráren o výkonu do 5 kw. 3. Boční pomocné rotory jsou tvořeny dvojicí lopatkových kol, která se při změně směru větru roztočí a natočí strojovnu větrné elektrárny do požadované polohy. Nevýhodou je složitá konstrukce. 4. Systém natáčení gondoly jde o servomotor řízený regulačním systémem elektrárny, napojený na anemometr a snímač směru větru. Princip činnosti spočívá v tom, že vyhodnocovací člen sleduje okamžitý směr a rychlost větru a předá signál do elektromotoru, který natočí strojovnu do požadovaného směru. Výhodou je přesné a pozvolné natočení větrné elektrárny. Tento způsob se používá převážně u větrných elektráren velkých výkonů připojených k síti.

25 Uspořádání rotoru za gondolou se samočinnou orientací rotoru. Uspořádání rotoru před gondolou s orientací rotoru pomocí kormidla. Anemometr pro měření směru a rychlosti větru Uspořádání rotoru před gondolou s orientací rotoru pomocí bočních pomocných rotorů. Stožár Je hlavní částí nosného systému větrné elektrárny, kdy rotor spolu s gondolou jsou na stožáru namontovány tak, aby se mohly otáčet okolo vertikální osy do směru větru. Konstrukce stožáru velmi úzce souvisí s velikostí a typem větrné elektrárny. Obecně se dá říci, že se zvětšováním výkonu turbín se zvyšují stožáry, a to v současné době na 100 až 120 m. Při návrhu jakéhokoliv stožáru je nutno řešit problém vlastní frekvence celého systému. Nesmí být v oblasti vlastních otáčkových frekvencí, protože by hrozilo rozkmitání konstrukce a nebezpečí jejího porušení. Pro dosažení co největší pevnosti a nejmenšího odporu jsou konstruovány tzv. stožáry tubusové, které jsou vyrobené z oceli nebo betonu. Dále jsou nabízeny i tzv. příhradové stožáry, u kterých je ale nutné vybudovat speciální přístrojovou skříňku. U menších elektráren se můžeme setkat jen s trubkou ukotvenou lany. Větrné motory vztlakové Větrné motory s vodorovnou osou pracující na vztlakovém principu jsou nejrozšířenějším typem motorů používaných pro výrobu elektrické energie. Lze je dělit do tří základních skupin:

26 Klasické větrné mlýny N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Rotor s lopatkami byl nastavován proti větru tak, že se s jeho uložením natáčela střecha nebo celá horní dřevěná část budovy. Výkon větrného motoru se řídil změnou velikosti pracovní plochy lopatek. Jejich dřevěná kostra byla obvykle zakryta několika menšími plachtami, které bylo možno jednotlivě svinovat. U jiných typů se výkon omezoval vychýlením rotoru z optimálního nastavení proti větru. Pomaloběžné větrné motory Pomaloběžné větrné motory se objevily kolem roku 1870 v USA. Sehrály významnou úlohu zejména při osidlování západní části Spojených států. Používaly se k pohonu vodních čerpadel, pro potřebu farem i pro napájení dobytka. Vyráběly se a dosud vyrábějí až do průměru rotoru kolem 9 m. Byl vyroben i rotor s průměrem 15 m. Díky jejich velké hmotnosti, velké ploše vystavené náporu větru, nárokům na regulaci a celkovému namáhání konstrukce není účelné dále zvětšovat jejich průměr.

27 Rychloběžné větrné motory Rychloběžné větrné motory mají rotor provedený nejčastěji jako dvou anebo třílistou vrtuli s pevnými nebo natáčecími listy. Současné rychloběžné větrné motory se používají především na výrobu elektrické energie. Mohou však pohánět přímo také kompresory, odstředivá čerpadla a jiné pracovní stroje. Návrhová rychlost větru Při návrhu větrné elektrárny se lze dopustit velmi závažné chyby. Máme-li k dispozici generátor o určitém výkonu, převodovku s určitým převodovým poměrem a chceme navrhnout vrtuli, která by splňovala naše výkonové a otáčkové požadavky. Výpočtové správnosti lze pak dosáhnout volbou jmenovité rychlosti větru, která je ale naprosto nereálná. Není účelné volit jmenovitou rychlost větší než 2,5násobek průměrné rychlosti větru, neboť množství nevyužité energie při vysokých rychlostech nebude významné. S ohledem na velikost převodového poměru se volívá rychloběžnost větrného motoru trochu větší, než je optimální. Někdy je účelné volit výrazně menší jmenovitou rychlost větru a jmenovitý výkon, jen o málo větší, než je průměrná rychlost větru. Takto postupujeme v případech, kdy je potřeba dosahovat tohoto výkonu po co nejdelší část roku. Rychloběžnost Rychloběžnost e definována jako poměr obvodové rychlosti konce listů rotoru a rychlosti větru před rotorem. Maximální hodnota rychloběžnosti elektrárny je omezena hlučností rotoru, která s obvodovou rychlostí značně roste. Obecně se dá říci, že čím menší je počet listů, tím vyšší bývá hodnota rychloběžnosti (třílisté rotory pracují nejčastěji s rychloběžností λ = 6). Na hodnotě rychloběžnosti závisí účinnost větrných motorů. Již jsme se seznámili se skutečností, že existuje celá řada typů větrných motorů. Jak jejich účinnost závisí na hodnotě rychloběžnosti? O tom si povíme více v článku Účinnost větrných motorů.

28 Výpočet hlavních rozměrů vztlakového větrného motoru pro daný výkon Je-li třeba pro požadovaný výkon při jmenovité rychlosti větru stanovit průměr rotoru d *m+, pak: c p výkonový součinitel udává, jaká část větrné energie se mění na mechanickou energii (v ideálním případě roven 0,593, reálně méně), a je závislý na tom, v jaké míře rotor snižuje rychlost protékajícího vzduchu, je definovaný vztahem: a vtokový faktor, který je definovaný vztahem: v 0 rychlost větru před rotorem *m s -1 ], v 1 rychlost větru v rovině rotoru *m s -1 ], λ 0 rychloběžnost rotoru. Stejně jako je průměr rotoru d závislý na výkonu větrné elektrárny, budou na něm závislé i otáčky, jak ukazuje následující vztah: Účinnost větrných motorů Pro klasické větrné mlýny lze dosáhnout reálné účinnosti kolem 30 % při rychloběžnosti mezi hodnotami 2 až 3. Pro klasické pomaloběžné větrné motory lze dosáhnout účinnosti zhruba 30 % při rychloběžnosti rovné 1. Existují i speciální typy pomaloběžných motorů s účinností 37 % při rychloběžnosti 1,5.

29 Pro rychloběžný motor byl odvozen vztah pro maximální využití kinetické energie větru. Z něj plyne, že maximální využití je 59,3 %. Tato hodnota je teoretická maximální. Ve skutečnosti je třeba zahrnout další ztráty, například tření při rotaci rotoru atd. U moderních motorů tohoto typu je reálná dosažitelná účinnost 35 % až 45 %. Účinnost závisí mimo jiné na hodnotě rychloběžnosti. Největší je právě těch cca 45 % pro rychloběžnost 6 a více. Závislost účinnosti větrných motorů na rychloběžnosti Přibližný výpočet ročního množství vyrobené elektřiny Pokud chceme získat představu o základních technických parametrech libovolného typu větrné elektrárny, je možné použít následující vzorce. Pro určení jmenovitého výkonu větrné elektrárny je vhodné využít vztahu:

30 P j jmenovitý výkon rotoru *W+ S velikost plochy rotoru, daný vztahem [m 2 ] ρ hustota vzduchu *kg m -3 ] v j jmenovitá rychlost větru *m s -1 ] c p výkonový součinitel K základnímu vyhodnocení užitné hodnoty větrných elektráren je potřeba znát hodnoty těchto parametrů: Koeficient ročního využití energetického zdroje ukazuje, nakolik je v průběhu roku využíván instalovaný výkon energetického zdroje. Počítá se jako poměr mezi skutečným množstvím vyrobené energie a teoretickým maximálním množstvím elektřiny vyrobeným za předpokladu, že by elektrárna pracovala se jmenovitým výkonem hodin v roce (tedy stále): k r koeficient ročního využití instalovaného výkonu *%+ W r celoroční výroba elektrické energie [kwh] P i instalovaný výkon *kw+ Měrná výroba elektřiny wr *kwh r -1 kw+ srovnává celoroční výrobu W r s instalovaným výkonem. Jedná se o využití 1 kw instalovaného výkonu během jednoho roku. Průměrný roční výkon Pr *kw, MW, GW+, který hodnotí celoroční uplatnění instalovaných elektráren ve výrobě elektrické energie, lze určit pomocí vztahu: Celoroční výroba elektrické energie Wr [MWh, MWr] je dána vztahem:

31 Měrné investiční náklady vztažené k průměrnému celoročnímu výkonu určíme ze vzorce: c ir měrné investiční náklady *Kč kwh r -1 ] C i investiční náklady *Kč+ Způsoby využití elektrické energie vyrobené ve větrné elektrárně Vzhledem k tomu, že výkon větrných elektráren je velmi závislý na síle a rychlosti větru, volí se taková připojení, která umožňují maximální a časově nepodmíněné využití energie. Existují dvě možnosti: bez připojení k rozvodné síti, s připojením k rozvodné síti. Bez připojení k rozvodné síti (grid off) Systémy nezávislé na rozvodné síti, nebo také autonomní systémy, slouží objektům, které nemají možnost se připojit k rozvodné síti. Jedná se o elektrárny, které lze využít takto: Větrná elektrárna jako zdroj pro nabíjení akumulátorů Tento způsob zapojení se využívá zejména pro elektrárny s výkonem přibližně od 300 W do 5 kw. Vyrobená elektrická energie se ukládá v akumulátoru a kdykoliv později může být využita buď jako rozvod stejnosměrného proudu s nízkým napětím (12 V nebo 24 V) pro osvětlení, rozhlasový přijímač, nebo lze energii z elektrárny používat k napájení spotřebičů s napětím 220 V (počítač, televize, lednička), podmínkou je ale zapojení měniče napětí. Větrná elektrárna jako zdroj pro akumulační kamna a ohřev vody Tento způsob zapojení se většinou využívá pro větrné elektrárny s výkonem vyšším než 3 kw. Kvůli nestálosti větru je nelze použít k napájení běžných elektrospotřebičů, ale takto vyrobená energie se ukládá ve formě tepla ohříváním vložek akumulačních kamen nebo vody v bojleru. Legenda: 1. Kotel (plyn, elektro, ); 2. Výměník teplé užitkové vody; 3. Výměník ústředního topení; 4. Ohřev bazénu; 5. Větrná elektrárna Zapojení malé větrné elektrárny do stávajícího systému ohřevu teplé užitkové vody a topení. Autonomní systémy je možno doplnit fotovoltaickými panely pro léto, kdy je méně větru.

32 S připojením k rozvodné síti (grid on) Větrná elektrárna využívána jako doplňkový zdroj Tento způsob zapojení se využívá pro větrné elektrárny s výkonem vyšším než 5 kw. Takto vyrobená elektřina je pomocí regulačního zařízení přizpůsobena potřebám spotřebičů. Je-li instalovaný výkon větrné elektrárny menší než vlastní spotřeba, odebírá uživatel energii ze sítě. Naopak, když elektrárna vyrábí větší množství elektřiny, má provozovatel možnost dodávat elektřinu do rozvodné sítě. Provozovatel pak vedle standardního elektroměru, který měří odběr ze sítě, používá ještě elektroměr druhý, který měří jeho dodávku do sítě. Rozvodným závodům pak zaplatí případný rozdíl mezi množstvím energie určené jako odběr pro vlastní spotřebu a dodávkou elektřiny z větrné elektrárny do sítě. Prodej přebytků elektrické energie do rozvodné sítě. Větrná elektrárna sloužící k prodeji elektřiny do sítě Větrné elektrárny dodávající energii do rozvodné sítě jsou v současné době nejrozšířenější a používají se v oblastech s velkým větrným potenciálem. Slouží výhradně pro komerční výrobu elektřiny, kdy provozovatel větrné elektrárny všechnu vyrobenou elektřinu prodává do sítě a sám ji nespotřebovává. Prodej veškeré vyrobené elektrické energie do rozvodné sítě.