VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY SE SAVONIOVÝM ROTOREM BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR ZDENĚK BUKÁČEK BRNO 2007

2 Anotace ANOTACE Bakalářská práce se zabývá tématem větrných elektráren se zaměřením na elektrárny se Savoniovým rotorem. Práce obsahuje historii větrných elektráren, rozdělení s uvedeným konstrukčním uspořádáním, ale také porovnání Savoniových elektráren s ostatními typy z hlediska účinnosti. ANOTATION This thesis is concerned with wind power station with regard to stations with Savonius rotor. The thesis contains a history of wind power stations, division with the introduced design construction, but also a comparison of Savonius turbines with others types of turbines in terms of efficiency. 5

3 6

4 Bibliografická citace BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BUKÁČEK, Z. Větrné elektrárny se Savoniovým rotorem. Brno, VUT-FSI., 2007, 34s. 7

5 8

6 Čestné prohlášení ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tuto bakalářskou práci Větrné elektrárny se Savoniovým rotorem jsem vypracoval samostatně. Veškeré literární prameny a informace, které jsem v práci využil, jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Zdeněk Bukáček V Brně dne 17. Května

7 10

8 Obsah OBSAH ÚVOD 12 1 HISTORICKÝ PŘEHLED VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN Historie větrných elektráren Historie větrných elektráren se Savoniovým rotorem 16 2 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN Podle aerodynamického principu Větrné motory pracující na odporovém principu Větrné motory pracující na vztlakovém principu Podle velikosti Mikroelektrárny Malé větrné elektrárny Středně velké větrné elektrárny Velké větrné elektrárny Podle typu generátoru Stejnosměrné Asynchronní Synchronní 25 3 SROVNÁNÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN PODLE ÚČINNOSTI 26 4 ZÁVĚR 29 5 POUŽITÉ ZDROJE 30 6 POUŽITÉ ZKRATKY, SYMBOLY A VELIČINY 32 7 OBRÁZKY A GRAFY 33 8 SEZNAM TABULEK 34 11

9 Úvod ÚVOD Využívání a získávání energie má podstatný vliv na úroveň lidské společnosti a na její životní prostředí. V současné době jsou nejvíce využívány neobnovitelné zdroje energie jako např. fosilní paliva a uran, které se pod zem ukládaly desítky miliónů let. Tyto zdroje však ve výrazně kratším čase lidstvo vyčerpá [5]. Proto se pozornost začíná obracet k získávání energie z alternativních zdrojů, a to hlavně k zdrojům obnovitelným, do kterých patří i energie větru. Vítr je zdroj nevyčerpatelný, vzniká v důsledku dopadajícího slunečního záření, a to kvůli teplotním rozdílům v jednotlivých částech atmosféry. Přeměna kinetické energie proudícího vzduchu na rotační mechanickou energii, která je poté pomocí generátoru zdrojem elektrické energie, je realizována v důsledku působení aerodynamických sil na listy rotoru větrné turbíny. Větrná energie se především používá k výrobě elektrické energie. U malých větrných elektráren, s menším výkonem, se elektrická energie využívá zejména k vlastní spotřebě výrobce např. k vytápění objektů, osvětlení, ohřevu vody, k čerpání vody. Velmi výhodné je využít malou elektrárnu v místech bez přípojky elektrické energie ze sítě, jako např. chaty a jiná rekreační zařízení. Větrné elektrárny s větším výkonem se především staví pro využití elektrické energie více odběrateli. Na základě smlouvy s majitelem rozvodné sítě elektrické energie, je u větších zařízení možnost dodávat energii i do rozvodných sítí. Větrné elektrárny neničí krajinu jako např. uhelné doly, nevyrábí žádný odpad jako např. jaderné elektrárny, produkují čistou energii bez exhalací oxidu uhličitého, jehož Česká republika, s asi 12 tunami na obyvatele vypouští do ovzduší rekordní množství, a který je hlavní příčinou globálních změn podnebí [5]. Podle větrné mapy České republiky (obr. 1) je výstavba větrných elektráren do značné míry omezená, neboť výhodné povětrnostní podmínky (nad 5m/s) se až na výjimky nacházejí v oblastech s nadmořskou výškou nad 600 m. n. m., tedy v horských pásmech a na území Českomoravské vrchoviny [3]. Využití všech oblastí, kde je rychlost větru větší než 4,8m/s, by umožnilo v ČR vyrobit až 5TWh elektrické energie, což je v současnosti 8,5% spotřeby veškeré elektrické energie [3]. Obr. 1 Větrná mapa České republiky [4] 12

10 Úvod Zahraniční státy ukazují, že výroba elektrické energie prostřednictvím větrných elektráren umožní na 100 vyrobených gigawatthodin elektrické energie až 45 pracovních pozic, to znamená, že přináší až čtyřikrát více pracovních míst než je tomu u výroby elektřiny z fosilních paliv [5]. Větrné elektrárny by podle studie zpracované Evropskou komisí (Tab. 1) v roce 2010 vytvořily až pracovních míst a sektor všech obnovitelných zdrojů energie až 245 tisíc pracovních příležitostí [5]. Tab. 1 Předpokládaný vývoj výroby energie z obnovitelných zdrojů [5] Druh obnovitelného zdroje Výroba v roce 2001 [GWh] Předpokládaná výroba v roce 2010 [GWh] Větrné elektrárny 0,6 930 Malé vodní elektrárny (do10mw) Velké vodní elektrárny Elektrárny spalující biomasu Elektrárny využívající geotermální energii 5, Fotovoltaické elektrárny 0 15 Celkem

11 Historický přehled větrných elektráren HISTORICKÝ PŘEHLED VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN 1.1 Historie větrných elektráren Sílu větru poprvé využily Egypťané k pohonu svých lodí už 5000 let př. n. l. [6]. Na pevnině se vítr začal využívat v Persii a Číně kolem roku 700 n. l., kdy byli postaveny první větrné mlýny [6]. Do Evropy se poprvé dostávají prostřednictvím Arabů v 10. století [6]. První větrný mlýn postavený na území Čech, Moravy a Slezska je datován v roce 1277 v zahradě Strahovského kláštera v Praze [7]. Na našem území se větrná energie nejvíce využívala v 18. a 19. století, kdy zde mlelo bezmála 900 větrných mlýnů [8]. Z tohoto počtu se do dnešních dob dochovalo pouhých 72 staveb [8]. Například Holandsko má stovky mlýnů i v dnešní době, a až na výjimky jsou všechny v dokonalém stavu a funkční. Pro tuto zemi se také však staly jedním ze symbolů. Větrné mlýny sloužily především k mletí obilí, šrotování, ale i k drcení kůry (obr. 1.1). Obr. 1.1 Větrný mlýn, tzv. holandský typ [9] První člověk, který dokázal postavit větrný motor, vyrábějící elektrickou energii byl Poul la Cour ( ) [6]. Podařilo se mu to v roce 1891 [6]. Tyto motory pracovali na odporovém principu, kdy se proudící vzduch opírá do lopatky, která mu klade odpor a tím se vytváří síla, která otáčí rotorem. Podobný princip se používal i k zavlažování půdy a k odvodňování mokřin. Větrné motory pracující na vztlakovém principu, kdy vítr lopatku obtéká, se poprvé objevují kolem roku V Kalifornii, v průsmyku San Gorgonio byla v 80. letech vybudována jedna z prvních větrných farem, postavena z 3500 turbín a fungující dodnes [6]. Výkon těchto farem je dost různý, od několika stovek kilowattů (1x10 3 wattů) až po jednotky terawattů (1x10 12 wattů) [6]. Jedna z největších farem je vybudována v průsmyku Tehachapi (obr. 1.2), který je jedním z největrnějších míst na Zemi. Roční výkon této elektrárny činí 1,3 TWh [6]. Obr. 1.2 Větrná farma v Tehachapi [6] 14

12 THistorický přehled větrných elektrárent V Evropě jsou některé z těch menších farem postaveny například ve Velké Británii. Na našem území můžeme najít řadu lokalit, kde se větrné elektrárny používají. První větrná elektrárna u nás byla postavena v Lipnici nad Sázavou v roce 1910 [10]. První větrná elektrárna, která byla připojena do rozvodné sítě byla postavena v roce 1993, leží v Krušných horách v obci Dlouhá Louka u Oseku a její výkon činí 315kW [11]. V České republice je k nainstalováno celkem 60 větrných elektráren o celkovém výkonu 50,8MW [13]. Národní cíl je, aby se v roce 2010 produkovalo 8% veškeré spotřeby elektrické energie z obnovitelných zdrojů [12]. Tab. 1.1 Výkon větrných elektráren na konci roku 2004 v Ev ropě [12] Německo MW Polsko 63 MW Španělsko MW Lucembursko 35 MW Dánsko MW Lotyšsko 26 MW Itálie MW Turecko 20 MW Nizozemsko MW Česká republika 17 MW Velká Británie 888 MW Švýcarsko 9 MW Rakousko 606 MW Litva 7 MW Portugalsko 522 MW Estonsko 6 MW Řecko 465 MW Chorvatsko 6 MW Švédsko 442 MW Maďarsko 6 MW Francie 386 MW Slovensko 5 MW Irsko 339 MW Kypr 2 MW Norsko 160 MW Bulharsko 1 MW Belgie 95 MW Rumunsko 1 MW Finsko 82 MW EU celkem MW Francouzský letecký inženýr George Jean Marie Darrieus jako první v roce 1930 zkonstruoval větrný motor se svislou osou otáčení (obr. 1.3), který nemusí obsahovat postranní větrné kolo nebo elektromotor sloužící k natáčení rotoru do směru větru, jež byly potřeba u všech předchozích typů větrných elektráren [6]. Z počátku nikdo nepřikládal tomuto jeho zařízení velký význam, ale až energetická krize na počátku 70. let ukázala jak je typ Darrieus potřebný [6]. Výhoda tohoto systému je i ta, že není potřeba nákladná konstrukce otočné hlavy elektrárny tzv. gondoly, která je umístěna na stožáru otočně, aby rotor co nejlépe využil energii větru. Obr. 1.3 Rotor Darrieus se svislou osou se zakřivenými lopatkami ve tvaru Φ [14] 15

13 Historický přehled větrných elektráren Historie větrných elektráren se Savoniovým rotorem Savoniův rotor vynalezl finský lodní inženýr Sigurd J. Savonius v roce 1922 [15]. První Savoniovy rotory, které byly vyrobeny ještě neměli mezi lopatkami mezeru pro vyrovnání tlaku (obr. 1.4). V malých provedeních byl nejvíce používán jako tzv. Flettnerův ventilátor (obr. 1.5), který byl obvykle viděn na střechách nákladních aut, autobusů a používán jako chladící zařízení [15]. Ventilátor vyvinul německý letecký inženýr Anton Flettner a Savoniův rotor použil k pohonu sacího ventilátoru [15]. Ve Velké Británii je na zakázku tento typ ventilátoru stále výráběn. Malý Savoniův rotor byl také někdy používán, aby otáčel reklamními panely [15]. Obr. 1.5 Flettnerův ventilátor [17] Savoniovy rotory jsou používány vždy, když cena nebo spolehlivost je mnohem více důležitá než výkon, například většina anemometrů (obr. 1.6) (měří okamžitou rychlost větru) je konstruována ze Savoniových rotorů [15]. Větší Savoniovy turbíny byly používány k výrobě elektrické energie na bójích, které potřebovaly malý výkon a byly velmi málo udržovány [15]. V 80. letech konstrukce Savoniova rotoru dospěla až k průtažnému třílopatkovému rotoru, který může být použit i pro větší zařízení o výkonu až 2 kw [2]. V současné době se Savoniovy rotory používají pro čerpání vody, k cirkulaci vody v bazénech, pro zavlažování a odvodňování, k plnění a provzdušňování rybníků. V nejnutnějších případech a za velmi příznivých povětrnostních podmínek a s použitím speciálního generátoru je možné vyrábět proud pro lovecké chaty, zahradní domky nebo jiná nepravidelně obývaná místa. Obr. 1.6 Anemometr [18] Obr. 1.4 Starší typ Savoniova rotoru [16] 16

14 Rozdělení větrných elektráren 2 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN 2 Větrné elektrárny lze rozdělit mnoha způsoby. Nejpodstatnější je rozdělení podle aerodynamického principu, který je pro činnost větrného motoru nejdůležitější. 2.1 Podle aerodynamického principu Větrné motory pracující na odporovém principu Nejstarší typy větrných motorů, mohou mít svislou i vodorovnou osu otáčení. Savoniův rotor - typ vodní i větrné turbíny - maximální účinnosti je dosaženo při rychloběžnosti (1) 0,9 až 1 [19] - účinnost až 23% [19] - využití v oblastech výkonů pod 1 kw [2] - využívá se pro výrobu stejnosměrného proudu a čerpání vody Obr. 2.1 Savoniův rotor [1] Konstrukce: Osa otáčení je kolmá na směr proudícího média. Větrná turbína se svislou osou pracuje nezávisle na směru větru. Rotor je tvořen dvojicí nebo trojicí polokruhovitých nebo ledvinovitých lopatek, které jsou uprostřed asi o 20% průměru rotoru přesazeny do protisměru (obr. 2.1), proto, aby část větru právě pasivní lopatky byla přesměrována na přední stranu aktivní lopatky [2]. Lopatky Savoniových rotorů jsou konstruovány z různých materiálů např. plech, plasty zesílené skleněným vláknem, vodovzdorně klížená překližka atd. Savoniovy rotory mohou mít dlouhé šroubovité lopatky, které mají hladký průběh kroutícího momentu (obr. 2.2). Konstrukční výška turbíny je však omezena maximálně na 3m, protože při zkonstruování většího rotoru by hrozilo nebezpečí, že se rotor kriticky rozkmitá do stran [20]. Rotory lze podle uspořádání lopatek zkonstruovat s otáčením doprava nebo doleva (obr. 2.3). Hřídel procházející rotorem má důležitou statickou funkci, přenáší nejen točivý moment z lopatek, ale musí také přijímat ohybové síly způsobené tlakem větru a nevyvážeností. Obr. 2.3 Rotor běžící doleva [2] Obr. 2.2 Šroubovitý Savoniův rotor [20] (1) Rychloběžnost (pomaloběžnost) - je určována podle součinitele rychloběžnosti (λ) a počtu lopatek (z) 17

15 Rozdělení větrných elektráren Výhody Savoniových rotorů: - jednoduché na výrobu, rotor lze zkonstruovat např. z 200litrového barelu [2] - jsou nezávislé na směru větru, není potřeba natáčení do směru větru - využívají široké pásmo síly větru, správně zkonstruovaný Savoniův rotor může využít jak vítr o rychlosti extrémně nízké (2 až 3 m/s), tak i rychlosti vysoké (15 až 25 m/s) [2] - přímo předávají sílu na svislou hřídel, která může vést až k zemi a podle potřeby a síle větru pohánět různé pracovní stroje (při slabém větru lze například čerpat vodu a při silném větru ještě navíc k tomu vyrábět stejnosměrný proud) - jsou vysoce odolné vůči bouřím - několik Savoniových rotorů je možné spojit do většího zařízení s poměrně vysokými otáčkami (obr. 2.4, obr. 2.5) Obr. 2.4 Uspořádání Savoniových rotorů do většího zařízení [21] Obr. 2.5 Uspořádání Savoniových rotorů nad sebou [22] Nevýhody: - neobvyklý, mohutný vzhled - velká hmotnost rotoru, vyžaduje důkladné vyvážení, aby se zabránilo kritickému kmitání při vysokých otáčkách - malá rychloběžnost nízké otáčky a vysoké točivé momenty - malý součinitel využití energie větru (účinnost) - není vhodný pro stavbu velké větrné elektrárny - Savoniův rotor a jiné zařízení se svislou osou nejsou obvykle vhodné pro připojení do elektrické sítě 18

16 Rozdělení větrných elektráren Větrné motory pracující na vztlakovém principu a) Vrtule - mají vodorovnou osu otáčení - orientovány kolmo do směru větru - nejvyšší možná dosažitelná účinnost zařízení je až 45 % [19] - rychloběžný typ větrného motoru, rychloběžnost může dosáhnout až hodnoty 10 [19] - maximální účinnost zařízení při rychloběžnosti 6 (1) [19] - počet listů je obvykle 1 až 4, byly však vyrobeny i jednolisté vrtule s protizávažím (obr. 2.6) [19] - používají se pro výrobu třífázového elektrického proudu Výkon zařízení: P = 0,2 3v 2D [W] [3] (2.1) kde: P [W] v [ m s D [m] 1 ] je výkon zařízení - rychlost větru - průměr vrtule Obr. 2.6 Uspořádání vrtulí větrných motorů: a)jednolistá s protizávažím, b)dvoulistá, c)třílistá [1] Obr. 2.7 Schéma gondoly bez převodovky [23] 19

17 Rozdělení větrných elektráren b) Lopatkové kolo - existují různé typy lopatkových kol, například: tzv. americký typ větrného kola s větším počtem lopatek (obr. 2.8), rotor moderního větrného čerpadla (obr. 2.9), rotor používaný na Krétě (zkonstruován z ráhnů a plachet) (obr. 2.10), rotory typické pro mlýny - mají vodorovnou osu otáčení - počet lopatek (většinou plechových) bývá 12 až 24 [19] - průměr lopatkového kola bývá 5 až 8m [19] - pomaloběžný typ větrného motoru - maximální účinnost lopatkového kola při rychloběžnosti 1 [3] - účinnost 20 43% [19] - využívají se pro výrobu elektrického proudu pro vlastní spotřebu a čerpání vody Výkon zařízení: P = 0,15 3v 2D [W] [3] (2.2) kde: P [W] v [ m s D [m] 1 ] je výkon zařízení - rychlost větru - průměr vrtule Obr. 2.8 Větrné kolo tzv. amerického větrného motoru [24] Obr. 2.9 Rotor moderního větrného čerpadla se šesti plechovými lopatkami [1] Obr Plachtový rotor větrného čerpadla používaný na Krétě [1] 20

18 Rozdělení větrných elektráren Natáčení osy rotoru vrtulí a lopatkových kol rovnoběžně do směru větru: - probíhá samovolně, je-li rovina vrtule za osou natáčení gondoly po směru větru - na závětrné straně (obr.2.11) [1] - u rotoru umístěného před stožárem, proti směru větru na návětrné straně, musí mít gondola orientační zařízení, u menších větrných zařízení kormidlo (obr. 2.12) [1] Obr Uspořádání rotoru (po větru) se samočinnou orientací rotoru [25] Obr Uspořádání rotoru ( proti větru) s orientací rotoru pomocí kormidla [3] c) Darrieův rotor (obr. 2.13) - má svislou osu otáčení - složen ze dvou až čtyř listů, které rotují kolem vertikální osy, listy mají aerodynamický profil a jsou tvarovány tak, aby jejich namáhání odstředivými silami bylo co nejmenší - účinnost až 38% [19] - rotory se svislou osou otáčení není potřeba natáčet do směru větru - v praxi se však příliš neuplatnily, protože u nich dochází k mnohem většímu dynamickému namáhání než u rotorů s vodorovnou osou otáčení, které výrazně snižuje životnost takové elektrárny - další nevýhodou je malá výška rotoru nad terénem, tzn. i menší rychlost větru - používá se pro výrobu střídavého i stejnosměrného proudu Obr Rotor Darrieus se zakřivenými lopatkami ve tvaru Φ [26] 21

19 Rozdělení větrných elektráren Darrieus patentoval a zkonstruoval i další typy vertikálních profilů listů rotorů. Jedním z nejvíce používaných typů je tzv. giromill (obr. 2.14) nebo profil ve tvaru písmene H (obr. 2.15) [1]. Jedná se o rotory, ve kterých dlouhá vejcovitá křídla běžného Darrieova rotoru byla nahrazena rovnými svislými listy připevněnými na hlavní stožár vodorovnými podporami. Rotory typu giromill jsou jednodušší na stavbu, ale křídla mají větší hmotnost. Obr Rotor typu giromill [27] Obr Rotor Darrieus se svislou osou s listy ve tvaru H [1] Konstrukční uspořádání rotoru s prizmatickými listy (obr. 2.16), umožňuje při velké rychlosti větru změnou sklonů listů, a tím i změnou velikosti pracovní plochy, regulovat výkon větrného motoru [1]. Obr Rotor Darrieus s prizmatickými listy [1] 22

20 Rozdělení větrných elektráren 2.2 Podle velikosti Mikroelektrárny nedodávají energii do sítě - výkon v rozsahu 1W až cca 1kW [28] - na svém výstupu dávají napětí 12V nebo 24V [28] - používají se pro napájení jednotlivých zařízení, mohou např. napájet osvětlení reklamních panelů podél dálnic (obr. 2.17), napájet měřiče teploty a hodin apod. - mikroelektrárny, které dosahují výkonu cca 1kW už mohou bez problému napájet chaty a jiná rekreační a podobná stavení Obr Mikroelektrárna [28] Malé větrné elektrárny - obvykle nedodávají energii do sítě - výkon do cca 15 kw [28] - na svém výstupu napětí 230 V (případně 400V) [28] - pro napájení velkých zařízení nebo stavení jako je například běžný rodinný dům (obr. 2.18), velká chata apod. - malé větrné elektrárny o výkonu větším než 1kW již plně dostačují na čerpání vody ze studně a pro následný rozvod do kohoutků v daném objektu Obr Malá větrná elektrárna [29] 23

21 Rozdělení větrných elektráren Středně velké větrné elektrárny (obr. 2.19) - obvykle dodávají energii do elektrické sítě - výkon do cca 100kW [28] - pro napájení několika stavení - většina těchto větrných elektráren má konstantní otáčky, které se regulují natáčením listů rotoru a proměnným převodovým poměrem převodovky - některé typy středních větrných elektráren však mohou mít i proměnné otáčky podle okamžité rychlosti větru - konstrukce střední a velké větrné elektrárny jsou velice podobné, rozdíl je mnohdy jen ve velikosti jednotlivých dílů zařízení a také v provedení gondoly (strojovny) a věže samotné Obr Středně velká větrná elektrárna [28] Velké větrné elektrárny (obr. 2.20) - vždy dodávají energii do elektrické rozvodné sítě - výkon stovky kw až 3MW na jednu větrnou elektrárnu [28] - napětí někdy až v řádu kv [28] - mají asynchronní nebo synchronní generátor, dodávající střídavý proud o napětích 660V a vyšších [28] - jsou i zařízení se speciálním mnohapólovým generátorem, který nepotřebuje převodovou skříň - pro napájení vesnic a měst - velké větrné elektrárny mají dutý tubus věže se schody nebo výtahem a velkou strojovnu Základní části zařízení Popis: 1 - rotor s rotorovou hlavicí, 2 - brzda rotoru, 3 - planetová převodovka, 4 - spojka, 5 - generátor, 6 - servo-pohon natáčení strojovny, 7 - brzda točny strojovny, 8 - ložisko točny strojovny, 9 - čidla rychlosti a směru větru, 10 - několikadílná věž elektrárny, 11 - betonový armovaný základ elektrárny, 12 - elektrorozvaděče silnoproudého a řídícího obvodu, 13 elektrická přípojka Obr Velká větrná elektrárna [12] 24

22 Rozdělení větrných elektráren 2.3 Podle typu generátoru 2.3 Generátory slouží k přeměně kinetické energie větru na elektrickou energii Stejnosměrné vhodné pro malé větrné elektrárny, které produkují stejnosměrné napětí 12 nebo 24V [28] Asynchronní vyrábějí střídavý proud a napětí, můžou se připojit k síti - nepotřebují složitý připojovací systém Synchronní vhodné pro malé, střední i velké větrné elektrárny - mají velkou účinnost, dokáží pracovat s širokým rozsahem rychlostí větru - používají se jako záložní zdroje v případě přerušení dodávky elektrické energie ze sítě 25

23 Srovnání větrných elektráren podle účinností 3 3 SROVNÁNÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN PODLE ÚČINNOSTI Účinnost větrných elektráren závisí především na rychlosti větru. Všechny v současné době používané typy větrných turbín mají minimální využitelnou hranici rychlosti větru (pod tuto hranici už elektrárna není schopna dodávat elektrickou energii do sítě) určenu na přibližně 5m/s [31]. Optimální je rychlost větru 13 až 16 m/s, při této rychlosti dosahují větrné elektrárny největšího výkonu [31]. Maximální využitelná hranice rychlosti větru, při které ještě lze vyrábět elektrickou energii je 25 m/s [31]. Při překročení této rychlosti je nezbytně nutné elektrárnu uměle zastavit, neboť by hrozilo poškození turbíny. Maximální dosažitelná ideální účinnost větrného rotoru (označována také jako účinnost podle Betze) je 59,26% (viz. vzorec 3.3) [32]. Reálná účinnost větrné elektrárny je vždy menší než účinnost podle Betze, neboť dochází k tření vzduchu, tvoří se víry a také mechanicky podmíněné ztráty. Největšího výkonu větrného motoru je dosaženo, když se rychlost vzdušného proudu za turbínou sníží na 1/3 [30]. Podle druhu větrného rotoru se celková účinnost větrných elektráren pohybuje v rozmezí 15% - 45% [32]. Účinnost Savoniova rotoru může dosáhnout maximálně 23% (viz. kap ), v porovnání s ostatními typy větrných rotorů je to podstatně méně, a proto se také Savoniův rotor nepoužívá k výrobě elektrické energie do rozvodné sítě. 0,6 Ideální dosažitelná hodnota 0,5 Třílistá vrtule Dvoulistá vrtule Jednolistá vrtule 0,4 ú činno st η [-] 0,3 Americký typ větrného kola Darrieův rotor 0,2 Holandský typ větrného kola 0,1 0 Savoniův rotor součinitel rychloběžnosti λ [-] Obr. 3.1 Účinnosti jednotlivých typů větrných elektráren (obrázek přepracován podle [33]) 26

24 TSrovnání větrných elektráren podle účinnostít Výkon větrného motoru S 2 2 P M = ρ ( v1 v2 ) ( v1 + v2 )[W] [32] 4 (3.1) kde: P M [W] je výkon větrného motoru 3 ρ [ kg m ] - hustota vzduchu 1 v 1 [ m s ] - rychlost vzduchu před rotorem 1 v 2 [ m s ] - rychlost vzduchu za rotorem S [m 2 ] - průtočná plocha rotoru Výkon vzdušného proudu 1 3 P V = ρ S v [W] [32] (3.2) 2 kde: P V [W] je výkon větru protékající danou plochou 3 ρ [ kg m ] - hustota vzduchu 1 v [ m s ] - rychlost vzduchu S [m 2 ] - velikost průtočné plochy Maximální dosažitelná ideální účinnost větrného motoru η MAX Ideální účinnost větrného motoru závisí na poměru rychlostí před a za rotorem v 1 /v 2. Ideální účinnost je pro v 1 /v 2 = 3 a je to tzv. Betzova účinnost v v 4 v 9 v + P 3 M 16 η MAX = = = = 0,5926 [-] [32] (3.3) 3 PV v 27 2 kde: η MAX P M [W] P V [W] v [ m s 1 ] - maximální dosažitelná ideální účinnost větrného motoru - výkon větrného motoru - výkon větru protékající danou plochou - rychlost vzduchu 27

25 TSrovnání větrných elektráren podle účinnostít Celková účinnost větrné elektrárny η = η η η [-] [32] (3.4) VE OB M L kde: η VE [-] η OB [-] η M [-] ηl [-] je celková účinnost větrné elektrárny - obvodová účinnost v důsledku aerodynamických ztrát, způsobená rotací vzduchu za vrtulí, třením profilů a turbulencí na koncích lopatek - mechanická účinnost v důsledku ztrát třením v ložiscích, převodové skříni, atd. - účinnost v důsledku ztrát elektrického generátoru Součinitel rychloběžnosti λ Součinitel rychloběžnosti (λ), je poměr obvodové rychlosti rotoru (u) a rychlosti větru (v) [30]. Hodnota součinitele rychloběžnosti (λ) ovlivňuje: počet listů rotoru, profil, šířku a úhel náběhu listů, počet otáček, dosažitelnou celkovou účinnost, osový tlak a vlastní průběh charakteristik [30]. λ = u v 2 v = π f R [-] [30] (3.5) kde: λ [-] u [ m s v [ m s f [s -1 ] R [m] 1 1 ] ] je součinitel rychloběžnosti - obvodová rychlost rotoru - rychlost větru - počet otáček - délka lopatky 28

26 TZávěrT 4 ZÁVĚR 4 Ve své bakálářské práci jsem se zabýval historií větrných elektráren s důrazem na historii Savoniových rotorů. Rozdělil jsem větrné elektrárny podle aerodynamického principu, podle velikosti a podle typu používaných generátorů. U každého typu větrného rotoru je uvedeno konstrukční uspořádání. V poslední části práce jsem se zaměřil na porovnání jednotlivých typů větrných rotorů podle účinnosti. Rozdělení větrných elektráren, které v této práci uvádím neobsahuje všechny vynalezené, ani zkonstruované typy větrných rotorů, ale z hlediska základního dostačující. Podrobnější rozbor větrných elektráren by byl nad uspořádání je plně rámec této práce. Nejdůležitějším faktorem, který by měl rozhodnout zda postavit či nepostavit větrnou elektrárnu je rychlost větru. Vítr je neregulovatelná a proměnlivá veličina a proto velmi nespolehlivá. Na většině území České republiky se průměrná roční rychlost větru pohybuje pod 4m/s, to je však nejnižší hranice, při které je vůbec možné větrnou elektrárnu provozovat. Vhodné oblasti (oblasti, kde je rychlost větru vyšší než 5m/s) pro stavbu velké větrné elektrárny se až na výjimky nacházejí v horských pásmech a na území Českomoravské vrchoviny. Savoniův rotor ve srovnání s jinými větrnými elektrárnami má své přednosti právě ve využítí velkého rozsahu rychlostí větru, dokáže pracovat jak s rychlostí větru velmi nízkou (2 až 3 m/s), tak i s rychlostí vysokou (15 až 25 m/s). Vzhledem ke své jednoduché a finančně nenáročné konstrukci je vhodný pro jakéhokoliv uživatele. Používá se v pásmu malých výkonů (do 500W) jako např. pro čerpání vody, zavlažování a odvodňování, atd. Především kvůli své nízké účinnosti (max. 23%) a malému výkonu se Savoniův rotor nepoužívá pro stavbu větrné elektrárny dodávající energii do elektrické sítě. Pro stavbu velkých větrných elektráren (dodávajících elektrickou energii do sítě) jsou nejvhodnější typy větrných rotorů vrtule, protože z doposud vynalezených a používaných typů mají největší účinnost. V případě České republiky jsou větrné elektrárny pouze doplňkový zdroj elektrické energie, který by se však měl ve vhodných lokalitách využívat. 29

27 TPoužité zdrojet 5 5 POUŽITÉ ZDROJE Literatura [1] Rychteník, V. - Janoušek, J. - Pavelka, J. Větrné motory a elektrárny. Praha: Vydavatelství ČVUT, s. ISBN: [2] Schulz, H. Savoniův rotor. Ostrava: nakladatelství HEL, s. ISBN: Elektronické zdroje [3] Energetický Informační Server [online] [cit ] URL: < [4] Českomoravská myslivecká jednota [online] [cit ] URL: < [5] O větrných elektrárnách [online] [cit ] URL:< htm>. [6] Větrná elektrárna [online] [cit ] URL: < [7] Alternativní zdroje energie - Větrné elektrárny [online] [cit ] URL: < [8] Poselství větrných mlýnů [online] [cit ] URL: < [9] EkoWATT.CZ - Infolisty [online] [cit ] URL: < html>. [10] ČEZ Distribuce, a. s. [online] [cit ] URL: < ce_id=95159>. [11] ČEZ, a.s. [online] [cit ] URL: < >. [12] i-ekis : Internetové energetické konzultační a informační středisko [online] [cit ] URL: < [13] Větrná energetika na území ČR a u sousedů - TZB-info [online] [cit ] URL: < [14] BWE: Bildergalerie [online] [cit ] URL: < [15] Savonius wind turbine - Wikipedia, the free encyclopedia [online] [cit ] URL: < 30

28 TPoužité zdrojet [16] Pcon - Grundsätzliches [online] [cit ] URL: < [17] Wind Power By Flettner Ventilator Ltd. - Roof Vents Product Review - Oldhouseweb.com [online] [cit ] URL: < [18] SOMET - Aparatura pomiarowa [online] [ cit ] URL: < [19] Fungování větrné elektrárny [online] [cit ] URL: < [20] Welkom bij GEOS ENERGIE [online] [cit ] URL: < [21] Savonius rotor -- Encyclopaedia Britannica [online] [cit ] URL: < [22] L'énergie éolienne [online] [cit ] URL: < [23] Technologie větrné energetiky [online] [cit ] URL: < [24] Australský deník - Fotoalbum 3 [online] [cit ] URL: < [25] Větrné elektrárny mají v Česku zelenou Radio Praha [online] [cit ] URL: < [26] Howstuffworks "Modern Wind-power Technology" [online] [cit ] URL: < [27] Darrieus wind turbine: Information from Answers.com [online] [cit ] URL: < [28] Větrné elektrárny - mikro, malé i velké - princip, provedení, regulace - automatizace.hw.cz [online] [cit ] URL: < [29] Cikháj [online] [cit ] URL:< [30] 3. Větrná energie, Eolická energie [online] [cit ] URL: < [31] Ekonomické souvislosti využívání větrné energie v ČR [online] [cit ] URL: < [32] Metody hodnocení vhodnosti a výtěžnosti OZE pro účely energetických bilancí a energetické statistikya pro účely regionálního územního plánování a energetických generelů [online] [cit ] URL: < doplnena.pdf>. [33] WKA-Technik [online] [cit ] URL: < 31

29 B TPoužité zkratky, symboly a veličinyt 6 6 POUŽITÉ ZKRATKY, SYMBOLY A VELIČINY kwh MWh GWh TWh - kilowatthodina (1x10 3 wattů) - megawatthodina (1x10 6 wattů) - gigawatthodina (1x10 9 wattů) - terawatthodina (1x10 12 wattů) P M [W] - výkon větrného motoru P V [W] S [m ] - výkon větru protékající danou plochou - průtočná plocha rotoru D [m] - průměr vrtule 3 ρ [ kg m ] - hustota vzduchu v [m s v 1 1 [ m s ] 1 ] - rychlost větru - rychlost vzduchu před rotorem 1 v 2 [ m s ] - rychlost vzduchu za rotorem η MA X [-] - maximální dosažitelná ideální účinnost větrného motoru η VE [-] - celková účinnost větrného rotoru η OB [-] - obvodová účinnost v důsledku aerodynamických ztrát, způsobená rotací vzduchu za vrtulí, třením profilů a turbulencí na koncích lopatek η M [-] - mechanická účinnost v důsledku ztrát třením v ložiscích, převodové skříni atd. η L [-] - účinnost v důsledku ztrát elektrického generátoru λ [-] - součinitel rychloběžnosti 1 u [ m s ] - obvodová rychlost rotoru f [s -1 ] - počet otáček R [m] - délka lopatky 32

30 TObrázky a grafyt 7 OBRÁZKY A GRAFY 7 Obr. 1 Větrná mapa České republiky 12 Obr. 1.1 Větrný mlýn, tzv. holandský typ Obr. 1.2 Větrná farma v Tehachapi Obr. 1.3 Rotor Darrieus se svislou osou se zakřivenými lopatkami ve tvaru Φ 15 Obr. 1.4 Starší typ Savoniova rotoru 16 Obr. 1.5 Flettnerův ventilátor 16 Obr. 1.6 Anemometr 16 Obr. 2.1 Savoniův rotor 17 Obr. 2.2 Šroubovitý Savoniův rotor Obr. 2.3 Rotor "běžící doleva" Obr. 2.4 Uspořádání Savoniových rotorů do většího zařízení 18 Obr. 2.5 Uspořádání Savoniových rotorů nad sebou 18 Obr. 2.6 Uspořádání vrtulí větrných motorů 19 Obr. 2.7 Schéma gondoly bez převodovky 19 Obr. 2.8 Větrné kolo tzv. amerického větrného motoru 20 Obr. 2.9 Rotor moderního větrného čerpadla se šesti plechovými lopatkami 20 Obr Plachtový rotor větrného čerpadla používaný na Krétě 20 Obr Uspořádání rotoru (po větru) se samočinnou orientací rotoru 21 Obr Uspořádání rotoru (proti větru) s orientací rotoru pomocí kormidla 21 Obr Rotor Darrieus se zakřivenými lopatkami ve tvaru Φ 21 Obr Rotor typu "giromill" 22 Obr Rotor Darrieus se svislou osou s listy ve tvaru H Obr Rotor Darrieus s prizmatickými listy Obr Mikroelektrárna Obr Malá větrná elektrárna 23 Obr Středně velká větrná elektrárna Obr Velká větrná elektrárna Obr. 3.1 Účinnost jednotlivých typů větrných elektráren 26 33

31 TSeznam tabulekt 8 8 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Předpokládáný vývoj výroby energie z obnovitelných zdrojů 13 Tab. 1.1 Výkon větrných elektráren na konci roku 2004 v Evropě 15 34