OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE. učební text

Transkript

1 OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE učební text Sestavil kolektiv autorů při ISŠ Cheb Vytvořeno v rámci grantového projektu Učíme správně technické obory

2 Obsah Obnovitelný zdroj energie... 4 Vyuţití obnovitelných zdrojů... 4 Druhy obnovitelných zdrijů energie... 5 Energie ze Slunce... 5 Vyuţití Sluneční energie... 9 Přímé... 9 Nepřímé... 9 Solární články... 9 Soustředění sluneční energie na jedno místo Solární ostrovy Větrná energie Teoreticky dosaţitelný výkon Účinnost Rychlost větru v obecných podmínkách Šíření hluku větrného zdroje Infrazvuky Základní typy větrných turbín Mnohalopatkový rotor Vrtule Savoniův rotor Darrierův rotor Teorie větrné turbíny Teoreticky dosaţitelný výkon Vodní energie Jezy Přehrady Přehrada s elektrárnou Důvody stavby Princip Fungování Přečerpávací vodní elektrárny v Česku Dělení MVE podle některých parametrů Podle výkonu Podle spádu Dle nakládání s vodou Historie Princip činnosti Pouţití Charakteristika Historie vývoje Kaplanovy turbíny Charakteristika Regulace

3 Pouţití Vyuţití Účinnost Přílivová energie Skočné a hluché dmutí Geotermální energie Biomasa Literatura

4 Obnovitelný zdroj energie Obnovitelný zdroj energie je označení některých vybraných, na Zemi přístupných forem energie, získané primárně především z jaderných přeměn v nitru Slunce. Dalšími zdroji jsou teplo zemského nitra a setrvačnost soustavy Země-Měsíc. Lidstvo je čerpá ve formách např. sluneční záření, větrné energie, vodní energie, energie přílivu, geotermální energie, biomasy a další. Definice obnovitelného zdroje podle českého zákona o ţivotním prostředí je: Obnovitelné přírodní zdroje mají schopnost se při postupném spotřebovávání částečně nebo úplně obnovovat, a to samy nebo za přispění člověka. Definice podle zákona č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojů): Obnovitelnými zdroji se rozumí obnovitelné nefosilní přírodní zdroje energie, jimiţ jsou energie větru, energie slunečního záření, geotermální energie, energie vody, energie půdy, energie vzduchu, energie biomasy, energie skládkového plynu, energie kalového plynu a energie bioplynu. Využití obnovitelných zdrojů V roce 2006 pocházelo asi 18 % celosvětově vyprodukované energie ze zdrojů, označovaných jako obnovitelné. Většina z toho (13 % celkové spotřeby) pochází z tradiční biomasy (především pálení dřeva). Vodní energie, poskytující 3 % celkové spotřeby primární energie, byla druhý největší obnovitelný zdroj. Moderní technologie, vyuţívající geotermální energie, větrná energie, sluneční energie a oceánská energie dohromady poskytovaly asi 0,8 % z celkové výroby. V březnu roku 2007 se představitelé Evropské unie dohodli, ţe v roce 2020 má být 20 % energie členských států vyráběno z obnovitelných zdrojů, aby se omezily emise oxidu uhličitého, který je povaţován za původce globálního oteplování. Investování do obnovitelné energie si vyţádalo náklady ve výši z 80 miliard amerických dolarů v roce 2005 a v následujícím roce náklady ve výši 100 miliard amerických dolarů v roce Obnovitelné zdroje energie jsou podporovány různými dotacemi nebo zvýhodněnými výkupními cena energie. V České republice je elektřina z obnovitelných zdrojů podporována garantovanými výhodnými výkupními cenami nebo formou tzv. zelených bonusů. Z těchto dvou variant můţe kaţdý vlastník elektrárny, která vyuţívá obnovitelné zdroje energie, volit. 4

5 V případě, ţe se rozhodnete pro státní výkup, veškerou vyrobenou elektřinu prodáváte distributorovi, který je povinen ji od vás odebrat. V případě, ţe se investor rozhodne spotřebovávat elektřinu sám, inkasuje od ČEZu, E. Onu nebo PRE tzv. zelený bonus. Zelený bonus dostanete na veškerou vyprodukovanou energii. Nespotřebované přebytky můţete volně prodat, tato částka je přičtena k zelenému bonusu. Není zde přitom stanovena hranice, kolik energie musíte sami spotřebovat a kolik ji můţete prodat distributorovi. Druhy obnovitelných zdrijů energie Energie ze Slunce Většina obnovitelných zdrojů má svůj původ v energii slunečního záření, nepřekvapuje proto, ţe největší potenciál (ve smyslu mnoţství energie, které nám můţe poskytnout) má přímé vyuţití slunečního záření k výrobě tepla nebo elektřiny. Je to asi jediný obnovitelný zdroj, který v případě nutnosti dokáţe pokrýt veškerou současnou potřebu energie. Na Slunci probíhají jiţ několik miliard let termonukleární reakce. Těmito reakcemi se přeměňuje sluneční vodík (který obnovován není) na helium za uvolnění velkého mnoţství energie. Ze Slunce je energie předávána na Zemi ve formě záření. Energetický příkon ze Slunce je ve vzdálenosti, v níţ se nachází Země, přibliţně 1300 W/m 2. Tento výkon se označuje jako solární konstanta. Tato energie se vyuţívá přímo, nebo přeměněná na jinou formu: Pokud se tato energie přeměňuje nějakým technickým zařízením (Sluneční kolektor, Fotovoltaický článek) přímo, mluvíme obvykle o sluneční energii. Pokud je tato energie předtím vázána v ţivých organismech (většinou ve formě sloučenin uhlíku například ve dřevě, olejnatých rostlinách, obilí), mluvíme o bioenergii. Zdrojem bioenergie jsou biopaliva, která se podle skupenství dělí na biopaliva tuhá, kapalná a plynná. V některých oblastech můţe být extenzivní vyuţívání biopaliv kontroverzní záleţitostí. Pokud je tato energie vázána do potenciální energie vody (viz koloběh vody), mluvíme o vodní energii. Pokud se tato energie přemění na kinetickou energii vzdušných mas, mluvíme o větrné energii. Větrná energie můţe uvést do pohybu vodu na hladinách oceánů. Tuto energii nazýváme energií vln Sluneční energie (sluneční záření, solární radiace) představuje v nějaké formě drtivou většinu energie, která se na Zemi nachází a vyuţívá. Vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce. Vzhledem k tomu, ţe vyčerpání zásob vodíku na 5

6 Slunci je očekáváno aţ v řádu miliard let, je tento zdroj energie označován jako obnovitelný. Projevy Sluneční energie na Zemi Podle zákona zachování energie se sluneční energie, dopadající na planetu Zemi, přeměňuje beze zbytku v jiné formy. Mezi projevy sluneční energie na Zemi tak patří: Energie fosilních paliv, která vznikla v dávné minulosti z rostlinné nebo ţivočišné biomasy uhlí ropa zemní plyn Energie větru - lišící se intenzita ohřevu jednotlivých částí planety vyvolává větrné proudění. Vítr můţe navíc vyvolávat na vodní hladině vznik vln. Energie biomasy, vzniklá přeměnou sluneční energie na energii chemických vazeb v organických sloučeninách fotosyntézou. Sem patří nejen energetické vyuţití biomasy přispalování, ale i potravní vyuţití ţivočichy (konzumenty). Vodní energie, kde sluneční energie představuje hybnou sílu pro koloběh vody. Teplo, které je většinou projevem ztrát při energetických přeměnách Nepřeměněné elektromagnetické záření Slunce, o které bude řeč v tomto článku. Sluneční vítr - proud elementárních částic a jader helia ze Slunce Mezi projevy sluneční energie na Zemi nepatří: Geotermální energie a její projevy (tato energie pochází z období vzniku Země a sluneční soustavy - vzniká jaderným rozpadem a působením slapových sil) termální prameny projevy posunu litosférických desek - zemětřesení, sopečná činnost, vlny tsunami teplotní ohřev hlouběji poloţených míst (v praxi je vyuţíván tepelnými čerpadly) Energie gravitačních sil, především kinetická energie soustavy Měsíc - Země - Slunce, projevující se jako příliv Energie atomových jader, vznikající při radioaktivním rozpadu prvků těţších neţ ţelezo nebo naopak slučování prvků lehčích Energie kosmického záření, pocházející ze zdrojů mimo sluneční soustavu 6

7 Dopad sluneční energie na Zemi Sluneční energie je energií elektromagnetického záření. Spektrum slunečního záření lze rozdělit na: záření ultrafialové (vlnová délka pod 400 nm) záření viditelné (vlnová délka 400 aţ 750 nm) záření infračervené (vlnová délka přes 750 nm) Viditelné záření tvoří asi 45 % dopadajícího záření, přičemţ jeho podíl je vyšší při zataţené obloze (můţe dosáhnout aţ 60 %). V rostlinné fyziologii se pouţívá téţ pojem fotosynteticky aktivní záření, coţ je záření o vlnových délkách přibliţně odpovídajících viditelnému záření (většinou se udává rozsah nm). Příkon záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí W/m 2. Toto mnoţství se nazývá solární konstanta. Ve skutečnosti není konstantní, neboť oběţná dráha Země kolem Slunce je eliptická, a to způsobuje kolísání ve velikosti solární konstanty přibliţně 3 % (asi 40 W/m 2 ). Malé změny solární konstanty jsou téţ spjaty s cykly sluneční aktivity, ty ale dosahují maximálně desetin procenta. Část záření je pohlcena atmosférou. Pohlcení se týká ovšem jen některých vlnových délek: prakticky celé nejkratší části ultrafialového záření (do vlnové délky 290 nm je pohlceno zcela, od 290 do 320 nm zčásti) - pohlcuje ozónová vrstva vybraných vlnových délek infračerveného záření (pohlcení především oxidem uhličitým a vodou) Ve viditelné oblasti je pohlcení jen částečné a závisí na síle vrstvy atmosféry, kterou musí záření projít. Při stejné výšce slunce nad obzorem se tedy větší pohlcení odehrává v rovníkovýchoblastech, naopak menší v polárních oblastech a na horách. Pohlcení v polárních oblastech je ovšem zároveň zvětšeno tím, ţe sluneční paprsky pronikají do atmosféry pod ostrým úhlem a musí tak proniknout delší vrstvou. Mnoţství prošlého záření udává vztah: R g = R s * k cosec α * sin α (1) kde jednotlivé veličiny znamenají: R g - globální záření dopadlé na vodorovný povrch Země v nulové nadmořské výšce (na hladinu moře) R s - solární konstanta (s korekcí na aktuální vzdálenost Země od Slunce) 7

8 k - koeficient propustnosti atmosféry (závisí na jejím zašpinění ), většinou se pohybuje mezi 0,7 a 0,9 α - úhel výšky slunce nad obzorem cosec α - cosecans úhlu α, tj. 1 / sin α Není-li povrch vodorovný, lze psát vzorec (1) přibliţně jako R g = R s * k cosec α * sin [α - (α' * cos β)] (2) a pak nově pouţité veličiny značí: α' - úhel naklonění plochy směrem k jihu β - azimut Slunce (jih = 180 ) V našich podmínkách činí globální radiace na vodorovném povrchu: v letním poledni max aţ W/m 2 v zimním poledni max. 300 W/m 2 při souvisle zataţené obloze max. 100 W/m 2 v noci (při úplňku) max. 0,01 W/m 2 Teoreticky můţe být hodnota krátkodobě i přes W/m 2, a to pokud jsou na obloze rozptýlená světlá oblaka, od nichţ se záření silně odráţí. Základní přeměny Sluneční energie Lze ji popsat rovnicemi pro čistou radiaci R n = R g - R a - R lw (3) R n = A + Q + G + H + LE (4) kde jednotlivé veličiny vyjadřují následující: R n - čistá radiace (po odečtení albeda a dlouhovlnného vyzařování) R a - albedo (procento odraţeného záření) A - fotosyntéza (vyjádřená v energetických tocích) Q - teplo spotřebované na ohřev vegetace G - tok tepla do půdy H - pociťové teplo LE - latentní teplo výparu neboli evapotranspirace Součin LE představuje energetickou hodnotu vypařené vody, kterou lze vypočítat jako mnoţství vody E (v mm, neboli l/m 2 ) vynásobené měrným latentním teplem výparu L (při teplotě 20 C platí L = 2439 kj.kg -1 ). Protoţe A a Q jsou svým podílem zanedbatelné (obě sloţky činí zpravidla do 1 % čisté radiace), lze tyto členy v rovnicizanedbat a psát ji v zjednodušeném tvaru jako R n = G + H + LE 8

9 Poměr nejvýznamnější sloţek, tedy pocitového tepla a latentního tepla, označujeme jako Bowenův poměr β β = H / LE Využití Sluneční energie Přímé Slunečními paprsky dopadne na povrch Země přibliţně 1 kw/m². Toto číslo se nazývá solární konstanta. Tuto energii lze vyuţít přímo: pro výrobu elektrické energie (obvykle Fotovoltaický článek ale také Stirlingův motor), v zemědělství (skleník) zpracování uţitkové vody (ohřev ale téţ desalinace a desinfekce), vytápění, Nepřímé Nepřímo se sluneční energie v přírodě přeměňuje na: potenciální energii vody (vyuţívaná ve vodních elektrárnách), kinetickou energii vzdušných mas (vítr), a chemickou energii biomasy (včetně fosilních paliv, kde akumulace sluneční energie proběhla před dlouhou dobou). Solární články Solární články (sluneční baterie) jsou polovodičové prvky, které mění světelnou energii v energii elektrickou. Fotoelektrický efekt vysvětluje vznik volných elektrických nosičů dopadem záření. Celkově se daří přeměnit v elektrickou energii jen asi 17% energie dopadajícího záření. Solární články jsou tvořeny polovodičovými plátky tenčími neţ 1 mm. Na spodní straně je plošná průchozíelektroda. Horní elektroda má plošné uspořádání tvaru dlouhých prstů zasahujících do plochy. Tak můţe světlo na plochu svítit. Povrch solárního článku je chráněn skleněnou vrstvou. Slouţící jako antireflexní vrstva a zabezpečuje tak, aby co nejvíce světla vniklo do polovodiče. Antireflexní vrstvy se většinou tvoří napařením oxidu titanu. Tím získá článek svůj tmavomodrý vzhled. Jako polovodičový materiál se pouţívá převáţně křemík. Jiné polovodičové materiály, např. galium arsenid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, selenid mědi a india, nebo sirník galia se zatím zkoušejí. Krycí sklo chrání povrch solárních článků i před vlivy prostředí. 9

10 Využití solárních článků Vyuţití těchto článků je různorodé. Od solárních kalkulaček aţ po energetické zabezpečení horských chat v rozsahu jednotek aţ desítek kw. Elektrický výkon je dán celkovou plochou aúčinností solárních článků. Při ploše 1 dm² a plném slunečním svitu můţe dávat článek výkon 1,25 W a to při napětí 0,5 V a proudu 2,5 A. Vyšší napětí se získá sériovým řazením a větší proud paralelním řazením. Panel bývá sloţen z 33 aţ 36 křemíkových solárních článků. Nevýhodou je ale vyšší cena proti klasickým zdrojům. Oblast průmyslu pro výrobu solárních článků a adaptaci sluneční energie zaţívá v současné době rychlý růst a některé programy (jako např. Clean Power from Deserts od kooperace TREC při Římském klubu či projekt solárních ostrovů Spojených arabských emirátů) začínají pozvolna získávat prostor v ohledu pro energetické strategie jednotlivých států. Soustředění sluneční energie na jedno místo Jiný způsob vyuţití sluneční energie je nikoli přijímat ji plošně, ale pomocí soustavy parabolických zrcadel ji odráţet a soustředit do jednoho místa s receptorem schopným tuto přesměrovanou energii zpracovat nebo uchovat. Tímto receptorem můţe být i Stirlingův motor. Konstrukce, které tento způsob získávání energie vyuţívají, se označují CSP (akronym z Concentrated Solar Powerplans). Sluneční pec neboli solární tavicí pec je fokusační sběrač, který soustřeďuje sluneční paprsky do jednoho místa. Vyuţívá se odrazu světla od speciálně tvarovaných a orientovaných zrcadel. První a zároveň i největší sluneční pec na světě se nachází v Odeillo ve francouzských Pyrenejích v nadmořské výšce 1700 m. Do provozu byla uvedena roku 1969 zásluhou francouzského vědce Dr. Felixe Trombeho. Celý komplex tvoří parabolické zrcadlo o ploše 2000 m², které je upevněno na 45 m vysoké kancelářské a laboratorní budově. Na stráni proti němu je rozestaveno celkem 63 heliostatů o celkové ploše 2835 m², odráţejících paprsky rovnoběţně na parabolu. Výsledná síla svitu se koncentruje v ohnisku (ohnisková vzdálenost 18 m) v malé věţovité budově, která je před zrcadlem vystavěna, ve vlastní sluneční peci. Samotné parabolické zrcadlo je sestaveno z asi 9500 čtvercových segmentů o straně 45 cm a kaţdé z primárních zrcadel z dalších 180 čtvercových segmentů stejného rozměru. Samotné ohnisko má plochu pouhých 625 cm², coţ udává plošnou koncentraci slunečního záření s 10

11 faktorem Ve skutečnosti ale dochází ke ztrátám způsobených rozptylem a absorbcí. Skutečná koncentrace slunečního záření je proto kolem Při běţném slunečním záření v tomto místě je do ohniska pece soustředěno asi 1100 kw. Protoţe je tento druh slunečních pecí smysluplný pouze v oblastech s více neţ 2400 hodinami slunečního svitu ročně, slouţí komplex v Odeillu pouze k vědeckým účelům institutu CNRS (Centre national de la recherche scientifique). Díky příznivým klimatickým podmínkám lze sluneční pec pouţívat více neţ 200 dnů v roce ke zkoumání chování látek při extrémním zahřátí a různým experimentům. Slouţí především účelům vědeckého výzkumu materiálů, vakuovému tavení speciálních slitin a nejrůznějším pokusům v oblasti zkoušek materiálů. Tyto poznatky jsou pak uplatňovány mimo jiné při návrhu nových technologií pro kosmický výzkum. Pec je schopna dosahovat maximálních teplot okolo 3800 C, coţ představuje absolutní maximum v metalurgii. Během tavení není materiál znečišťován příměsemi, jako se to děje při většině ostatních tavicích postupů. Solární elektrárny Další moţností je vyuţití sluneční energie na výrobu elektřiny (fotovoltaika). Kolik energie sluneční elektrárna vyrobí se odvíjí od intenzity slunečního záření. Pokud je obloha bez mráčku, výkon slunečního záření je kolem 1kW/m 2. Kdyţ se však obloha zatáhne, sluneční záření je aţ 10krát méně intenzivní. V tuzemsku je průměrná intenzita slunečního záření odhadována na kw na m 2 za rok. Počet slunečních hodin v České republice je v průměru hodin ročně. Konkrétní údaj váţící se k místu, v němţ plánujete stavět solární elektrárnu, poskytuje Český hydrometeorologický ústav. Vţdy nicméně záleţí na konkrétním místě, které pro stavbu solární elektrárny zvolíme. Intenzitu a dobu slunečního záření ovlivňuje nadmořská výška, oblačnost a další lokální podmínky jako jsou časté ranní mlhy, znečištění ovzduší či úhel dopadu slunečních paprsků. Mnoţství energie z fotovoltaických panelů pro různá místa, čas a sklon je moţné spočítat zde. Na místě je také otázka kapacity. Jinými slovy: kolik se na plochu střechy (či na jiné místo zvolené pro instalaci elektrárny) vejde solárních panelů? Obecně platí, ţe 1 kwp (maximální výkon elektrárny) zabere asi 8 10 m 2. Tato plocha je schopna vyrobit přibliţně 1 MWh ročně. Pokud se majitel vyrobenou elektřinu rozhodne prodávat distributorské společnosti (na základě garantované výkupní ceny), za dvanáct měsíců získá zhruba Kč. 11

12 Prodej nebo spotřeba elektřiny Majitel solární elektrárny se můţe rozhodnout, zda vyuţije garantovanou výkupní cenu elektřiny a bude veškerou elektřinu prodávat regionálnímu distributorovi. Ten ji musí od majitele solární elektrárny podle legislativy EU vykupovat. Vlastník solární elektrárny se můţe rozhodnout pro samostatný prodej elektřiny a získat podporu formou zelených bonusů. V tom případě si prodává elektřinu sám (tedy jakémukoli koncovému uţivateli) a od ČEZu, E. Onu či PRE získává zmíněné zelené bonusy. Je třeba upozornit na to, ţe výkupní ceny elektřiny a zelené bonusy, které kaţdoročně stanovuje Energetický regulační úřad (ERÚ), se pro letošní rok sníţily. V případě solárních elektráren klesly výkupní ceny elektřiny o 4,2 %. Pro fotovoltaická zařízení uvedená do provozu v roce 2009 platí tyto ceny: V případě solární elektrárny do 30 kw je stanovena na 12,89 Kč za 1 kwh (zelený bonus na 11,91 Kč za 1 kwh), pokud je instalovaný výkon sluneční elektrárny nad 30 kw, pak je výkupní cena stanovena na 12,79 Kč za 1 kwh (zelený bonus na 11,81 Kč za 1 kwh). Tyto ceny jsou garantovány po dobu 20 let provozování konkrétního zařízení. Pro provozovatele je jistě zajímavá i skutečnost, ţe je po dobu pěti let osvobozen od daní z příjmů. Ţivnostenský list není nutné zřizovat. ERÚ vám pouze vystaví licenci a přidělí IČ. Pokud porovnáme výkupní cenu 1kWh elektřiny vyrobené v solární elektrárně a cenu 1 kwh, za níţ domácnost elektřinu nakupuje (cca 4,65 Kč), je zřejmé, ţe vlastnit solární elektrárnu se vyplatí výkupní cena je totiţ asi třikrát vyšší neţ cena, za níţ 1 kwh domácnosti od elektrárenských společností nakupují. Pokud tedy domácí solární elektrárna nepokryje spotřebu rodinného domu, lze i přesto na jejím provozu vydělat prodejem veškeré, resp. zbylé elektřiny. Pro prorovnání - Jaderná elektrárna dukovany vyrábí 1kWh za 0,60Kč Bohuţel dokud nebude účinost a cena solárních panelů na takové úrovni aby cena vyrobené energie byla maximálně cca trojnásobkem ceny elektřiny z jaderné elektrárny, nelze o ekologičnosti tohoto zdroje energie hovořit. Dněšní solární panely nejsou bez dotací schopny za svoji ţivotnost pokrýt pořizovací náklady. Solární ostrovy Solární ostrov (Solar island) dostalo označení projektu, na kterém v současné době spolupracují Spojené arabské emiráty ve spolupráci s jistou švýcarskou inţenýrskou firmou. Výsledkem návrhu je umělý ostrov na moři plovoucí objekt kruhového tvaru s několika stovkami aţ tisíci zrcadel, odráţejících dopadající sluneční energii na (pravděpodobně kovovou) kolonu (potrubí), které taktéţ tvoří svrchní část solárního ostrova. V tomto potrubí 12

13 cirkuluje voda, kterou přijmuté záření dokáţe přivést k varu. Vzniklá pára poté začne pohánět turbínu ve středu ostrova (kam se toto potrubí sbíhá), kde má být tato energie některou z dostupných technologií uloţena. Projekt předpokládá, ţe jeden takovýto průměrný solární ostrov bude vyrábět řádově GigaWatty energie z dopadajícího slunečního záření. Větrná energie Větrná energie je dalším obnovitelným zdrojem energie. Síla větru byla jiţ dříve vyuţívána například k pohánění větrných mlýnů. V současné době je větrná energie vyuţívána hlavně pro výrobu elektřiny pomocí větrných elektráren. Kaţdý stát má přitom jiné podmínky pro rozvoj větrné energie. Nejlépe jsou na tom například státy, které mohou instalovat větrníky do moře. Větrné elektrárny Podle velikosti vrtule a výrobní kapacity můţeme rozlišovat tři základní typy větrných elektráren: malé, střední a velké. Malými větrnými elektrárnami nazýváme taková zařízení, jeţ mají instalovanou kapacitu do 60 kw a průměr vrtule maximálně 16 m. Podtypem v této kategorii jsou tzv. mikrozdroje (s kapacitou do 2,5 kw a průměrem vrtule do 3 m), které jsou uţívány zejména pro napájení baterií či domácích elektrospotřebičů. Malé větrné elektrárny od 2,5 do 10 kw slouţí hlavně pro vytápění domů či ohřev vody. Rychlost větru můţeme změřit anemometrem. Ten je moţné běţně zakoupit. Jeho cena se pohybuje kolem jednoho či dvou tisíc korun. Rozběhová rychlost větru u většiny malých větrných elektráren je kolem 3 3,5 m/s. K tomu, aby podaly slibovaný výkon, který by dokázal pokrýt alespoň částečně základní spotřebu elektřiny, je však potřeba vyšší rychlost větru. Zde pochopitelně hlavně záleţí na konkrétních parametrech uţívaného zařízení. Větrná energie je označení pro oblast technologie zabývající se vyuţitím větru jako zdroje energie. Nejobvyklejším vyuţitím jsou dnes větrné elektrárny, které vyuţívají síly větru k roztočení vrtule (větrná turbína). K ní je pak připojenelektrický generátor. Získaná energie je přímo úměrná třetí mocnině rychlosti proudící vzdušné masy, proto větrné elektrárny po většinu doby nedosahují nominálních hodnot generovaného výkonu. V historii se místo převodu na elektřinu přímo konala nějaká mechanická práce. Větrný mlýn například mlel obilí, větrnými stroji se čerpala voda, lisoval olej, stloukala plsť nebo poháněly katry. Vítr se také pouţívá k pohonu dopravních prostředků, nejvíc u lodí (plachetnice). 13

14 Teoreticky dosažitelný výkon Proudící vzduch předává lopatkám větrné elektrárny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosaţitelnou účinnost větrného stroje na 59% (Betzovo pravidlo). Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosaţitelný výkon činí v případě jednotkové plochy, kde k B je Betzův koeficient 0,59 Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se pouţívá vzorec rovný 0,59, kde c p je součinitel výkonnosti, v ideálním případě Účinnost Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.). Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního vyuţití k, definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky moţnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se k pohybuje v mezích 0,1-0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky aţ 0,28. Statisticky podle dat ČSÚ za rok 2007 však dosahuje koeficient ročního vyuţití větrných elektráren v ČR pouze 12,71 % (za rok 2005 to bylo pouze 11 %). Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě - větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými elektrárnami o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního vyuţití za rok ,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného vyuţití 32,3 % (přičemţ po zbytek téhoţ roku to bylo necelých 20%). Rychlost větru v obecných podmínkách Spektrum rozloţení hustoty rychlostí větru v dané lokalitě je poměrně dobře popsatelné Rayleighovým rozdělením jako speciálním případemrozdělení Weibullova. Jde o funkci, kde v je náhodně proměnná rychlost větru, β = 2 je tvarový parametr rozloţení a η odpovídá střední hodnotě rychlosti větru 14

15 Je zřejmé, ţe maximum hustoty výskytu rychlostí bude vţdy leţet vlevo od hustoty výskytu střední rychlosti větru. Pro reálné pouţití má smysl pracovat s pravděpodobností výskytu rozsahu rychlostí větru v intervalu (v 1,v 2 ), kterou lze určit jako Hlučnost větrných elektráren Větrné elektrárny jsou zdrojem neţádoucího hluku. Jeho hlavními původci (zde a dále jsou uvaţovány zdroje, pracující s vrtulí na nabíhající vzdušný proud) jsou aerodynamické hluky obtékání listů vrtule, gondoly a dříku stavby, turbulence, vznikající obtékáním náběţné hrany listu, víry v okolí konců vrtulových listů, turbulence nad odtokovou hranou listu a hluk laminárního proudění. Dále je hluk produkován mechanickými částmi konstrukce (servomotory a jejich převody, čerpadla, chladicí ventilátory měničů a mechanismů) a generátorem. Mimo slyšitelné pásmo v oblasti frekvencí 2-31,5 Hz (infrazvuk) je hluk větrných elektráren na úrovni přirozeného pozadí. Šíření hluku větrného zdroje V praxi je jako model šíření pouţívána náhrada prostředí hemisférou s homogenními vlastnostmi. V tomto modelu lze určit hlasitost hluku s danou intenzitou a v dané vzdálenosti dle vzorce kde R je vzdálenost od zdroje hluku a α je součinitel absorpce, přijímaný pro suchý vzduch α=0.005 dbm -1, přičemţ zdroj hluku je povaţován za bodový. Metodika měření je dána IEC ve druhém vydání. České hygienické normy připouštějí maximální úroveň hluku v obytné zástavbě 50 dba ve dne a 40 dba v noci, přípustná úroveň hluku ve volné přírodě není stanovena. Infrazvuky Zdrojem infrazvuků jsou zejména mechanické části konstrukce větrných turbín. Pro stanovení jejich intenzity nelze pouţívat hlukoměry s filtrem křivky A (ekvivalent citlivosti ucha), který infrazvuky potlačuje. Hluk větrných elektráren, emitovaný v infrazvukové oblasti dosahuje aţ 70 db (Vestas V db na frekvenci 16 Hz, Vestas V db ve frekvenčním rozsahu 4-26 Hz), coţ v tomto pásmu odpovídá přirozenému hlukovému pozadí. Infrazvukové vlnění se kromě vzdušné cesty šíří i konstrukcí dříku a základovou deskou do okolí. 15

16 Větrná turbína je stroj, který přeměňuje kinetickou energii větru na mechanickou energii (rotace hřídele). Turbína je roztáčena větrem proudícím přes lopatky turbíny. Jestliţe je mechanická energie pouţívána přímo strojem (např. čerpadlo nebo pohon mlýnských kamenů), pak se takové zařízení běţně označuje větrný mlýn. Ale kdyţ je mechanická energie přeměňována na elektřinu, stroj se pak nazývá větrný generátor. Základní typy větrných turbín Mnohalopatkový rotor Typické vyuţití: čerpání vody, výroba elektrické energie Počet listů rotoru: aţ 150 Účinnost: 20-43% Náběhová rychlost (m/s): 0,16 Poznámka: uvádí se, ţe výkon stoupá s 3. mocninou rychlosti větru Vrtule Typické vyuţití: výroba elektrické energie (střídavý a třífázový proud) Počet listů rotoru: 1-4 Účinnost: ~45 % (max. se uvádí 48 %) Náběhová rychlost (m/s): 3-6 Poznámka: nejpouţívanější typ Savoniův rotor Typické vyuţití: čerpání vody, výroba stejnosměrné elektrické energie Počet listů rotoru: 2 Účinnost: ~20 (max. se uvádí 23 %) Náběhová rychlost (m/s): 2-3 Darrierův rotor Typické vyuţití: výroba elektrické energie (střídavý a třífázový proud) Počet listů rotoru: 2-3< Účinnost: 38 % (max. se uvádí 48 %) Náběhová rychlost (m/s): 5-8 Poznámka: vyţaduje pomoc při náběhu Teorie větrné turbíny Teoreticky dosažitelný výkon Proudící vzduch předává lopatkám větrné turbíny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosaţitelnou účinnost větrného stroje na 59% (Betzovo pravidlo). Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosaţitelný výkon činí v případě jednotkové plochy, kde k B je Betzův koeficient 0,59 16

17 Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se pouţívá vzorec, kde c p je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59 Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.). Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního vyuţití k, definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky moţnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se k pohybuje v mezích 0,1-0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky aţ 0,28. Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě - větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými generátory o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního vyuţití za rok ,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného vyuţití 32,3 % (přičemţ po zbytek téhoţ roku to bylo necelých 20%). Vodní energie Vodní energie je technicky vyuţitelná potenciální, kinetická, nebo tepelná energie veškerého vodstva na Zemi. Jedná se hned po biomase o druhý nejvýuţívanější obnovitelný zdroj energie. Nejvíce se v dnešní době vyuţívá přeměny ve vodních elektrárnách na elektrickou energii. Historie Vodní energie se vyuţívá jiţ od starověku. Nejprve to bylo k dopravě (splavování lodí a vorů či dřeva po proudu řek), později k pohonumechanismů (mlýnů, hamrů, čerpadel například vodního trkače a pil). K rozšíření jejího vyuţívání v Evropě došlo v období středověku primárně zásluhou mnišskýchřádů (především benediktinů a cisterciáků), jejichţkláštery ji 17

18 nejen hojně vyuţívaly, ale téţ si mezi sebou relativně rychle předávaly vylepšení zvyšující efektivitu jejího vyuţití. První vodní elektrárna byla postavena v Appletonu ve státě Wisconsin v USA v roce Výroba elektřiny je dnes převaţujícím způsobem vyuţití vodní energie. Velký podíl celkové produkce elektřiny vykazují vodní elektrárny např. v Norsku (99,5 %), Švýcarsku nebo v Kanadě. Důleţité jsou dnes ipřečerpávací vodní elektrárny, které akumulují energii a vyrovnávají rozdílnou spotřebu elektrické energie, hlavně z toho důvodu, ţe jaderné atepelné elektrárny mění svůj výkon velmi obtíţně. Mezi obnovitelnými zdroji energie v České republice dominují vodní elektrárny. Převáţnou většinu obnovitelných zdrojů získává ČEZ nikoli díky solárním farmám či polím osázeným větrnými elektrárnami (tzv. větrné parky), ale pomocí klasických vodních elektráren. V současnosti 21 vodních děl vyrábí zhruba 83 % obnovitelné energie skupiny ČEZ (830 MWh elektrické energie). Vodní elektrárna Vodní elektrárna je výrobna elektrické energie, jedná se o technologický celek, přeměňující potenciální energii vody na elektrickou energii. Jedná se také o vodní dílo ve smyslu platných právních předpisů. Obvyklý typ říční vodní elektrárny se skládá z přehradní hráze, nebo jezu, tj vodní stavby, která zadrţuje vodu a strojovny, obsahující vodní turbíny a alternátory, turbíny s alternátory tvoří vţdy soustrojí umístěné na společném hřídeli. Rozdělení vodních elektráren Vodní elektrárny dělíme na: vodní elektrárny malé vodní elektrárny (MVE) (do 10 MW včetně) přečerpávací vodní elektrárny přílivové elektrárny Mnoţství vyuţitelné energie vodního toku závisí na výškovém rozdílu (čili na spádu resp. vzájemném převýšení) dvou různých vodních hladin a na mnoţství protékající vody (průtoku vody). Pro energetické vyuţití jakéhokoliv vodního toku bývá většinou nutné uměle vytvořit výškový rozdíl hladin. Toho dosahujeme tzv. vzdutím vody, coţ bývá zajištěno zřízením niţších jezů či vyšších přehrad. U přečerpávacích vodních elektráren bývá obvyklé vzdutí navíc doplněno o zvláštní výše poloţenou nádrţ, tzv. (horní nádrţ), která můţe být umístěna někde stranou od původního vodního toku. 18

19 Jezy Jezy lze dosáhnout spádů jen 10 aţ 20 m. Vodním elektrárnám konstruovaným pro tyto malé spády říkáme nízkotlaké průtočné. Kaplanovy turbíny je moţné pouţít i pro velmi malé spády okolo 0,6 metrů i na těch nejmenších jezech. Přehrady Přehradou lze vzdout vodu aţ do výše 100 m. Takovým elektrárnám říkáme středotlaké. Pokud pouţívají spády ještě vyšší, nazýváme je vysokotlaké. V České republice je dnes většina vodních elektráren postavena právě při přehradách, v minulosti však bývaly malé vodní elektrárny v provozu téměř na kaţdém jezu. Přehrada s elektrárnou Hráz přehrady bývá většinou tvořena litým betonem, v praxi se vyskytují i menší hráze sypané. Uvnitř hráze se nachází revizní, větrací a drenáţní chodby (pro odvod prosakující vody). Ocelovým potrubím je voda vedena k vodním turbínám. Vstup vody do potrubí je opatřen čisticím zařízením zvaným česle a rychlouzávěrem, který při poruše uzavře přívod vody. Elektrárna se obvykle nachází pod přehradní hrází; někdy je do ní rovnou vestavěna. Výhody a nevýhody vodních elektráren Mezi výhody patří zejména to, ţe energie vodních toků se počítá k obnovitelným zdrojům - nelze ji vyčerpat. Zároveň její provoz minimálně znečišťuje okolí. Vodní elektrárny vyţadují minimální obsluhu i údrţbu a lze je ovládat na dálku. Mohou startovat během několika sekund a dispečink je tak můţe pouţívat jako špičkový zdroj k pokrytí okamţitých nároků na výrobu elektrické energie. Nevýhodou je značná cena a čas výstavby a nutnost zatopení velkého území. Neopomenutelná je závislost na stabilním průtoku vody. Přehradní hráz dokáţe zabránit i menším povodním, velké katastrofální povodně však ovlivňuje velmi málo Přehradní hráze a jezy brání běţnému lodnímu provozu na řece, je nutno vybudovat systém plavebních komor resp. zdymadel Přehradní jezera mohou slouţit i pro jiné další účely, zejména pro rekreační účely nebo jako zdroje pitné či uţitkové vody čili pro vodohospodářské účely, často bývají vhodné i pro říční rybolov 19

20 Přečerpávací vodní elektrárny Jelikoţ se elektrická energie nedá nijak skladovat, pouţívá se potenciální energie vody k její přeměně na energii elektrickou a naopak. Pokud je spotřeba elektrické energie minimální (tj. je jí v napájecí soustavě přebytek), pracují soustrojí v opačné roli, turbíny v roli čerpadel a alternátory v roli synchronních elektromotorů. Soustrojí plní horní nádrţ přečerpávací elektrárny vodou z dolní nádrţe, systém spotřebovává elektrickou energii z elektrorozvodné sítě, chová se tedy jako velký spotřebič elektrické energie. Spotřebovává tak obvykle elektrickou energii vyrobenou z jiných zdrojů, zpravidla se jedná o energii získanou z provozu tepelných či jaderných elektráren. Pokud je naopak tzv. energetická špička nebo nastává-li poţadavek na maximální odběr (tj. elektrické energie je v napájecí soustavě nedostatek), pracují naopak turbíny a alternátory v normálním reţimu. Voda z horní nádrţe je v tomto případě řízeně vypouštěna do dolní nádrţe přes turbíny elektrárny. Akumulovaná potenciální energie vody je tím vlastně přeměňována zpět na energii elektrickou, která se tak opoţděně vrací zpět do elektrorozvodné sítě. Jedná se o doposud jediný technicky proveditelný způsob, pomocí něhoţ lze vyrobenou elektrickou energii ve velkém měřítku po delší dobu skladovat. Důvody stavby Výkon především jaderných a velkých tepelných elektráren je moţné během dne měnit jen velmi omezeně. Navíc je velmi neekonomické stavět velké energetické zdroje, které by byly v provozu jen po zlomek dne, provoz takové elektrárny by byl neúměrně drahý. Jaderné elektrárny a velké tepelné elektrárny jsou proto téměř vţdy provozovány v základním zatíţení sítě, kdeţto vodní elektrárny a přečerpávací elektrárny zvláště jsou pouţívány pro pokrytí špičkových spotřeb energie, fungují tedy zejména při špičkovém zatíţení sítě. Význam přečerpávacích elektráren se zvyšuje rovněţ rozšiřováním alternativních zdrojů energie (v současnosti především energie získávané z větru), jejichţ výkon se nedá regulovat téměř vůbec. Princip Přečerpávací vodní elektrárna má dvě vodní nádrţe. Jedna z nich je umístěna na níţe poloţeném místě (dolní nádrţ), druhá pak na vyšším místě (horní nádrţ). Obě dvě nádrţe jsou spojeny spádovým potrubím o velkém průměru. V noci se vyuţívá přebytečná energie z elektrorozvodné sítě a voda se přečerpává z dolní nádrţe do horní (elektrárna se v tomto reţimu chová jako velký spotřebič elektrické energie, vyrobené z jiných zdrojů energie). V horní nádrţi se tak vytvoří velké zásoby vody. Ve chvíli, kdy vznikne v napájecí elektrorozvodné síti potřeba většího mnoţství špičkové energie, je voda řízeně vypouštěna z horní nádrţe do dolní nádrţe přes turbínu vodní elektrárny a elektrická energie spotřebovaná na její noční přečerpání se tak během dne vrací zpět do elektrorozvodné sítě. 20