VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
|
|
|
- Eduard Sedlák
- před 9 lety
- Počet zobrazení:
Transkript
1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING VĚTRNÁ ELEKTRÁRNA GRID-OFF, PRINCIP, ÚČINNOST, NÁVRATNOST DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR BC. MIROSLAV HAVRÁNEK BRNO 2013
2
3 Bibliografická citace práce: HAVRÁNEK, M. Větrná elektrárna grid-off, princip, účinnost, návratnost. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Macháček, Ph.D.. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. Díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.
4 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky Diplomová práce Větrná elektrárna grid-off, princip, účinnost, návratnost Bc. Miroslav Havránek vedoucí: Ing. Jan Macháček, Ph.D. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2013 Brno
5 BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering Master s Thesis The grid-off Wind Power, Principle, Effectiveness, Return by Bc. Miroslav Havránek Supervisor: Ing. Jan Macháček, Ph.D. Brno University of Technology, 2013 Brno
6 Abstrakt 6 ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá problematikou větrných elektráren a jejich použitím v ostrovních systémech. Nejprve sleduje využívání větru jako zdroje energie. Dále se zaměřuje na jednotlivé komponenty ostrovních systémů. Jsou zde naznačeny postupy při navrhování ostrovních systémů. Výsledkem diplomové práce jsou tři návrhy grid-off systémů pro rodinný domek a následně jejich energetické a ekonomické hodnocení. KLÍČOVÁ SLOVA: grid-off, akumulace energie, větrná elektrárna, ostrovní systém
7 Abstract 7 ABSTRACT This Master s thesis deals with problematics of wind powered generators and their use in offgrid systems. In its first chapters aspects of wind as a power source are analyzed. Further on the thesis focuses on individual components of the off-grid systems. Also designing procedures of these systems are presented in the paper. The key parts of the thesis are 3 off-grid wind power system designs, which can be used to power a family house, and their energetical and economical evaluation. KEY WORDS: grid-off, energy storage, wind power plant, island system
8 Obsah 8 OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK ÚVOD VYUŽÍVÁNÍ VĚTRNÉ ENERGIE HISTORIE ROZVOJ VĚTRNÉ ENERGETIKY V POSLEDNÍCH LETECH VĚTRNÁ ENERGETIKA CELOSVĚTOVĚ VĚTRNÁ ENERGIE V EVROPĚ VĚTRNÁ ENERGIE V ČR VÍTR ENERGIE VĚTRU A VÝROBA VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN VĚTRNÝ POTENCIÁL NA ÚZEMÍ ČR ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH MOTORŮ VĚTRNÉ MOTORY ODPOROVÉ VĚTRNÉ MOTORY VZTLAKOVÉ PRINCIP VZTLAKOVÝCH MOTORŮ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN MIKROELEKTRÁRNY MALÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY STŘEDNÍ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY VELKÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY GRID-OFF ROZDĚLENÍ SYSTÉMŮ GRID-OFF AKUMULACE ENERGIE V SYSTÉMECH GRID-OFF ROZDĚLENÍ AKUMULAČNÍCH SYSTÉMŮ BATERIE VHODNÉ PRO VTE V REŽIMU GRID-OFF NI-CD (NIKL KADMIOVÉ) AKUMULÁTORY NI-MH (NIKL METAL HYDRIDOVÉ) AKUMULÁTORY LI-ION (LITHIUM-IONTOVÉ) AKUMULÁTORY LIFEPO4 AKUMULÁTORY OLOVĚNÉ AKUMULÁTORY OBECNÝ NÁVRH VTE V REŽIMU GRID-OFF URČENÍ VÝKONU VTE NÁVRH BATERIE PROVOZ NAVRŽENÉHO SYSTÉMU... 44
9 Obsah NÁVRATNOST INVESTIC NÁVRH OSTROVNÍHO SYSTÉMU PRO RODINNÝ DŮM POPIS LOKALITY Z POHLEDU ENERGETICKÝCH POTENCIÁLŮ VĚTRNÝ PROFIL LOKALITY SLUNEČNÍ PROFIL LOKALITY POPIS ŘEŠENÉHO OBJEKTU ENERGETICKÁ NÁROČNOST OBJEKTU NA TEPELNOU ENERGII ENERGETICKÁ NÁROČNOST OBJEKTU NA ELEKTRICKOU ENERGII NÁVRH OSTROVNÍHO SYSTÉMU PRO DANÝ OBJEKT DIMENZOVÁNÍ ZDROJŮ ELEKTRICKÉ ENERGIE VÝBĚR VHODNÉ ŘÍDÍCÍ JEDNOTKY PRO VTE DIMENZOVÁNÍ BATERIÍ VOLBA VHODNÉHO BALANCERU PRO BATERIE DIMENZOVÁNÍ MĚNIČE NAPĚTÍ VOLBA VHODNÉHO ZÁLOŽNÍHO ZDROJE DIMENZOVÁNÍ FV PANELŮ OSTROVNÍ SYSTÉM A JEHO PROVOZ VÝPOČETNÍ ALGORITMUS POUŽITÝ PRO OVĚŘENÍ FUNKČNOSTI SYSTÉMU NAVRŽENÝ OSTROVNÍ SYSTÉM SE ZDROJEM VTE NAVRŽENÝ OSTROVNÍ SYSTÉM SE ZDROJEM VTE A FV I NAVRŽENÝ OSTROVNÍ SYSTÉM SE ZDROJEM VTE A FV II KONKRÉTNÍ ŘEŠENÍ OSTROVNÍHO SYSTÉMU NA DANÉM OBJEKTU EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ NAVRŽENÝCH OSTROVNÍCH SYSTÉMŮ VSTUPY PRO EKONOMICKÉ HODNOCENÍ NAVRŽENÝCH SYSTÉMŮ EKONOMICKÉ HODNOCENÍ PROJEKTU OS VTE EKONOMICKÉ HODNOCENÍ PROJEKTU OS VTE A FV EKONOMICKÉ HODNOCENÍ PROJEKTU OS VTE A FV II CITLIVOSTNÍ ANALÝZA NA ZMĚNY RŮZNÝCH VSTUPNÍCH PARAMETRŮ CITLIVOSTNÍ ANALÝZA PROJEKTU OS VTE CITLIVOSTNÍ ANALÝZA PROJEKTU OS VTE A FV CITLIVOSTNÍ ANALÝZA PROJEKTU OS VTE A FV II SROVNÁNÍ PROJEKTŮ Z HLEDISKA PŮVODNÍCH POŽADAVKŮ ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA PŘÍLOHA A PARAMETRY JEDNOTLIVÝCH KOMPONENTŮ OS PŘÍLOHA B SCHÉMA ZAPOJENÍ PROJEKTOVANÉHO OS... 85
10 Seznam obrázků 10 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 2-1 Nově instalovaný celosvětový výkon větrných elektráren [3] Obr. 2-2 Celkový celosvětový instalovaný výkon větrných elektráren [3] Obr. 2-3 Roční instalovaný výkon VtE na jednotlivých světových kontinentech [3] Obr. 2-4 Vývoj instalovaného výkonu VtE v letech v Evropě (vlevo), rozložení instalovaného výkonu VtE v zemích evropského kontinentu (vpravo)[6] Obr. 2-5 Výkupní ceny a zelené bonusy VtE v období [ERÚ] Obr. 2-6 Instalovaný výkon a výroba VtE od do [4] Obr. 2-7 Vývoj výkupních cen VtE v ČR dle vyhlášek ERÚ Obr. 2-8 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JZ [1] Obr. 2-9 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění ze SZ [1] Obr Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JV [1] Obr Rychlost větru ve výšce 100 m nad zemským povrchem v m/s [17] Obr. 3-1 Savoniuv větrný motor princip/modifikace Savoniova motoru v praxi [11] Obr. 3-2 Vztlakové motory a) jednolisté, b) dvoulisté, c) třílisté Obr. 3-3 Darrieusova turbína v praxi [12,13] Obr. 3-4 Princip vztlakového rotoru popsán rovnicí kontinuity Obr. 4-1 Blokové schéma grid off systému bez akumulace Obr. 4-2 Blokové schéma grid off systému s akumulací Obr. 4-3 Blokové schéma grid off systému s akumulací a záložním zdrojem Obr. 5-1 Akumulace elektrické energie - základní dělení [15] Obr. 5-2 Závislost napětí na SoC článku a doporučený provoz článku [19] Obr. 5-3 Životnost článku v závislosti na hloubce vybíjecích cyklů [29] Obr. 6-1 Denní odběrový diagram Obr. 6-2 Denní diagram rychlosti větru a výkonu VtE Obr. 6-3 Výkonová křivka větrné elektrárny Obr. 6-4 Histogram doby trvání výpadku větrné elektrárny Obr. 7-1 Četnosti rychlostí větru ve sledovaném období Obr. 7-2 Procentuální výskyt rychlostí větru ve sledovaném období Obr. 7-3 Směr proudění větru ve sledovaném období četnost Obr. 7-4 Intenzita slunečního záření ve sledovaném období četnost Obr. 7-5 Intenzita slunečního záření ve sledovaném období procentuální výskyt Obr. 7-6 Situační mapa objektu pro realizaci OS... 49
![2-5 Výkupní ceny a zelené bonusy VtE v období 2005 2012 [ERÚ]... 20 Obr. 2-6 Instalovaný výkon a výroba VtE od 1. 1. 2004 do 1. 6. 2012 [4]... 20 Obr. 2-7 Vývoj výkupních cen VtE v ČR dle vyhlášek ERÚ.](/docs-images/52/12106844/images/page_10.jpg ".. 21 Obr. 2-8 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JZ [1]... 23 Obr. 2-9 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění ze SZ [1]... 24 Obr.")
11 Seznam obrázků 11 Obr. 7-7 Předpokládaná energetická náročnost na vytápění a přípravu TUV Obr. 7-8 Výkonové charakteristiky vybraných VtE [39] Obr. 7-9 Četnost výpadků různé délky trvání za sledované období Obr Četnost různě velkých nedostatků za sledované období Obr Četnost výroby různé délky trvání za sledované období Obr Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE Obr Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE Obr Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE Obr Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE + FV I Obr Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE + FV I Obr Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE + FV I Obr Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE + FV II Obr Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE + FV II Obr Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE + FV II Obr Konkrétní objekt po nainstalování OS VtE + FV II Obr Průběhy diskontovaných nákladů sledovaných projektů... 76
12 Seznam tabulek 12 SEZNAM TABULEK Tab. 7-1 Velikost průměrných rychlostí větru při zanedbání nevyužitých rychlostí větru Tab. 7-2 Průměrná měsíční doba svitu [40] Tab. 7-3 Předpokládané nároky na vytápění a přípravu TUV [21] Tab. 7-4 Spotřebiče v daném objektu a jejich parametry Tab. 7-5 Výkony jednotlivých typů VtE při různých rychlostech větru Tab. 7-6 Průměrné denní výroby VtE s měřených rychlostí větru Tab. 7-7 Rozpis použitých komponentů pro ostrovní systém Tab. 7-8 Výsledky provozu OS VtE Tab. 7-9 Použité účinnosti jednotlivých komponentů Tab Výsledky provozu OS VtE + FV I Tab Výsledky provozu OS VtE + FV II Tab Shrnutí nákladů řešených projektů s DPH Tab Shrnutí investičních nákladů řešených projektů Tab Shrnutí ročních provozních nákladů řešených projektů Tab Shrnutí předpokládaných ročních výnosů řešených projektů Tab Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE Tab Použité zpřesňující parametry pro ekonomické hodnocení Tab Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE Tab Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE + FV Tab Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE + FV Tab Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE + FV II Tab Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE + FV II Tab Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE Tab Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen baterií v projektu OS VtE Tab Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE Tab Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE + FV Tab Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen baterií v projektu OS VtE + FV Tab Výsledky cit. analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE + FV Tab Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE + FV II Tab Výsledky cit. analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE + FV II... 76
13 Seznam symbolů a zkratek 13 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK A plocha [m 2 ] C aku kapacita akumulátoru [Wh] C bat,ah ampér-hodinová kapacita baterie [Ah] C bat,wh watt-hodinová kapacita baterie [Wh] c p součinitel výkonu [-] E d denní vyrobená energie [Wh] E k kinetická energie [J] E p24 průměrná energie za den [Wh] E r roční vyrobená energie [Wh] F a axiální síla [N] m hmotnost [kg] N náklady [Kč] n počet intervalů [-] N p provozní náklady [Kč.rok -1 ] N pkwh provozní náklady za kwh [Kč.kWh -1 ] P výkon [W] P FV výkon FV elektrárny [W] P max maximální výkon [W] P p,sp průměrný příkon spotřeby [W] P real reálný výkon [W] P spotř,i příkon v intervalu [W] P stř střední výkon [W] P špič špičkový výkon [W] P VtE výkon větrné elektrárny [W] t čas [s] t pr/24 průměrný čas za den [s] t vyp doba výpadku [s] U napětí [V] U bat,jm jmenovité napětí baterie [V] v rychlost [m.s -1 ] V objem [m3] ΔE 1hod hodinová energetická bilance [Wh] ΔE k změna kinetické energie [Wh] η účinnost [-] λ rychlostní součinitel [-] ρ hustota [kg.m -3 ] AC AGM CF DC DC DN DoD Střídavý Absorbet Glass Mat Cash flow Diskontované náklady Stejnosměrný Doba návratnosti Depth of Discharge
![n počet intervalů [-] N p provozní náklady [Kč.rok -1 ] N pkwh provozní náklady za kwh [Kč.](/docs-images/52/12106844/images/page_13.jpg "kWh -1 ] P výkon [W] P FV výkon FV elektrárny [W] P max maximální výkon [W] P p,sp průměrný příkon spotřeby [W] P real reálný výkon [W] P spotř,i příkon v intervalu [W] P stř střední výkon [W] P špič")
14 Seznam symbolů a zkratek 14 EC EIA ERÚ ES EU FV IR IRR LCoE LiFePO4 Li-ion NiCd NiMH NPV OS OZE PLC PV PVE SoC SR TUV VE VRLA VtE Elektro centrála Environmental Impact Assessment Energetický regulační úřad Elektrická síť Evropská unie Fotovoltaický Index rentability Internal rate of return Levelized Cost of Energy Lithium železo fosfát Litium iontové Nikl Cadmium Nikl Methal Hydrid Net present value Ostrovní systém Obnovitelné zdroje energie Programmable Logic Controller Fotovoltaický Fotovoltaická elektrárna State of Charge Solární regulátor Teplá užitková voda Vodní elektrárna Valve Regulated Lead Acid Větrná elektrárna
15 1 Úvod 15 1 ÚVOD S rozvojem lidské populace každým dnem vzrůstají nároky na potřebu elektrické energie. Zvláště pak v rozvojových zemích, kde není dostatečně rozvinutá infrastruktura vzniká problém, kde energii získat a jakým způsobem ji dopravit k odběrateli. S obdobným problémem se setkáváme i v těžko dostupném terénu nebo na místech vzdálených od elektrické sítě natolik, že není reálné odběratele ze sítí propojit. Dnes jsou sice k dispozici zdroje využívající k výrobě elektrické energie nerostného bohatství, avšak provoz takových zdrojů je velice nákladný. Z tohoto důvodu je snahou využívat energie, které jsou dostupné na celé Zemi, energie nevyčerpatelné, energie vytvářené právě Zemí, dnes nazývané energie z obnovitelných zdrojů. Energie tohoto typu (vítr, slunce, voda, ) je sice v určitém množství téměř všude, ale ne vždy se jedná o energii stálou. Odběratel bývá velmi často závislý na kontinuální dodávce, a protože není spojen s elektrickou sítí, bylo nutné řešit problém jak energii v době, kdy je jí přebytek akumulovat, aby ji bylo možné čerpat i v době nedostatku. Takto vzniklé uzavřené systémy, zdroje a spotřebiče nepřipojené k elektrické síti se nazývají ostrovním systémem, nebo také systémem grid-off. S novými cenově dostupnými technologiemi vzrůstá šance aplikovat tyto systémy i tam, kde ještě před pár lety technologie neumožňovaly finančně nenákladný a spolehlivý provoz. Právě rozvoj nových technologií a vzrůstající poptávka po energetické soběstačnosti mně motivovali k výběru tohoto tématu diplomové práce. Hlavním cílem práce je návrh konkrétního ostrovního systému včetně kontroly provozu a ekonomického zhodnocení. Dílčími cíli práce je zpracování rozsáhlé rešerše v oblasti současného stavu využívání větrné energie, dále popis jednotlivých částí ostrovního systému a rozdělení ostrovních systému včetně možnosti použití.
16 2 Využívání větrné energie 16 2 VYUŽÍVÁNÍ VĚTRNÉ ENERGIE 2.1 Historie Počátky využívání větrné energie na planetě Zemi se datují už od doby starého Egypta 5000 let př. n. l., kde bylo energie větru využíváno k pohonu lodí. První známé stroje, větrné mlýny, využívající síly větru byly pak objeveny v Číně a Persii a to někdy v 7. století n. l. Na evropský kontinent, přesněji do Španělska, se dostávají větrné mlýny prostřednictvím Arabů až v 9. století. Do ostatních zemí Evropy postupně pronikaly další 3 století. Postavení prvního větrného mlýnu na území České republiky historické prameny vážou k roku 1277, a to v zahradě Strahovského kláštera v Praze. Nejstarší zmínka z území Moravy a Slezska je z r z Opavska. V 18. století, kdy k rozvoji větrného mlynářství vedlo vydání dvorského dekretu o zřizování větrných mlýnu z roku 1784, který sledoval, aby každá obec měla mlýn, byla na Moravě a ve Slezsku registrována existence třiceti větrných mlýnů. Na začátku 20. století byla na území ČR doložena existence 879 větrných mlýnů [1]. Větrné mlýny byly používány jako zdroj mechanické energie. Teprve půl století po objevech pánů A. Volta a M. Faradaye, přišel s nápadem použít větrný mlýn jako pohon dynama Američan Charles F. Brush. V roce 1888 dokončil první větrnou elektrárnu s průměrem rotoru 17 m a výkonem 12 kw při 500 otáčkách za minutu. V Evropě první větrná elektrárna vznikla o tři roky později v dánské obci Askov, za kterou stál profesor Poul la Cour. Tento člověk se začal zajímat také o to, jak energii akumulovat na dobu bezvětří. Možnost akumulace viděl v přeměně elektrické energie na vodík. V roce 1900 sestrojil první elektrolyzér a přebytečnou energii převáděl na vodík, kterým bylo v době potřeby svíceno [2]. Největší rozvoj větrná energetika zaznamenala v období světových válek a jako hlavní impuls pro výstavbu a budování těchto alternativních energetických zdrojů byla v 70. letech ropná krize, kdy si státy začaly uvědomovat svoji nebezpečnou závislost na dovážené ropě. V 80. letech byl v Kalifornii spuštěn dotační program na podporu energie větru, který spustil lavinu dotačních programů i v Evropě, především v Dánsku a Německu. Už počátkem 21. století se ukazuje, že větrná energie není jen nepraktická alternativní technologie, ale že jde o poměrně levný způsob jak vyrábět čistou energii z vlastních zdrojů. 2.2 Rozvoj větrné energetiky v posledních letech Větrná energetika zažívá v posledních letech velký rozvoj. Každým rokem je vybudováno mnoho větrných elektráren, ať už větrných parků, nebo i samostatně stojících jednotek různých výkonů. K budování větrných elektráren napomáhá hned několik faktorů - stále nižší pořizovací náklady, lepší dostupnost komponent, ale také podpora ze strany států formou finančních dotací. Podpora OZE je důsledkem snahy snižování škodlivých emisí, ke kterému se státy zavázaly v tzv. Kjótském protokolu Větrná energetika celosvětově Největšího rozmachu dosahuje v současnosti větrná energie v méně vyspělých zemích a to proto, že v těchto zemích již byly vhodné lokality k instalaci větrných elektráren obsazeny. Ve vyspělých zemích dochází tedy spíše jen k snahám zabírat i lokality, kde větrné podmínky nejsou příliš dobré, ale vzhledem ke snižování cen za instalované jednotky výkonu jsou už i tyto lokality pro investora zajímavé. Jen velmi těžko se hledají volná místa pro výstavbu nových velkých
17 2 Využívání větrné energie 17 výrobních jednotek, protože vhodné lokality obvykle spadají do chráněných krajinných oblastí, kde povolení na výstavbu je udělováno spíše jen výjimečně. Nadále je v těchto zemích také snaha udržet si co možná nejnovější technologie aby byly zajištěny co možná nejvyšší zisky a tak dochází k rekonstrukcím starých větrných elektráren za nové. O vývoji světové větrné energetiky, přesněji o nově instalovaném výkonu vypovídá obr Vývoj celkového globálního instalovaného výkonu VtE je znázorněn v obr Obr. 2-1 Nově instalovaný celosvětový výkon větrných elektráren [3] Obr. 2-2 Celkový celosvětový instalovaný výkon větrných elektráren [3] Z grafů je patrný neustále narůstající trend, zvláště v posledních pěti letech, kdy se instalovaný výkon VtE téměř ztrojnásobil. Tento prudký nárůst byl způsoben především rozvojem méně vyspělých zemí, o čemž vypovídá obr Na Asijském kontinentu došlo k masivní výstavbě VtE, především v Číně, která v současnosti má největší instalovaný výkon MW.
18 2 Využívání větrné energie 18 Obr. 2-3 Roční instalovaný výkon VtE na jednotlivých světových kontinentech [3] Celkový globální instalovaný výkon VtE ke konci roku 2011 dosáhl hodnoty 238 GW. VtE za rok 2011 vyrobily 446 TWh, což při celkové výrobě energie ,4 TWh činí asi 4,35 %. Není to nikterak velké číslo, ale vzhledem k tomu, že podpora VtE trvá poměrně krátkou dobu, lze předpokládat, že se tato hodnota každým rokem zvýší Větrná energie v Evropě V Evropě to vše začalo především v Dánsku, kde stát velice štědře finančně podporoval větrnou energetiku. Obdobně o pár roků později se i v Německu nastolily příznivé transparentní podmínky pro větrnou energetiku. Tato podpora přinesla zasloužené ovoce. Dánsko a Německo patří v současné době mezi světové technologické vůdce. O vývoji stavu instalovaného výkonu v EU vypovídá obrázek obr. 2-4 (vlevo), kde je patrný neustálý nárůst. Zejména v posledních třech letech jde o přibližně konstantní, vysoký přírůstek instalovaného výkonu VtE. Rozložení instalovaného výkonu do jednotlivých zemí znázorňuje obrázek obr. 2-4 (vpravo). Můžeme si povšimnout, že více než polovina instalovaného výkonu VtE je na území Německa a Španělska. Až daleko za těmito státy se v instalovaném výkonu VtE nachází Francie, Itálie a Anglie.
19 2 Využívání větrné energie 19 Obr. 2-4 Vývoj instalovaného výkonu VtE v letech v Evropě (vlevo), rozložení instalovaného výkonu VtE v zemích evropského kontinentu (vpravo)[6] Celkový instalovaný výkon VtE v Evropě ke konci roku 2011 dosáhl hodnoty 93,957 GW. VtE za rok 2011 vyrobily 204 TWh, což při celkové výrobě energie všech zdrojů činí 3397 TWh, což představuje 6 % podílu větrných zdrojů [4,5]. Ani zde se nejedná o nijak vysoký podíl vyrobené elektřiny VtE zdrojů, ale je patrné, že Evropa je vzhledem k celosvětovým statistikám vyspělejší Větrná energie v ČR V České republice lze rozdělit vývoj větrné energetiky do dvou etap. První etapa je přiřazována k období , kdy došlo k výstavbě 24 VtE s instalovaným výkonem 8,22 MW. Tento na svoji dobu významný růst byl motivován hned několika důvody (otevření hranic, motivace od států Německa a Dánska, předpoklad podpory státu jako v Německu a Dánsku). Ve skutečnosti však v období zaznamenal vývoj větrné energetiky spíše propad. Tento propad byl zapříčiněn nízkými výkupními cenami, nekvalitními levnými elektrárnami od českých výrobců, nedostatkem teoretického, odborného a legislativního zázemí, montáží elektráren na nevhodných místech. Provoz se stával mnohdy nerentabilním a v některých případech byly elektrárny i demontovány. Za druhou etapu můžeme považovat období po roce 2002, kdy Energetický regulační úřad stanovil minimální výkupní cenu elektřiny na 3000 Kč/MWh. I přesto, že se výkupní cena elektřiny z větru rok od roku snižuje, což je viditelné v obrázku obr. 2-5, se daří realizovat mnoho rentabilních projektů. To je patrné z obrázku obr. 2-6, kde si můžeme povšimnout masivní výstavby VtE během let Na obrázku obr. 2-6 si dále můžeme povšimnout prudkého nárůstu výroby VtE, za který je odpovědný především vývoj, nové technologie a tím i zvyšování účinnosti.
![roku 2011 dosáhl hodnoty 93,957 GW. VtE za rok 2011 vyrobily 204 TWh, což při celkové výrobě energie všech zdrojů činí 3397 TWh, což představuje 6 % podílu větrných zdrojů [4,5].](/docs-images/52/12106844/images/page_19.jpg "Ani zde se nejedná o nijak vysoký podíl vyrobené elektřiny VtE zdrojů, ale je patrné, že Evropa je vzhledem k celosvětovým statistikám vyspělejší. 2.")
20 2 Využívání větrné energie 20 Výkupní ceny a zelené bonusy VtE v období Kč/MWh 2500 Výkupní cena Kč/MWh rok 2012 Obr. 2-5 Výkupní ceny a zelené bonusy VtE v období [ERÚ] Obr. 2-6 Instalovaný výkon a výroba VtE od do [4] Snahou státu je podporovat budování zdrojů obnovitelné energie a finanční prostředky na rozvoj rozdělovat co možná nejspravedlivěji. Problematiku podporování OZE má na starosti Energetický regulační úřad, který každým rokem vydává příslušnou vyhlášku o výkupních cenách OZE na následující rok. Ve vyhlášce jsou výkupní ceny také rozděleny do několika skupin dle data uvedení elektrárny do provozu, čím starší elektrárna je, tím vyšší výkupní ceny pro ni platí. Vývoj výkupních cen pro různě staré elektrárny je viditelný v obrázku obr. 2-7.
![2012 [4] Snahou státu je podporovat budování zdrojů obnovitelné energie a finanční prostředky na rozvoj rozdělovat co možná nejspravedlivěji.](/docs-images/52/12106844/images/page_20.jpg "Problematiku podporování OZE má na starosti Energetický regulační úřad, který každým rokem vydává příslušnou vyhlášku o výkupních cenách OZE na následující rok.")
21 2 Využívání větrné energie 21 Obr. 2-7 Vývoj výkupních cen VtE v ČR dle vyhlášek ERÚ Celkový instalovaný výkon VtE v ČR činil ke dni asi 218,9 MW. Větrné elektrárny za rok 2011 vyrobily 396,8 GWh elektrické energie, což činí asi 0,5 % podíl ve vyrobené elektrické energii v ČR [7]. 2.3 Vítr Pohyb vzduchu je podmíněn tlakem vzduchu a rozdíly v tlaku jsou dány různými tepelnými kapacitami zemského povrchu. Při nepohybující se Zemi by vzduch proudil po spádnici, tedy kolmo na izobary ve směru nižšího tlaku. Protože se Země otáčí konstantní úhlovou rychlostí, začínají působit další síly na směr proudění vzduchu. První je tzv. Coriolisova síla, která způsobí, že částice vzduchu (vítr) se na severní polokouli stáčí vpravo, na jižní zase vlevo. Účinek síly se zvyšuje úměrně s rychlostí přemísťujícího se vzduchu. Dále závisí na zeměpisné šířce. Při stejné rychlosti nejsilněji působí na pólech a na rovníku klesá k nule. V blízkosti rovníku se jeho směr mění vlivem rotace [8]. Dále se uplatňuje odstředivá síla, která odchyluje pohybující se částice ven od středu křivky. Tento účinek síly je velký při velkých zakřiveních drah pohybu. [8] Na pohybující se částice vzduchu v blízkosti zemského povrchu působí síla tření, která se skládá z tření o zemský povrch, včetně překážek na něm existujících a vnitřního tření, spojeného s turbulentním charakterem atmosférického proudění. Molekulární tření je ve srovnání s turbulentním třením zanedbatelně malé. V turbulentním prostředí je silně zvětšeno promíchávání vzduchu a zvětšují se síly tření. Velikost turbulentního tření závisí také na vertikálním teplotním profilu mezní vrstvy atmosféry. Turbulentní tření je největší u zemského povrchu a směrem vzhůru jeho velikost klesá. Vrstvu atmosféry, v níž se projevuje vliv tření, označujeme jako mezní vrstvu atmosféry.[1]
22 2 Využívání větrné energie 22 Třecí síla způsobuje, že se částice vzduchu nepohybují ani při ustáleném proudění rovnoběžně s izobarami, ale odklání směr větru k nižšímu tlaku a rychlost větru se zmenšuje. Třecí síla a tím i odchylka vzdušného proudu od směru izobar vzrůstá s drsností zemského povrchu. Z fyziky mezní vrstvy je známo, že rychlost větru s rostoucí výškou s ubývajícím třením přibývá. Úbytek tření s výškou se projevuje až k horní hranici mezní vrstvy atmosféry, jejíž průměrná výška ve střední Evropě se uvádí při stabilním zvrstvení (převážně v zimě) m, jinak kolem 1 km [1]. Na proudění vzduchu má vliv také střídání teplot mezi pevninou, údolími a horami, holými a zalesněnými plochami. Směrem k rovníku proudí pasáty a v horních vrstvách zase opačným směrem antipasáty. V jihovýchodní Asii dochází k půlročnímu střídání monzunů vanoucích od moře s antimonzuny, které vanou opačným směrem. Kromě uvedených faktorů na pohyb atmosféry má vliv i přitažlivost Měsíce a Slunce [8]. Problematikou větrných podmínek na území ČR se zabývá Ústav fyziky atmosféry, oddělení mezní vrstvy atmosféry a dále pak vědecký obor meteorologie ve větrné energetice. Cíle těchto oborů jsou následující: určení pole větrného potenciálu na území státu (vytváření větrných map), v daných lokalitách, nebo vymezených plochách určit zásoby větrné energie v potřebném výškovém profilu, za použití vědeckých poznatků, rozvoj metod pro určování optimální lokality pro umístění VtE, hodnocení projevů meteorologických podmínek na množství vyrobené energie, zkvalitňování metod pro předpověď výroby elektrické energie, která je důležitá k udržení stability ES. 2.4 Energie větru a výroba větrných elektráren Turbíny VtE získávají svoji energii snížením rychlosti vzdušného proudění, tím dochází k částečné přeměně kinetické energie vzduchu na kinetickou energii rotoru VtE. Kinetická energie proudící hmoty je dána vztahem: E k 1 2 m v 2 1 V v 2 2 (J; kg, m.s -1 ), (2.1) kde m je hmotnost, ρ hustota vzduchu, V objem vzduchu a v rychlost větru. Výkon, který je možné získat využitím veškeré kinetické energie větru proudícího jednotkovou plochou, která je kolmá na směr proudění, se označuje hustota výkonu větru a platí pro ni vztah: P 1 2 Výkon větrné turbíny je dán vztahem: 3 v (W; kg.m -3, m.s -1 ). (2.2) 1 P p 2 3 c A v (W; -, m 2, kg.m -3,m.s -1 ), (2.3)
23 2 Využívání větrné energie 23 kde c p je součinitel výkonu, který nabývá maximální hodnoty 0,593, reálná hodnota pro větrné turbíny je nižší a pohybuje se kolem hodnoty 0,4 a je závislá na rychlosti větru a typu větrné turbíny. A je plocha opisovaná rotorem. 2.5 Větrný potenciál na území ČR Jak už bylo popsáno výše, vítr vzniká vyrovnáváním tlakových nehomogenit. Proudění větru je navíc silně deformováno zemským povrchem. Ze dříve popsaných vlastností větru je tedy jisté, že v nížinách bude intenzita větru nižší a na vysokých horách vyšší. Protože výkon větru roste se třetí mocninou rychlosti větru, pak právě rychlost větru bude jedním z parametrů důležitých pro určení vhodné lokality VtE. Druhý neméně důležitý parametr pro VtE je směr proudícího větru. Pro předběžné odhadnutí vhodných větrných podmínek složí tzv. větrné mapy. Větrná mapa udává průměrné rychlosti větru v daném časovém intervalu v určité výšce nad zemským povrchem a určitém směru proudění. Na obrázku obr. 2-8 je znázorněna větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z jihozápadu, na obrázku obr. 2-9 při proudění ze severozápadu a na obrázku obr při proudění z jihovýchodu. Obr. 2-8 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JZ [1]
24 2 Využívání větrné energie 24 Obr. 2-9 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění ze SZ [1] Obr Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JV [1] Z obrázků je dobře viditelné, jak nemalý vliv má ráz krajiny na větrné podmínky. O rychlosti větru ve výšce 100 m nad zemským povrchem nás informuje obrázek obr Tato mapa je volně k dispozici na webových stránkách Geoportálu. Můžeme si povšimnout, že větrné podmínky vhodné pro výstavbu VtE s rostoucí výškou přibývají, protože minimální rychlost větru pro současné VtE se pohybuje kolem 4 m/s.
25 2 Využívání větrné energie 25 Obr Rychlost větru ve výšce 100 m nad zemským povrchem v m/s [17]
26 3 Rozdělení větrných motorů 26 3 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH MOTORŮ Větrný motor je zařízení sloužící k přeměně kinetické energie větru na energii mechanickou. Jedná se tedy o mezistupeň transformace větrné energie na energii elektrickou. Jsou popsány dva základní principy transformace energie větru, podle kterých můžeme větrné motory rozdělit. Toto dělení vychází z jeho aerodynamických vlastností: motory vztlakové, motory odporové. Dále můžeme motory dělit podle uložení osy rotace: horizontální, vertikální. Podle rychlostního součinitele λ: rychloběžné, pomaloběžné. Případně podle instalovaného výkonu. 3.1 Větrné motory odporové Podstatou těchto motorů je skutečnost, že plocha nastavená proti větru mu vytváří aerodynamický odpor. Na ploše vzniká síla, která je transformována obvykle na rotační pohyb. Příkladem tohoto typu motoru je mističkový anemometr, nebo Savoniův větrný motor obr Z obrázku je patrné, že část větrné energie dopadající na aktivní lopatku je odvedena na lopatku pasivní. Aby mohl u tohoto typu motoru vzniknout hnací moment, musí být rychlost větru vyšší než obvodová rychlost rotoru. V ideálním případě bez zátěže budou otáčky rotoru úměrné rychlosti větru. Účinnosti motorů pracujících na odporovém principu se pohybují v rozmezí %, proto se v oblasti energetiky využívají jen zřídka. Výhody odporových větrných motorů: poměrně jednoduchá konstrukce, možnost použití už při velmi malých rychlostech větru cca 2 m.s -1, za předpokladu vertikální osy rotace nejsou závislé na směru proudícího větru, přímý přenos kroutícího momentu na hřídel. Nevýhody odporových větrných rotorů: nižší efektivita, vysoké hodnoty točivého momentu, nízké otáčky.
27 3 Rozdělení větrných motorů 27 Obr. 3-1 Savoniuv větrný motor princip/modifikace Savoniova motoru v praxi [11] 3.2 Větrné motory vztlakové Větrné motory založené na vztlakovém principu jsou dnes nejpoužívanějšími stroji k transformaci energie větru na energii elektrickou. V energetice se tedy nejčastěji setkáváme s větrnými motory s horizontální osou rotace, natočenou kolmo na směr větru. Jedná se o rychloběžné motory dvoulisté a třílisté, výjimečně potom jednolisté a čtyřlisté. Příklad těchto motorů je na obrázku obr Obr. 3-2 Vztlakové motory a) jednolisté, b) dvoulisté, c) třílisté V posledních letech byly tyto typy, především potom provedení třílistého motoru, zdokonalovány. Jejich současný stav je už na takové úrovni, že součinitel využití se pohybuje kolem 40 %. Obvodové rychlosti se podle počtu listů pohybují u jednolistých motorů přibližně na patnáctinásobku rychlosti větru, u dvoulistých je to kolem desetinásobku a u provedení třílistého obvodová rychlost bývá kolem sedminásobku rychlosti větru. Z důvodu vysokých rychlostí se v poslední době od jednolisté verze už upouští, protože je velice obtížné dimenzovat stožár. Sebemenší nevyváženost rotoru při takt velkých otáčkách rozechvívá celý stožár. Také
28 3 Rozdělení větrných motorů 28 protizávaží se ukázalo jako nepříliš dobrá volba, protože plocha listu a protizávaží nevytváří stejný moment na hřídeli a tím nerovnoměrně zatěžuje ložiska. K neposlednímu důvodu, proč se od jednolistých rotorů upouští, patří zvýšená hlučnost způsobovaná právě vysokými rychlostmi, kde konec listu dosahuje obvyklé rychlosti až 400 m.s -1. Speciálním typem vztlakového motoru je motor Darrieus. Znázorněn je na obrázku obr Jedná se o motor nejčastěji s vertikální osou rotace, tedy obdobně jako u Savoniova motoru není závislý na směru větru. Obvodová rychlost bývá dle typu přibližně kolem pětinásobku rychlosti větru. Udávané účinnosti se pohybují kolem 35 %. Z důvodů vyšších rychlostí větru potřebných pro rozběh bývá často použit v kombinaci z motorem Savoniovým. Obr. 3-3 Darrieusova turbína v praxi [12,13] Princip vztlakových motorů U vztlakových motorů vycházíme z rovnice kontinuity. Větrný motor odebere proudícímu větru část kinetické energie protékající pracovní plochou, tím dojde k poklesu rychlosti větru za větrným motorem. Vyjdeme-li z obrázku obr. 3-4, kde je prostor ohraničen proudovými plochami, potom za předpokladu, že se nepřenáší hmota ani energie, můžeme napsat rovnici kontinuity: v 1 A1 v A v2 A2 (m.s -1,m 2 ), (3.1) kde v je rychlost větru a A je plocha opisovaná špičkou listu větrné turbíny.
29 3 Rozdělení větrných motorů 29 Obr. 3-4 Princip vztlakového rotoru popsán rovnicí kontinuity Ze zákona zachování hybnosti můžeme odvodit axiální sílu F a působící na listy větrného motoru: F a Av Výkon větru je definován rovnicí: v 1 v 2 2 P Fa v Av v1 (N; kg.m -3, m 2, m.s -1 ). (3.2) v 2 (W; N, m.s -1 ). (3.3) Pro výkon určený ze změny kinetické energie ΔE k proteklého vzduchu za jednotku času platí: Ek 1 2 P A v v1 v t 2 Porovnáním rovnic získáme vztah pro rychlost: Dosazením do rovnic (3.2) a (3.4) pro F a a P získáme: 2 2 (W; J, s). (3.4) v 1 v v 2 (m.s -1 ; m.s -1 ). (3.5) 2 F a 1 2 A v 2 1 v 2 2, (3.6) 2 2 v v v v 1 P A (3.7) 4 Ideální účinnost přeměny kinetické energie na mechanickou můžeme definovat jako poměr výkonu motoru k výkonu větru. Při uvažování ideálního větrného motoru s nekonečným počtem lopatek pracujících bez aerodynamického odporu můžeme pro účinnost napsat vztah: 2 2 v v v v i (-; m.s -1 ). 3 (3.8) 2 v1
30 3 Rozdělení větrných motorů 30 Výše uvedené rovnice popisují ideální stav definují pouze výkon vzduchové hmoty. Pokud bychom chtěli definovat výkon větrného motoru protékaného touto hmotou, je potřeba rovnici výkonu větru vynásobit součinitelem výkonnosti c p. Součinitel výkonnosti udává, kolik energie z proudícího vzduchu se využívá na turbíně. Jeho maximální hodnota může teoreticky podle Netzova pravidla dosahovat c p = 0,59. Hodnota součinitele výkonnosti není konstantní a je funkcí rychlosti větru. Obecně lze říci, že hodnota součinitele výkonnosti je při nízkých rychlostech větru nízká, při středních rychlostech dosahuje maximálních hodnot a při vyšších rychlostech opět klesá [9].
31 4 Větrné elektrárny 31 4 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Zařízení nazývané větrnou elektrárnou je v základu složeno ze dvou, maximálně ze tří hlavních částí a slouží k transformaci větrné energie na energii elektrickou. Jedná se tedy o zdroj mechanické energie (větrný motor). Tato energie je pomocí elektrického stroje (generátoru) transformována na energii elektrickou. Aby elektrická energie byla použitelná, je důležitý nějaký akční člen, regulace, řízení. Každý s těchto bloků má přímý vliv na správnou funkčnost a účinnost celé VtE. 4.1 Rozdělení větrných elektráren Větrné elektrárny můžeme dělit podle několika faktorů. Jedním z hlavních je právě dělení podle druhu větrného motoru [kap. 3]. Další způsob rozdělení VtE je podle velikosti, nebo spíše instalovaného výkonu. Toto dělení není jednoznačně definované a může se v různých zdrojích lišit. Dále je možné VtE dělit podle způsobu provozu nebo druhu elektrického stroje. S tím úzce souvisí použití, či nepoužití převodovky a jiných potřebných technologií Mikroelektrárny Jedná se o zařízení nízkého instalovaného výkonu přibližně do 2 kw, velikost rotoru nepřesahuje průměr 1,25 m. Někdy bývá tato kategorie zahrnuta v kategorii malé větrné elektrárny. Uplatnění nacházejí především tam, kde není dostupnost elektrických sítí pro napájení baterií energeticky nenáročných zařízení. Dále mohou sloužit jako zdroj pro krytí částečné spotřeby a přispívat tak k energetické soběstačnosti budov. Většina těchto zařízení pracuje na nízkém stejnosměrném napětí, obvykle napětí akumulátorů. Výhodou tohoto typu zařízení je nízká hmotnost, malá velikost, jednoduchá manipulace, finanční dostupnost, možnost umístění v podstatě kamkoliv, kde jsou dobré větrné podmínky bez nutnosti povolení stavebního úřadupřenosné zařízení Malé větrné elektrárny Jednotkový instalovaný výkon malé VtE se udává do 50 kw a průměr rotoru nepřesahuje 15 m. Význam mají především jako lokální zdroje pro místa bez připojení k síti, velmi často v kombinaci s fotovoltaickými panely, bateriemi a záložním zdrojem - dieselagregátem. Umisťují se zpravidla na samostatné stožáry. Mezi výhody tohoto typu VtE se řadí finanční dostupnost, relativně snadné povolovací řízení (do výšky 10 m včetně rotoru stačí pouze ohláška), možnost samozásobení energií a možnost kombinace se solární energií tzv. antikorelace. Mezi nevýhody těchto dvou typů elektráren lze řadit: nízké rychlosti větru v malých výškách a s tím spojené třeba i třetinové výkony než udává výrobce, poměrně vysoký podíl nákladů mimo samotnou turbínu (montáž, elektroinstalace, baterie, řízení), možné problémy s hlukem a vibracemi, malý a špatně rozvinutý trh, často nesolidní přístup výrobců i prodejců, rychle vznikající a zanikající firmy a často nízká trvanlivost zařízení.
32 4 Větrné elektrárny Střední větrné elektrárny Instalovaný výkon se u této kategorie pohybuje v rozmezí kw, průměr rotoru m. Využití nachází především v zásobování odlehlých lokalit, v ostrovním provozu zpravidla v kombinaci s jiným zdrojem. Účelem tohoto typu zařízení je úspora paliva dieselagregátů, kde při dobrých větrných podmínkách dokáže pokrýt velkou část spotřeby. Dnes už jsou první pilotní projekty spolupráce VtE s bateriemi o velikosti až 500 kwh, kde dieselagregát slouží jen jako záložní zdroj. Jen velmi výjimečně je tento typ VtE používán pro dodávku do sítě. Pro tyto účely jsou vhodnější velké VtE. Mezi výhody tohoto druhu VtE lze zařadit snad jen výkonnostní mezistupeň (vhodné tam, kde by velké VtE měly přebytek energie), menší zásah do krajinného rázu a jednodušší přeprava komponent na stanoviště oproti velkým VtE. Jako hlavní nevýhody VtE této kategorie jsou poměrně vysoké pořizovací náklady na jednotku výkonu a tedy s tím spojená i delší návratnost investic oproti velkým VtE. Dále potom z důvodů stavby nadmístního významu je stejně jako u velkých VtE na území ČR požadováno vyjádření EIA (vliv na životní prostředí) a povolení Krajského úřadu. Je to poměrně složitá procedura, kdy výsledek není jistý a může na něm ztroskotat spousta projektů Velké větrné elektrárny Do této kategorie spadají elektrárny s instalovaným výkonem nad 300 kw, dnes typicky jednotky o výkonu 2 3 MW. Výška stožáru se pohybuje v rozmezí od 50 m do 150 m, nejčastěji kolem 100 m. Velikost rotoru je dle výkonu m, typicky kolem 100 m. Jedná se o jednotky přímo připojené do sítě, velmi často vytváří větrné parky. Výhodou této kategorie je velká výška a s tím spojené poměrně stabilní proudění větru dostatečné velké rychlosti, tedy i vysoká účinnost tohoto zdroje a rychlejší návratnost než u předchozích typů. Nevýhodu činí více jednotek tohoto typu na jednom místě velký vliv na připojenou síť. 4.2 Větrné elektrárny grid-off V průběhu vývoje VtE bylo vždy snahou dostat elektrárnu na takovou úroveň, aby dodávala trvalý výkon bez přestávek, protože však nedokážeme řídit vítr a nedokážeme mu rozkazovat, tak je výkon VtE spíše stochastického rázu. Dá se sice odhadnout, jaký výkon bude elektrárna schopna dodat, ale jen v omezeném časovém předstihu a ne zcela přesně. S tohoto důvodu se začal řešit problém spojený právě s provozem VtE a to akumulace energie. V začátcích provozu samostatných VtE se přebytečná energie umořovala tím, že se transformovala na teplo. To však v době nedostatku elektrické energie (při bezvětří) neřešilo problém, kde elektrickou energii vzít. Teprve až s rozvojem nových technologií, které šly ruku v ruce s vývojem fotovoltaických panelů, kde byl problém obdobného charakteru, se začala problematika akumulace řešit ve velkém. Z rozvojem OZE a především pak zdrojů, kde není zajištěna kontinuální dodávka, jako například velké větrné a fotovoltaické parky, se začala problematika akumulace řešit ještě ve větší míře, protože v dobách špiček elektrická vedení nebyla schopna energii odvést ke spotřebě. V nočních hodinách nebo bezvětří byla vedení zase téměř nevyužívaná. Snahou je tedy využívat vedení co možná nejrovnoměrněji a přitom veškerou energii OZE odvést ke spotřebě. S touto problematikou je velmi často spojen pojem virtuální elektrárna. Jde sice o elektrárnu připojenou do sítě, ale v rámci elektrárny jako takové se jedná o jakýsi autonomní systém, který je schopen zajistit akumulaci přebytečné energie a dodat ji do sítě v době potřeby. Za předpokladu, že by síť byla spotřebič, který nemá žádné další zdroje, by se jednalo v podstatě také o grid-off systém. Rozvoj těchto velkých projektů dal zelenou i malým grid-off systémům. Ceny za jednotky akumulovaného výkonu s rozvojem stále klesají. Zároveň s akumulací energie
33 4 Větrné elektrárny 33 se rozvíjí i výkonová elektronika, bez které by dnes žádný grid-off systém nemohl fungovat. Tedy další důležitý prvek grid-off systému je nějaký výkonový řídící člen (měnič, střídač, regulační člen). Všechny tyto prvky se musí podřídit požadavku spotřeby. Spotřeba udává, jak velká bude muset být použita VtE, kolik energie bude třeba akumulovat, jaké výkonové prvky bude třeba použít a také určuje, jaký stupeň zabezpečení dodávky bude potřebovat. Podle těchto parametrů se dá dnes v podstatě na míru nadimenzovat grid-off systém. Je však důležité podotknout, že většina snah kolem řešení grid-off systému je založena na snaze ušetřit provozní nebo pořizovací náklady. Jen velmi zřídka je systému grid-off použito jako jistého druhu prestiže, nezávislosti na elektrické síti Rozdělení systémů grid-off Přesné rozdělení grid-off systémů není nikde definováno. Dělit tyto systémy je možné podle mnoha faktorů, ať už podle velikosti, rozsáhlosti, způsobu použití, nebo zabezpečení dodávky. Rozdělení podle způsobu použití: použití na úrovni zdroj a spotřebič bez akumulace, použití na úrovni trvale napájeného spotřebiče s možností krátkodobého výpadku, použití na úrovni chaty nebo rodinného domu s možností připojení k elektrické síti, použití na úrovni chaty nebo rodinného domu bez možnosti připojení k elektrické síti, použití na úrovni chatové oblasti nebo vesnice bez možnosti připojení k síti. Úroveň spotřebič a zdroj bez akumulace nachází velké uplatnění všude tam, kde nejsme nijak limitováni množstvím vyrobené energie. Vyrobená energie je hned účelně spotřebovávána a přeměňována na jinou formu energie. Příklad tohoto systému je na obrázku obr V době, kdy VtE vyrábí, se zároveň čerpá voda ze studny do zásobníku nebo se ohřívá voda v zásobníku právě vyrobenou elektrickou energií. Tedy je-li VtE mírně předimenzována, dá se očekávat spolehlivý provoz celého systému. Výhodou tohoto typu systému je poměrně nízká pořizovací cena a jednoduchost. Nevýhodou může být nefunkčnost systému při dlouhodobém bezvětří, ale s tím se u tohoto typu musí počítat. Obr. 4-1 Blokové schéma grid off systému bez akumulace Úroveň trvale napájeného spotřebiče s možností krátkodobého výpadku je takový koncept, kde je do obvodu zapojena řídící jednotka s bateriemi. Jak může takový systém vypadat, vyobrazuje obr Použití tohoto typu je možné všude tam, kde nám nebude vadit případný výpadek elektrické energie. Systém je sice imunní vůči krátkodobým stavům bezvětří, ale protože kapacita baterie je omezena, je nutné i u tohoto systému předpokládat, že k výpadku dodávky může dojít. Stabilita celého systému je závislá na správném nadimenzování VtE a baterií, vzhledem k odběru. Vše je ohraničeno možnostmi investora. Aby systém správně fungoval, je důležité dobře znát informace o četnostech a rychlostech větru a co možná nejvíc informací o připojené zátěži. Dle těchto informací volit kompromis mezi pořizovacími náklady a
34 4 Větrné elektrárny 34 předpokládaným počtem výpadků za určité časové období. V praxi se této koncepce využívá především pro malé výkony, desítky až stovky wattů, například meteorologické stanice na vrcholcích hor, informační tabule v chráněných rezervacích a jiné drobné spotřebiče, kde není možnost připojení k síti. Poměrně často se dá toto zapojení nalézt na lesních a horských chatkách především pro účel svícení a napájení drobných spotřebičů. Možnost výpadku je zde vyvážena poměrně nízkými náklady celého systému. Obr. 4-2 Blokové schéma grid off systému s akumulací Úroveň chaty nebo rodinného domu s možností připojení k elektrické síti zastupuje skupinu systémů, kde objekt sice je připojen k elektrické síti, ale VtE připojena do této sítě není, bude tedy přispívat především k zvýšení soběstačnosti dané budovy. Může u dobrých projektů poměrně razantně snížit náklady za elektrickou energii, avšak náklady spojené s realizací mohou být někdy natolik vysoké, že životnost elektrárny nemusí být dostatečně velká, aby pokryla dobu návratnosti celého projektu. Realizace tohoto typu grid-off elektrárny vyžaduje v domě dvojí rozvod elektrické energie a místo pro uložení řídící jednotky a baterií. Projekty tohoto typu nemusí být vždy nutně výnosné, avšak jsou otázkou prestiže, jistého druhu nezávislosti na elektrické síti a možná i dobrým pocitem investora, že využívá tzv. zelenou energii a tím chrání přírodu. Úroveň chaty nebo rodinného domu bez možnosti připojení k elektrické síti je takový druh systému, kde není možnost připojení k elektrické síti a je očekáváno stoprocentní pokrytí spotřeby tohoto objektu. Aby byla tato podmínka splněna, je nutné zařadit do obvodu další nezávislý zdroj, například dieselagregát. Celý systém je provozován a dimenzován tak, aby baterie pokrývaly každodenní předpokládané výpadky VtE, ale protože může dojít i k neočekávanému (dlouhodobému) výpadku, na který není kapacita baterie dimenzována, je celý systém zálohován právě dieselagregátem, který v případě vybití baterií pod určitou úroveň zajistí dodávku pro celý objekt. VtE s vhodným nastavením kapacity baterie slouží především pro snížení nákladů na výrobu elektrické energie. Dnes se často VtE kombinuje s PV panely a díky antikorelaci lze dosáhnout stálejší dodávky, tedy i možnosti úspory na kapacitě baterie a omezení času provozu zdroje drahé energie dieselagregátu. U dobře dimenzovaných systémů lze docílit stavu, kdy dieselagregát pokrývá jen 2-3 % celkové spotřeby objektu. Návratnost investic je potom individuální pro každý projekt a posuzuje se vzhledem k ceně za jednotku energie primárního zdroje (dieselagregátu).
35 4 Větrné elektrárny 35 Obr. 4-3 Blokové schéma grid off systému s akumulací a záložním zdrojem Úroveň chatové oblasti nebo vesnice bez možnosti připojení k síti zastupuje rozsáhlý systém, kde není možné přivést elektrickou energii ze sítě, nebo by to bylo finančně velice nákladné. Celý systém se chová jako lokální síť a začíná být aktuální teprve v posledních letech. Původní lokální sítě osazeny zdroji, především dieselagregáty, jsou postupem času modernizovány a osazovány různorodými zdroji energie. Můžeme se u takových systému setkat se zdroji PVE, VtE, VE a jiných, které přebírají výkon dieselagregátů. Aby bylo možné reagovat na změnu odběru, je nutné síť vybavit akumulátorem energie. K akumulaci energie může být použito například baterií, ale u velkých projektů také třeba přečerpávacích elektráren. Dále se u takto velkých projektů nesmí zapomínat na dostatečně výkonný řídící systém, který má za úkol udržovat stav akumulované energie, řídit provoz různých zdrojů, zajistit tzv. Black start při restartu sítě a udržovat kvalitu elektrické energie. Obr. 4-4 Blokové schéma rozsáhlého grid-off systému s akumulací a záložním zdrojem Velmi často se v souvislosti s takto velkými hybridními systémy setkáváme s tzv. Levelized Cost of Energy (LCoE) - úroveň nákladů na energii. Dnes již LCoE hybridního systému vychází levněji, než LCoE s použitím samostatných dieselagregátů, avšak je vždy závislé na kurzu měny, ceně pohonných hmot a profilu odběru. První pilotní projekt rozsáhlé grid-off sítě se začíná realizovat v Čile. Jedná se o VtE park o instalovaném výkonu 16,5 MW, Li-Ion baterii o velikosti 1 MWh a dieselagregátu o instalovaném výkonu 12 MW. Předpokládaná návratnost investic je pro tento projekt stanovena na 3,3 roku [15].
36 5 Akumulace energie v systémech grid-off 36 5 AKUMULACE ENERGIE V SYSTÉMECH GRID-OFF V dnešní době se nabízí celá řada více či méně vyvinutých systémů pro akumulaci energie. Každý z těchto systémů má své kladné i záporné stránky a různou možnost jeho aplikace a využití. Po akumulačním systému se vyžaduje vysoká účinnost, co možná nejnižší cena za jednotku akumulované energie, dlouhodobá stálost, vysoká životnost a v neposlední řadě také nízké požadavky na údržbu, vysokou hustotu akumulované energie a často i nízkou hmotnost. 5.1 Rozdělení akumulačních systémů Základní dělení akumulačních systémů vychází z technologie použité k akumulaci. Další možností rozdělení akumulačních systému je například dělení podle možnosti použití nebo podle kapacity. Přehledné rozdělení systémů pro akumulaci elektrické energie je znázorněno na obrázku obr Z obrázku je patrné, že k akumulaci elektrické energie v systémech grid-off je nejvýhodnější právě akumulace pomocí baterií, protože u dobře navržených systémů předpokládáme potřebu akumulace maximálně v řádech hodin. Obr. 5-1 Akumulace elektrické energie - základní dělení [15] 5.2 Baterie vhodné pro VtE v režimu grid-off Baterie pracují na principu elektrochemické akumulace. Vždy se jedná o soubor kladné a záporné elektrody ponořené do elektrolytu. Podle materiálů použitých na elektrody a druhu elektrolytu rozlišujeme několik typů baterií Ni-Cd (Nikl Kadmiové) akumulátory Jedná se o baterie, kde kladná elektroda je pokryta aktivním materiálem NiOOH (oxihydroxid niklu), na záporné elektrodě je houbovité kadmium. Elektrolytem je roztok hydroxidu draselného KOH [18]. Akumulátory tohoto typu se vyznačují vysokou spolehlivostí za extrémních provozních stavů, vysokou hustotou energie na jednotku hmotnosti a objemu (100 Wh/dm 3 ), dobrou odolností na přebíjení a nadměrné vybíjení, nízkým samovybíjením a
37 5 Akumulace energie v systémech grid-off 37 odolností na vysoké teploty. Životnost je udávána v rozmezí cyklů v závislosti na hloubce vybíjení. Kapacita tohoto typu baterií je uváděna v rozmezí Ah. Provozní teplota se pohybuje v rozmezí od -50 do +70 C. Baterie vydrží až 4roky bez potřeby nabíjení. Napětí plně nabitého článku naprázdno je přibližně 1,35 V (1,2 V při zatížení). Nevýhodou baterií je obsah jedovatého kadmia a dále tzv. paměťový efekt (pokles kapacity). Cenově se tento typ baterií pohybuje kolem 700 Euro/kW. Výrobce zabývající se výrobou Ni-Cd baterií je například SAFT, kde baterii najdeme pod označením Sunica plus Ni-MH (Nikl Metal Hydridové) akumulátory Ve snaze odstranit jedovaté kadmium v Ni-Cd akumulátorech vznikl akumulátor Ni-MH. Tento typ baterií v mnoha případech překonal vlastnosti baterií Ni-Cd. Podařilo se podstatně redukovat paměťový efekt oproti Ni-Cd článkům, zvýšit objemovou koncentraci energie až na 300 Wh/dm 3. Také nabíjecí a vybíjecí proud je oproti Ni-Cd článkům vyšší. Životnost Ni-MH článku se pohybuje kolem cyklů dle hloubky vybití. Mezi nevýhody lze řadit vysokou cenu (1000 Euro/kW) danou použitím drahých materiálů do slitin záporné elektrody a tzv. efektem poklesu napětí spojeným s nedokončenými cykly nabíjení a vybíjení a relativně vyšší samovybíjení. Další nevýhodou může být nižší rozsah provozní teploty, při teplotách pod 0 C je část kapacity baterie nepoužitelná, ale při zahřátí se kapacita zase obnoví. Příkladem tohoto typu baterií je baterie s označením NHE od výrobce SAFT [10] Li-ion (Lithium-iontové) akumulátory Komerčně dostupný akumulátor od roku Anodu článku tvoří uhlík, katoda je tvořena oxidem kovu a jako elektrolyt je použita lithiová sůl v organickém rozpouštědle. Vyznačuje se vysokou objemovou koncentrací (1000 Wh/dm 3 ), neexistujícím paměťovým efektem a malým samovybíjením. Nevýhodou je vysoká cena (2000 Euro/kW), špatná tolerance na vysoké proudy, přebíjení, podvybití a postupná degradace vnitřních struktur snižující životnost. Životnost je udávána kolem 3000 cyklů dle hloubky vybití. Článek má při nabytém stavu napětí 3,7 V. Provozní teploty jsou udávány v rozmezí -40 až 75 C. Baterie tohoto typu je možné najít například od výrobce SAFT s označením Evolion [26] LiFePO4 akumulátory Akumulátory LiFePO4 a LiFeYPO4 patří mezi nejmodernější nástupce lithiových baterií na trhu. Oproti předchozímu typu je tento typ podstatně bezpečnější, protože nebezpečné lithium je v baterii pevně vázáno. Další výhodou jsou nepochybně vysoké vybíjecí a nabíjecí proudy (jmenovitě 3C, maximálně 20C), avšak při použití vysokých nabíjecích a vybíjecích proudů baterie rychleji stárne. Jmenovité napětí článku se pohybuje přibližně kolem hodnoty 3,2 V. Doporučené provozní napětí je udáváno v rozmezí 3 3,6 V. Minimální a maximální napětí, která jsou ještě bezpečná, jsou udávána hodnotami 2,5 V a 4 V, u baterií s Ytriem může být maximální napětí i vyšší. Právě s důvodů maximálních a minimálních napětí, která se prudce mění při vybité a nabité baterii viz obr. 5-2, je výhodné provozovat baterie v rozmezí % celkové kapacity SoC (state of charge). Při takovém provozu nedochází k poškozování článku a baterie je možné mnohem lépe využívat. Tento typ baterií se vyznačuje téměř nulovým samovybíjením, netrpí paměťovým efektem, nepoškozuje jej dlouhodobé vybití, je zcela bezúdržbový a hermeticky uzavřený. Provozní teplota akumulátorů je v rozmezí C. Životnost akumulátoru je závislá na počtu a hloubce vybíjecích cyklů DoD (depth of discharge) viz obr Nevýhodou je nutnost balancování při spojení více článků [26], [19].
38 5 Akumulace energie v systémech grid-off 38 Obr. 5-2 Závislost napětí na SoC článku a doporučený provoz článku [19] Předpokládaný počet cyklů Životnost baterií dle počtu cyklů DoD [%] Obr. 5-3 Životnost článku v závislosti na hloubce vybíjecích cyklů [29] Olověné akumulátory V současnosti nejrozšířenější způsob akumulace v grid-off systémech. Akumulátory můžeme rozdělit na otevřené akumulátory se zaplavenou konstrukcí a akumulátory bezúdržbové ventilem řízené (VRLA). Další dělení je možné provést podle typu elektrod na deskové, trubkové nebo spirálové. Napětí článku v nabitém stavu se pohybuje vždy kolem 2,2 V a v průběhu vybíjení klesá. Jeho napětí by nemělo klesnout pod hodnotu 1,75 V. Deskové olověné akumulátory se zaplavenou konstrukcí jsou nejlevnější (50 Euro/kWh), ale poměrně velké a těžké. Hustota energie na jednotku objemu se pohybuje kolem 50 Wh/dm 3. Životnost je také poměrně nízká, dle podmínek provozu se pohybuje v rozmezí 0,5 až 3 roky. Trubkové olověné akumulátory se zaplavenou konstrukcí se vyznačují vyšší životností (5 až 8 roků dle hloubky vybití). Cena se pohybuje kolem 160 Euro/kWh [18].
39 5 Akumulace energie v systémech grid-off 39 Olověné akumulátory se zaplavenou konstrukcí trpí na sedání elektrolytu o vyšší koncentraci na dno nádoby a následně vzniku krystalů síranu olovnatého což vede ke snižování kapacity a zvyšování sériového odporu, tedy snižování napětí a maximálního proudu akumulátoru. Tomuto jevu se dá předejít promícháváním elektrolytu, nebo speciálním způsobem nabíjení kde dochází ke chtěnému vývinu plynů, tedy probublávání elektrolytu. Nutností u tohoto typu akumulátoru je údržba, neustále kontrolování a doplňování elektrolytu (vody). VRLA (Valve Regulated Lead Acid) deskového typu, ať už v provedení AGM (Absobed Glass Mat), nebo gelového typu mají udávanou životnost 5 roků a cena se pohybuje kolem 100 Euro/kWh. AGM akumulátory trpí částečnou stratifikací a může u nich docházet k teplotnímu zkratu, kdy dochází ke generování velkého množství kyslíku, který se exotermicky regeneruje na anodě. S tímto problémem úzce souvisí vysoušení elektrolytu a nárůst vnitřního odporu akumulátoru. AGM akumulátory mají také omezení s hlediska provozních teplot. Těmito nežádoucími projevy netrpí akumulátory gelového typu, a proto se používají častěji [18], [20]. VRLA akumulátory konstrukcí elektrod trubkového typu s gelovým elektrolytem mají oproti deskovému typu delší životnost udávanou kolem 8 10 roků. Cena se pohybuje kolem 200 Euro/kWh. Moderní technologie téměř zamezují tvorbě sulfátu a zaručují vysokou spolehlivost. Výhodou akumulátorů tohoto typu je mimo jiné i možnost instalace v jakékoliv poloze a žádná potřeba údržby. Provozní teploty se udávají v rozmezí od -20 do 50 C. Nevýhodou může být vyšší vnitřní odpor a občasné úplné vybití akumulátoru [18], [20].
40 6 Obecný návrh VtE v režimu grid-off 40 6 OBECNÝ NÁVRH VTE V REŽIMU GRID-OFF Pro optimální dimenzování a správnou funkci celého systému je důležité velmi dobře znát vstupní parametry jak zdroje, tak odběru. O odběru nejvíce vypovídá odběrový diagram, a to nejlépe roční, měsíční a denní. Můžeme v něm vyčíst odběrová maxima, doby trvání maxima i četnosti jednotlivých výkonů. Na základě těchto diagramů dokážeme určit energetickou náročnost odběru. Dalším důležitým faktorem je dobrá znalost větrných podmínek, buď určená z větrných map, nebo nejlépe měřená. Budeme-li mít k dispozici diagram rychlosti větru za určité časové období, ve výšce, kde je předpoklad instalace větrné turbíny, pak můžeme na základě odběru a výkonu elektrárny při určité rychlosti větru stanovit potřebnou velikost větrné turbíny. Vychází se přitom z energetické bilance, kdy je nutno zajistit výrobu dostatečného množství energie, aby byla schopna pokrýt nejen odběr ale i ztráty celého systému. Dalším krokem návrhu je baterie. Pro optimální chod systému je třeba vycházet s histogramu výroby VtE, kde je možné určit četnost výpadků VtE a doby výpadků. Na základě těchto údajů a odběrového diagramu dokážeme určit kapacitu baterie pro krytí těchto výpadků. Nyní už jen doplníme systém o výkonnou řídící jednotku (nabíječku) a měnič. Cílem celého návrhu je dosáhnout co možná nejméně výpadků a na co možná nejkratší doby za přijatelné ceny. 6.1 Určení výkonu VtE Pro určení optimální velikosti VtE musíme dobře znát požadavky očekávané od celého systému, tedy v zásadě vše o spotřebičích (odběru) - napětí, instalovaný výkon (příkon) a doby provozu dílčích spotřebičů. Z těchto zadaných informací dokážeme sestavit denní, měsíční nebo i roční odběrový diagram. V nejideálnějším případě si zajistíme časové měření příkonu všech spotřebičů. Příklad denního odběrového diagramu je znázorněn na obr Můžeme si povšimnout, že odběr je v každém časovém okamžiku jiný, nejedná se tedy o odběr konstantního výkonu. Obr. 6-1 Denní odběrový diagram Budeme-li předpokládat, že jde o průměrný denní odběrový diagram, pak můžeme spočítat výkon potřebný v určitém časovém období (plochu pod křivkou):
41 6 Obecný návrh VtE v režimu grid-off 41 T A p( t) dt 0, (6.1) kde A je plocha pod křivkou, 0 a T jsou meze ohraničující časový úsek a p(t) je funkce křivky. Podělíme-li plochu A vymezeným časem t, získáme střední výkon P stř, tedy: P stř A t (W; W.s, s). (6.2) Jde o původní odběr, který je nyní přepočítán na konstantní hodnotu. Za předpokladu, že by v celém systému nedocházelo k žádným ztrátám, byla by tato hodnota právě hodnotou hledanou pro volbu zdroje konstantního výkonu. Tímto zdrojem je za určitých podmínek právě VtE s nekonečně velkým bezeztrátovým akumulátorem energie. Protože hledáme reálný zdroj v reálném systému, je nutné počítat při volbě VtE s dostatečně velkou rezervou na krytí ztrát při akumulaci a při přeměně stávajícího napětí na napětí jiné, tedy ztrát v měniči, případně i krytí vlastní spotřeby. Dále je třeba si uvědomit, že baterie budou používány přibližně na polovinu vyrobené energie, a protože většina baterií pracuje s účinností kolem 80 %, můžeme psát vztah pro určení výkonu VtE následovně: P P stř stř P VtE, stř PDC, odb P 1 1 DC, odb k Bat Nab 1 k měě 1, (6.3) kde P stř je střední výkon, P DC,odb je odběr na stejnosměrném obvodu, k je koeficient udávající poměr provozu na baterie, η Bat je účinnost baterie, η Nab je účinnost nabíječky (kontroléru) a η měn je účinnost měniče. Pro zajištění dostatečného výkonu VtE je dobré počítat s jistou rezervou, tedy výsledný výkon navýšit například o 10 %. Nyní můžeme přistoupit k volbě vhodné VtE pro daný odběr. Aby bylo možné zvolit co možná nejvhodnější VtE, je nutným předpokladem znát dobře větrné podmínky v dané lokalitě. Předpokládejme tedy, že se jedná o lokalitu, s dostatečným větrným potenciálem. Dle rychlosti větru zvolíme tedy nejvhodnější VtE a pomocí její výkonové křivky a průměrného větrného diagramu určíme obdobně jako u odběru hodnotu středního výkonu P VtE,stř. Střední výkon je na obrázku obr značen P stř. Na obrázku dále vidíme rychlosti větru za časové období v(t) a výkony p(t) přepočítané přes výkonovou křivku z obrázku obr Hledáme takovou VtE, kde střední výkon výroby bude vyšší než přepočtený střední výkon spotřeby P VtE,stř.
42 6 Obecný návrh VtE v režimu grid-off 42 Obr. 6-2 Denní diagram rychlosti větru a výkonu VtE Obr. 6-3 Výkonová křivka větrné elektrárny Takto navržený systém bude fungovat jen za předpokladu konstantních výkonů a odběrů, ty ale nikdy nejsou konstantní, proto je nutné celý systém zálohovat baterií. 6.2 Návrh baterie Funkčnost celého systému je závislá na optimálně navržené kapacitě baterie. Jedním ze způsobů, jak určit optimální velikost baterie vychází z větrných podmínek. Máme-li k dispozici dostatek informací o větrných podmínkách, můžeme hledat doby bezvětří, nebo lépe doby, kdy VtE nevyrábí žádnou energii a celý systém je závislý jen na akumulační baterii. Nejlépe o výpadcích VtE vypovídá histogram obr. 6-4, kde je názorně viditelná četnost výpadků určitých délek (nejedná se zde o reálná data). Dále je třeba si uvědomit, že o velikosti kapacity baterie rozhoduje čas mezi jednotlivými výpadky. Z histogramu ale můžeme odhadnout dle počtu
43 6 Obecný návrh VtE v režimu grid-off 43 dlouhodobých výpadků jaká je pravděpodobnost, že nastanou dva dlouhodobé výpadky v krátké době za sebou. Obr. 6-4 Histogram doby trvání výpadku větrné elektrárny V histogramu tedy vidíme četnost nejdéle trvajícího výpadku a za předpokladu, že vyloučíme možnost dvou dlouhodobých výpadku v krátké době po sobě, můžeme brát tento čas t vyp jako hlavní parametr pro návrh kapacity baterie. Pokud však dovolíme v systému krátkodobé výpadky, můžeme brát čas pro návrh baterie i kratší. Druhý důležitý parametr pro návrh baterie je samotný odběr, pro zjednodušení budeme předpokládat, že půjde právě o střední odběrový výkon P stř. Nyní můžeme pro kapacitu akumulované energie použít vztah: C aku P stř t vyp (Wh; W, h). (6.4) Nejedná se však o kapacitu samotné baterie. V kapitole [kap. 5] jsme se dozvěděli, že úplné vybíjení baterie má podstatný vliv na její životnost, proto je dobré nechat v baterii vždy alespoň 20 % energie. Dále výrobce udává o jaký procentní díl je nutné kapacitu baterie navýšit, aby po celou dobu životnosti splňovala původní požadavky. Reálnou watthodinovou kapacitu baterie tedy vypočítáme následovně: C Bat, Wh P t 1, 2 k stř vyp st (Wh; W, h, -), (6.5) kde k st je koeficient eliminující stárnutí baterie. V případě že budeme znát napětí stejnosměrné části obvodu, můžeme s přihlédnutím na klesající napětí při vybíjení článku stanovit ampérhodinovou kapacitu potřebné baterie, tedy: kde U stř je střední napětí baterie. C CBat, Wh, (Ah; Wh, V), (6.6) U Bat Ah stř
44 6 Obecný návrh VtE v režimu grid-off 44 Do systému volíme nejbližší vyšší kapacitu baterie takovou, aby byla schopna absorbovat nabíjecí proudy dodané s VtE a zároveň aby dokázala proudově pokrýt nároky spotřeby. 6.3 Provoz navrženého systému Každý systém je navrhován tak, aby splnil svůj účel, tedy aby nikdy nedošlo k nepředpokládanému přerušení dodávky. Avšak příroda je nevyzpytatelná a proto je nutné systém proti jejímu vlivu více, či méně chránit. Bude-li celý systém závislý jen na VtE, je téměř jisté, že jeho robustnost nikdy nedokáže zaručit bezvýpadkový provoz. Pokud víme, že k výpadku dojít nesmí, je nutné celý systém zálohovat z jiného, nejlépe nezávislého zdroje (dieselagregát). Dále je zapotřebí, aby řídící jednotka hlídala stav baterie a včas dokázala připojit záložní zdroj a odpojit spotřebu tak, aby měla dostatek energie na restart systému, nebo například odstavit VtE při přebytku energie, aby nedocházelo k přebíjení baterií. U větších systémů je zapotřebí před samotným spuštěním systému provést nezbytné kalibrace a odlazení všech prvků. 6.4 Návratnost investic Při každém návrhu systému grid-off je zapotřebí uvědomit si, za jakým účelem je systém navrhován, bude-li systém jediným možným způsobem napájení, nebo zda bude nahrazovat jiný alternativní zdroj. Podle účelu použití musíme také přistupovat k samotnému financovaní a výpočtům spojeným s návratností. Za předpokladu že původní zdroj systému byl dieselagregát, nebo jiný zdroj, který ke svému provozu potřebuje placené médium (fosilní palivo), potom celý výpočet návratnosti bude zaměřen právě na spotřebu, tedy především cenu spotřebovaného média. Na druhé straně výpočtu bude právě výše investic do alternativního zdroje. Hledaným prvkem rovnice bude právě čas t, za který se investiční náklady N i1 a provozní náklady N p1 prvotního zdroje budou rovnat investičním nákladům N i2 a provozním nákladům N p2 alternativního zdroje. Můžeme tedy zjednodušeně psát: t Ni 1 Ni2 (rok; Kč/rok, Kč). (6.7) N p2 N p1 Výpočet návratnosti je ve skutečnosti mnohem složitější. Je nutné při něm zohlednit inflaci, změnu provozních nákladů v důsledku změny cen fosilních paliv a další faktory jako například neočekávaná porucha některého prvku a taky neočekávaná změna větrných podmínek. Všechny tyto faktory mají přímý vliv na dobu návratnosti investic. Doba návratnosti investic by neměla překročit dobu životnosti alternativního zdroje. Tuto podmínku je obvykle velmi těžké dodržet, ale je třeba si uvědomit, že investice do tohoto typu zařízení může být jistý druh prestiže, nezávislosti na okolí, a proto nemusí být nutně tento systém navrhován a instalován za účelem zisku.
45 7 Návrh ostrovního systému pro rodinný dům 45 7 NÁVRH OSTROVNÍHO SYSTÉMU PRO RODINNÝ DŮM 7.1 Popis lokality z pohledu energetických potenciálů Větrný profil lokality Vzhledem k autorským právům na použitá data není možné zveřejnit konkrétní umístění objektu. Jedná se o lokalitu na Svitavsku na mírně vyvýšeném místě. Na lokalitě bylo provedeno měření rychlosti a směru větru ve výšce 10 m nad zemským povrchem. Toto měření probíhalo jeden rok v intervalu 5 minut, avšak z důvodu mnoha výpadku byla naměřena data v celkové délce jen asi půl roku. Větrný profil lokality je tedy určen z měřených dat vzorků a je vyobrazen v grafu obr četnost Četnosti rychlostí větru ve sledovaném období rychlost větru [m/s] Obr. 7-1 Četnosti rychlostí větru ve sledovaném období Pro lepší přehlednost je uveden graf obr. 7-2, kde jsou data uvedena procentuálně, tedy nezávislá na počtu vzorků.
46 7 Návrh ostrovního systému pro rodinný dům 46 Procentuální výskyt rychlostí větru ve sledovaném období 25 výskyt [%] rychlost větru [m/s] Obr. 7-2 Procentuální výskyt rychlostí větru ve sledovaném období Z grafu obr. 7-2 je patrné, že rychlost větru v lokalitě dle předpokladů není nijak vysoká. Nejčastěji se zde vyskytují rychlosti větru v rozmezí 2 6 m/s. Průměrná rychlost větru za měřené období byla stanovena na 4,02 m/s. Pokud dojde k zanedbání rychlosti větru pod 2,5 m/s, bude průměrná rychlost větru 4,88 m/s v vzorcích za sledované období. Zanedbání vzorků s nízkou rychlostí větru je výhodné při použití turbíny, která při zanedbaných rychlostech nedodává energii. Tyto hodnoty jsou zpracovány v tabulce tab 7-1. Maximální naměřená rychlost větru za sledované období byla 16,23 m/s. Tab. 7-1 Velikost průměrných rychlostí větru při zanedbání nevyužitých rychlostí větru a vzorky v průměr čas t čas t [m/s] - [m/s] [dny] [%] 2, ,96 133,16 70,85 2, ,11 125,15 66, ,27 116,42 61,95 3, ,42 108,73 57,86 3, ,60 100,24 53,34 3, ,77 92,95 49,46 3, ,96 85,02 45, ,14 78,26 41,65 4, ,34 71,16 37,87 4, ,52 65,45 34,83 v zanedbané a počet aktivních vzorků za sledované období O směru větru vypovídá graf na obr Směr větru je tedy spíše chaotický, nejméně často proudí vítr od severu, severovýchodu a východu, což odpovídá azimutu Naopak nejčastěji vítr vane od jihovýchodu.
47 Návrh ostrovního systému pro rodinný dům 47 Směr proudění větru - četnost 6000 četnost azimut [ ] Obr. 7-3 Směr proudění větru ve sledovaném období četnost Sluneční profil lokality Protože i sluneční záření je zdrojem výrazného energetického potenciálu, bylo by vhodné v dané lokalitě měřit současně s daty větru i data intenzity slunečního svitu. To se však neuskutečnilo. Aby bylo možné v ostrovním systému počítat i s výkonem dodaným slunečním zářením, bylo nutné intenzitu svitu v jednotlivých časových intervalech stanovit. Použitá data intenzity slunečního záření tedy nejsou reálná, ale generovaná za určitých podmínek aby se co nejvíce blížily reálným. V tabulce tab. 7-2 jsou vypsány průměrné doby svitu v jednotlivých měsících, kterých bylo použito při generování dat slunečního svitu, kde odchylka od průměrného měsíčního svitu nepřesáhla 5 %. Východy a západy slunce byly použity k rozlišení dne a noci. Tab. 7-2 Průměrná měsíční doba svitu [40] měsíc doba svitu [hod] východ slunce západ slunce Leden 49,4 8:00 16:00 Únor 78,6 7:40 16:50 Březen 127,0 6:50 17:50 Duben 170,5 6:50 19:30 Květen 225,8 5:40 20:30 Červen 230,0 5:00 21:00 Červenec 241,4 5:00 21:10 Srpen 223,5 5:30 20:50 Září 167,5 6:00 20:00 Říjen 131,2 7:00 19:00 Listopad 57,0 8:00 18:00 Prosinec 45,4 7:30 16:00 Energetický potenciál slunce pro další potřeby ve sledovaném období vzorků v intervalu 5 minut, který byl vytvořen dle popsaných pravidel, je vyobrazen graficky na obr. 7-4.
48 7 Návrh ostrovního systému pro rodinný dům 48 Četnost intenzity slunečního záření ve sledovaném období četnost intenzita slunečního záření [%] Obr. 7-4 Intenzita slunečního záření ve sledovaném období četnost Pro vyšší přehlednost a nezávislost na sledovaném období je doplněn graf obr. 7-5, kde je výskyt procentuální intenzity slunečního záření vyjádřen v procentech. 50 výskyt [%] 40 Četnost intenzity slunečního záření ve sledovaném období intenzita slunečního záření [%] Obr. 7-5 Intenzita slunečního záření ve sledovaném období procentuální výskyt Z grafů obr. 7-5 je patrné, že téměř polovinu času byla hodnota slunečního svitu nulová, tedy byla noc. Naopak období, kdy sluneční svit byl maximální, trvalo jen velmi krátce. 7.2 Popis řešeného objektu Daný objekt se nachází na Svitavsku na mírně vyvýšeném místě. Jedná se o samostatně stojící rodinnou chatu původně určenou pro letní rekreaci, nyní po přestavbě se očekává celoroční užívání. Půdorys budovy má rozměry 8 x 12 m a celková podlahová plocha je 150 m 2. V přízemí budovy je obývací pokoj s krbem, kuchyň a jídelna. V podkroví se nachází koupelna, malá pracovna, ložnice, dětský pokoj a malá místnost (odkládací prostor). Severozápadně od objektu se nachází studna s pitnou vodou. Jihovýchodně od objektu je vystavěna příjezdová komunikace
49 7 Návrh ostrovního systému pro rodinný dům 49 (polní cesta). V lokalitě je vybudována elektrická přípojka, která se nachází 100 m od objektu. Na obrázku obr. 7-6 je znázorněna situační mapa daného objektu včetně označení světových stran. Obr. 7-6 Situační mapa objektu pro realizaci OS Energetická náročnost objektu na tepelnou energii Objekt po rekonstrukci spadá dle zákona č. 406/2000 Zb. v pozdějším znění vyhlášky k 6a tohoto zákona, vyhlášky č. 148/2007 Zb., o energetické náročnosti budov, pod nízkoenergetické budovy. Náročnost na vytápění budovy je tedy v rozmezí kwh na čtvereční metr podlahové plochy za rok. V tomto případě se pohybuje náročnost na vytápění budovy těsně pod horní hranicí, konkrétně 49 kwh m -2 rok -1. Předpokládané měsíční nároky na vytápění a přípravu TUV jsou přehledně zpracovány v tabulce tab. 7-3 a následně v grafu obr. 7-7.