MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technické a informační výchovy Větrné elektrárny Diplomová práce Brno 2008 Vedoucí práce: Ing. Gabriela Štěpánová Autor práce: Jana Fojtíková
Bibliografický záznam FOJTÍKOVÁ, Jana. Větrné elektrárny: diplomová práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra technické a informační výchovy, 2008. 85 s., 1 s. příl. Vedoucí diplomové práce Ing. Gabriela Štěpánová. Anotace Diplomová práce na téma Větrné elektrárny se zabývá charakteristikou obnovitelných zdrojů energie, zejména pak větrných elektráren a pojednává o možnostech, jak danou problematiku přiblížit žákům na 2. stupni ZŠ. Práce nabízí didaktickou pomůcku ve formě prezentace s obsahem učební látky o větrných elektrárnách a interaktivní mapu větrných elektráren instalovaných v ČR. Mapa je umístěna na internetu, což umožňuje její využití kdykoliv a kdekoliv. Součástí je i výzkum, který se zajímá o způsob a rozsah seznamování žáků 2. stupně základní školy s problematikou obnovitelných zdrojů energie. Annotation The diploma thesis on the theme Wind power plants is engaged in the characterization of the renewable energy sources, especially of the wind power plants and deals with the possibilities how to approach the problems to the pupils attending the second grade of the primary school. The thesis offers an education tool in the form of the presentation including the learning about the wind power plants and the interactive map of the wind power plants installed in the Czech Republic. The map is situated on the internet that allows to use it at any time and any place. The other part of this thesis is the research concerning the way and the extend of the familiarization of the pupils attending the second grade of the primary schools with the problems of the renewable energy sources.
Klíčová slova Obnovitelné zdroje energie, větrná elektrárna, vítr, didaktická pomůcka, interaktivní mapa, učitel, základní škola Keywords Renewable energy sources, wind power plant, wind, education tool, interactive map, teacher, primary school
Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracovala samostatně a použila jen prameny uvedené v seznamu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena na Masarykově univerzitě v Brně v knihovně Pedagogické fakulty a zpřístupněna ke studijním účelům. v Brně dne 20. dubna 2008... Jana Fojtíková
Poděkování Děkuji paní Ing. Gabriele Štěpánové za odborné vedení, připomínky a rady, které mi poskytla při zpracování této práce.
Obsah ÚVOD... 8 1. OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE VE VÝUCE NA ZÁKLADNÍ ŠKOLE... 9 1.1 DIDAKTICKÁ POMŮCKA K VÝUCE VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN... 10 1.2 INTERNETOVÉ ODKAZY, KTERÉ JE MOŽNO VYUŽÍT, JAKO PODKLADY K UČIVU OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE... 12 2. VĚTRNÁ ENERGIE... 14 2.1 HISTORIE VYUŽÍVÁNÍ VĚTRNÉ ENERGIE... 14 2.2 VÍTR... 16 2.3 MĚŘENÍ SMĚRU A RYCHLOSTI VĚTRU... 17 2.4 VÝPOČET VÝKONU VĚTRNÉ ENERGIE... 21 3. VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY... 23 3.1 ZÁKLADNÍ ČÁSTI VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN... 23 3.1.1 Rotor... 24 3.1.2 Gondola... 26 3.1.3 Stožár... 28 3.1.4 Přípojka k elektrické síti... 29 3.2 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN... 29 3.2.1 Podle koncepce uložení rotoru... 29 3.2.2 Podle aerodynamického principu... 30 3.2.3 Podle výkonu větrných elektráren... 30 3.3 PRINCIP ČINNOSTI VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN... 31 3.4 TECHNICKO - EKONOMICKÉ PARAMETRY... 32 4. LEGISLATIVA A PODMÍNKY VÝSTAVBY VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN... 35 4.1 ZÁKLADNÍ PODMÍNKY ÚSPĚŠNÉ INSTALACE VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY... 35 4.2 POMŮCKY PRO HLEDÁNÍ VHODNÝCH VĚTRNÝCH LOKALIT... 37 4.2.1 Větrná mapa ČR... 38 4.2.2 Numerické výpočetní modely... 38 4.3 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ... 40 4.3.1 Výhody větrných elektráren... 40 4.3.2 Nevýhody větrných elektráren... 40 4.4 ZPŮSOBY VYUŽITÍ ZÍSKANÉ ENERGIE VYROBENÉ VE VĚTRNÉ ELEKTRÁRNĚ... 42 4.4.1 Bez připojení k rozvodné síti (grid off)... 43 4.4.2 S připojením k rozvodné síti (grid on)... 44 4.5 VÝKUPNÍ CENY ELEKTŘINY PRO VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY... 45 4.6 PODMÍNKY PRO PŘIPOJENÍ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY K VEŘEJNÉ ELEKTRICKÉ SÍTI... 46 5. VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY V ČESKÉ REPUBLICE A V EVROPĚ... 48 5.1 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY V ČR... 48 5.1.1 Přehled větrných elektráren s výkonem nad 100 kw... 49 5.1.2 Mapa větrných elektráren s výkonem nad 100 kw... 51 5.2 VĚTRNÁ ENERGETIKA V EVROPĚ... 54 6. CHARAKTERISTIKA OSTATNÍCH OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE... 58 6.1 BIOTERMÁLNÍ ENERGIE (BIOMASA)... 58 6.2 SLUNEČNÍ ENERGIE... 60 6.3 ENERGIE VODY... 62 6.4 ENERGIE MOŘÍ A OCEÁNŮ... 63 6.5 GEOTERMÁLNÍ ENERGIE... 64 6.6 ODPADY... 65 6.7 ENERGIE VODÍKU... 65 6.8 DŮLNÍ PLYN... 65 6.9 ENERGIE BLESKU... 66 6.10 ANALÝZA VYUŽÍVÁNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE V ČESKÉ REPUBLICE... 66 6.11 ANALÝZA VYUŽÍVÁNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE V EVROPĚ... 68
7. VÝZKUM... 71 7.1 HYPOTÉZA... 71 7.2 ANALÝZA ZÍSKANÝCH POZNATKŮ... 71 7.2.1 Otázka č. 1... 72 7.2.2 Otázka č. 2... 72 7.2.3 Otázka č. 3... 73 7.2.4 Otázka č. 4... 73 7.2.5 Otázka č. 5... 74 7.2.6 Otázka č. 6... 74 7.2.7 Otázka č. 7... 74 7.2.8 Otázka č. 8... 75 7.2.9 Otázka č. 9... 75 7.2.10 Otázka č. 10... 76 7.2.11 Otázka č. 11... 76 7.2.11 Otázka č. 12... 76 7.3 ZHODNOCENÍ VÝZKUMU... 76 7.4 VZOR POUŽITÉHO DOTAZNÍKU... 77 ZÁVĚR... 80 POUŽITÁ LITERATURA... 81 RESUMÉ... 84 SEZNAM PŘÍLOH... 85 PŘÍLOHY... 86 7
ÚVOD Energie má vliv na veškeré stránky našeho života - dává nám světlo, teplo, palivo pro dopravní prostředky a napájí spotřebiče. Více než kdy předtím však musíme brát v potaz bezpečnost při zásobování energií, ale i dopad energie vyrobené z fosilních paliv na životní prostředí. Oblast výroby energie a její využívání nepochybně prochází změnami. Svět směřuje k většímu využívání obnovitelných zdrojů energie a začíná využívat energii efektivněji. Protože škola připravuje žáky pro vstup do budoucího života, neměla by opomíjet ani tento fakt. Žáci by měli mít možnost získávat teoretickou i odbornou přípravu v oblasti, týkající se využití energie z různých alternativních zdrojů. Proto jsem si zvolila za cíl mé diplomové práce vytvoření přehledu o původu, principu činnosti, výskytu a využití větrných elektráren v České republice a v Evropě. A dále návrh možností, jak seznamovat žáky na 2. stupni ZŠ s problematikou větrných elektráren a ostatních obnovitelných zdrojů energie. Diplomová práce je po formální stránce rozdělena do sedmi kapitol. Teoretická část se zabývá větrem jako energetickým zdrojem pro pohon elektráren, základním popisem činnosti větrných elektráren a využitím těchto elektráren v ČR i v Evropě. Součástí je i základní charakteristika a analýza využití ostatních obnovitelných zdrojů energie v ČR a v Evropě. Tato práce dále nabízí didaktickou pomůcku s obsahem učební látky o větrných elektrárnách a interaktivní mapu větrných elektráren s výkonem nad 100 kw ve formě internetových stránek. Didaktická pomůcka je kromě textů doplněna množstvím obrázků. Součástí interaktivní mapy udávající polohu větrných elektráren instalovaných v České republice jsou i základní informace o příslušné větrné elektrárně. Diplomová práce je také doplněna průzkumem, který zjišťuje, jakým způsobem a v jakém rozsahu jsou žáci 2. stupně ZŠ seznamováni s problematikou obnovitelných zdrojů energie. 8
1. OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE VE VÝUCE NA ZÁKLADNÍ ŠKOLE Učivo týkající se obnovitelných zdrojů energie určuje Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání (RVP ZV) ve vzdělávací oblasti Člověk a příroda. Tato vzdělávací oblast se úzce váže k poznávání a zkoumání přírody, která nás obklopuje. Poskytuje žákům prostředky a metody porozumění dějům, které se v přírodě odehrávají, a které ovlivňují náš život. V této vzdělávací oblasti dostávají žáci příležitost poznávat přírodu jako systém, jehož součásti jsou vzájemně propojeny, působí na sebe a ovlivňují se. Pod tuto vzdělávací oblast spadají vzdělávací obory Fyzika, Chemie, Přírodopis a Zeměpis, které umožňují žákům hlouběji porozumět zákonitostem přírodních procesů, a tím si uvědomovat i užitečnost přírodovědných poznatků a jejich aplikací v praktickém životě. Učivo obnovitelných zdrojů energie je zařazeno do vzdělávacího oboru Fyzika. Fyzika jako vědecký obor zkoumá obecné vlastnosti a zákonitosti všech hmotných objektů a z těchto důvodů je nepostradatelným prostředkem jak pro popis či vysvětlení chování všech fyzikálních objektů, ale také pro úplný popis a vysvětlení chování hmotných objektů, které mají zejména vlastnosti fyzikální, ale mohou mít také vlastnosti chemické, ekologické, biologické a technologické [28]. Podle RVP ZV by mělo učivo týkající se obnovitelných zdrojů energie směřovat k utváření a rozvíjení klíčových kompetencí tím, že vede žáka zejména k [28]: - porozumění souvislostem mezi činnostmi lidí a stavem přírodního a životního prostředí - uvažování a jednání, která preferují co nejefektivnější využívání zdrojů energie v praxi, včetně co nejširšího využívání jejích obnovitelných zdrojů, zejména pak slunečního záření, větru, vody a biomasy - utváření dovedností vhodně se chovat při kontaktu s objekty či situacemi potenciálně či aktuálně ohrožujícími životy, zdraví, majetek nebo životní prostředí lidí Mezi očekávané výstupy týkající se učiva o obnovitelných zdrojích energie je možno zařadit to, že žák [28]: - využívá poznatky o vzájemných přeměnách různých forem energie a jejich přenosu při řešení konkrétních problémů a úloh 9
- zhodnotí výhody a nevýhody využívání různých energetických zdrojů z hlediska vlivu na životní prostředí Protože je problematika obnovitelných zdrojů natolik rozsáhlá a aktuální, dochází k vhodnému propojení i v ostatních vzdělávacích oborech. Zejména se vzdělávacím oborem Přírodopis v kontextu s ochranou přírody, životním prostředím, globálními problémy a jejich řešením. Dále se naskytuje možnost ve vzdělávacím oboru Zeměpis v rámci učiva týkajícího se vztahu přírody a společnosti. Zde je možnost se zmínit zejména o globálních a environmentálních problémech lidstva a obnovitelných zdrojích energie jako způsob zlepšující tento stav. Učivo obnovitelných zdrojů energie je vhodné propojit i s některými průřezovými tématy, zejména se týká průřezového tématu nazývaného Environmentální výchova. Průřezová témata jsou důležitým formativním prvkem základního vzdělávání. Vytvářejí příležitosti pro individuální uplatnění žáků i pro jejich vzájemnou spolupráci a pomáhají tak rozvíjet osobnost žáka především v oblasti postojů a hodnot. Průřezová témata reprezentují v RVP ZV okruhy aktuálních problémů současného světa. V rámci Environmentální výchovy jsou žáci vedeni k pochopení komplexnosti a složitosti vztahů člověka a životního prostředí. Environmentální výchova má v zájmu udržitelnosti rozvoje lidské civilizace ovlivňovat životní styl a hodnotovou orientaci žáků. Věnuje se základním podmínkám života, ekosystémům, vztahu člověka k prostředí a souvislostem lidských aktivit s problémy životního prostředí [28]. Environmentální výchova umožňuje kromě frontálního způsobu výuky využití jiných výukových postupů, například je vhodné použít projektové vyučování nebo exkurzi, případně expedici, skupinovou a kooperativní výuku nebo také výuku podporovanou počítačem. 1.1 Didaktická pomůcka k výuce větrných elektráren V rámci své diplomové práce jsem se rozhodla vytvořit pomůcku ve formě prezentace, kterou je možno použít jako jeden z možných způsobů při seznamování žáků s problematikou větrných elektráren. Prezentace může sloužit jako doplněk výkladu vyučujícího. Cílem této pomůcky je zvýšit názornost ve vyučování, usnadnit pochopení obsahu učiva a vzbudit touhu po dalším vzdělávání a poznávání. Základní učivo je prezentováno v podobě textů a doprovodných obrázků. 10
Obsahově prezentace zahrnuje tyto části: - Co je to vítr a jak vzniká? - Historie využívání větrné energie. - Co je to větrná elektrárna? - Schéma větrné elektrárny. - Princip činnosti větrné elektrárny. - Rozdělení větrných elektráren podle výkonu. - Výhody větrných elektráren. - Nevýhody větrných elektráren. pomocí myši. Prezentace vyniká svou jednoduchostí, názorností a snadným ovládáním pouze Obr. 1.1 Náhled na dva snímky prezentace. K vytvoření této didaktické pomůcky jsem se rozhodla použít nástroj pro vytváření různých prezentačních celků, a to program Microsoft PowerPoint. Tento 11
program je nejčastěji používaným programem pro tvorbu prezentací v prostředí Windows a je součástí kancelářského balíčku Microsoft Office. Prostřednictvím tohoto programu je možné navrhnout, kvalitně graficky a esteticky ztvárnit a následně spustit prezentaci. Tato didaktická pomůcka je součástí příloh mé diplomové práce a je také k dispozici na internetové adrese http://www.mapa-ve.wz.cz jako součást mapy větrných elektráren. Pro její spuštění potřebujeme pouze připojení k internetu, internetový prohlížeč a prezentační program Microsoft PowerPoint. 1.2 Internetové odkazy, které je možno využít, jako podklady k učivu obnovitelných zdrojů energie Z důvodu nedostatku informací a podkladů pro výuku obnovitelných zdrojů energie v učebnicích základních škol je vyučující většinou nucen si tyto materiály shánět prostřednictvím jiných zdrojů. Proto v následující části nabízím odkazy na webové stránky, které jsou jednak zdrojem informací, a jednak nabízí možnou alternativu výuky této problematiky. Materiál vhodný jako podklad pro výuku obnovitelných zdrojů energie. Jedná se o výukové moduly pro výuku ochrany životního prostředí pro využití na základních a středních školách (jde o příručku o využití malých obnovitelných zdrojů energie v domácnosti pro zabránění klimatických změn). http://www.kyotoinhome.info/cz/educational.htm V nástrojích Active Learning je možno najít řadu pracovních listů s návrhy na velmi zábavné a poutavé aktivity ze šesti tematických oblastí (monitorování energie, vytápění a klimatizace, ohřev vody, osvětlení, elektrické spotřebiče a doprava). http://www.teachers4energy.eu/ Webová stránka Evropské komise určená mládeži o úsporách energií, obnovitelných zdrojích a udržitelné dopravě. http://managenergy.net/kidscorner/cs/o11/o11.html Výuku lze zpestřit i řadou ekofilmů, jejichž přehled je možno najít na webové stránce: http://www.calla.cz/index_oze.php?path=oze&php=4_film.php 12
Seznam materiálů a pomůcek k ekologické výchově se nachází na stránkách: http://sever.ecn.cz/index.php?nabizime.html Projekt energie nás a kolem nás. http://www.rvp.cz/clanek/233/167 Zajímavé slovenské internetové stránky s nápady na jednoduché pokusy týkající se energie (i obnovitelných zdrojů). http://www.infovek.sk/predmety/fyzika/pokusy/fyzika.htm Multimediální encyklopedie energie, která mimo jiné nabízí i aktivní schémata funkce elektráren. http://www.simopt.cz/energyweb/web/index.php Velkým zdrojem materiálů pro výuku obnovitelných zdrojů energie je i skupina ČEZ, která na uvedených internetových stránkách nabízí mimo jiné materiály pro výuku, exkurze, metodické materiály. http://www.cez.cz/cs/vzdelavani/pro-ucitele-a-profesory.html Stránka o energii pro děti. http://www.managenergy.net/kidscorner/cs/u11/u11.html 13
2. VĚTRNÁ ENERGIE 2.1 Historie využívání větrné energie Historie využívání větrné energie sahá do dávné minulosti. Velký význam měla v lodní dopravě, kde si dokázala udržet výsadní postavení po dobu více než dvou tisíciletí. První zmínky o využívání větrné energie pocházejí ze staré Číny, z doby dlouho před naším letopočtem [1]. Tehdy šlo o větrné motory s vertikální osou rotace, jejichž rotor byl většinou tvořen systémem plachet napnutých na dřevěném rámu [1]. Později se objevují kresby staré více než 5000 let znázorňující plavidla s plachtou na Nilu. V 17. století př. n. l. babylonský král Hammurábí zamýšlel zavodňovat úrodné roviny Mezopotámie pomocí větrné energie. Další záznamy o prvních větrných mlýnech jsou z Persie asi 2200 let staré. Nejstarší zmínka o větrném motoru s vodorovnou osou rotace je ze 3. století př. n. l. sestrojeném v Egyptě. Ve středověku v 11. století se větrné motory, převážně v podobě větrných mlýnů, rozšířily na Středním východě a ve 13. století se objevují i v Evropě, a to nejdříve v Itálii, Francii, Španělsku a Portugalsku a teprve později i ve Velké Británii, Holandsku a Německu. Na území ČR je doložen r. 1277 větrný mlýn na zahradě Strahovského kláštera v Praze. Ve 14. století zaujalo vedoucí pozici ve využívání větrných motorů Holandsko za účelem odvodňování mokřin a jezírek v ústí Rýna a začátkem 17. století byl vysušen první polder. Holandsko využívalo větrné motory i k mletí obilí, výrobě oleje, papíru a k pohonu pil [2]. Až do počátku 18. století byly větrné motory stavěny na základě empirických znalostí a tradičních vzorů. Teoretické základy pro jejich konstrukci uveřejnil v r. 1742 skotský matematik Colin Mc Laurin, žák Isaaka Newtona. Ve druhé polovině 18. století se v Anglii začínají stavět věžové větrné motory s železnou konstrukcí a automatickým nastavováním rotoru do návětrné polohy pomocí malého řídícího větrného kola. Rovněž se začíná používat kol s větším počtem lopatek [3]. V 18. a 19. století se začaly objevovat automatické systémy regulace, které využívaly sílu pružin nebo závaží, vyvažující tlak větru na lopatky a při jeho zesílení plynule omezovaly činnou plochu lopatek a jejich aerodynamickou účinnost [3]. V Evropě byly větrné mlýny až do 19. století velmi rozšířeny. Kolem r. 1850 bylo v Evropě v činnosti asi 200 000 větrných mlýnů, z toho jen v Německu asi 20 000. 14
V 19. století bylo v Čechách zdokumentováno 198 větrných mlýnů, na Moravě a ve Slezsku 681 větrných mlýnů. Byly pevnou součástí obrazu krajiny a jako obilní faktor nebo vodní čerpadla představovaly významnou hospodářskou součást. Ve druhé polovině 19. století vzniklo v Americe několik nových typů větrných motorů. Vyznačovaly se lehkou konstrukcí a dokonalejší samočinnou regulací. Charakteristickým znakem těchto motorů byla kola s větším počtem úzkých lopatek. Největšího rozšíření doznalo tzv. Halladayovo kolo a větrný motor Eclipse. Nejčastěji byla tato větrná kola užívána k pohonu studničních čerpadel [3]. Prvním, kdo se vážně zabýval myšlenkou vyrábět pomocí vzduchu elektřinu a kdo kolem r. 1891 sestavil větrný motor vyrábějící elektrický proud pro elektřinu ve své škole, byl fyzik Poul la Cour v Dánsku. Zatímco větrné mlýny na mletí obilí byly stále větší měrou vytěsňovány vznikajícími elektrickými mlýny, objevily se na začátku 20. století první větrné mlýny na výrobu elektrické energie. V r. 1920 sestrojil M. Jacobs z USA větrný mlýn, který plnil funkci elektrického generátoru. Byla použita třílistá vrtule s velkým momentem setrvačnosti. V r. 1930 zkonstruoval George J. Darrieus z Francie větrný generátor s vertikální osou. Lopatky byly sestrojeny ze dvou ohebných kovových pásů, jež byly napojeny na vertikální osu nahoře i dole, takže se při větru nemohly zastavit. Účinnost tohoto motoru byla až 38%. V r. 1941 sestrojil P. Putnam z USA obrovský větrný generátor s dvoulistou vrtulí, který byl umístěn na 33,5 m vysoké věži ve státě Vermont v USA. Motor dosahoval výkonu 1250 kw, průměr rotoru byl 53,5 m, jeho provoz skončil havárií, utržením jedné z rotorových lopatek [2]. I přesto, že v r. 1960 pracovalo na světě milion větrných turbín, tak docházelo k výraznému útlumu všech projektů větrných motorů, protože jimi vyrobená elektrická energie byla při tehdejších cenách kapalných a jiných paliv výrazně dražší než z tepelných elektráren. Prudký vzestup cen paliv v sedmdesátých letech, zvýšená péče o životní prostředí a vědomí omezenosti zdrojů fosilních paliv změnily názor na využívání větrných motorů v současnosti [2]. V r. 1970 P. Musgrove z Velké Británie sestrojil otočný vrtulový generátor s možností regulace rychlosti. Musgroveův generátor měl vertikální osu s třímetrovými otočnými vrtulemi upevněnými na horizontálních ramenech. Jestliže byl vítr příliš silný, vrtule otočením zmenšila svou plochu a její rychlost se snížila. Průkopníkem v instalaci větrných elektráren bylo Dánsko. V r. 1991 zde bylo 3200 větrných elektráren o celkovém výkonu 410 MW, což činilo 2,4% spotřeby 15
Dánska. Poté se hodně instalovaly i v Německu, kde v r. 2004 bylo 16 543 větrných elektráren o celkovém maximálním výkonu 16 629 MW, což činilo 5,9% spotřeby energie v Německu. V ČR bylo v letech 2002 2004 postaveno 15 větrných elektráren o celkovém maximálním výkonu 9,86 MW. V r. 2005 činil celkový výkon větrných elektráren v ČR 17,1 MW [4]. Během posledních tří tisíciletí využívání větrné energie bylo vyvinuto a postaveno bezpočet různých forem větrných kol. Neustálé hledání výkonných, odolných a zároveň jednoduše sestavitelných větrných zařízení umožnilo vznik mnoha kuriózních staveb. Přitom se prosadily takové typy, které dokázaly dobře využít větrnou energii ve stávající řemeslné výrobě a současně se daly do pracovního procesu optimálně integrovat. 2.2 Vítr Vítr je masa pohybujícího se vzduchu, která v důsledku nerovnoměrného ohřívání atmosféry Sluncem proudí z jednoho místa na druhé. Lehký a teplý vzduch působí na zemský povrch menší tlakem než studený, který tak začíná pronikat do utvořené oblasti tlakové níže. Obdobný případ nastává, když studený vzduch klesá, tím se vytvoří oblast vysokého tlaku, kam naopak může proudit teplý vzduch. Čím vyšší je rozdíl atmosférických tlaků mezi dvěma oblastmi, tím silnější bude vítr. Zjednodušeně řečeno, teplý vzduch je lehčí než studený, a tak vzduch ohřívaný slunečním zářením stoupá vzhůru a na jeho místo se tlačí vzduch studený. Tím se tvoří vzdušné proudění a vzniká vítr. Při zjednodušeném pohledu na zeměkouli by mělo dopadat nad rovníkem na Zem více slunečních paprsků než jinde. Vzduch se od nich zahřívá a stoupá do výšky. Zde vzniká zóna, které říkáme bezvětrné pásmo. Když vzduch vystoupí velmi vysoko, ochladí se a v pásmech 30 severně a jižně od rovníku klesá zpět na zem a proudí směrem k rovníku a na druhou stranu směrem k pólům. Při přemisťování do míst s vyšší obvodovou rychlostí zemského povrchu rotující vzduchový prstenec předbíhá pevný povrch a vítr se stáčí na východ. Směr větru v tropických oblastech vane převážně východním směrem k rovníku a v pásmech mezi 40 a 60 severní a jižní šířky převážně západním směrem k pólům. 16
Na obou polokoulích se tak vytvářejí tři samostatné, příčně rotující prstence vzduchu. Jeden je nad tropickým pásmem, druhý nad mírným pásmem a třetí nad polární oblastí. Větry v blízkosti povrchu, ve výšce 30 až 60 m, jsou ovlivněny hlavně topografií oblasti, kvalitou zemského povrchu a jinými vlivy, které mohou působit na proudění vzduchu. Obr. 2.1 Hlavní směry větru na zeměkouli. 2.3 Měření směru a rychlosti větru Mezi základní charakteristiky větru patří jeho směr a rychlost, početnost výskytu rychlosti větru, stálost a nárazovitost. Tyto veličiny jsou významné při volbě vhodných lokalit pro větrné elektrárny a rovněž při rozmisťování více větrných elektráren ve skupině, aby se eliminovalo jejich vzájemné ovlivňování. Rychlost větru má rozhodující vliv na celkový i využitelný výkon větru. Měření směru a rychlosti větru se spolu s jinými klimatickými faktory provádí v ČR sítí asi 200 meteorologických stanic Českého hydrometeorologiclého ústavu (ČHMÚ), včetně stanic synoptických a klimatologických. Pro měření směru a rychlosti větru existují mezinárodní standardy, např.: pro zjištění těchto údajů je to výška 10 m nad zemským povrchem. Výsledky měření jsou odborně kontrolovány, archivovány a jsou k dispozici za úhradu buď ve formě nezpracovaných dat, nebo ve formě výsledků analýzy těchto dat prováděných pro různé účely. Směr větru, je dán světovou stranou, ze které vítr vane. Udává se v desítkách stupňů azimutu, případně v meteorologii závaznými anglickými zkratkami. Rozlišujeme 36 směrů větru: 01, 02, 03, 35, 36. Například severní vítr (N north) se značí 36, jižní vítr (S south) se značí 18, východní vítr (E east) 09, západní vítr (W west) 27. 17
Údaj 00 označuje bezvětří. Někdy se údaje o směru větru převádějí na číselnou stupnici podle níže uvedené tabulky [5]. SSV SV VSV V VJV JV JJV J JJZ JZ ZJZ Z ZSZ SZ SSZ S NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW N Calm 02 04 07 09 11 13 16 18 20 22 25 27 29 31 34 36 00 Bezvětří Tab. 2.1 Převod anglického značení směru větru na číselnou stupnici [5]. Směr větru lze sledovat pomocí zařízení nazývaného větrná korouhev, popřípadě větrný pytel. Postavení větrné korouhve se mění v závislosti na směru větru. Porovnáváním její polohy s kompasem je možné určit směr větru. Výsledky získané zaznamenáváním těchto údajů lze přehledně vyjádřit znázorněním tzv. větrné růžice, v níž k příslušnému směru je přiřazena rychlost a procentuální četnost. Výhodou větrné korouhve je její viditelnost na poměrně značnou vzdálenost. Měření směru větru se ale obvykle provádí větrnou směrovkou, která bývá součástí rychloměru. Jedná se o svislou desku otáčející se kolem svislé osy v určité vzdálenosti od těžiště její plochy. Obr. 2.2 Větrná růžice. Obr. 2.3 Větrný pytel. Rychlost větru je zásadní parametr při využívání energie větru, je úměrná velikosti tlakového rozdílu a udává se převážně v m.s -1. Rychlost větru je ovlivňována zemským povrchem a v blízkosti k němu obecně klesá. 18
a výškou [2]. Teoreticky lze pro její určení použít vztah závislosti mezi rychlostí větru v h = v v h je průměrná rychlost větru ve výšce h nad zemským povrchem [m.s -1 ] 0 h h 0 n v 0 je průměrná rychlost větru v referenční výšce h 0 [m.s -1 ] h je výška umístění osy rotoru [m] h 0 je výška, ve které se provádí měření [m] n je exponent závisející na drsnosti povrchu, vertikálním profilu teplot a výšce nad zemským povrchem; nabývá hodnot 0-1 při použití průměrných rychlostí větrů lze orientačně předpokládat pro vrstvu 0-2 m hodnotu n = 0,25; pro vrstvu 2-16 m hodnotu n = 0,22; pro vrstvu 16-250 m hodnotu n = 0,20 V praxi se rychlost větru sleduje nejčastěji dvojím způsobem. První způsob je vizuální a výsledky pozorování se srovnávají s tzv. Beaufortovou stupnicí rychlosti větru. Stupnici vytvořil roku 1806 anglický kontraadmirál Francis Beaufort pro námořní účely. Za dobu svého používání Beaufortova stupnice prodělala množství změn, které reagovaly na aktuální potřeby měření síly větru. Počet stupňů se z původních 12 stupňů rozšířil na 17. Výhodou stupnice je její praktičnost, představitelnost a použitelnost bez jakýchkoliv přístrojů. V tabulce jsou v souvislosti s klasifikací síly větru a jeho rychlostí pro srovnání uvedeny rovněž údaje o pozorování přírody. Stupeň Vítr Rychlost m.s -1 km.h -1 Projevy větru na souši 0 bezvětří < 0,5 < 1 kouř stoupá kolmo vzhůru 1 vánek ~ 1,25 1 5 směr větru je poznatelný podle pohybu kouře 2 větřík ~ 3 6 11 listy stromů šelestí 3 slabý vítr ~ 5 12 19 listy stromů a větvičky jsou v trvalém pohybu 4 mírný vítr ~ 7 20 28 zdvihá prach a útržky papíru 5 čerstvý vítr ~ 9,5 29 39 listnaté keře se začínají hýbat 6 silný vítr ~ 12 40 49 telegrafní dráty sviští, používání deštníků je nesnadné 7 mírný vichr ~ 14,5 50 61 chůze proti větru je nesnadná, celé stromy se pohybují 8 čerstvý ulamují se větve, chůze proti větru je téměř ~ 17,5 62 74 vichr nemožná 9 silný vichr ~ 21 75 88 vítr strhává komíny, tašky a břidlice ze střech 19
10 plný vichr ~ 24,5 89 102 vyvrací stromy, působí škody na obydlích 11 vichřice ~ 29 103 114 působí rozsáhlá pustošení ničivé účinky (odnáší střechy, hýbe těžkými 12-17 orkán > 30 > 117 hmotami) Tab. 2.2 Beaufortova stupnice rychlosti větru. Druhý způsob sledování je pomocí zařízení zvaného anemometr (z řeckého anemos = vítr), větroměr. Je to přístroj pro měření nejen rychlosti, ale i směru větru. Existuje celá řada typů anemometrů pracujících na různých principech. Nejznámější jsou mechanické anemometry. Jejich funkční část se skládá z rotoru, který se otáčí na svislé hřídeli, a je tvořen třemi či čtyřmi rameny, z nichž každé je zakončeno půlkruhovými miskami. Otáčky rotoru se jednoduchým mechanismem přenášejí přímo na ručkový ukazatel, popřípadě je možné tento údaj zpracovat elektronicky. Dále je možné se setkat s anemometry aerodynamickými, značkovacími, akustickými, atd. Anemometr napojený na zapisovač se nazývá anemograf. Zde se vyčíslují střední hodnoty rychlosti a směru větru za dobu 60 minut, celkem 24krát denně. Obr. 2.4 Schéma miskového anemometru. Kromě uvedených jednoduchých zařízení na sledování rychlosti a směru větru jsou v současné době používány přístroje, které doplněné speciálním programovým vybavením dokáží dlouhodobě měřit, zpracovat, vyhodnotit a přehledně zobrazit požadované veličiny, a tím připravit základní podklady potřebné pro úvahy a výpočty týkající se provozu a návratnosti finančních prostředků na stavbu větrné elektrárny. Jsou - li nepřímo získané údaje o rychlosti a směru větru příznivé, je nutné provést jejich měření přímo v dané lokalitě. Minimální rychlost větru potřebná na výrobu elektrické energie ve větrných elektrárnách je od 3 m.s -1 do 4 m.s -1 [6]. 20
Optimální rychlost větru je 12 m.s -1 [6]. Pokud je rychlost větru větší než 26 m.s -1, musí se větrná elektrárna odstavit, aby se zabránilo jejímu poškození nebo až zničení. Pohyb vzduchu se skládá z celé řady nárazů, náhlých zesílení a zeslabení větru, neustále následujících za sebou. Poměrně rychlé změny rychlosti a směru větru se udávají nárazovitostí větru. 2.4 Výpočet výkonu větrné energie Uvedené vzorce slouží pouze pro orientační stanovení výkonu. Pro přesné výpočty je nutno brát v úvahu mimo jiné i geometrickou charakteristiku listů rotoru, přesné stanovení všech účinností, rozdílnou rychlost větru daleko před rotorem a v rovině rotoru. Takové výpočty lze provádět pomocí speciálních programů na počítači. Kinetická energie proudícího vzduchu se vyjadřuje vztahem: E k kinetická energie vzduchu [J] m hmotnost vzduchu [kg] v rychlost větru [m.s -1 ] E k = 1 2 m v 2 Výkon větru lze vypočítat ze všeobecných vztahů [6]: E P = t P výkon vzdušného proudu [W] t čas [s] ρ hustota vzduchu [kg.m -3 ] V objemový průtok vzduchu [m 3.s -1 ] 1 P = ρ V v 2 k 2 21
Jelikož výkon větru je funkcí rychlosti větru, hustoty vzduchu a velikosti plochy, kterou proudí, tak lze uplatnit vzorec [6]: P 1 2 1 2 2 = S v ρ v = S ρ S plocha, která je kolmá k proudícímu vzduchu [m 2 ] v 3 Z uvedeného vztahu vyplývá, že výkon větru stoupá se třetí mocninou rychlosti větru. Při tlaku 101 325 Pa a teplotě 20 C se obvykle za hustotu vzduchu dosazuje přibližná hodnota 1,2 kg.m -3 [6]. Lze také říci, že výkon větru bude s rostoucí rychlostí silně stoupat a při menších rychlostech větru bude velmi malý. Správnost výsledku lze při provádění takového výpočtu skontrovat podle diagramu. Obr. 2.5 Závislost výkonu větru proudícího plochou 1 m 2 na jeho rychlosti. 22
3. VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Názvem větrné elektrárny se obecně označují technická zařízení, která slouží k přeměně kinetické energie větru na elektrickou energii. 3.1 Základní části větrných elektráren Větrné elektrárny mají zpravidla tyto základní části: Rotor Gondola Stožár Přípojka k elektrické síti Obr. 3.1 Schéma základních částí větrných elektráren. 23
3.1.1 Rotor V praxi existují čtyři typy rotorů podle osy rotace: Vrtule Je rychloběžný typ větrného rotoru s horizontální osou rotace. Je to technické zařízení, které slouží k přeměně energie rotačního pohybu na tah nebo naopak tah na rotační pohyb. Je tvořena dvěma nebo třemi listy uchycenými na rotoru. Listy jsou vyrobené ze sklolaminátu a jsou zkonstruovány tak, aby jejich optimální tvar umožňoval efektivní přenášení síly větru na rotor s největší dosažitelnou účinností 40% až 45% [6]. Průměr listů rotoru se pohybuje od 25 m do 150 m [6]. Vrtule se používá pro výrobu třífázového proudu. Obr. 3.2 Schéma provedení vrtulí: a) jednolistá, b) dvoulistá, c) třílistá. Lopatkové kolo Je pomaloběžný typ větrného rotoru s horizontální osou rotace. Počet lopatek bývá 12 a 24, což způsobuje, že se rotor začne otáčet už při nízkých rychlostech větru (2 m.s -1 až 7 m.s -1 ). Běžný průměr lopatkového kola je 5 m až 8 m a jeho účinnost se pohybuje v rozmezí 20% až 43%. Používá se pro pohon vodních čerpadel a pro výrobu elektrického proudu pro vlastní spotřebu. Nevýhodou je poměrně těžký rotor, protože jeho nosným prvkem je ocelový rám. Obr. 3.3 Lopatkové kolo. 24
Darrieův rotor Byl patentován v roce 1931. Jedná se o rychloběžný typ rotoru skládající se ze dvou či více křídel, které rotují kolem vertikální osy. Křídla mohou v průběhu rotace vytvářet válcovou, kuželovou, kulovou nebo parabolickou plochu. Účinnost Darrieova rotoru je až 38% a používá se pro výrobu stejnosměrného i střídavého proudu. Nevýhodou je špatná schopnost rozběhu. Obr. 3.4 Různé podoby Darrieova rotoru se svislou osou rotace. Savoniův rotor Byl patentován v roce 1929. Patří mezi pomaloběžné větrné rotory s vertikální osou rotace. Je tvořen dvěma plochami ve tvaru půlválců, které jsou navzájem přesazeny. Rotor pracuje na tlakovém principu využívající rozdíl tlaků působících na vypouklou a dutou stranu půlkruhových lopatek. Maximální účinnost Savoniova rotoru je 23%. Používá se pro výrobu stejnosměrného proudu a k čerpání vody. Výhodou jsou dobré rozběhové vlastnosti, jednoduchost a levnost výroby. Obr. 3.5 Schéma Savoniova rotoru a princip jeho činnosti. Součástí rotoru je i systém regulace vrtule, který má za úkol udržovat požadované otáčky vrtule, případně vrtuli zabrzdit. Rozlišují se systémy s pevnou vrtulí, vybavené aerodynamickou brzdou, která se vychýlí v případě vysokých otáček rotoru, 25
a systémy s nastavitelnou vrtulí, kde je brzdného efektu dosaženo pomocí mechanismu natáčení listů tak, že dojde ke změně úhlu nastavení listů. Pro zabrzdění rotoru je určena speciální kotoučová brzda, která musí být schopna zastavit rotor a to i při maximálních možných rychlostech větru. U elektráren malých a středních výkonů je proces brzdění řízen jednoduchým odstředivým regulátorem. Vlastní ovládání brzd může být elektrické, hydraulické a mechanické. 3.1.2 Gondola Je hlava větrné elektrárny umístěná na vrcholu stožáru, ve které je uložena celá strojová část větrné elektrárny. Hřídel Je polodlouhá rotační součást zařízení, která slouží k přenosu kroutícího momentu. Jsou na ní připevněny další součásti, které se spolu s hřídelí otáčejí kolem její osy. Sama je k zařízení upevněna pomocí jednoho nebo několika ložisek. Převodovka Slouží k přizpůsobení rychlosti otáček potřebám elektrického generátoru. V současnosti se používají speciální několikastupňové převodovky, na jejichž těleso je obvykle připojena brzda. Z důvodů velké životnosti, nízké hlučnosti a vysoké těsnosti jsou požadavky na kvalitu převodových ústrojí velmi vysoké. Obr. 3.6 Převodovka větrné turbíny. Generátor Slouží k přeměně mechanické energie větru na elektrickou energii. Obvykle se používají třífázové generátory s frekvencí 50 Hz a s napětím 700 V. Obr. 3.7 Generátor větrné turbíny. 26
Generátory používané ve větrných elektrárnách je možné rozdělit na: - Stejnosměrné generátory, které jsou vhodné pro malé větrné elektrárny pro dobíjení akumulátorů. - Synchronní generátory (alternátory), které jsou vhodné pro střední a velké větrné elektrárny. Jejichž výhodou je velká účinnost a schopnost pracovat s velkým rozsahem rychlostí větru. Používají se jako záložní zdroje elektrické energie v případě přerušení dodávky elektrické energie z rozvodné sítě. - Asynchronní generátory, které jsou rovněž vhodné pro střední a velké větrné elektrárny, mají oproti synchronním generátorům levnější konstrukci a velmi snadné připojení k síti, kdy nevyžadují složitý připojovací systém. Ten pouze hlídá otáčky a rozhoduje o okamžiku připojení k síti. Pomocná zařízení Mezi pomocná zařízení se obvykle řadí: - Ovládací a kontrolní systém (řídící elektronika), který lze rozdělit na část technickou, tvořenou řídícím počítačem a ovládacími prvky na řídícím panelu, a část programovou, což je speciálně vyvinutý balík programů, určený ke sledování a ovládání jednotlivých částí větrné elektrárny a režimů jejich činnosti. Na řídícím panelu lze snadno sledovat i údaje ze soustavy čidel umístěných na jednotlivých částech větrné elektrárny. Tato čidla sledují například vznik nadměrných vibrací způsobených námrazou nebo poškozením rotoru, teplotu ložisek, otáčky rotoru, vychýlení brzd, okamžitý výkon generátoru atd. Jednoduše lze říci, že ovládací a kontrolní systém kontroluje údaje o chodu celého zařízení a chrání jej před poškozením. - Systém natáčení strojovny větrné elektrárny do směru větru slouží k dosažení co největšího výkonu. K zajištění správné orientace rotoru vzhledem ke směru větru se standardně používá některý z uvedených způsobů: a) Umístění rotoru na závětrné straně gondoly výsledná aerodynamická síla, působící na rotor jako celek, vyvolává moment síly, který jej natáčí stále kolmo na směr větru. Tento způsob se používá pouze u menších rychloběžných větrných elektráren s výkony do několika desítek kilowatt (obr. 3.6). 27
b) Ocasní plocha (kormidlo) podstata spočívá v tom, že gondola větrné elektrárny je opatřena plochou, specifického tvaru a velikosti, pevně spojenou s rámem gondoly. Při změně směru větru dojde ke vzniku točivého momentu, který uvede větrnou elektrárnu požadovaným směrem [1].Uvedený způsob se využívá zejména u malých větrných elektráren o výkonu do 5 kw (obr. 3.7) [1]. c) Boční pomocné rotory jsou tvořeny dvojicí lopatkových kol, které se při změně směru větru roztočí a natočí strojovnu větrné elektrárny do požadované polohy. Nevýhodou je složitá konstrukce (obr. 3.8). d) Systém natáčení gondoly jde o servomotor řízený regulačním systémem elektrárny napojený na anemometr a snímač směru větru. Princip činnosti spočívá v tom, že vyhodnocovací člen sleduje okamžitý směr a rychlost větru a předá signál do elektromotoru, který natočí strojovnu do požadovaného směru. Výhodou je přesné a pozvolné natočení větrné elektrárny. Tento způsob se používá převážně u větrných elektráren velkých výkonů připojených k síti (obr. 3.1). Obr. 3.6 Uspořádání rotoru za gondolou se samočinnou orientací rotoru. Obr. 3.7 Uspořádání rotoru před gondolou s orientací rotoru pomocí kormidla. Obr. 3.8 Uspořádání rotoru před gondolou s orientací rotoru pomocí bočních pomocných rotorů. - Anemometr pro měření směru a rychlosti větru 3.1.3 Stožár Je hlavní částí nosného systému větrné elektrárny, kdy rotor spolu s gondolou jsou na stožáru namontované tak, aby se mohly otáčet okolo vertikální osy do směru větru. 28
Konstrukce stožáru velmi úzce souvisí s velikostí a typem větrné elektrárny. Obecně se dá říci, že se zvětšováním výkonu turbín se zvyšují stožáry, a to v současné době na 100 až 120 m. Při návrhu jakéhokoliv stožáru je nutno řešit problém vlastní frekvence celého systému, které nesmí být v oblasti vlastních otáčkových frekvencí, protože by hrozilo rozkmitání konstrukce a nebezpečí jejího porušení. Pro dosažení co největší pevnosti a nejmenšího odporu jsou konstruovány tzv. stožáry tubusové, které jsou vyrobené z oceli nebo betonu. Dále jsou nabízeny i tzv. příhradové stožáry, u kterých je ale nutné vybudovat speciální přístrojovou skříňku. U menších elektráren se můžeme setkat jen s trubkou ukotvenou lany. S konstrukcí stožáru úzce souvisí také velikost a tvar základů pro větrnou elektrárnu. Obecně lze říci, že u větších typů se používají speciálně tvarované základy tak, aby byla minimalizována velikost základů při zachování normou předepsané bezpečnosti. Ocelová konstrukce se k základu obvykle připevňuje systémem kotvících šroubů [1]. 3.1.4 Přípojka k elektrické síti Je z hlediska efektivnosti provozu větrné elektrárny velmi důležitá a může rozhodujícím způsobem ovlivnit návratnost investovaných prostředků [1]. Jde o část větrné elektrárny, která rozhoduje o okamžiku připojení generátoru k síti, popřípadě o jeho odpojení od sítě [1]. Postup připojení generátoru k síti se liší podle typu generátoru. 3.2 Rozdělení větrných elektráren Větrné elektrárny je možné dělit podle různých kritérií. 3.2.1 Podle koncepce uložení rotoru Podle tohoto kritéria se rozlišují dva základní typy: Větrné elektrárny s vertikální (svislou) osou rotace V praxi se tento typ elektráren příliš neuplatnil (vzor Darrieus a Savonius), protože u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, které značně snižuje jejich životnost. Další nevýhodou je malá výška rotoru nad terénem a z toho 29
plynoucí menší rychlost a tím pádem i nízká účinnost rotoru. Jejich výhodou ale je, že se rotor nemusí nastavovat do směru větru. Větrné elektrárny s horizontální (vodorovnou) osou rotace Tento typ elektráren je v současné době nejrozšířenější, a můžeme zde zařadit větrné elektrárny s vrtulí a lopatkovými koly. Rotor se nastavuje kolmo na směr větru a listy rotoru jsou umístněny vysoko nad zemí. Účinnost těchto rotorů je vyšší. 3.2.2 Podle aerodynamického principu Tento princip má pro činnost elektráren největší význam a podle něj dělíme větrné elektrárny na: Větrné elektrárny pracující na odporovém principu Tyto elektrárny patří mezi nejstarší a mohou mít horizontální i vertikální osu otáčení (vzor Savonius). Jejich podstatou je, že plocha nastavená proti větru mu klade aerodynamický odpor, proud vzduchu zpomaluje a je na ní vyvozována síla, která je mechanicky přeměňována obvykle na rotační pohyb. Větrné elektrárny pracující na vztlakovém principu Mezi větrné elektrárny pracující na vztlakovém principu patří jak vrtule a lopatková kola s horizontální osou rotace, tak elektrárny s vertikální osou rotace (typ Darrieus). U rotorů pracujících na vztlakovém principu jsou listy rotoru tvarované tak, aby vznikla potřebná vztlaková síla uvádějící rotor do pohybu. 3.2.3 Podle výkonu větrných elektráren Podle výkonu můžeme rozlišovat: Malé větrné elektrárny Za malé větrné elektrárny se považují turbíny s nominálním výkonem menším než 60 kw a s průměrem vrtulí do 16 m. Nejvýznamnější kategorií jsou elektrárny do10 kw, které lze dále rozdělit na: - Mikroelektrárny, s výkonem zhruba do 2,5 kw a průměrem vrtulí od 0,5 m do 3 m, což jsou zařízení na výrobu stejnosměrného proudu při napětí 12 V nebo 24 V, které jsou výhradně určeny pro dobíjení baterií. Takto 30
nahromaděná energie může sloužit k osvětlení, k napájení komunikačních systémů, rádiových a televizních přijímačů a dalších elektrických spotřebičů. - Elektrárny s nominálním výkonem v rozsahu 2,5 kw až 10 kw a průměrem vrtulí od 3 m do 8 m. Jedná se o zařízení mající vstupní napětí 48 V až 220 V a jsou určena pro vytápění domů, pro ohřev vody, případně pro pohon motorů [8]. Střední větrné elektrárny Za střední větrné elektrárny se považují turbíny s nominálním výkonem v rozsahu 60 kw až 750 kw a s průměrem vrtulí od 16 m do 45 m [8]. Velké větrné elektrárny Za velké větrné elektrárny jsou považovány turbíny s nominálním výkonem v rozsahu 750 kw až 6400 kw a s průměrem vrtulí od 45 m do 128 m [8]. Elektrárny velkých výkonů (300 kw až 3000 kw) jsou určeny k dodávce energie do veřejné rozvodné sítě. 3.3 Princip činnosti větrných elektráren Působením aerodynamických sil na listy rotoru převádí větrná turbína umístěná na stožáru energii větru na rotační energii mechanickou. Ta je poté přenášena přes převodovku do generátoru, kde se mění na elektrickou energii [27]. Podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly, a proto musejí mít listy speciálně tvarovaný profil. Se vzrůstající rychlostí vzdušného proudu rostou vztlakové síly s druhou mocninou rychlosti větru a energie vyprodukovaná generátorem s třetí mocninou. Je proto třeba zajistit efektivní a rychle pracující regulaci výkonu rotoru tak, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému přetížení větrné elektrárny [27]. Obsluha větrné elektrárny je převážně automatická. Životnost nové větrné elektrárny se udává 20 let od uvedení do provozu. 31
3.4 Technicko - ekonomické parametry Pokud chceme získat představu o základních technických parametrech libovolného typu větrné elektrárny, je možné použít následující vzorce. Pro určení jmenovitého výkonu větrné elektrárny je vhodné využít vztahu [6]: P j 1 = c p ρ S v 2 P j jmenovitý výkon rotoru [W] 2 S velikost plochy rotoru, daný vztahem S = π r [m 2 ] ρ hustota vzduchu [kg.m -3 ] v j jmenovitá rychlost větru [m.s -1 ] c p výkonový součinitel udává, jaká část větrné energie se mění na mechanickou energii (v ideálním případě roven 0,593) a je závislý na tom, v jaké míře rotor snižuje rychlost protékajícího vzduchu je definovaný vztahem [6] c p = 4 a (1 a a vtokový faktor, který je definovaný vztahem [6] v a = v 0 rychlost větru před rotorem [m.s -1 ] v 1 rychlost větru v rovině rotoru [m.s -1 ] 0 v v 0 1 2 ) 3 j Je li třeba pro požadovaný výkon při jmenovité rychlosti větru stanovit průměr rotoru d [m], pak [2]: d = c p 8P π ρ v j 3 j V úvahu je třeba vzít i další údaj, týkající se celkové koncepce a provedení větrné elektrárny, kterým jsou otáčky rotoru při jmenovitém výkonu [2]: n j λ 0 v = π d n j jmenovité otáčky rotoru [s -1 ] λ 0 rychloběžnost rotoru, která je definována poměrem obvodové rychlosti rotoru v r a rychlosti větru před rotorem v 0 32 j
λ = 0 v r v maximální hodnota rychloběžnosti elektrárny je omezena hlučností rotoru, která s obvodovou rychlostí značně roste obecně se dá říci, že čím menší je počet listů, tím vyšší bývá hodnota rychloběžnosti (třílisté rotory pracují nejčastěji s rychloběžností λ = 6) [2] 0 Stejně jako je průměr rotoru d závislý na výkonu větrné elektrárny, budou na něm závislé i otáčky, jak ukazuje následující vztah [2]: n j = λ v O 2 j c p ρ v 8 π P j j K základnímu vyhodnocení užitné hodnoty větrných elektráren je potřeba znát hodnoty těchto parametrů: Koeficient ročního využití energetického zdroje ukazuje, nakolik je v průběhu roku využíván instalovaný výkon energetického zdroje. Počítá se jako poměr mezi skutečným množstvím vyrobené energie a teoretickým maximálním množstvím elektřiny vyrobeným za předpokladu, že by elektrárna pracovala se jmenovitým výkonem 8760 hodin v roce [9]: k r Wr = P 8760 i k r koeficient ročního využití instalovaného výkonu [-; %] W r celoroční výroba elektrické energie [kwh] P i instalovaný výkon [kw] Měrná výroba elektřiny w r [kwh.r -1.kW] srovnává celoroční výrobu W r s instalovaným výkonem. Jedná se o využití 1 kw instalovaného výkonu během jednoho roku [9]. wr k r = P Průměrný roční výkon P r [kw, MW, GW], který hodnotí celoroční uplatnění instalovaných elektráren ve výrobě elektrické energie, lze určit pomocí vztahu [9]: P W r r = 8760 = k r i P i 33
Celoroční výroba elektrické energie Wr [MWh, MWr] je dána vztahem [9]: W r = P r 8760 Měrné investiční náklady vztažené k průměrnému celoročnímu výkonu určíme ze vzorce [9]: c ir měrné investiční náklady [Kč.kWh.r -1 ] C i investiční náklady [Kč] Ci c ir = P i 34
4. LEGISLATIVA A PODMÍNKY VÝSTAVBY VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN 4.1 Základní podmínky úspěšné instalace větrné elektrárny Mezi základní podmínky úspěšné instalace větrné elektrárny patří následující body: Výběr vhodné lokality Správné umístění větrné elektrárny je důležité pro získání maximálního využití větrné energie. K ohodnocení konkrétní lokality je nejvhodnější stanovení distribuční charakteristiky, kdy se jedná o rozdělení četnosti rychlostí a směrů větru zjištěné kontinuálním měřením ve výšce předpokládaného umístění osy rotoru. Měření by mělo být aspoň šestiměsíční, ideální je však roční měření porovnané s dlouhodobými údaji na blízkých meteorologických stanicích. U větrných elektráren s výkonem do 5 kw postačí odborný odhad na základě meteorologických měření, popřípadě výpisu z větrné mapy ČR, nicméně pro větrné elektrárny připojené do sítě je kvalitní měření rychlosti a směru větru nezbytné. Pro výběr vhodné lokality je třeba znát i vstupní údaje týkající se množství a parametrů překážek. Různé předměty na zemi (jednotlivé stavby, skupiny budov, stromy, lesy, orografické překážky, ) velmi ovlivňují rychlost, směr a strukturu větru. Způsobují turbulence a brání laminárnímu proudění větru, což nepříznivě ovlivňuje chod větrných elektráren. Další podmínkou při výběru vhodné lokality je chod ročních venkovních teplot či jiných nepříznivých meteorologických jevů. V zimních měsících, kdy jsou větrné podmínky obecně lepší než v letních měsících, dochází k četným odstávkám elektráren kvůli masivní námraze, která obaluje listy rotorů i měřících zařízení. V některých lokalitách tak v zimních měsících výroba energie klesá na pouhou desetinu předpokládaného výtěžku. Z hlediska vhodnosti dané lokality hraje důležitou roli i nadmořská výška a s ní spojená hustota vzduchu. V případě vnitrozemských států (tedy i ČR) jsou příhodné lokality převážně ve vyšších nadmořských výškách, obvykle nad 500 m n. m., protože v nižších nadmořských výškách je roční průměrná rychlost větru nízká (kolem 2 až 4 m.s -1 ) [10]. Hustota výkonu větru charakterizuje možnost využít kinetickou energii 35
větru v dané ploše, protože výkon je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině rychlosti větru. V případě nároků na možnost umístění vhodné technologie, jsou kladeny požadavky zejména na únosnost podloží, kvalitu podkladu a seismickou situaci, vhodnost geologických podmínek pro základy elektrárny. K žádosti o stavební povolení musí být přiložena projektová dokumentace stožáru a základu s výpočtem stability celé konstrukce. Dále jsou kladeny nároky na dostupnost lokality pro těžké mechanismy, možnosti pro vybudování potřebné zpevněné komunikace a vzdálenost od přípojky VN nebo VVN s dostatečnou kapacitou. Důležitou roli hraje i adekvátní vzdálenost od obydlí, která by měla být dostatečná kvůli minimalizaci možného rušení obyvatel hlukem (nejvyšší přípustná hladina hluku ve venkovním prostoru na obytném území je ve dne 50 db a v noci 40 db). Při posuzování hluku z provozu větrných elektráren je vhodné dodržet standardní postup: - Technické měření hluku daného typu větrné elektrárny (je povinností výrobce při uvedení výrobku na trh). - Akustická studie (vychází z technických údajů výrobce, které převádí do konkrétních podmínek dané zájmové lokality). - Hygienické měření (potvrzení závěrů studie, pokud může být hluk významný, což při snaze investora o co nejvyšší výkon nebo počet větrných elektráren je velmi pravděpodobné). Pokud nejsou splněny předchozí tři body, může dojít k nestandardnímu postupu: - Inspekční měření nebo také měření na základě stížností obyvatel na hluk z větrné elektrárny. Posuzování vlivů na životní prostředí Po úspěšném nalezení vhodné lokality nastupuje posuzování vlivů na životní prostředí EIA (Environmental Impact Assessmen). Základním významem této procedury je zjistit, popsat a komplexně vyhodnotit předpokládané vlivy připravovaných záměrů a formulovat tak opatření ke zmírnění negativních vlivů na životní prostředí. Posuzování vlivů na životní prostředí upravuje zákon č. 100/2001 Sb. Tahle oblast mimo jiné kontroluje míru zásahu do okolní přírody, zátěž při výstavbě elektrárny, zátěž při budování elektrické přípojky, zásah do vzhledu krajiny (umístění a vzhled větrné elektrárny by měly být v souladu s krajinným rázem a jeho hlavními 36