INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ CZ.1.07/1.1.00/08.0010 VYUŽITÍ ENERGIE VĚTRU ING. JAROSLAV BENEDIKT TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Využití energie větru Ing. Jaroslav Benedikt Konstrukce větrné elektrárny, Transformace energie ve větrné turbíně úvod, Vznik větru, Výběr lokality, Stavba větrné elektrárny, Využití větrné energie v ČR Větrná energie patří do skupiny obnovitelných zdrojů. V ČR je větrná energie především využívána větrnými elektrárnami, které transformují pomocí turbíny [1] část kinetické energie větru protékající přes rotor turbíny na energii mechanickou respektive elektrickou. Výkony větrných elektráren jsou široké od velmi malých začínající na 200 W (do cca 4 KW se mluví o elektrárnách pro domácnosti [17]) až po největší o výkonu 5 MW. Obr. 1. Větrná elektrárna v Břežanech u Znojma. Větrná elektrárna se skládá z 5 jednotek Vestas V52 s celkovým instalovaným výkonem 5x850 kw, výška sloupu 74 m, průměr rotoru 52 m. Zdroj parametrů [2].
Konstrukce větrné elektrárny Z hlediska konstrukce existuje mnoho typů, ale naprosto dominantním typem jsou větrné elektrárny s axiální turbínou, kterou si zde popíšeme. Větrná elektrárna se skládá ze sloupu, který je pevně ukotven k zemi masivními betonovými základy případně ještě lany. Na vrcholu sloupu je gondola s elektrickým generátorem, převodovkou (pokud se jedná o generátor přifázovaný přímo k síti) a větrná turbína: Obr. 2. Větrná elektrárna Enercon E-70. Instalovaný výkon 2 MW. Otáčky 6...21,5 min-1, poloměr rotoru 71 m. Můžeme sledovat zakřivení lopatky u čepu a zahnutí lopatky na jejím vrcholu kvůli ztrátám. Zdroj obrázků a parametrů [3]. Základy větrné elektrárny zpravidla tvoří betonová deska. U větrné elektrárny s výškou sloupu 75 m se jedná přibližně o rozměry 10x10x5 m (větrný park Břežany). Elektrárny typu "Offshore" (elektrárny budované dále od pobřeží přímo v na vodní hladině) mají základ položený na dně, ale uvažuje se i o stavbě plovoucích elektráren ke dnu pouze ukotvených lany [8]. Sloup (tubus) je dutý, musí být dostatečně vysoký, aby vynesl větrnou turbínu nad přízemní pásmo větrných turbolencí a dostatečně silný, aby odolal hmotnosti celého soustrojí a síle větru. Středem sloupu vede servisní žebřík nebo schodiště do gondoly. Sloupem je také vedeno elektrické vedení. Gondola obsahuje převodovku spojku, generátor a náboj větrné turbíny. Pokud je použit vícepólový generátor s frekvenčím měničem (výstupem je elektřina nejen s promělivým proudem, ale i frekvencí a napětí) podobně jako v případě elektráren Enercon obr. 2 není převodovka potřeba a tím se zvyšuje účinnost. Nevýhodou je nutnost vysokofrekvenční elektřinu transformovat na stejnosměrný proud a poté opět na střídavý o frekvenci 50 Hz viz. obr. 3. U klasických generátorů s převodovkou je přímo vyráběn proud o frekvenci 50 Hz a 0,69 kv* dále je napětí transformováno ještě v objektu elektrárny na 22 kv (pokud je připojen na VVN [4] je v blízkosti další transformátorová stanice). U elektráren s převodovkou se po přifázování otáčí turbína konstantními otáčkami za jakéhokoliv větru. To vyžaduje obvykle kombinaci natáčivých lopatek a převodovky případně převodovku s plynulou změnou převodového poměru [18]. Při použití výkonové elektroniky respektive vícepolového generátoru nejsou otáčky pevně dány a rotor má tedy vyšší účinnost a rozsah využití co se týká rychlosti větru. Větrné elektrárny s vysokofrekvenčním respektive s
nízkofrekvenčním generátorem se používají i u nejmenších větrných elektráren (výkony několik stovek Wattů) určené pro výrobu elektřiny v domácnostech např. [6, 7]. Dále je mezi gondolou a tubusem nainstalováno tlumení, které zabraňuje přenosu vibrací. *Poznámka Napětí na svorkách generátoru větrné turbíny záleží na typu a výkonu. U velmi malých větrných elektráren pracující v ostrovním režimu (osamocené stavby, malé lodě apod.) se jedná většinou o stejnosměrné generátor o napětí 12 až 24 V. U větrných elektráren pro domácnosti to může být až 400 V. U velkých elektráren napětí často nepřesahuje 1000 V, ale dodávají se generátory pro větrné turbíny o jmenovitém napětí 6,3 kv až 11 kv [18] následně se transformuje se v přilehlé trasformátorové stanici na požadované přenosové napětí. Obr. 3. Schéma zapojení vysokofrekvenčního generátoru větrné elektrárny. Větrná turbína lopatky největších větrných turbín jsou duté vyrobené ze sklolaminátu [8 základní popis výroby lopatky větrné turbíny] (v některých případech se může v dutých lopatkách srážet vzdušná vlhkost, která následně způsobuje nevyváženost rotoru a vede k odstavení elektrárny). Počet lopatek závisí na otáčkách turbíny. Nejčastěji se vyskutují větrné turbíny se třemi lopatkami, ale mohou mí i více lopatek nebo naopak pouze jednu s proti závažím [9]. V současnosti již dosahují lopatky takových rozměrů (50 m), že se při otáčení projevuje rozdíl rychlosti větru (rychlost větru se s výškou nad povrchem zvyšuje viz. níže). Na každou lopatku turbíny tak působí jiné síly a hrozí tak rozkmitání celé turbíny a následně elektrárny a její poškození či destrukce. U velkých větrných turbín se konce lopatek pohybují rychlostmi většími než rychlost zvuku. Vznikají při tom různé doprovodné zvukové efekty, což stěžuje výběr lokality pro umístění větrné elektrárny. Lopatky větrných turbín (kromě některých velmi malých) jsou natáčivé, aby se přizbůsobovaly proměnlivé rychlosti větru. Existuje i natočení lopatky takové, při kterém dojde k zastavení otáčení rotoru. Lopatky také obsahují bleskosvod. Transformace energie ve větrné turbíně úvod Proud vzduchu proudící přes rotor předává část své kinetické energie rotoru. Rychlost větru před rotorem (v neovlivněné vzdálenosti před rotorem) je c i, za rotorem je rychlost c e, která
je nižší o část přeměněné kinetické energie. Ze zákona zachování hmoty a rovnice kontinuity je zřejmé, že před i za rotorem musí být stejný průtok, ale vzduch za rotorem protéká větším průtočným průřezem, protože je pomalejší (při těchto rychlostech lze vzduch považovat za nestlačitelný [5, str. 27]). Pomalejší vzduch za rotorem představuje překážku okolnímu rychlejšímu proudění, které takto vzniklou překážku obtéká a přes rotor proudí mnohem méně vzduchu než odpovídá ploše rotoru a rychlosti c i : Obr. 4. Proudění vzduchu přes větrnou turbínu. c [m/s] rychlost proudění vzduchu, m [kg/s] hmotnostní průtok vzduchu turbínou, V [m 3 /s] objemových průtok vzduchu turbínou, ρ [kg/m 3 ] hustota vzduchu (ρ 1,22 kg/m 3 ), A [m 3 ] průtočná plocha vzduchu, ω [rad/s] úhlová rychlost rotoru. Lze dokázat, že k nejvyšší efektivitě přeměny kinetické energie na mechanickou při proudění vzduchu přes větrnou turbínu dochází jestliže rychlost c e odpovídá jedné třetině rychlosti c i viz. Betzův limit [10]. Podle Betzova limitu muže být maximální účinnost větrné turbíny 59,3%*. Reálně mají nejlepší větrné turbíny účinnost kolem 45%. Postup aerodynamického návrhu lopatky větrné turbíny (axiální) např. v [16]. *Poznámka Nelze dosáhnou 100% přeměny kinetické energie větru na energii mechanickou, protože to by znamenalo úplné zastavení proudění větru přes turbínu a z toho plynoucí účinnost 0%. Proto existuje jisté optimální snížení rychlosti proudění vzduchu. Teoretický výkon větrné turbíny odpovídá výkonu proudu vzduchu o rychlosti c 1 protékající plochou odpovídající ploše rotoru turbíny. Skutečný výkon se získá vynásobením teoretického výkonu účínností turbíny tj. koeficientem k 0,3...0,45 (velikost koeficientu je vztažen k jmenovité rychlosti větru, pro kterou byla turbína navržena) viz. vztah uvedený již v [4]. Vypočítejte kolikrát se změní teoretický výkon větrné elektrárny s průměrem turbíny 60 m, když rychlost větru z 15 m/s klesne třikrát na rychlost 5 m/s? Úloha 1.
Vznik větru Vítr vzniká v atmosféře na základě rozdílu atmosférických tlaků v důsledku nerovnoměrného ohřívání zemského povrchu včetně oceánu. Také je ovlivněn vertikálními pohyby vzduchu při jeho zahřívání/ochlazování a rotací Země (Coriolisově síla, odstředivá síl). Další vliv má (v přízemních výškách) morfologie krajiny, rostlinstvo, vodní plochy... Některá místa na zemském povrchu mají horší větrné podmínky jiná lepší: zl. 593 zl. 589 zl. 16 Obr. 5. Větrná mapa Země ve výšce 10 m nad povrchem. Mapa vznikla z měření prováděné v letech 1976 až 1995, data v některých lokalitách byla dopočítána. Údaje jsou v m/s. Zdroj [11]. Výběr lokality Příznivé větrné podmínky bývají na pobřeží moře nebo ve vyšších nadmořských výškách (zde je ale problém v zimě s námrazou námraza svou tíhou narušuje vyváženost rotoru a při pádu z rotoru může ohrožovat okolí). Zohledňovat se musí i tahy velkých ptáků [4]. Jiným problémem je ohrožení bleskem a obtížný přenos elektřiny do obydlených oblastí. Většina dnes vyráběných větrných elektráren začíná vyrábět elektřinu při rychlosti větru 4 až 5 m/s a maximálního výkonu dosahuje zpravidla kolem 15 m/s. Při rychlostech vyšších než je povolená rychlost větru se větrná turbína zabrzdí a lopatky se stočí tak, aby kladly větru co nejmenší odpor. V obydlených oblastech je mohou nastat problémy s vizuálním znečištění krajiny a hlukem:
Obr. 6. Výkon větrné elektrárny Vestas V52 v závislosti na rychlosti větru a hlučnosti. a 100 db, b 101 db, c 102 db, d 103 db, e 104,2 db. Ve vzdálenosti 300 m od elektrárny, při výšce sloupu 49 m může hlučnost poklesnout na úroveň 45 až 40,8 db. Zdroj [2]. Dalšími faktory při výběru lokality jsou ekologické, dopad vizuálního znečištění, infrastruktura dané oblasti... Nejdůležitějším technickým faktorem při výběru lokality pro stavbu větrné elektrárny je průměrná rychlost větru v dané oblasti. Většina typů elektráren potřebuje průměrnou rychlost větru vyšší jak 5 m/s. Na obr. 1 je mapa s vyznačenou průměrnou rychlostí větru na území ČR. Tato rychlost odpovídá průměrné roční rychlosti větru ve výšce 10 m nad povrchem. Obr. 7. Větrná mapa ČR ve výšce 10 m nad povrchem (2005). Zdroj [12].
Rychlost větru s výškou nad povrchem roste přibližně exponenciálně, což souvisí s odpory, víry a tření vzduchového proudu, které při povrchu vzniká. Je tedy nutné z této rychlosti dopočítat skutečnou průměrnou rychlost větru ve výšce osy čepu rotoru podle vztahu: Rov. 1. Vztah pro přepočet rychlosti větru podle výšky nad povrchem. c h2 [m/s] rychlost větru ve výšce, kterou požadujeme, c h1 [m/s] rychlost větru ve výšce, ve které byla hodnota rychlosti měřena (známe), h 1 [m] výška měření rychlosti c h1, h 2 [m/s] výška, ve které chceme rychlost větru znát c h2, a [1] exponent jehož velikost se odvozuje od reliéfu krajiny odvozeno od třídy drsnosti zemského povrchu viz. tab. 1. Zdroj [13]. Tab. 1. Třída drsnosti jednotlivých povrchů. Zdroj [13]. Průměrná rychlost větru se stanovuje z absolutní četnosti naměřených rychlostí větru. Většina elektráren dosahuje maximálního (efektivního) výkonu při rychlosti větru kolem 15 m/s, takže v oblasti s průměrnou rychlostí větru 4,5 m/s dosahuje elektrárna jmenovitého výkonu pouze několik hodin za rok: Obr. 8. Průměrná rychlost větru stanovená z absolutní četnosti rychlosti větru v dané oblasti. x^ modus, což je nejčastěji naměřená hodnota rychlosti větru, x - průměrná hodnota rychlosti
větru. O sestavování četnosti např. [14, str. 42]. Před konečným výběrem lokality se na vytipovaném místě provádí dlouhodobé měření rychlosti větru (minimálně jeden rok). Poté se vypočítá předpokládané množství vyrobené elektřiny pomocí četnosti větru a výkonové křivky vybrané větrné elektrárny (výkonová křivka např. obr. 6). Odtud se vypočítá využitelný instalovaný výkon elektrárny je to poměr předpokládané roční výroby elektřiny ku množství vyrobené elektřiny za rok při jmenovitém výkonu elektrárny. V České republice bylo ke dni 31.12.2005 nainstalováno 21,99 MW a ke dni 31.12.2006 nainstalováno 43,75 MW elektrického výkonu ve větrných elektrárnách. Jaká byla přibližně průměrná využitelnost instalovaného výkonu větrných elektráren u nás, když víme že za rok 2006 bylo vyrobeno ve větrných elektrárnách v ČR celkem 49,1 GWh netto? Úloha 2. Stavba větrné elektrárny K větrným elektrárnám, které se staví v odlehlých oblastech je třeba vybudovat infrastrukturu, přivést vedení (22 kv). Cesta musí být budována tak, aby po ni mohl projet tahač s lopatkou (cca 30 m). Dále jeřáb a betonářské vozy. Stavba je ovlivněna povětrnostními podmínkami, protože tak vysoký jeřáb lze postavit pouze pokud rychlost větru nepřesáhne povolenou hranici. Toto omezení často prodražuje opravy na větrné elektrárně i dobu opravy (taxa za prostoje jeřábu, který je již na místě a nemůže pracovat, blokování dopravy při převozu jeřábu atd.). Průběh stavby větrné elektrárny: Obr. 9. Průběh stavby větrné elektrárny Enercon. 1 základy, 2 stavba sloupu, 3 vyzvednutí gondoly, 4 vyzvednutí generátoru, 5 sestavení rotoru s jednotlivých lopatek a připevnění ke gondole. Zdroj [3].
Využití větrné energie v ČR Rozvoj větrné energetiky v ČR je patrný z grafu: Graf. 1. Instalovaný výkon a roční výroba elektřiny ve větrných elektrárnách v ČR. a instalovaný výkon k 31.12., b roční výroba elektřiny.