oblast využití VtE Globální cirkulace větru 1 % sluneční energie 9. Větrná energie Alternativní zdroje energie II. Ivo Jiříček Nerovnoměrným zahříváním zemského povrchu Sluncem vznikají tlakové rozdíly, které se vyrovnávají prouděním vzduchu. Větrné mapy středních rychlostí větru, vytvořené klimatology, pomáhají určit lokality vhodné pro umístění VtE. Další důležité aspekty větrných podmínek na daném území je rozložení rychlosti větru a převládající směr větru. Spektrum rozložení hustoty rychlostí větru v dané lokalitě lze popsat Rayleighovým rozdělením jako speciálním případem rozdělení Weibullova. Více na: http://www.elektro-energetika.cz/calculations/distrrayl.php?language= Rozložení rychlostí větru a převládající směr větru Spektrum rozložení hustoty rychlostí větru. Maximum hustoty výskytu rychlostí bude vždy ležet vlevo od hustoty výskytu střední rychlosti větru. Střední rychlost větru Proudění při zemském povrchu je do značné míry předurčeno větrnými podmínkami ve volné atmosféře, které nejsou ovlivněné lokálním terénem. Energie je spočtena pro průchod větru 100m kruhem za předpokladu využití jeho teoretického (maximálního) výkonu. Nad územím ČR poměrně zřetelně převládá proudění ze západních směrů, ostatní směry větru jsou zastoupeny méně a vyznačují se i nižšími průměrnými rychlostmi. Větrná růžice lokality ČR Beaufortova stupnice síly větru Stupeň Vítr km.h -1 Na souši Výška vln moře v m 0 bezvětří < 1 kouř stoupá kolmo vzhůru < 0,03 1 vánek 1-5 směr větru lze poznat podle pohybu kouře. asi 0,03 2 větřík 6-11 listí stromů šelestí asi 0,13 3 slabý vítr 12-19 listy stromů a větvičky jsou v trvalém pohybu 0,3-0,7 4 mírný vítr 20-28 vítr zvedá prach a útržky papíru 0,6-1,2 5 čerstvý vítr 29-39 listnaté keře se začínají hýbat 1,2-2,4 telegrafní dráty sviští, používání deštníků je 6 silný vítr 40-49 2,4-4 nesnadné chůze proti větru je obtížná, celé stromy se 7 mírný vichr 50-61 4-6 pohybují čerstvý ulamují se větve, chůze proti větru je normálně 8 62-74 4-6 vichr nemožná 9 silný vichr 75-88 vítr strhává komíny, tašky a břidlice se střech asi 6 10 plný vichr 89-102 vítr strhává komíny, tašky a břidlice se střech 6-9 11 vichřice 103-114 vítr působí rozsáhlá pustošení > 14 12-17 orkán > 117 ničivé účinky (vítr odnáší střechy, hýbe těžkými hmotami) > 14 Svět 2015: P i VtE 430 GW již převýšil P i jaderných el. (380 GW) EU 2015: VtE 147 GW Největší výrobci: 1. Vestas 2. Siemens 3. GE Energy 4. Goldwind 5. Enercon 6. Suzlon Group 7. United Power 8. Gamesa 9. Ming Yang 10. Envision Instalovaný výkon VtE zdroj: THE EUROPEAN WIND ENERGY ASSOCIATION Historie- mlýny 5000 let př.n.l. energie větru pohání lodě podél Nilu 200 let př.n.l. větrné mlýny pro čerpání vody 1277 první historicky doložený větrný mlýn v zahradě Strahovského kláštera S příchodem industrializace zájem o větrné mlýny upadl 1
výkonový součinitel Cp 3/24/2016 Kritéria výběru a vhodnost lokality větrná mapa Údaje lze vyčíst z výpisu větrné mapy ČR vytvořené interpolací údajů meteorologických stanic a z numerického modelu proudění nad našim územím (Ústav fyziky atmosféry ÚFA AV ČR) Průměrné rychlosti větru: Sněžka 11 m/s Klínovec 8.5 m/s Praděd 8.2 m/s méně než 4 m/s 4-5 m/s 5-6 m/s > 6 m/s Kritéria výběru a vhodnost lokality přímé měření -je vždy nutné pro větší projekty. Mělo by být alespoň půlroční. K měření lze pronajmout registrační anemometr, či přesnější s vyhříváním. mechanické elektronické Využití pro výrobu elektřiny zejména v partiích nad 650 metrů nad mořem a tam, kde je průměrná rychlost větru větší než 3.5 m/s. Stávající instalovaný výkon VtE ČR je 200 MW. Potenciál do roku 2020 je ještě asi 600 MW s lokalizací především na severozápadě. Miskový anemometr C p =0.036 Polokoule orientovaná svojí dutinou proti větru mu klade asi 3,5x větší odpor než polokoule nastavená proti větru svojí vypouklou částí. Kritéria výběru a vhodnost lokality přímé měření Přímé měření rychlosti větru se obvykle provádí ve výšce 10 m nad terénem. Pro přepočet rychlosti větru v ose budoucí VtE slouží vztah: h v 0 naměřená rychlost větru ve výšce h 0 (m/s) v h vypočítaná rychlost větru (m/s) h 0 výška, ve které se provádí měření (m) h - výška umístění osy rotoru (m) n exponent závisející na drsnosti povrchu: 0.14 hladký povrch, vodní hladina, písek 0.16 louka s travnatým porostem, oranice 0.18 vysoká tráva, obilné porosty 0.21 vysoké plodiny, lesní školky, křoviny 0.28 lesy s mnoha stromy 0.48 vesnice a malá města h 0 Kinetická energie větru o rychlosti v 1 Teoretický výkon větru P max Betz limit (1919): Maximum energie (59,3 %) lze větru odebrat pokud: v 2 =⅓ v 1 Moderní VtE dosahují 70-80 % tohoto limitu. Rychlost větru za rotorem v 2 je nižší než v 1 Pro teoretický (maximální) výkon rotoru na jednotkové ploše platí: kde: v je rychlost nabíhajícího větru m/s ρ je hustota vzduchu (u země 1.25 kg/m 3 ) Výkonová křivka VtE Využití výkonu Capacity Factor vyjadřuje nakolik se průměrný výkon za dané časové období blíží jmenovité hodnotě. Výkon generátoru a jeho využití jsou závisí na střední rychlosti větru v: v [m/s] 4 5 6 7 8 Off-shore* K r 0,08 0,14 0,18 0,25 0,31 až 0,4 *mořský šelf západního pobřeží EU Start 3.5 m/s 18 20 22 24 26 P=f(v 3 ) regulace Odstavení 25 m/s ČR: Statisticky průměr pro využití výkonu je 0,20. Nejvyšších hodnot 0,25 dosahují turbíny s výškami přes 100 m a průměrem rotoru 90-100 m v lokalitách na Vysočině a v Krušných Horách. Současnou snahou je pro danou lokalitu navrhovat VtE s nižším jmenovitým výkonem, ale s vyšším využitím výkonu (generátor dosáhne nominálního výkonu při nižší rychlosti větru), což jasně převáží nad ztrátami z mírného snížení celkové výroby. 2
Odhad roční výroby elektrické energie VtE Skutečně využitelný výkon P s : P s = 0.125 C p ρ π v 3 D 2 kde D průměr vrtule (m) C p je výkonový součinitel (účinnost) teoreticky (maximálně): =16/27=0.593 moderní turbiny: 0,35<C p <0,45 Odhad skutečného výkonu - instalovaný výkon VtE (C p =0,4) P i = 0.2 v 3 D 2 Odhad roční výroby elektrické energie: E(kWh) = P i K r 365 24 = 0.2 v 3 D 2 K r 8760 = 1752 v 3 D 2 K r kde K r je faktor ročního využití Dělení podle aerodynamického principu Podle aerodynamického principu chodu motoru: odporové (typ Savonius) Typ Savonius pouze s kolmou osu na směr větru, pracují s rozdílným součinitelem odporu C d zakřivených ploch, v nejlepším případě zachytí pouze 15 % energie větru vztlakové vyžívají vztlaku při obtoku listu jako rotujícího křídla s vodorovnu osou (horizontal axis wind turbine HAWT) se svislou osou (vertical axis VAWT) např. typ Darrieus Typ Darrieus obtékání aerodynamického profilu Dělení podle rychloběžnosti Podle rychloběžnosti: pomaluběžné λ< 6 rychloběžné λ 6 Součinitel rychloběžnosti větrných motorů λ: C p Max.účinnosti 0,59 je dosaženo při λ ideální rotor moderní třílistý rotor n jsou otáčky rotoru [s -1 ] D průměr vrtule [m] součinitel rychloběžnosti λ Součin π D n je rychlost konce listu při otáčení [m/s] Konce listů o souč. max. délce 130m dosahují při 25 otáčkách za minutu rychlosti přes 300 m/s. Dělení podle zaplnění rotoru Zaplnění Z je procentuální Z = 3a/A poměr vyplnění plochy rotoru, plochou listů A L pro třílopatkovou turbínu: Φ = 3a/A = 3 a 4/(π D 2 ) Podle zaplnění rotoru: s malým zaplněním (Φ 0.10) vysoká rychlost, malý točivý moment s vysokým zaplněním (Φ >0.80) malá rychlost konce listů, vysoký točivý moment a R A Rychloběžnost a počet listů vítr ve velikých výškách až 100 násobný potenciál Čím menší je součinitel rychloběžnosti λ, tím procentuálně větší plocha kruhu rotoru musí být pokryta rotorovými listy. Dvoulistá vrtule dosahuje oproti třílisté větší rychloběžnosti, má však horší: namáhání od gyroskopických momentů vyvážení namáhání celého rotoru od dynamických sil vlivem rozdílné rychlosti větru na ploše rotoru. Závislost poměru vyplnění rotorové plochy listy na rychloběžnosti rotoru 120 metrů 600 metrů 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Průměrná hustota energie v kw/m 2 18 3
Létající elektrárny Airborne Wind Turbine (AWT) Kitegen pracuje na principu jo-jo Pohyb ve vzduchu ve tvaru písmene 8 až do výše 10 km, s 9 generátory produkuje až 27 MW, 6000hod/rok mechanismus natáčení listů hlava rotoru hlavní ložisko Střední a velké VtE-konstrukce převodovka gondola řídící elektronika generátor Vrtulový generátor Macani Pohyb ve vzduchu ve tvaru písmene O svisle Prototyp 30 kw dokončuje testy 600 kw na počátku tříletého programu 5 MW cílový offshore model Spotřeba hmot 20 tun/mw inst. 19 brzda rotoru list Největší větrná turbína: 7MW na pevnině hřídel mechanismus natáčení gondoly vyvedení výkonu tubus Regulace VtE 1. systém natáčení VtE do směru větru: samovolná- vrtule s ocasní plochou nebo vrtule na závětrné straně stožáru řízená-natáčení pomocnými motory Při nedodržení orientace rotoru do směru větru je poměrná ztráta výkonu P na odchylce od směru větru δ: P = cos 3 δ (s větší odchylkou ztráta rychle narůstá) 2. regulace výkonu VtE v závislosti na rychlosti větru: pasivní výkyvný rotor nebo listy (malé a střední VtE) aktivní - řízené natáčení listů kolem podélné osy Větrné parky V pásmech střední rychlosti větru nad 5 m/s. Brázdový efekt (wake effect) způsobuje za první náběžnou řadou turbin snížení rychlosti větru a výskyt kruhových turbulencí. Limitujícím omezením je proto minimální vzdálenost mezi jednotlivými VtE, udávána v násobcích průměru rotoru (d). Standardem v sektoru se stává pravidlo 5/3, tj. 5d v dominantním směru větru ( v EU jihozápadní směr) a 3d ve sekundárním směru větru. Z hlediska limitovaného prostoru pro větrné parky je menší rozchod možný, ale na úkor účinnosti a snížení roční výroby energie. Přehled větrných el. v ČR v provozu firma typ výkon kw lokalita Wind World (DK) W-2500 250 Mravenečník u Loučné nad Desnou (Hrubý Jeseník) Mostárna Vítkovice VE 315-1,2 (ČR) 315 Mladoňov u Šumperka WEST (I) MEDIT 320 320 Nová Ves v Horách u Horního Jiřetína (Krušné hory) Vestas (DK) V 27-225 225 poutní vrch Svatý Hostýn u Kroměříže Vestas (DK) V 29-225 225 obec Velká Kraš nedaleko Vidnavy (Žulovská pahorkatina) Vestas (DK) V 39-500 6 x 500 u obce Ostružná (Hrubý Jeseník) Ekov (ČR) E 400 4 x 400 Nový Hrádek v Orlických horách Energovars (ČR) EWT 315,630 Mravenečník u Loučné nad Desnou (Hrubý Jeseník) Energovars (ČR) EWT 315 315 Boží Dar (Krušné hory), přesunuta z lokality Dlouhá Louka Führlander FL 100 100 u Protivanova mezi Prostějovem a Boskovicemi ENERCON (SRN) E40/6.44 2 x 600 Jindřichovice pod Smrkem REPOWER MD 70 1500 Nová Ves v Horách u Horního Jiřetína (Krušné hory) DeWind DeWind 4-46 3 x 600 Krušné hory katastr obce Loučná (pod Klínovcem) Tacke (SRN) 500 kw použité typy 5 x 500 Lysý vrch, Václavice, Frýdlantský výběžek REPOWER MD 70 1500 Nová Ves v Horách u Horního Jiřetína (Krušné hory) Nespecifikováno použité typy 2x100 Potštát, Morava ENERCON (SRN) E40/6.44 2x1500 Petrovice, Jizerské hory Ekologické vlivy VtE Vzhled krajiny-subjektivní Hluk Záblesky (diskoefekt) a stínové emise Vliv na zvěř a ptactvo Rušení elmag. signálu 4
Hlučnost VtE Dvě příčiny zvuku: strojovna proudění kolem listů vrtule VtE střet s ochranou přírody Opatření ke snížení hluku: bezpřevodovkové motory pomaluběžné motory Hladiny hlučnosti požadovanou hygienickými předpisy (45 db) je u většiny VtE dosaženo již ve vzdálenosti 300 m od VtE. Pro skupinu domů (vesnici) je minimální vzdálenost od VtE 400 m. VtE nesmí být v migračních drahách ptáků a v chráněných územích. Struktura vlastnictví OZE v Německu Vlastníci Podíl na instalacích OZE v SRN (2010) Jednotlivci (občané, občanská sdružení) 52 % Developeři 21 % Investiční fondy 16 % Obce a města 7% Farmáři 2 % Průmysl 2 % Pokud se do financování investic projektů zapojí občané a obce, výrazně se snižuje riziko konfliktu s místními usedlíky. Reálný a mnohaletý provoz VtE již dnes vyvrací mýty o narušení krajinného rázu, hluku, vibracích, infrazvuku, likvidaci ptactva a vyhánění zvěře z okolí, stroboskopických efektech, rušení TV signálu, poklesu cen nemovitostí kdekoliv na dohled od větrných elektráren. Přepočet rychlosti větru v různých výškách Příklad: Anemometr připevněný na tyči měří ve výšce h o = 10 m průměrnou rychlost větru v o =4 m/s. Určete: Rychlost větru v plánované výšce rotoru VtE h=30 m - v lesnatém terénu - v travnatém hladkém povrchu Výkon a výroba VtE Příklad: Moderní třílistá VtE s průměrem vrtule D=50m a rychloběžností λ=6 byla navržena pro střední rychlost větru v=8 m/s v lokalitě: (1) off-shore Belgie, k r =0,4 Stejná VtE byla umístěna i na: (2) Krušné Hory ČR v=7 m/s, k r =0,25 (3) průměrná lokalita ČR, v =6 m/s, k r =0,18 Určete: 1. Rychlost otáček (min -1 ) 2. Maximální teoretický a skutečný výkon 3. Srovnejte roční produkci elektřiny 5