VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE TECHNICKÝ A HOSPODÁŘSKÝ NÁVRH VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY V LOKALITĚ BŘEŽANY NA ZNOJEMSKU TECHNICAL AND ECONOMIC PROPOSAL FOR WIND POWER IN THE LOCALITY BŘEŽANY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR TOMÁŠ RŮŽIČKA Ing. JIŘÍ ŠKORPÍK, Ph.D. BRNO 2009
ABSTRAKT V současnosti se v ČR staví velké větrné elektrárny. S tímto vzrůstajícím trendem rostou i hlasy pro a proti jejich výstavbě. Tato práce pojednává o již realizované a nějakou dobu provozované větrné elektrárně Vestas V52 v lokalitě Břežany na Znojemsku. V práci je krátce popsána historie využívání větrné energie, princip větrných elektráren a detailní popis samotné elektrárny Vestas V52. Je zde uveden teoretický výpočet množství vyrobené elektřiny za rok a posouzena prostá návratnost elektrárny. ABSTRACT There is currently a construction project underway in the czech republic (Vesta V52) to build a large wind farm. Due to their size there is a lot of oposition to this venture. My project is a short history of using Wind Energy, the principle behind wind farms and detailed discriptions of Vesta V52 itself. You will also find a theoretical calculation of the produced electricity per year and considered cost and sustainability of the plant.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Technický a hospodářský návrh větrné elektrárny v lokalitě Břežany na Znojemsku vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce. 27. května 2009. Tomáš Růžička
PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Jiřímu Škorpíkovi, Ph.D. za spolupráci, ochotu a odbornou pomoc, která mi pomohla při její tvorbě.
OBSAH 1 Úvod........................................................... 8 2 Historie větrných elektráren........................................ 9 2.1 Větrné mlýny a větrná čerpadla................................. 9 2.2 První větrná elektrárna.......................................10 2.3 Dánsko vývoj pokračuje.....................................10 2.4 Ropná krize jako impuls.......................................11 2.5 Současnost................................................12 3 Výroba elektřiny z větru........................................... 12 3.1 Vznik větru.................................................12 3.2 Princip využití energie větru................................... 12 3.3 Teoretický výkon větru........................................13 4 Firma Vestas....................................................14 5 Větrná elektrárna Vestas V52...................................... 15 5.1 Parametry větrné elektrárny................................... 15 5.2 Hlavní části strojovny a rotoru................................. 16 5.3 Stručný popis technického a technologického řešení................ 17 5.4 Výhody větrné elektrárny Vestas V52............................ 18 5.5 Větrný park Břežany......................................... 19 5.6 Využitelnost větrné elektrárny v dané lokalitě..................... 20 5.7 Prostá návratnost investice do stavby větrné elektrárny..............25 5.8 Porovnání výpočtů se skutečným stavem.........................25 6 Závěr.......................................................... 26 Seznam použitých zdrojů............................................ 27-7-
1 ÚVOD Jedním z mnoha energetických zdrojů je energie větru. Její stále oblíbenější využití představují velké i malé větrné elektrárny. V České republice dosáhla větrná energetika svého největšího rozmachu mezi lety 1990 až 1995. V současné době však stále stoupá výkon instalovaný ve větrných elektrárnách. Následující práce popisuje již realizovaný a nějakou dobu provozovaný větrný park, nacházející se v blízkosti obce Břežany nedaleko Znojma. Park byl vybudován a funguje od roku 2005. Skládá z 5 větrných elektráren Vestas V52-850 kw s celkovým instalovaným výkonem 4,25 MW. Provozovatelem parku je WEB Větrná energie s. r. o., Brno. Elektrárna Vestas V 52-850 kw bylo v České republice poměrně často instalované zařízení, sloužící k přeměně energie větru na energii elektrickou. Dnes už je nahrazena novějšími typy elektráren o větších výkonech, přesto již instalované stroje velice dobře a spolehlivě plní svoji funkci. -8-
2 Historie větrných elektráren Lidé se snažili využívat nevyčerpatelnou sílu větru již od pradávna. V Persii byly o bjeveny zbytky větrných zařízení, jejichž stáří bylo odhadnuto na 4000 let. Z toho lez vyvodit, že první pokusy o využití větru jsou ještě staršího data. Větrná zařízení pro výrobu elektřiny jsou známy už téměř 120 let, jejich vývoji předcházely větrné mlýny a větrná čerpadla. 2.1 Větrné mlýny a větrná čerpadla Klasické větrné mlýny nevyráběly elektrickou energii, ale fungovaly na základním principu přeměny síly větru v mechanickou práci. Zatímco větrné mlýny využívaly tlak větru na plochu křídel nebo lopatek, využívají větrné elektrárny aerodynamických vlastností přesně definovaných profilů křídel. Větrné mlýny se proti větru natáčely celé, popř. se natáčela jen jejich střešní část s křídly. Natáčení bylo ovládáno pomocí jednoduchých vnějších nebo vnitřních mechanismů ručně. U větrných elektráren se proti větru natáčí gondola se strojovnou i křídly a u některých typů je provoz regulován i natáčením křídel podle jejich podélné osy. Další možností využívání větrné energie k mechanické práci jsou větrná čerpadla. Měla zpravidla podobu mnohalopatkových, nejdříve dřevěných a později ocelových větrných kol. I tyto stroje znamenaly jistý stupeň vývoje směřujícího ke konstrukci větrných elektráren. [3] Obr. 1 Sloupový větrný mlýn (Velké Těšany, okr. Kroměříž) Obr. 2 Rotor větrného čerpadla Kunz -9-
2.2 První větrná elektrárna Podle známých skutečností první větrnou elektrárnu na světě postavil Američan Charles F. Brush, který na přelomu let 1887 a 1888 sestrojil první automatickou větrnou turbínu, napojenou na generátor elektrického proudu. Rotor elektrárny měl průměr 17 m a skládal se ze 144 paprskovitě uspořádaných lopatek. Výkon generátoru při otáčkách 500 min 1 byl 12 kw. Začátkem dvacátého století už byly s prvními větrnými elektrárnami jisté zkušenosti. Již v prvních desetiletích dvacátého století se uvažovalo o možnostech a podobách zařízení využívajícího větrnou energii k pohonu elektrických dynam a generátorů i pro vyšší výkony a o tom, jakým směrem se bude konstrukce větrných elektráren dále vyvíjet. [3] Obr. 3 Větrná elektrárna zkonstruovaná Ch. F. Brushem 2.3 Dánsko vývoj pokračuje Dánsko je jedinou zemí s nepřerušenou kontinuitou vývoje, výroby i masového využívání větrných elektráren od jejich vynálezu až po současnost. Impulsem rozšíření lokálních větrných zdrojů energie byl nedostatek energetických surovin v době první světové války. Roku 1919 získal dánský inženýr Povl Vindig patent na první moderní větrnou elektrárnu s rotorem pracujícím na aerodynamickém principu. Jeho zařízení s názvem Agricco prokázalo, že aerodynamické vrtule mají o polovinu větší účinnost než klasické lopatky se stejně velkou účinnou plochou. Koncem 20. let minulého století se v Dánsku rozšířily malé faremní větrné elektrárny, v době největšího rozmachu jich bylo dvacet až třicet tisíc. Tato zařízení poháněla hlavně zemědělské stroje (šrotovníky, mlátičky), ale i pily, čerpadla apod. Kolem roku 1950 zkonstruoval Ing. Johannes Juul větrnou elektrárnu na střídavý proud. V okolí nejjižnějšího dánského městečka Gedser bylo na betonových věžích postaveno několik takovýchto elektráren. -10-
Uvedené elektrárny s třílistým rotorem o průměru 27 m, které dosahovaly výkonu 200 kw, byly odrazovým můstkem ke konstrukci skutečně moderních zařízení zbudovaných po roce 1973, kdy vypukla tzv. první světová ropná krize. [3] 2.4 Ropná krize jako impuls Polovina 70. let minulého století přinesla energeticky náročné industriální společnosti první velký šok. Omezením těžby ropy se podařilo vyvolat nezadržitelný růst cen ropy. Evropa začala ihned uvažovat o jiných zdrojích energie. V Dánsku to znamenalo oživení zájmu o využití energie větru. Vedle firmy Nordtank se v Dánsku na přelomu 70. a 80. let dvacátého století objevili i další výrobci, např. firma Vestas (původně vyrábějící zemědělské stroje), firma Bonus a později i další. V průběhu 80. let minulého století výkony sériově vyráběných větrných elektráren postupně rostly v období 1980 až 1985 to byly desítky kilowattů, okolo roku 1990 stovky kilowattů a koncem 90. let dosáhly hranice megawattu. [3] obr. 4 Větrná elektrárna z 80. let 20. století Obr. 5 Pohled na gondolu větrné elektrárny u Maglarpu o výkonu 3 MW -11-
2.5 Současnost Koncem dvacátého století překonaly komerčně vyráběné a provozované větrné elektrárny hranici výkonu 1 MW a v současnosti největší zařízení tohoto druhu jsou postavena v Německu větrná elektrárna Enercon u Magdeburku o výkonu 4,5 MW a Repower u Bremenshavenu o výkonu 5 MW. V posledních letech jsou nejvýkonnější elektrárny stavěny i na mořských mělčinách ve skupinách po desítkách strojů. Vedoucí zemí ve vývoji v tomto směru zůstává Dánsko, následované Německem a Nizozemskem. [3] 3 Výroba elektřiny z větru 3.1 Vznik větru Málokterý energetický zdroj je tak všudypřítomný a v tak hojné míře využitelný jako větrná energie. Vítr je zdrojem energie, který nic nestojí. Vzniká v atmosféře na základě rozdílu atmosférických tlaků jako důsledku nerovnoměrného ohřívání zemského povrchu. Teplý vzduch stoupá vzhůru a na jeho místo se tlačí vzduch studený. Posouzeno z hlediska obrovských prostorů, má vzduch neustálou snahu vyrovnávat rozdíly tlaku vzduchu, vznikající působením Slunce. Takto vyvolaný vyrovnávací pohyb vzduchové hmoty označujeme jako vítr. Vzduch se však v blízkosti zemského povrchu pohybuje zřídkakdy stejnoměrně jak by bylo pro optimální provoz větrného zařízení žádoucí. Hory, kopce, stromy, keře, a budovy brání stejnoměrnému proudění a brzdí jej. Zatímco vyšší polohy stanoviště často příznivě ovlivňují použitelnou rychlost větru, vytvářejí stromy a budovy v přízemních vrstvách vzduchu poryvy a víry, které jsou pro využití větrné energie spíše nežádoucí. Lidé mohou tedy větrnou energii využívat, což znamená převádět ji na jiné formy energie. [2] 3.2 Princip využití energie větru K tomuto účelu se na vhodných místech zřizují větrné konvertory, které jsou speciálně přizpůsobeny právě pro proudění vzduchu. Téměř všechny větrné konvertory používají při odebírání energie větru stejný fyzikálně-technický princip, jaký udržuje ve vzduchu i letadla, jejichž nosná křídla jsou obtékána vzduchem. Tento princip se nazývá,,princip vztlaku. Síla, která vzniká na lopatce větrného kola, je využívá jako páku, která se donekonečna otáčí kolem většinou vodorovné osy. Ze součinu síly a ramena síly (délky páky) vzniká točivý moment, který při odpovídajících otáčkách pohání generátor nebo pracovní stroj, to znamená, že větrná turbína umístěná na stožáru převádí energii větru na rotační mechanickou energii. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie. Pro optimální využívání energie větru příliš nezáleží na počtu lopatek, které zařízení má. Větrné kolo s jednou lopatkou může odebírat z větru stejný výkon jako kolo s dvaceti lopatkami. Rotor s menším počtem lopatek se přirozeně musí otáčet rychleji než rotor s mnoha lopatkami, ma-li,,zúročit celý kruhový profil. Větrná zařízení tedy mohou vypadat velmi různě. V současné době existují zařízení ze špičkových aerodynamických konstrukcí, z drahých, vysoce pevných a nákladně zpracovaných materiálů až po větrná kola s plátěnými lopatkami postavená na základě nejjednodušší technologie. Ale ať už je větrné kolo vytvořeno jakkoliv, bez větru se otáčet nebude. [1] -12-
3.3 Teoretický výkon větru Výkon větru se dá vypočítat ze vzduchové hmoty, která za určitou dobu projde danou vztažnou plochou, a rychlosti jejího proudění. Pohybová energie obsažená ve větru narůstá s třetí mocninou rychlosti proudění. P... výkon teoreticky obsažený ve větru, za předpokladu, že se vítr zcela zbrzdil (ve wattech) ρ... hustota vzduchu, dosazuje se obvykle hodnota 1,25 kg/m 3 (na hladině moře) 2 A... plocha stojící kolmo proti směru větru, jíž vítr prochází (v m ) v... rychlost větru před větrným kolem (v m/s) U větrných energetických zařízení s vodorovnou osou je A plocha, která je vymezená otáčejícími se lopatkami tedy buď kruhová plocha, nebo prstencová plocha ( mezikruží), když lopatky nedosahují až ke středu náboje. [2] Ani nejmodernější větrné konvertory nemohou teoretický výkon ve větru převést stoprocentně. Protože vzduch za větrným kolem musí dál proudit určitou rychlostí, není možno vítr zcela zabrzdit, takže jistá část pohybové energie v něm vždy zůstane zachována. [1] Přehled větrných poměrů přináší tabulka síly větru podle Beauforta. V této tabulce jsou v souvislosti s klasifikací síly větru a jeho rychlosti pro srovnání uvedeny rovněž údaje o pozorování přírody. [1] stupeň označení rychlost v m/s Na souši 0 bezvětří 0 0,2 kouř stoupá kolmo vzhůru 1 vánek 0,3 1,5 směr větru lze poznat podle pohybu kouře. 2 větřík 1,6 3,3 listí stromů šelestí, vítr je cítit ve tváři 3 slabý vítr 3,4 5,4 listy stromů a větvičky jsou v trvalém pohybu 4 mírný vítr 5,5 7,9 vítr zvedá prach a útržky papíru 5 čerstvý vítr 8,0 10,7 listnaté keře se začínají hýbat 6 silný vítr 10,8 13,8 telegrafní dráty sviští, používání deštníků je nesnadné 7 prudký vítr 13,9 17,1 chůze proti větru je obtížná, celé stromy se pohybují 8 b ouřlivý vítr 17,2 20,7 ulamují se větve, chůze proti větru je normálně nemožná 9 vichřice 20,8 24,4 vítr strhává komíny, tašky a břidlice se střech 10 silná vichřice 24,5 28,4 vyvrací stromy, značně poškozuje domy 11 mohutná vichřice 28,5 32,6 vítr působí rozsáhlá pustošení 12 orkán 32,7-36,9 ničivé účinky (vítr odnáší střechy, hýbe těžkými hmotami) Stupnice síly větru podle Beauforta -13-
4 Firma Vestas Dánská firma Vestas působí na poli výroby a montáže větrných elektráren již 25 let a neustále usiluje o další vývoj. S 23% podílem na trhu se Vestas stává č.1 mezi dodavateli moderního řešení výroby energie. Vestas má v současné době instalováno téměř 36000 větrných elektráren ve více než 63 zemích a 5 kontinentech, z toho 25 elektráren je umístěno na území České republiky. V průměru Vestas instaluje každé 4 hodiny jednu větrnou elektrárnu, 24 hodin denně. Větrné elektrárny Vestas generují ročně až 60 milionů MW.h energie, což zabezpečí dodávku elektrické energie pro miliony domácností. Vestas zaměstnává celosvětově v průměru kolem 20.000 zaměstnanců. [4] Firma instalovala celosvětově už okolo 2500 větrných elektráren typu Vestas V52-850 kw obr. 6 Větrná elektrárna Vestas V52-14-
5 Větrná elektrárna Vestas V52-850 kw 5.1 Parametry větrné elektrárny Rotor: Počet rotorových listů: 3 Průměr: 52m Pracovní plocha: 2124m 2 Jmenovité otáčky: 26ot/min Provozní interval: 14-31,4ot/min Regulace výkonu: Úhel natočení/optispeed Aerodynamické brzdy: Postavení do praporu Stožár: Výška náboje: 74m Provozní údaje: Rychlost větru zapínací: 4m/s Jmenovitá rychlost větru: 16m/s Rychlost větru vypínací: 25m/s Generátor: Typ: Asynchronní s rotorovým vinutím vyvedeným na kroužky a OptiSpeed Jmenovitý výkon: 850kW Provozní údaje: 50 Hz/60 Hz 690V Převodovka: Typ: jednostupňová planetová dvoustupňová s čelním ozubení Řídící systém: Typ: Řídící systém na bázi mikroprocesoru pro sledování všech funkcí turbíny s možností dálkového monitorování. Regulace výkonu a optimalizace prostřednictvím funkcí OptiSpeed a OptiTip - regulace úhlu natočení listu. Hmotnost: Stožár: 77t Strojovna: 22t Rotor: 10t Celková hmotnost: 109t Základ: Rozměr: 12,8m x 12,8m Hloubka: 1,6m Betonu: 262m3 Přibližná váha základu: 603t -15-
5.2 Hlavní části strojovny a rotoru 1 ultrazvukový větrný senzor 6 hlavní hřídel 11 základ strojovny 2 údržbový jeřáb 7 Pitch systém 12 mechanická brzda 3 generátor 8 listová příruba 13 spojka 4 olejové a vodní chlazení 9 ložisko listu 14 hydraulická jednotka 5 převodovka 10 list 15 otáčení strojovny -16-
5.3 Stručný popis technického a technologického řešení Jedná se o typ větrné elektrárny, který je úspěšně využíván u našich jižních sousedů v Rakousku, dále také v Německu apod. Větrná elektrárna Vestas V52 má výkon 850 kw. Na celokovovém (ocelovém) tubusu stožáru o výšce 74 m je umístěna gondola s generátorem elektrárny, který je hlavní hřídelí přes převod napojen na troj-listý rotor o průměru 52 m. Elektrárna je vybavena systémem OptiSpeed. Pomocí tohoto systému může rotor pracovat s variabilním počtem otáček. Jde o pomaloběžný stroj s otáčkami v rozmezí 14-31,4 ot/min. Zapínací rychlost větru je 4 m/s, jmenovitá rychlost větru je 16 m/s a vypínací (maximální) rychlost větru je 25 m/s. Po překročení této rychlosti dojde k automatickému zabrždění a odstavení stroje. Veškeré větrné elektrárny V52-850 kw jsou vybaveny zařízením OptiTip, zvláštním regulačním systémem naklápění, firmy Vestas. Pomocí zařízení OptiTip jsou úhly nastavení listů rotoru stále regulovány, takže je úhel nastavení listů vždy optimálně přizpůsoben příslušným větrným podmínkám. Tímto je optimalizována výroba energie a vývoj hluku. Změny úhlu nastavení listů rotoru jsou aktivovány přes momentové rameno hydraulickým systémem, který umožňuje listům rotoru rotovat axiálně o 95.Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidové pryskyřice vyztužené skelným vláknem. Každý list rotoru se skládá ze dvou polovin, které jsou slepeny s nosnou konstrukcí. Zvláštní ocelové vložky k ukotvení spojují listy rotoru s ložiskem listu rotoru. U ložiska listu rotoru se jedná o 4-bodové kuličkové ložisko, které je sešroubováno s hlavou listu rotoru. Mechanická energie je od rotoru přenášena hlavním hřídelem přes převod na generátor. U převodovky se jedná o kombinovaný planetový/čelní ozubený převod. Přenos výkonu z převodovky na generátor se uskutečňuje pomocí kompozitní spojky nevyžadující údržbu. Generátor je speciální čtyřpólový asynchronní generátor s vinutým rotorem. Zabrždění větrné elektrárny je prováděno nastavením listů rotoru do praporu. Parkovací brzda se nalézá na vysokorychlostním hřídeli převodu. Čtyři elektricky poháněné převodovky se starají o směřování po větru otáčením pastorků, které zasahují do zubů velkého otočného věnce, který je upevněn na vrcholu věže. Ložiskový systém směřování po větru je systém kluzného ložiska se zabudovanou frikcí a samosvornou funkcí. Veškeré funkce větrné elektrárny jsou kontrolovány a řízeny řídicími jednotkami založenými na bázi mikroprocesorů. Tento systém řízení provozu je umístěn v gondole. Kuželová ocelová trubková věž je dodávána s vhodnou povrchovou úpravou. Kryt gondoly vyrobený z plastu vyztuženého skelným vláknem chrání veškeré komponenty uvnitř gondoly před deštěm, sněhem, prachem, slunečním zářením atd. Centrálně umístěný otvor umožňuje ke gondole přístup z věže. Uvnitř gondoly je umístěn údržbový jeřáb s nosností cca 125 kg. Kuželová ocelová trubková věž je vysoká 74 m, je sešroubována z pěti hlavních dílů a je dodávána s vhodnou povrchovou úpravou. Věž je zakotvena do základu ve formě železobetonové desky. Základ je uložen pod terénem a překryt zeminou. Dolní řídící panel je umístěn na 1 m vysokou plošinu ve spodní části tubusu. Rozvodné kabely jsou vedeny skrz 2 kusy 160 mm trubky v základech, které jsou umístěné bezprostředně pod tou částí dolního řídícího panelu, kterou se připojuje k rozvodné síti. -17-
5.4 Výhody větrné elektrárny Vestas V52 - Optimální výroba el. energie za všech větrných podmínek. - Výkon dosahující hodnot do 850 kw. - Výstupní výkon je vyhlazený, výsledkem je vysoká kvalita elektrické energie a nízká úroveň kolísání. - Rozběh větrné elektrárny je možný bez motoru. - Připojení generátoru je zajištěno bez nárazu proudu, při synchronních otáčkách. - Turbínu je možné zastavit bez použití mechanické brzdy. - Větrná elektrárna má bezpečný a technicky dokonalý provoz bez lidské obsluhy - Základním atributem větrné elektrárny je minimální poruchovost a nenáročná údržba - Provoz elektrárny vykazuje nízké hladiny venkovního hluku -18-
5.5 Větrný park Břežany Funguje od roku 2005. Jeho účelem je doplnit a rozšířit možnost využívání alternativních zdrojů energie, které dnes představují zejména jaderná energetika, solární energie a energie větru. Svým charakterem představuje ekologicky šetrný zdroj elektrické energie, na bázi využívání větrné energie, což v dnešní době znamená velmi pozitivní přínos k ochraně životního prostředí (úspora uhlí, ropy a dalších přírodní surovin, snížení znečištění ovzduší spalovacími procesy, apod.) Větrný park přispívá svojí činností k dodávce el. energie do rozvodné sítě regionu a představuje pro obec i region též určitý přínos finančních zdrojů pro jejich další rozvoj. Je tvořen 5 větrnými elektrárnami typu Vestas V52 s celkovým instalovaným výkonem 5x850 kw, výška sloupu 74 m, průměr rotoru 52 m, nacházejícími se mimo obec, a to ve vzdálenosti cca 2,0 km od okraje bytové zástavby. Věže jsou umístěny v řadě ve vzdálenosti cca 270 m tak, aby co nejméně zasahovaly do okolního prostředí a omezovaly možnost zemědělského využití krajiny. Větrný park zabírá minimální plochu. obr. 6 Větrný park Břežany obr. 7 Větrný park Břežany -19-
5. 6 Využitelnost větrné elektrárny v dané lokalitě (množství vyrobené elektřiny za rok, množství vyrobené elektřiny při dané rychlosti větru, roční využití instalovaného výkonu) Z Ústavu fyziky atmosféry ČR pomocí naměřených a modelovaných průměrných rychlostí větru metodou VAS / WAsP vyplývá, že průměrná rychlost větru v 10 m v Dyjákovicích, obci asi 13 km vzdálené od obce Břežany, je 3,01 m/s. Vzhledem k zan edbatelné vzdálenosti obou obcí budeme předpokládat, že průměrná rychlost větru v 10m v Břežanech je také 3,01 m/s. Z větrné mapy České republiky z Ústavu fyziky atmosféry ČR je patrné, že obec Břežany leží v pásmu průměrných rychlostí 3 3,5 m/s, předpoklad tedy souhlasí. Pomocí vztahu pro přepočet rychlosti větru podle výšky nad povrchem vypočítáme rychlost větru ve výšce 74 m, což je výška umístění gondoly elektrárny, přičemž exponent a uvažujeme 0,18, to odpovídá zemědělské krajině s rozptýlenými budovami a křovinami. c 1,h2... rychlost větru ve výšce h 2 c... známá rychlost větru ve výšce h c 1, h2 1,h1 1 = c 1, h1 h 2 h 1 a a... třída drsnosti povrchů Země třída drsnosti charakter krajiny exponent a [-] 0 otevřené pobřeží bez jakýchkoliv překážek s větrem směřujícím 0,12 k pobřeží 1 otevřená krajina s ojediněle volně stojícími keři a stromy 0,15 (pobřeží, prérie) 2 zemědělská krajina s rozptýlenými budovami a křovinami 0,18 3 uzavřená krajina s porostem stromů, mnoha křovinami a 0,24 sousedícími budovami Třída drsnosti jednotlivých povrchů Země. Výsledná průměrná rychlost ve výšce 74 m vychází po přepočtu 4,32 m/ s. -20-
VUT BRNO FSI EÚ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE TECHNICKÝ A HOSPODÁŘSKÝ NÁVRH VĚTRNÉ Větrná mapa České republiky TOMÁŠ RŮŽIČKA 2009
Diagram č.1 ukazuje četnost výskytu jednotlivých rychlostí větru v průběhu roku. Úpravou diagramu č.1 pro průměrnou rychlost větru 4,32 m/s vznikne diagram č.2. Tímto jsme zjistili četnosti výskytu jednotlivých rychlostí větru ve výšce 74 m v okolí obce Břežany. Zapínací rychlost větrné elektrárny je 4 m/s, tzn. pro výrobu elektrické energie uvažujeme pouze ty dny, kdy je rychlost větru větší než 4 m/s, viz diagram č.3. Z tohoto diagramu je patrné, že pro hodnoty 13 a více se četnost limitně blíží k nule, proto tyto hodnoty při výpočtu zanedbáváme. Tato rychlost se vyskytuje jen ojediněle na krátkou dobu a nebo se jedná o poryvy větru. Výsledná hodnota vyrobené energie např. pro rychlost větru 4 m/s je rovna součinu plochy příslušného sloupce pod křivkou s odpovídajícím výkonem. Celková vyrobená energie je pak rovna součtům všech těchto součinů. Diagram č.1 Diagram č.2-22-
Diagram č.3 Tabulka č.1 ukazuje četnost výskytu jednotlivých rychlostí větru v průběhu roku rychlost větru [m/s] 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 četnost [dny] 49,9 46,9 40,7 32,7 25,4 20,3 15,8 12,3 9,9 7,7 rychlost větru [m/s] 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 četnost [dny] 5,8 4,4 3,5 2,6 1,9 1,5 1,2 1,1 Tabulka č.1 Diagram č. 4 znázorňuje průběh výkonu větrné elektrárny Vestas V52 v závislosti na rychlosti větru a hlučnosti. Diagram č.4-23-
Tabulka č.2 ukazuje výkon větrné elektrárny při dané rychlosti větru. Výkon je počítán podle výkonové křivky e (viz. diagram č.4). rychlost větru [m/s] 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 výkon [kw] 33 51 74 94 123 150 184 234 275 332 rychlost větru [m/s] 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 výkon [kw] 395 480 530 586 645 704 742 782 Tabulka č.2 V tabulce č.3 je zobrazena elektrická energie vyrobená při dané rychlosti větru v závislosti na četnosti výskytu jednotlivých rychlostí větru v průběhu roku. rychlost větru [m/s] 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 energie [MW.h] 19,8 28,7 36,1 36,9 37,5 36,5 34,9 34,5 32,7 30,7 rychlost větru [m/s] 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 energie [MW.h] 27,5 25,3 22,3 18,3 14,7 12,7 10,7 10,3 470,1 Tabulka č.3 Elektrická energie vyrobená větrno u elektrárnou Vest as V52 je rov na asi 470, 1 M W.h za rok. Větrný park Bř ežany je tvořen 5 větrnými elektrárnami Vesta s V52, celková r oční výroba parku je tedy dle předchozí ho výpočtu 2350,5 M W.h. -24-
5.7 Prostá návratnost investice do stavby větrné elektrárny Náklady na zbudování větrné elektrárny Vestas V52 činí zhruba 28 milionů kč. Z předchozích výpočtů vyplývá, že elektrárna r očně vyrobí asi 470 M W.h elektrické energie. Výkupní cena elektrické ener gie z vě tru čin í 2,46 kč/k W.h. Roční v ýnos elektrárny je tedy přibližně 470000 2,46 = 1156200 kč Životnost větrné elektrárny je stanovena na dobu 15 let. Po uplynutí této doby je elektrárna demontována. Za 15 let elektrárna vyrobí elektřinu v hodnotě přibližně 15 1156200 = 17343000 kč to znamená, že z investice vložené d o zbudování elektrárn y se za 15 let provozu elektrárny vrátí asi 1734300 100 = 61,9 % 28000000 Aby se investice vrátila na 100 %, elektrárna by musela fungovat přibližně 24 let. 5.8 Porovnání výpočtů v práci provedených se skutečným stavem za dobu provozu větrné elektrárny. Podle ERU (energetický regulační úřad) roční výroba elektřiny brutto v roce 2007 činila 5,936 GW.h. [5] Výpočty v práci provedené uvádějí hodnotu 2,351 GW.h. To je přibližně 2,5 krát méně než je skutečný stav. Chyba může být způsobena: a) nepřesným výpočtem střední rychlosti větru b) větrná mapa vychází z výpočtu, ve skutečnosti může být rychlost větru vyšší c) křivka četnosti rychlostí větru nemusí být přesná Prostá návratnost investice počítaná s hodnotou brutto 5,936 GW.h vychází 28000000 5 5936000 2,56 = 9,21 let tedy asi 2,6 krát méně než vychází návratnost investice vypočítaná v práci s hodnotou 2,351 GW.h. -25-
6 Závěr Cílem této bakalářské práce bylo přinést pokud možno co nejvíce informací o dánské větrné elektrárně typu Vestas V 52-850 kw, větrném parku čítajícím 5 takovýchto elektráren situovaných do oblasti Znojemska a posoudit jejich přínos z hlediska výroby elektrické energie. Teoretická část bakalářské práce stručně popisuje historii větrných elektráren obecně, princip výroby elektřiny z větru a seznamuje čtenáře s moderním typem větrné elektrárny Vestas V52 a principem její funkce. Praktická část se zabývá posouzením využitelnosti v již zmiňované lokalitě umístění. Dále je zde popsána prostá návratnost investice vložené do větrné elektrárny a posouzeny a porovnány výpočty provedené v práci se skutečnými hodnotami za dobu provozu elektrárny. Téma výroby elektřiny z větru je natolik obsáhlé, že tato práce není schopna svým rozsahem podat patřičné informace všem zájemcům o danou problematiku. Bakalářská práce však může posloužit jako cenný zdroj informací pro zájemce o obor větrné energetiky a s ním související techniky. -26-
Seznam použité literatury [1] Crome, H., Technika využití energie vetru, HEL, 2002, ISBN 80-86167-19-4. [2] Hallenga, U., Malá vetrná elektrárna, nakladatelství HEL, ISBN-80-86167-00-3 [3] http://www.odbornecasopisy.cz [4] http://www.vestas.cz [5] http://www.eru.cz -27-