Větrné elektrárny

Historie

První doložený mlýn byl postaven v zahradě Strahovského kláštera v roce 1277. Rozkvět větrného mlynářství je zaznamenán ve 40. až 70. letech 19. století. Počátkem 20. století se využívalo větrných turbin k pohonu vodních čerpadel.

Počátek zájmu o využívání větrné energie pro výrobu elektřiny u nás tak jako v celé Evropě se datuje 70. léty minulého století v důsledku ropné krize.

Z hlediska dnešního pojetí se podle výkonu větrné elektrárny (VTE) dělí na:

• malé VTE do výkonu 40 kW,
• střední VTE o výkonu od 40 do 500 kW,
• velké VTE o výkonu od 500 kW výše.

Výroba větrných elektráren u nás začala koncem 80. a začátkem 90. let minulého století. Ukázalo se však, že větrné elektrárny tuzemské výroby nebyly vyzrálým komerčním výrobkem, nebyly ověřeny zkušebním provozem, neprošly atestačním měřením a nebyly ověřeny deklarované výkonové křivky. Tyto elektrárny prodělaly pak trnitou cestu odstraňování řady technických závad. V důsledku toho některé VTE nebyly vůbec uvedeny do provozu a nebo byly demontovány.

Po roce 1990 se větrná energetika začala rozvíjet bez odborného zázemí, bez určení větrného potenciálu konkrétné lokality, bez znalosti správného umístění turbiny v terénu, hlukových emisí, klimatických vlivů na elektrárnu a bez znalostí z oblasti silnoproudu a automatického řízení. Tuto etapu lze označit jako poškozující rozvoj větrné energetiky u nás.

V letech 1993 až 1995 vstupují na náš trh velcí výrobci a dodavatelé větrných elektráren ze zahraničí a zároveň i některé typy VTE tuzemských výrobců již se daří udržet v provozu na potřebné úrovni.

Tím byla zahájena nová etapa rozvoje větrné energetiky v ČR a je zahajována nebo připravována výstavba větrných elektráren o jednotkových výkonech větrných soustrojí ve výši 600 až 2 000 kW. Připravuje se i výstavba větrných parků o celkovém el. výkonu několika desítek MW. Instalovaný výkon větrných elektráren u nás ke konci roku 2008 dosáhl 150 MW.

Kriteria výběru lokality

V Evropě jsou nejlepší podmínky pro využití větrných elektráren v přímořských oblastech, kde vanou pravidelné a poměrně silné větry až 80% dní v roce. Ve vnitrozemských státech jako je ČR je pro výstavbu VTE nutno vytipovat oblasti s dostatečnou roční průměrnou rychlostí větru.

Česká republika má typicky kontinentální klima, které se projevuje významným sezónním kolísáním rychlosti větru. Příčinou je zejména globální vzdušné proudění typické pro severní a střední Evropu.

Rychlost větru je nejdůležitějším údajem při využívání energie větru, udává se v m/s.

Poblíž zemského povrchu je proudění ovlivňováno drsností povrchu, ale s rostoucí výškou se rychlost větru logaritmicky zvyšuje. Je tedy velký rozdíl mezi rychlostí větru ve výšce 10 m a 100 m nad terénem. Vítr je nad terénem různě zpomalován zejména terénními překážkami (stavbami, kopci atd.), dále druhem povrchu (tráva, les, vodní hladina, sníh). Proudění vzduchu je vždy turbulentní, což se projevuje kolísáním rychlosti a směru větru.

První přiblížení lze získat z větrné mapy, která byla vytvořena Ústavem fyziky atmosféry Akademie věd ČR interpolací údajů meteorologických stanic a z numerického modelu proudění nad naším územím.

Pro střední a velké větrné elektrárny je však nezbytné měření větru přímo v dané lokalitě registračním anemometrem. Měření by mělo aspoň šestiměsíční, nejlépe však roční i víceletá. Rychlost větru se měří obvykle ve výšce 10 m, pro větší výšky se přepočítává podle vztahu:

v_h / v₀ = (h)ⁿ / (h₀)ⁿ

kde:

v₀ – naměřená rychlost větru ve výšce h₀ (m/s)
v_h – vypočtená rychlost větru (m/s)
h₀ – výška ve které se provádí měření (m)
h – výška umístění rotoru (m)
n – exponent závisející na drsnosti povrchu (interval od 0 – 1), hodnoty pro vodní hladinu 0,14 a pro zástavbu 0,48

U velkých projektů je třeba provádět měření přímo v ose rotoru, případně na několika vybraných místech ve výšce předpokládaného středu plochy uvažovaného odběru větrné energie. Bez průkazného zjištění rychlosti větru nelze investovat do větrné elektrárny často částky několika desítek mil. Kč.

K výběru lokality je nejvhodnější stanovení distribuční charakteristiky rychlosti větru za pomocí měření rychlosti v krátkých časových intervalech.

Výsledky měření se zpracovávají tabelárně do sloupcových grafů, kde na vodorovné ose jsou vynášeny měřené rychlosti větru a na svislé ose jejich četnost v hodinách nebo v procentech za rok.

Graficky znázorněno:

Ze sloupcového grafu se vyhodnocuje střední rychlost větru zpravidla během jednoho roku (většinou Weibullovým rozdělením).

V místě výstavby větrné elektrárny musí být naměřena nebo jiným způsobem zjištěna ve výšce 30 metrů nad terénem roční průměrná rychlost větru minimálně 5,2 m/s. Průměrné využití instalovaného výkonu by mělo dosáhnout min. 1 500 h/rok.

Z hlediska rychlosti větru lze sestavit podmínky pro výstavbu středních a velkých větrných elektráren do následující tabulky:

Nejvyšší střední rychlosti větru až 8,5 m/s jsou u nás zaznamenávány na Milešovce, Pradědu a planinách Krušných hor.

Jako další nejdůležitější podmínky pro umístění větrné elektrárny lze uvést:

• umístění lokality,
• geologické podmínky,
• přístupnost pro stavební mechanizmy,
• vyřešení majetkoprávních vztahů ve vztahu k pozemku, postoj místních úřadů, možnost vlastnictví či dlouhodobého pronájmu pozemku,
• vzdálenost elektrického vedení a kapacita trafostanice,
• dohoda s příslušnou energetickou společností o připojení a výkupu elektrické energie,
• dostatečná vzdálenost od obydlí s ohledem na hlučnost,
• ostatní podmínky (ochrana přírody, krajinný ráz, šíření radiového a TV signálu).

Důležitá je vzdálenost od obydlí s ohledem na hlučnost. Jde o mechanický hluk (generátor, převodovka, natáčecí mechanizmy, brzda) a o aerodynamický hluk (interakce proudícího vzduchu s povrchem listů rotoru, uvolňování vzduchových vírů za hranou listů). Obecně se udává jako přípustná hranice ve venkovním prostoru pro den (6-22 hod.) 50 dB a pro noc 40 dB.

Krajinný ráz patří k citlivým a často subjektivním hlediskům. Větrné elektrárny zvláště na vysokých tubusech nebo větrné farmy naruší vzhled krajiny. Nelze učit jednotný závazný postup a vždy bude záviset na stanovisku příslušných orgánů ochrany přírody a krajiny.

Ochrana ptactva vyvolává časté spory s mezi investory a ochránci ptactva a to zejména po vyhlášení oblastí NATURA.

Nejrozšířenějším typem jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení, pracující na vztlakovém principu, kde vítr obtéká lopatky s profilem podobným letecké vrtuli. Na podobné principu pracovaly již historické větrné mlýny nebo tak pracují větrná kola vodních čerpadel.

Rotory s horizontální osou rotace mohou mít 8 až 24 listů na lopatkovém kole, dnes však většinou u velkých elektráren se používá pouze dvoulistý nebo třílistý rotor.

U pevně nastavených listů vybavených aerodynamickými brzdami se využívá autoregulace výkonu rotoru („stall control“), což představuje automatické snižování aerodynamické účinnosti rotoru při překročení určité míry rychlosti větru.

Druhým typem jsou listy se stavěním úhlu náběhu („pitch control“), které jsou otočné kolem své podélné osy až do polohy „prapor“, kdy zastávají funkci aerodynamické brzdy.

V současné době se často navrhuje výstavba větrných parků (farem) s několika jednotkami. Maximální počet větrných elektráren na km² musí respektovat rychlosti větru ve vztahu i k umístění jednotlivých větrných jednotek a vzájemné ovlivnění rotorů elektráren. V pásmech rychlosti větru nad 5 m/s je již možná výstavba větrných parků.

Při výstavbě větrné farmy je limitujícím omezením minimální vzdálenost mezi jednotlivými větrnými elektrárnami. Tato vzdálenost je udávána v násobcích průměru rotoru (d) a je omezena brázdovým efektem mezi jednotlivými soustrojími.

V oblastech, kde není jeden dominantní směr větru se doporučuje vzdálenost 10d. Z průměru rotoru a minimálního rozchodu vyplývá max. množství větrných elektráren na 1 km². Při šachovnicovém uspořádání na př. pro průměr rotoru 42 m a rozchod 10d vychází počet větrných elektráren 5 až 6 na km².

Menší rozchod je možný, ale na úkor účinnosti a snížení roční výroby energie. V oblastech, kde je dominantní jeden směr větru je možné snížit vzdálenost až na 5d a elektrárny by měly být situovány kolmo na převládající směr větru.

Výpočet výroby elektřiny

Pro orientační výpočet elektrického výkonu větrné elektrárny se udává:

P = k . D² . v³

kde:

D = délka lopatky v m
v = rychlost větru v m/s
k = koeficient závislý především na typu větrné turbiny a její účinnosti (0,2 až 0,5)

Podrobněji lze elektrický výkon vyjádřit¹:

P_e = ½ . π . ρ . η_c . r² . v³

kde:

P_e = el. výkon ve W
π = 3,1415927 (Ludolfovo číslo)
ρ = hustota vzduchu (pohybuje se v rozmezí mezi 1,0 – 1,3 kg/m³)
η_c = celková účinnost soustavy
r = poloměr rotoru v m
v = rychlost proudu vzduchu před rotorem v m/s

¹Ing. J. Kappel, Větrné motory, Větrná energie č.1/98

Celková účinnost soustavy pak je:

η_c = η_r . η_pr . η_g . η_i

kde:

η_r = účinnost rotoru (u třílistého rotoru cca 0,47)
η_pr = účinnost převodové skříně (orientačně 0,97)
η_g = účinnost generátoru (u asynchronního stroje cca 0,94)
η_i = ostatní účinnosti vyjadřující ztráty až po výstup z větrné elektrárny (cca 0,95)

Po vyčíslení lze tedy přibližně počítat:

P_e = 0,639 . ρ . r² . v³

Pozn.:

P_e (W), ρ (kg/m³), r (m), v (m/s)

Uvedený vztah lze brát jako orientační pro stanovení výkonu. Přesný výpočet uvažuje s rozdílnou rychlostí větru daleko před rotorem a v rovině rotoru a s podrobným výpočtem účinnosti rotoru s ohledem na geometrické charakteristiky rotorových listů a s přesným výpočtem i účinností ostatních částí větrné elektrárny.

Z tohoto důvodu se používají výkonové charakteristiky jednotlivých výrobců pro danou velikost větrné elektrárny. Výkonová charakteristika udává závislost skutečného okamžitého výkonu na rychlosti větru.

Např. pro větrnou elektrárnu s výkonem 600 kW:

Orientačně lze možnou výrobu stanovit dle vztahu:

E = P_i . 8760 . K

kde:

E = roční výroba elektřiny v kWh/r
P_i = instalovaný výkon větrné elektrárny v kW
K = kapacitní faktor (součinitel využití)

Pozn.: Součin 8760 . K = využití instalovaného výkonu v h/rok.
h - hodina

Součinitel využití K v závislosti na střední rychlosti větru (v_s) po minimální úpravě podle dosahovaných skutečností vykazuje následující hodnoty²:

²Obnovitelné a alternativní zdroje energie, VŠB – Technická univerzita Ostrava, poradenská knižnice ČEA 1997

V našich podmínkách při středních rychlostech větru v rozmezí 5 až 7 m/s se tedy součinitel K pohybuje od 0,14 do 0,25. To odpovídá využití instalovaného výkonu 1226 h/r až 2190 h/r.

Přesnější výpočet výroby elektřiny se provádí podle poměrně složitých výpočtových programů, vždy je však potřeba výsledky porovnat s údaji výrobců a respektovat podmínky konkrétní lokality.

Údaje udávané výrobci se nacházejí obvykle na horní hranici možné výroby (reprezentují výrobu za ideálních podmínek) a vzhledem ke skutečnému dosahovanému využití již provozovaných větrných elektráren je třeba tyto údaje korigovat.

Zejména jde o prostoje způsobené poruchami, výpadky sítě, údržbou, ztrátami ve vedení k trafostanici a v trafostanici a vlivem místních podmínek. Skutečná výroba pak může být nižší až o 15% proti hodnotám výrobců větrných elektráren.