Větrná energie

Z Multimediaexpo.cz

Větrné elektrárny v dánském Vendsysselu

Větrná energie je označení pro oblast technologie zabývající se využitím větru jako zdroje energie. Nejobvyklejším využitím jsou dnes větrné elektrárny, které využívají síly větru k roztočení vrtule (větrná turbína). K ní je pak připojen elektrický generátor. Získaná energie je přímo úměrná třetí mocnině rychlosti proudící vzdušné masy, proto větrné elektrárny po většinu doby nedosahují nominálních hodnot generovaného výkonu. V historii se místo převodu na elektřinu přímo konala nějaká mechanická práce. Větrný mlýn například mlel obilí, větrnými stroji se čerpala voda, lisoval olej, stloukala plsť nebo poháněly katry. Vítr se také používá k pohonu dopravních prostředků, nejvíc u lodí (plachetnice).

Obsah

Teorie větrné elektrárny

Teoreticky dosažitelný výkon

Proudící vzduch předává lopatkám větrné elektrárny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosažitelnou účinnost větrného stroje na 59% (Betzovo pravidlo). Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosažitelný výkon činí v případě jednotkové plochy , kde kB je Betzův koeficient 0,59 Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se používá vzorec , kde cp je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59

Účinnost

Typický průběh generovaného výkonu a součinitele výkonnosti VE v závislosti na rychlosti větru

Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.). Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního využití , definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky možnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se pohybuje v mezích 0,1-0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky až 0,28. Statisticky podle dat ČSÚ za rok 2007 však dosahuje koeficient ročního využití větrných elektráren v ČR pouze 12,71 % (za rok 2005 to bylo pouze 11 %) [1].

Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě - větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými elektrárnami o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního využití za rok 2006 21,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného využití 32,3 % (přičemž po zbytek téhož roku to bylo necelých 20%).[2]

Rychlost větru v obecných podmínkách

Rozložení hustot rychlostí větru pro střední hodnotu rychlosti 15 m/s

Spektrum rozložení hustoty rychlostí větru v dané lokalitě je poměrně dobře popsatelné Rayleighovým rozdělením jako speciálním případem rozdělení Weibullova. Jde o funkci , kde v je náhodně proměnná rychlost větru, je tvarový parametr rozložení a odpovídá střední hodnotě rychlosti větru Je zřejmé, že maximum hustoty výskytu rychlostí bude vždy ležet vlevo od hustoty výskytu střední rychlosti větru. Pro reálné použití má smysl pracovat s pravděpodobností výskytu rozsahu rychlostí větru v intervalu (v1,v2), kterou lze určit jako

Hlučnost větrných elektráren

Soubor:REpower 70.png
Typická křivka závislosti hlučnosti větrného zdroje na vzdálenosti, vyznačena hygienická hranice 40 dbA pro noční dobu

Větrné elektrárny jsou zdrojem nežádoucího hluku[3]. Jeho hlavními původci (zde a dále jsou uvažovány zdroje, pracující s vrtulí na nabíhající vzdušný proud) jsou aerodynamické hluky obtékání listů vrtule, gondoly a dříku stavby, turbulence, vznikající obtékáním náběžné hrany listu, víry v okolí konců vrtulových listů, turbulence nad odtokovou hranou listu a hluk laminárního proudění. Dále je hluk produkován mechanickými částmi konstrukce (servomotory a jejich převody, čerpadla, chladicí ventilátory měničů a mechanismů) a generátorem. Mimo slyšitelné pásmo v oblasti frekvencí 2-31,5 Hz (infrazvuk) je hluk větrných elektráren na úrovni přirozeného pozadí.

Šíření hluku větrného zdroje

V praxi je jako model šíření používána náhrada prostředí hemisférou s homogenními vlastnostmi. V tomto modelu lze určit hlasitost hluku s danou intenzitou a v dané vzdálenosti dle vzorce kde R je vzdálenost od zdroje hluku a α je součinitel absorpce, přijímaný pro suchý vzduch α=0.005 dBm-1, přičemž zdroj hluku je považován za bodový. Metodika měření je dána IEC 61400-11 ve druhém vydání. České hygienické normy připouštějí maximální úroveň hluku v obytné zástavbě 50 dBA ve dne a 40 dBA v noci, přípustná úroveň hluku ve volné přírodě není stanovena.

Infrazvuky

Zdrojem infrazvuků jsou zejména mechanické části konstrukce větrných turbín. Pro stanovení jejich intenzity nelze používat hlukoměry s filtrem křivky A (ekvivalent citlivosti ucha), který infrazvuky potlačuje. Hluk větrných elektráren, emitovaný v infrazvukové oblasti dosahuje až 70 dB (Vestas V-52 70 dB na frekvenci 16 Hz, Vestas V-80 72 dB ve frekvenčním rozsahu 4-26 Hz), což v tomto pásmu odpovídá přirozenému hlukovému pozadí. Infrazvukové vlnění se kromě vzdušné cesty šíří i konstrukcí dříku a základovou deskou do okolí.

Hluky, typické pro větrný zdroj

Zdroj hluku Frekvenční rozsah Typická intenzita Charakter hluku
Turbulence na koncích listu 500-1000 Hz 91,2 dBA širokopásmové hučení, modulované otáčkami listu (wish-wish)
Hluk na náběžné hraně 750-2000 Hz 99,2 dBA širokopásmové svištění
Hluk odtrhávání proudnic typický tón 84,8 dBA tón, měnící se dle rychlosti větru
Strojovna směs hluků 97,4 dBA směs hluků, měnících se s různou periodicitou (zapínání a vypínání servopohonů, čerpadel, ventilátorů)
Generátor tón 87,2 dBA tón, jehož výška se mění s otáčkami vrtule

Větrné elektrárny v Česku

Pchery, okres Kladno. Demontáž jeřábu při dokončování dosud nejvýkonnější větrné elektrárny v Česku (únor 2008).
Větrné elektrárny u Ostružné, Jesenicko

Celkový instalovaný výkon větrných elektráren k 31. 12. 2008 přesáhl 150 MW.[4] V roce 2008 větrné elektrárny vyrobily 245 GWh, což je 0,3% celkové vyrobené energie v ČR.[5]

Největší větrná elektrárna na světě

Zatím největší větrnou farmu na světě mají v Texasu (USA). Byla spuštěna 1. října 2009. Větrná farma Roscoe má výkon 781,5 MW a je tvořena 627 větrnými turbínami. Roscoe je schopna pokrýt spotřebu 230 000 domácností.[6]

Nejvyšší pokrytí výroby elektřiny pomocí větru

Španělská energetika zaznamenala ráno 30.prosince 2009 rekord, energie z větrných elektráren tam pokryla přes 54 procent celkové poptávky po elektřině. To odpovídalo výkonu přes 10.000 megawattů.[7]

Související články

Reference

  1. http://www.czso.cz/csu/2007edicniplan.nsf/kapitola/10n1-07-2007-1600
  2. http://www.sternwind.at/produktion.htm
  3. (anglicky)Wind Turbine Acoustic Noise Review 2006
  4. Roční zpráva o provozu ES ČR 2008 - ERÚ, Instalovaný výkon v ES ČR.
  5. Roční zpráva o provozu ES ČR 2008 - ERÚ, Výroba elektřiny.
  6. Největší větrná farma Roscoe o výkonu 781,5 MW stojí v USA
  7. Větrné elektrárny ve Španělsku zdolaly rekord v pokrytí poptávky

Externí odkazy


Commons nabízí fotografie, obrázky a videa k tématu
Wind power