2016. Instalovaný výkon VtE. Beaufortova stupnice síly větru Stupeň Vítr km.h -1 Na souši

3/24/2016

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= Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Spektrum rozložení hustoty rychlostí větru.

Maximum hustoty výskytu rychlostí bude vždy ležet vlevo od hustoty výskytu střední rychlosti větru. Energie je spočtena pro průchod větru 100m kruhem za předpokladu využití jeho teoretického (maximálního) výkonu.

Střední rychlost větru

Proudění při zemském povrchu je do značné míry předurčeno větrnými podmínkami ve volné atmosféře, které nejsou ovlivněné lokálním terénem. Nad územím ČR poměrně zřetelně převládá proudění ze západních směrů, ostatní směry větru jsou zastoupeny méně a vyznačují se Větrná růžice lokality ČR i nižšími průměrnými rychlostmi.

Beaufortova stupnice síly větru Stupeň Vítr

km.h-1

Na souši

0

bezvětří

<1

kouř stoupá kolmo vzhůru

Výška vln moře v m < 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 5

mírný vítr 20 - 28 čerstvý vítr 29 - 39

0,6 - 1,2 1,2 - 2,4

6

silný vítr

7

mírný vichr 50 - 61

8

čerstvý vichr

vítr zvedá prach a útržky papíru listnaté keře se začínají hýbat telegrafní dráty sviští, používání deštníků je nesnadné chůze proti větru je obtížná, celé stromy se pohybují ulamují se větve, chůze proti větru je normálně 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 ničivé účinky (vítr odnáší střechy, hýbe těžkými Ústav energetiky, VŠCHT Praha > 117 hmotami)

12 - 17 orkán

Instalovaný výkon VtE Svět 2015: Pi VtE 430 GW

62 - 74

2,4 - 4 4-6 4-6

> 14 > 14

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

již převýšil Pi 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

40 - 49

oblast využití VtE

Rozložení rychlostí větru a převládající směr větru

zdroj: THE EUROPEAN WIND ENERGY ASSOCIATION Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Ústav energetiky, VŠCHT Praha

1

3/24/2016

Kritéria výběru a vhodnost lokality – přímé měření

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) méně než 4 m/s 4-5 m/s 5-6 m/s > 6 m/s

Průměrné rychlosti větru:

-je vždy nutné pro větší projekty. Mělo by být alespoň půlroční. K měření lze pronajmout registrační anemometr, či přesnější s vyhříváním. mechanické

elektronické

Sněžka 11 m/s Klínovec 8.5 m/s Praděd 8.2 m/s Miskový anemometr Cp=0.036

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.

Polokoule orientovaná svojí dutinou proti větru mu klade asi 3,5x větší odpor než polokoule nastavená proti větru svojí vypouklou částí. Ústav energetiky, VŠCHT Praha


Kritéria výběru a vhodnost lokality – přímé měření

Teoretický výkon větru Pmax

Přímé měření rychlosti větru se obvykle provádí ve výšce 10 m nad terénem. Pro přepočet rychlosti větru v ose budoucí VtE slouží vztah:

Rychlost větru za rotorem v2 je nižší než v1

h

v0 – naměřená rychlost větru ve výšce h0 (m/s) vh – vypočítaná rychlost větru (m/s) h0 – 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

Kinetická energie větru o rychlosti v1 Betz limit (1919): Maximum energie (59,3 %) lze větru odebrat pokud: v2=⅓∙v1 Moderní VtE dosahují 70-80 % tohoto limitu.

h0

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/m3)



Využití výkonu

Výkonová křivka VtE výkonový součinitel Cp

Capacity Factor

18 20 22 24 26

Start 3.5 m/s

P=f(v3) Ústav energetiky, VŠCHT Praha

regulace

Odstavení 25 m/s

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] Kr

4 5 ≈0,08 ≈0,14

6 7 ≈0,18 ≈0,25

8 Off-shore* ≈0,31 až 0,4

*mořský šelf západního pobřeží EU 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. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

2

3/24/2016

Odhad roční výroby elektrické energie VtE Ps = 0.125 ∙ Cp ∙ ρ ∙ π ∙ v3 ∙ D2 kde

Dělení podle aerodynamického principu Podle aerodynamického principu chodu motoru: Typ Savonius •odporové (typ Savonius) •pouze s kolmou osu na směr větru, pracují s rozdílným součinitelem odporu Cd zakřivených ploch, v nejlepším případě zachytí pouze 15 % energie větru

Skutečně využitelný výkon Ps:

D průměr vrtule (m) Cp je výkonový součinitel (účinnost) teoreticky (maximálně): =16/27=0.593 moderní turbiny: 0,35
•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

Odhad skutečného výkonu - instalovaný výkon VtE (Cp=0,4)

Pi = 0.2 ∙ v3 ∙ D2

Typ Darrieus obtékání aerodynamického profilu

Odhad roční výroby elektrické energie:

E(kWh) = Pi∙Kr∙365∙24 = 0.2 v3 D2∙Kr∙8760 = 1752∙ v3∙D2∙Kr kde Kr je faktor ročního využití



Dělení podle zaplnění rotoru

Dělení podle rychloběžnosti Podle rychloběžnosti: •pomaluběžné λ< 6 •rychloběžné λ ≥ 6

Max.účinnosti 0,59 je dosaženo při λ→∞

Cp

ideální rotor moderní třílistý rotor

Součinitel rychloběžnosti větrných motorů λ:

n jsou otáčky rotoru [s-1] součinitel rychloběžnosti λ D průměr vrtule [m] 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.

R a

Φ = 3a/A = 3∙a∙4/(π∙D2) 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


vítr ve velikých výškách

Rychloběžnost a počet listů

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.

Z = 3a/A

Zaplnění Z je procentuální poměr vyplnění plochy rotoru, plochou listů AL pro třílopatkovou turbínu:

120 metrů

Závislost poměru vyplnění rotorové plochy listy na rychloběžnosti rotoru

0.0

0.2

0.4

600 metrů

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Průměrná hustota energie v kW/m 2 Ústav energetiky, VŠCHT Praha


18

3

3/24/2016

Střední a velké VtE-konstrukce

Létající elektrárny

převodovka

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

hlava rotoru

Vrtulový generátor Macani

brzda rotoru

• • • • •



tubus

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

REPOWER Nespecifikováno ENERCON (SRN)

vyvedení výkonu

Větrné parky

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

Tacke (SRN)

mechanismus natáčení gondoly

19

Při nedodržení orientace rotoru do směru větru je poměrná ztráta výkonu ∆P na odchylce od směru větru δ: ∆P = cos3δ (s větší odchylkou ztráta rychle narůstá)

výkon kW

Ekologické vlivy VtE

lokalita

W-2500

250

Mravenečník u Loučné nad Desnou (Hrubý Jeseník)

VE 315-1,2

315

Mladoňov u Šumperka

MEDIT 320 320 V 27-225 225 V 29-225 225 V 39-500 6 x 500 E 400 4 x 400 EWT 315,630 EWT 315 315 FL 100 100 E40/6.44 2 x 600 MD 70 1500 DeWind 4 - 46 3 x 600 500 kW 5 x 500 použité typy MD 70 1500 použité typy 2x100 E40/6.44 2x1500

hřídel

Největší větrná turbína: 7MW na pevnině

1. systém natáčení VtE do směru větru: •samovolná- vrtule s ocasní plochou nebo vrtule na závětrné straně stožáru •řízená-natáčení pomocnými motory

Wind World (DK) Mostárna Vítkovice (ČR) WEST (I) Vestas (DK) Vestas (DK) Vestas (DK) Ekov (ČR) Energovars (ČR) Energovars (ČR) Führlander ENERCON (SRN) REPOWER DeWind

generátor

list

Regulace VtE

typ

řídící elektronika

hlavní ložisko

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/MWinst.

firma

gondola

mechanismus natáčení listů

Nová Ves v Horách u Horního Jiřetína (Krušné hory) poutní vrch Svatý Hostýn u Kroměříže obec Velká Kraš nedaleko Vidnavy (Žulovská pahorkatina) u obce Ostružná (Hrubý Jeseník) Nový Hrádek v Orlických horách Mravenečník u Loučné nad Desnou (Hrubý Jeseník) Boží Dar (Krušné hory), přesunuta z lokality Dlouhá Louka u Protivanova mezi Prostějovem a Boskovicemi Jindřichovice pod Smrkem Nová Ves v Horách u Horního Jiřetína (Krušné hory) Krušné hory katastr obce Loučná (pod Klínovcem)

• • • • •

Vzhled krajiny-subjektivní Hluk Záblesky (diskoefekt) a stínové emise Vliv na zvěř a ptactvo Rušení elmag. signálu

Lysý vrch, Václavice, Frýdlantský výběžek Nová Ves v Horách u Horního Jiřetína (Krušné hory) Potštát, Morava Petrovice, Jizerské hory

Ústav energetiky, VŠCHT Praha Ústav energetiky, VŠCHT Praha

4

3/24/2016

VtE – střet s ochranou přírody

Hlučnost VtE Dvě příčiny zvuku: •strojovna •proudění kolem listů vrtule

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

Přepočet rychlosti větru v různých výškách

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. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Příklad: Anemometr připevněný na tyči měří ve výšce h o = 10 m průměrnou rychlost větru vo=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, kr=0,4 Stejná VtE byla umístěna i na: (2) Krušné Hory ČR v=7 m/s, kr=0,25 (3) průměrná lokalita ČR, v =6 m/s, kr=0,18 Určete: 1. Rychlost otáček (min-1) 2. Maximální teoretický a skutečný výkon 3. Srovnejte roční produkci elektřiny Ústav energetiky, VŠCHT Praha

5

2016. Instalovaný výkon VtE. Beaufortova stupnice síly větru Stupeň Vítr km.h -1 Na souši

Recommend Documents