Digitální učební materiál Číslo projektu
CZ.1.07/1.5.00/34.0061
Označení materiálu
VY_32_INOVACE_D.1.05
Název školy Autor
Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, 276 01 Mělník Ing. Jan Miroslav Oharek
Tematická oblast
Výroba elektrické energie – obnovitelné zdroje
Ročník
1. - 2. roč. -nástavbové a dálkové studium
Anotace
Seznámení žáků s principem větrné elektrárny
Metodický pokyn
Provedení výkladu
Zhotoveno
květen/2012
Princip větrné elektrárny Větrnou energii používá lidstvo od dávnověku. Jmenujme plachetnice, větrné mlýny, vodní čerpadla poháněná větrem. Vítr vzniká v atmosféře při rozdílu atmosférických tlaků, který je důsledkem nerovnoměrného ohřívání zemského povrchu. Teplý vzduch stoupá vzhůru, na jeho místo se tlačí studený. Zemská rotace způsobuje stáčení větrných proudů, jejich další ovlivnění způsobuje morfologie krajiny, rostlinný pokryv, vodní plochy. Některá místa na zemském povrchu mají lepší větrné podmínky, jiná horší. Mapa ukazuje situaci v naší republice. Ve větrné elektrárně se převádí pohybová energie vzdušného proudu na energii rotace a tato mechanická energie otáčí rotorem elektrického generátoru. Nejvyššího výkonu větrného kola (vrtule) se dosáhne při zpomalení větrného proudu na 1/3 – z toho plyne maximální teoreticky dosažitelná účinnost 59 %. Otáčky kola zpomaluje tření mechanických součástí a vzdušné víry za lopatkami. Konce lopatek se pohybují rychleji než středové části a výsledná účinnost tedy závisí na součiniteli rychloběžnosti, což je poměr rychlosti otáčení lopatek a rychlosti větru. Součinitel rychloběžnosti se zvýší snížením počtu lopatek. Současné větrné turbíny mívají 1 – 3 lopatky, nejlepší dosahovaná účinnost je 45 %.
Tubus elektrárny musí být dostatečně vysoký, aby vynesl větrnou turbínu nad přízemní pásmo větrných turbulencí, a dostatečně silný, aby unesl tíhu celého soustrojí. Gondola obsahuje převodovou skříň (rychlost otáček vrtule 30 – 50 ot/min. není dostatečná pro výrobu elektrického proudu, musí se proto pro pohon elektrického generátoru zpřevodovat na více než 1500 ot/min.), generátor, ložiska, systém natáčení. Mezi gondolou a tubusem je tlumení, které zabraňuje přenosu vibrací. Výkon z generátoru je vyveden kabelem k patě tubusu.
Využitelný je vítr o rychlosti 4 až 26 m/s (tj. 15 až 95 km/h), záleží na daném projektu. Získaný výkon je úměrný třetí mocnině rychlosti větru. Lze to odvodit z rovnice pro kinetickou energii E= 1/2mv2, kde hmotnost je hustota x objem, m=qV, výkon je E/t=1/2qVv2/t. Objem vzduchu narážejícího na plochu vrtule po dobu t je V/t = vS. Výkon větru tedy je P=1/2qv3S. Při větším větru než 26 m/s se musí elektrárna zastavit, protože dochází k rozkmitání konstrukce. V takovém případě se rotor zabrzdí a lopatky se postaví vůči větru nejužším profilem. U velkých větrných turbín se konce lopatek pohybují rychlostmi většími než rychlost zvuku – vznikají při tom různé doprovodné zvukové efekty. U vrtule s rozpětím kolem 100 m také činí problémy rozdíl v rychlosti větru dole a nahoře, který může činit až 2,8 m/s. Na každý list vrtule pak působí jiné síly a hrozí rozkmitání a destrukce konstrukce. Možnost, jak tuto nevýhodu obejít, představuje jednolistá vrtule s protizávažím.
Příznivé větrné podmínky bývají na pobřeží moře, nebo ve vyšších nadmořských výškách – zde je ale v zimě problém s námrazou, která se musí z vrtulí odstraňovat, aby je jednak zátěží nepoškodila a jednak neodletovala nebezpečně do stran. Jiným problémem je ohrožení bleskem a obtížné svedení elektřiny do přístupných oblastí.
Větrné generátory se musí směrovat podle směru větru, k tomu existují mechanismy natáčející celou hlavici (gondolu) větrné elektrárny. Existují i jiné, např. vertikální větrné generátory (nazývají se Darreiovy) s listy rotoru umístěnými vertikálně – na směru větru pak přestane záležet. Tyto typy mají některé další výhody. Zařízení přeměňující vítr na elektřinu je umístěno u země, nikoli na vrcholu, čímž je zátěž mnohem menší.
Použitá literatura: Vypracováno se souhlasem a podporou ČEZ, a. s., z materiálů vzdělávacího programu Energie pro každého.
