VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

VĚTRNÁ ELEKTRÁRNA GRID-OFF, PRINCIP, ÚČINNOST, NÁVRATNOST

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER‘S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

BRNO 2013

BC. MIROSLAV HAVRÁNEK

Bibliografická citace práce: HAVRÁNEK, M. Větrná elektrárna grid-off, princip, účinnost, návratnost. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2013. 85 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Macháček, Ph.D..

Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. Díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. ……………………………

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky

Diplomová práce

Větrná elektrárna grid-off , princip, účinnost, návratnost Bc. Miroslav Havránek

vedoucí: Ing. Jan Macháček, Ph.D. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2013

Brno

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering

Master’s Thesis

The grid-off Wind Power, Principle, Effectiveness, Return by

Bc. Miroslav Havránek

Supervisor: Ing. Jan Macháček, Ph.D. Brno University of Technology, 2013

Brno

Abstrakt

6

ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá problematikou větrných elektráren a jejich použitím v ostrovních systémech. Nejprve sleduje využívání větru jako zdroje energie. Dále se zaměřuje na jednotlivé komponenty ostrovních systémů. Jsou zde naznačeny postupy při navrhování ostrovních systémů. Výsledkem diplomové práce jsou tři návrhy grid-off systémů pro rodinný domek a následně jejich energetické a ekonomické hodnocení.

KLÍČOVÁ SLOVA: grid-off, akumulace energie, větrná elektrárna, ostrovní systém

Abstract

7

ABSTRACT This Master´s thesis deals with problematics of wind powered generators and their use in offgrid systems. In its first chapters aspects of wind as a power source are analyzed. Further on the thesis focuses on individual components of the off-grid systems. Also designing procedures of these systems are presented in the paper. The key parts of the thesis are 3 off-grid wind power system designs, which can be used to power a family house, and their energetical and economical evaluation.

KEY WORDS: grid-off, energy storage, wind power plant, island system

Obsah

8

OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................................................10 SEZNAM TABULEK ................................................................................................................................12 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK .......................................................................................................13 1 ÚVOD .......................................................................................................................................................15 2 VYUŽÍVÁNÍ VĚTRNÉ ENERGIE .......................................................................................................16 2.1 HISTORIE ..........................................................................................................................................16 2.2 ROZVOJ VĚTRNÉ ENERGETIKY V POSLEDNÍCH LETECH ...............................................................16 2.2.1 VĚTRNÁ ENERGETIKA CELOSVĚTOVĚ .....................................................................................16 2.2.2 VĚTRNÁ ENERGIE V EVROPĚ ..................................................................................................18 2.2.3 VĚTRNÁ ENERGIE V ČR ..........................................................................................................19 2.3 VÍTR ..................................................................................................................................................21 2.4 ENERGIE VĚTRU A VÝROBA VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN ..................................................................22 2.5 VĚTRNÝ POTENCIÁL NA ÚZEMÍ ČR ................................................................................................23 3 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH MOTORŮ................................................................................................26 3.1 VĚTRNÉ MOTORY ODPOROVÉ .........................................................................................................26 3.2 VĚTRNÉ MOTORY VZTLAKOVÉ .......................................................................................................27 3.2.1 PRINCIP VZTLAKOVÝCH MOTORŮ ...........................................................................................28 4 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY .....................................................................................................................31 4.1 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN............................................................................................31 4.1.1 MIKROELEKTRÁRNY ...............................................................................................................31 4.1.2 MALÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY ..................................................................................................31 4.1.3 STŘEDNÍ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY ..............................................................................................32 4.1.4 VELKÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY .................................................................................................32 4.2 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY GRID-OFF ....................................................................................................32 4.2.1 ROZDĚLENÍ SYSTÉMŮ GRID-OFF .............................................................................................33 5 AKUMULACE ENERGIE V SYSTÉMECH GRID-OFF ..................................................................36 5.1 ROZDĚLENÍ AKUMULAČNÍCH SYSTÉMŮ .........................................................................................36 5.2 BATERIE VHODNÉ PRO VTE V REŽIMU GRID-OFF ..........................................................................36 5.2.1 NI-CD (NIKL KADMIOVÉ) AKUMULÁTORY .............................................................................36 5.2.2 NI-MH (NIKL METAL HYDRIDOVÉ) AKUMULÁTORY .............................................................37 5.2.3 LI-ION (LITHIUM-IONTOVÉ) AKUMULÁTORY ..........................................................................37 5.2.4 LIFEPO4 AKUMULÁTORY .......................................................................................................37 5.2.5 OLOVĚNÉ AKUMULÁTORY ......................................................................................................38 6 OBECNÝ NÁVRH VTE V REŽIMU GRID-OFF ...............................................................................40 6.1 URČENÍ VÝKONU VTE ......................................................................................................................40 6.2 NÁVRH BATERIE ...............................................................................................................................42 6.3 PROVOZ NAVRŽENÉHO SYSTÉMU ....................................................................................................44

Obsah

9

6.4 NÁVRATNOST INVESTIC ...................................................................................................................44 7 NÁVRH OSTROVNÍHO SYSTÉMU PRO RODINNÝ DŮM............................................................45 7.1 POPIS LOKALITY Z POHLEDU ENERGETICKÝCH POTENCIÁLŮ ......................................................45 7.1.1 VĚTRNÝ PROFIL LOKALITY .....................................................................................................45 7.1.2 SLUNEČNÍ PROFIL LOKALITY ..................................................................................................47 7.2 POPIS ŘEŠENÉHO OBJEKTU .............................................................................................................48 7.2.1 ENERGETICKÁ NÁROČNOST OBJEKTU NA TEPELNOU ENERGII ................................................49 7.2.2 ENERGETICKÁ NÁROČNOST OBJEKTU NA ELEKTRICKOU ENERGII ..........................................50 7.3 NÁVRH OSTROVNÍHO SYSTÉMU PRO DANÝ OBJEKT.......................................................................51 7.3.1 DIMENZOVÁNÍ ZDROJŮ ELEKTRICKÉ ENERGIE .......................................................................52 7.3.2 VÝBĚR VHODNÉ ŘÍDÍCÍ JEDNOTKY PRO VTE ..........................................................................53 7.3.3 DIMENZOVÁNÍ BATERIÍ ...........................................................................................................54 7.3.4 VOLBA VHODNÉHO BALANCERU PRO BATERIE .......................................................................56 7.3.5 DIMENZOVÁNÍ MĚNIČE NAPĚTÍ ...............................................................................................56 7.3.6 VOLBA VHODNÉHO ZÁLOŽNÍHO ZDROJE.................................................................................57 7.3.7 DIMENZOVÁNÍ FV PANELŮ .....................................................................................................57 7.4 OSTROVNÍ SYSTÉM A JEHO PROVOZ ...............................................................................................57 7.4.1 VÝPOČETNÍ ALGORITMUS POUŽITÝ PRO OVĚŘENÍ FUNKČNOSTI SYSTÉMU ............................58 7.4.2 NAVRŽENÝ OSTROVNÍ SYSTÉM SE ZDROJEM VTE ..................................................................58 7.4.3 NAVRŽENÝ OSTROVNÍ SYSTÉM SE ZDROJEM VTE A FV I .......................................................61 7.4.4 NAVRŽENÝ OSTROVNÍ SYSTÉM SE ZDROJEM VTE A FV II......................................................63 7.5 KONKRÉTNÍ ŘEŠENÍ OSTROVNÍHO SYSTÉMU NA DANÉM OBJEKTU ..............................................65 7.6 EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ NAVRŽENÝCH OSTROVNÍCH SYSTÉMŮ ...........................................66 7.6.1 VSTUPY PRO EKONOMICKÉ HODNOCENÍ NAVRŽENÝCH SYSTÉMŮ..........................................66 7.6.2 EKONOMICKÉ HODNOCENÍ PROJEKTU OS VTE ......................................................................68 7.6.3 EKONOMICKÉ HODNOCENÍ PROJEKTU OS VTE A FV .............................................................70 7.6.4 EKONOMICKÉ HODNOCENÍ PROJEKTU OS VTE A FV II ..........................................................72 7.7 CITLIVOSTNÍ ANALÝZA NA ZMĚNY RŮZNÝCH VSTUPNÍCH PARAMETRŮ ......................................73 7.7.1 CITLIVOSTNÍ ANALÝZA PROJEKTU OS VTE ...........................................................................73 7.7.2 CITLIVOSTNÍ ANALÝZA PROJEKTU OS VTE A FV ..................................................................74 7.7.3 CITLIVOSTNÍ ANALÝZA PROJEKTU OS VTE A FV II ..............................................................75 7.8 SROVNÁNÍ PROJEKTŮ Z HLEDISKA PŮVODNÍCH POŽADAVKŮ ......................................................76 8 ZÁVĚR .....................................................................................................................................................78 POUŽITÁ LITERATURA ........................................................................................................................80 PŘÍLOHA A PARAMETRY JEDNOTLIVÝCH KOMPONENTŮ OS............................................83 PŘÍLOHA B SCHÉMA ZAPOJENÍ PROJEKTOVANÉHO OS ......................................................85

Seznam obrázků

10

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 2-1 Nově instalovaný celosvětový výkon větrných elektráren [3] ......................................... 17 Obr. 2-2 Celkový celosvětový instalovaný výkon větrných elektráren [3] ..................................... 17 Obr. 2-3 Roční instalovaný výkon VtE na jednotlivých světových kontinentech [3] ..................... 18 Obr. 2-4 Vývoj instalovaného výkonu VtE v letech 1995-2011 v Evropě (vlevo), rozložení instalovaného výkonu VtE v zemích evropského kontinentu (vpravo)[6] .............................. 19 Obr. 2-5 Výkupní ceny a zelené bonusy VtE v období 2005 – 2012 [ERÚ] ................................... 20 Obr. 2-6 Instalovaný výkon a výroba VtE od 1. 1. 2004 do 1. 6. 2012 [4] .................................... 20 Obr. 2-7 Vývoj výkupních cen VtE v ČR dle vyhlášek ERÚ .......................................................... 21 Obr. 2-8 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JZ [1] ....... 23 Obr. 2-9 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění ze SZ [1] ..... 24 Obr. 2-10 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JV [1] ..... 24 Obr. 2-11 Rychlost větru ve výšce 100 m nad zemským povrchem v m/s [17] ............................... 25 Obr. 3-1 Savoniuv větrný motor princip/modifikace Savoniova motoru v praxi [11] ................... 27 Obr. 3-2 Vztlakové motory a) jednolisté, b) dvoulisté, c) třílisté ................................................... 27 Obr. 3-3 Darrieusova turbína v praxi [12,13] ............................................................................... 28 Obr. 3-4 Princip vztlakového rotoru popsán rovnicí kontinuity .................................................... 29 Obr. 4-1 Blokové schéma grid off systému bez akumulace ............................................................ 33 Obr. 4-2 Blokové schéma grid off systému s akumulací ................................................................. 34 Obr. 4-3 Blokové schéma grid off systému s akumulací a záložním zdrojem ................................ 35 Obr. 5-1 Akumulace elektrické energie - základní dělení [15] ...................................................... 36 Obr. 5-2 Závislost napětí na SoC článku a doporučený provoz článku [19] ................................. 38 Obr. 5-3 Životnost článku v závislosti na hloubce vybíjecích cyklů [29] ....................................... 38 Obr. 6-1 Denní odběrový diagram ................................................................................................. 40 Obr. 6-2 Denní diagram rychlosti větru a výkonu VtE .................................................................. 42 Obr. 6-3 Výkonová křivka větrné elektrárny .................................................................................. 42 Obr. 6-4 Histogram doby trvání výpadku větrné elektrárny .......................................................... 43 Obr. 7-1 Četnosti rychlostí větru ve sledovaném období ............................................................... 45 Obr. 7-2 Procentuální výskyt rychlostí větru ve sledovaném období ............................................. 46 Obr. 7-3 Směr proudění větru ve sledovaném období – četnost .................................................... 47 Obr. 7-4 Intenzita slunečního záření ve sledovaném období – četnost .......................................... 48 Obr. 7-5 Intenzita slunečního záření ve sledovaném období – procentuální výskyt ...................... 48 Obr. 7-6 Situační mapa objektu pro realizaci OS .......................................................................... 49

Seznam obrázků

11

Obr. 7-7 Předpokládaná energetická náročnost na vytápění a přípravu TUV .............................. 50 Obr. 7-8 Výkonové charakteristiky vybraných VtE [39] ................................................................ 52 Obr. 7-9 Četnost výpadků různé délky trvání za sledované období ............................................... 54 Obr. 7-10 Četnost různě velkých nedostatků za sledované období ................................................ 55 Obr. 7-11 Četnost výroby různé délky trvání za sledované období ................................................ 55 Obr. 7-12 Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE ............................................. 60 Obr. 7-13 Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE ............................. 61 Obr. 7-14 Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE .............................................. 61 Obr. 7-15 Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE + FV I ................................. 62 Obr. 7-16 Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE + FV I ................. 63 Obr. 7-17 Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE + FV I .................................. 63 Obr. 7-18 Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE + FV II ................................ 64 Obr. 7-19 Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE + FV II ................ 65 Obr. 7-20 Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE + FV II ................................. 65 Obr. 7-21 Konkrétní objekt po nainstalování OS VtE + FV II....................................................... 66 Obr. 7-22 Průběhy diskontovaných nákladů sledovaných projektů ............................................... 76

Seznam tabulek

12

SEZNAM TABULEK Tab. 7-1 Velikost průměrných rychlostí větru při zanedbání nevyužitých rychlostí větru ............. 46 Tab. 7-2 Průměrná měsíční doba svitu [40] .................................................................................. 47 Tab. 7-3 Předpokládané nároky na vytápění a přípravu TUV [21] ............................................... 50 Tab. 7-4 Spotřebiče v daném objektu a jejich parametry............................................................... 51 Tab. 7-5 Výkony jednotlivých typů VtE při různých rychlostech větru .......................................... 52 Tab. 7-6 Průměrné denní výroby VtE s měřených rychlostí větru ................................................. 53 Tab. 7-7 Rozpis použitých komponentů pro ostrovní systém.......................................................... 59 Tab. 7-8 Výsledky provozu OS VtE ................................................................................................ 59 Tab. 7-9 Použité účinnosti jednotlivých komponentů ..................................................................... 60 Tab. 7-10 Výsledky provozu OS VtE + FV I................................................................................... 62 Tab. 7-11 Výsledky provozu OS VtE + FV II ................................................................................. 64 Tab. 7-12 Shrnutí nákladů řešených projektů s DPH .................................................................... 66 Tab. 7-13 Shrnutí investičních nákladů řešených projektů ............................................................ 67 Tab. 7-14 Shrnutí ročních provozních nákladů řešených projektů ................................................ 67 Tab. 7-15 Shrnutí předpokládaných ročních výnosů řešených projektů ........................................ 68 Tab. 7-16 Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE .................................................................. 68 Tab. 7-17 Použité zpřesňující parametry pro ekonomické hodnocení ........................................... 69 Tab. 7-18 Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE .................................................... 70 Tab. 7-19 Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE + FV......................................................... 71 Tab. 7-20 Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE + FV ........................................... 71 Tab. 7-21 Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE + FV II ..................................................... 72 Tab. 7-22 Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE + FV II ....................................... 72 Tab. 7-23 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE .................. 73 Tab. 7-24 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen baterií v projektu OS VtE ................... 73 Tab. 7-25 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE ........ 74 Tab. 7-26 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE + FV ........ 74 Tab. 7-27 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen baterií v projektu OS VtE + FV ......... 75 Tab. 7-28 Výsledky cit. analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE + FV ......... 75 Tab. 7-29 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE + FV II ..... 75 Tab. 7-30 Výsledky cit. analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE + FV II...... 76

Seznam symbolů a zkratek

13

SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK A Caku Cbat,Ah Cbat,Wh cp Ed Ek Ep24 Er Fa m N n Np NpkWh P PFV Pmax Pp,sp Preal Pspotř,i Pstř Pšpič PVtE t tpr/24 tvyp U Ubat,jm v V ΔE1hod ΔEk η λ ρ

plocha kapacita akumulátoru ampér-hodinová kapacita baterie watt-hodinová kapacita baterie součinitel výkonu denní vyrobená energie kinetická energie průměrná energie za den roční vyrobená energie axiální síla hmotnost náklady počet intervalů provozní náklady provozní náklady za kWh výkon výkon FV elektrárny maximální výkon průměrný příkon spotřeby reálný výkon příkon v intervalu střední výkon špičkový výkon výkon větrné elektrárny čas průměrný čas za den doba výpadku napětí jmenovité napětí baterie rychlost objem hodinová energetická bilance změna kinetické energie účinnost rychlostní součinitel hustota

AC AGM CF DC DC DN DoD

Střídavý Absorbet Glass Mat Cash flow Diskontované náklady Stejnosměrný Doba návratnosti Depth of Discharge

[m2] [Wh] [Ah] [Wh] [-] [Wh] [J] [Wh] [Wh] [N] [kg] [Kč] [-] [Kč.rok-1] [Kč.kWh-1] [W] [W] [W] [W] [W] [W] [W] [W] [W] [s] [s] [s] [V] [V] [m.s-1] [m3] [Wh] [Wh] [-] [-] [kg.m-3]

Seznam symbolů a zkratek

EC EIA ERÚ ES EU FV IR IRR LCoE LiFePO4 Li-ion NiCd NiMH NPV OS OZE PLC PV PVE SoC SR TUV VE VRLA VtE

Elektro centrála Environmental Impact Assessment Energetický regulační úřad Elektrická síť Evropská unie Fotovoltaický Index rentability Internal rate of return Levelized Cost of Energy Lithium železo fosfát Litium iontové Nikl Cadmium Nikl Methal Hydrid Net present value Ostrovní systém Obnovitelné zdroje energie Programmable Logic Controller Fotovoltaický Fotovoltaická elektrárna State of Charge Solární regulátor Teplá užitková voda Vodní elektrárna Valve Regulated Lead Acid Větrná elektrárna

14

1 Úvod

15

1 ÚVOD S rozvojem lidské populace každým dnem vzrůstají nároky na potřebu elektrické energie. Zvláště pak v rozvojových zemích, kde není dostatečně rozvinutá infrastruktura vzniká problém, kde energii získat a jakým způsobem ji dopravit k odběrateli. S obdobným problémem se setkáváme i v těžko dostupném terénu nebo na místech vzdálených od elektrické sítě natolik, že není reálné odběratele ze sítí propojit. Dnes jsou sice k dispozici zdroje využívající k výrobě elektrické energie nerostného bohatství, avšak provoz takových zdrojů je velice nákladný. Z tohoto důvodu je snahou využívat energie, které jsou dostupné na celé Zemi, energie nevyčerpatelné, energie vytvářené právě Zemí, dnes nazývané energie z obnovitelných zdrojů. Energie tohoto typu (vítr, slunce, voda, …) je sice v určitém množství téměř všude, ale ne vždy se jedná o energii stálou. Odběratel bývá velmi často závislý na kontinuální dodávce, a protože není spojen s elektrickou sítí, bylo nutné řešit problém jak energii v době, kdy je jí přebytek akumulovat, aby ji bylo možné čerpat i v době nedostatku. Takto vzniklé uzavřené systémy, zdroje a spotřebiče nepřipojené k elektrické síti se nazývají ostrovním systémem, nebo také systémem grid-off. S novými cenově dostupnými technologiemi vzrůstá šance aplikovat tyto systémy i tam, kde ještě před pár lety technologie neumožňovaly finančně nenákladný a spolehlivý provoz. Právě rozvoj nových technologií a vzrůstající poptávka po energetické soběstačnosti mně motivovali k výběru tohoto tématu diplomové práce. Hlavním cílem práce je návrh konkrétního ostrovního systému včetně kontroly provozu a ekonomického zhodnocení. Dílčími cíli práce je zpracování rozsáhlé rešerše v oblasti současného stavu využívání větrné energie, dále popis jednotlivých částí ostrovního systému a rozdělení ostrovních systému včetně možnosti použití.

2 Využívání větrné energie

16

2 VYUŽÍVÁNÍ VĚTRNÉ ENERGIE 2.1 Historie Počátky využívání větrné energie na planetě Zemi se datují už od doby starého Egypta 5000 let př. n. l., kde bylo energie větru využíváno k pohonu lodí. První známé stroje, větrné mlýny, využívající síly větru byly pak objeveny v Číně a Persii a to někdy v 7. století n. l. Na evropský kontinent, přesněji do Španělska, se dostávají větrné mlýny prostřednictvím Arabů až v 9. století. Do ostatních zemí Evropy postupně pronikaly další 3 století. Postavení prvního větrného mlýnu na území České republiky historické prameny vážou k roku 1277, a to v zahradě Strahovského kláštera v Praze. Nejstarší zmínka z území Moravy a Slezska je z r. 1340 z Opavska. V 18. století, kdy k rozvoji větrného mlynářství vedlo vydání dvorského dekretu o zřizování větrných mlýnu z roku 1784, který sledoval, aby každá obec měla mlýn, byla na Moravě a ve Slezsku registrována existence třiceti větrných mlýnů. Na začátku 20. století byla na území ČR doložena existence 879 větrných mlýnů [1]. Větrné mlýny byly používány jako zdroj mechanické energie. Teprve půl století po objevech pánů A. Volta a M. Faradaye, přišel s nápadem použít větrný mlýn jako pohon dynama Američan Charles F. Brush. V roce 1888 dokončil první větrnou elektrárnu s průměrem rotoru 17 m a výkonem 12 kW při 500 otáčkách za minutu. V Evropě první větrná elektrárna vznikla o tři roky později v dánské obci Askov, za kterou stál profesor Poul la Cour. Tento člověk se začal zajímat také o to, jak energii akumulovat na dobu bezvětří. Možnost akumulace viděl v přeměně elektrické energie na vodík. V roce 1900 sestrojil první elektrolyzér a přebytečnou energii převáděl na vodík, kterým bylo v době potřeby svíceno [2]. Největší rozvoj větrná energetika zaznamenala v období světových válek a jako hlavní impuls pro výstavbu a budování těchto alternativních energetických zdrojů byla v 70. letech ropná krize, kdy si státy začaly uvědomovat svoji nebezpečnou závislost na dovážené ropě. V 80. letech byl v Kalifornii spuštěn dotační program na podporu energie větru, který spustil lavinu dotačních programů i v Evropě, především v Dánsku a Německu. Už počátkem 21. století se ukazuje, že větrná energie není jen nepraktická „alternativní“ technologie, ale že jde o poměrně levný způsob jak vyrábět čistou energii z vlastních zdrojů.

2.2 Rozvoj větrné energetiky v posledních letech Větrná energetika zažívá v posledních letech velký rozvoj. Každým rokem je vybudováno mnoho větrných elektráren, ať už větrných parků, nebo i samostatně stojících jednotek různých výkonů. K budování větrných elektráren napomáhá hned několik faktorů - stále nižší pořizovací náklady, lepší dostupnost komponent, ale také podpora ze strany států formou finančních dotací. Podpora OZE je důsledkem snahy snižování škodlivých emisí, ke kterému se státy zavázaly v tzv. Kjótském protokolu.

2.2.1 Větrná energetika celosvětově Největšího rozmachu dosahuje v současnosti větrná energie v méně vyspělých zemích a to proto, že v těchto zemích již byly vhodné lokality k instalaci větrných elektráren obsazeny. Ve vyspělých zemích dochází tedy spíše jen k snahám zabírat i lokality, kde větrné podmínky nejsou příliš dobré, ale vzhledem ke snižování cen za instalované jednotky výkonu jsou už i tyto lokality pro investora zajímavé. Jen velmi těžko se hledají volná místa pro výstavbu nových velkých


17

výrobních jednotek, protože vhodné lokality obvykle spadají do chráněných krajinných oblastí, kde povolení na výstavbu je udělováno spíše jen výjimečně. Nadále je v těchto zemích také snaha udržet si co možná nejnovější technologie aby byly zajištěny co možná nejvyšší zisky a tak dochází k rekonstrukcím starých větrných elektráren za nové. O vývoji světové větrné energetiky, přesněji o nově instalovaném výkonu vypovídá obr. 2-1. Vývoj celkového globálního instalovaného výkonu VtE je znázorněn v obr. 2-2.

Obr. 2-1 Nově instalovaný celosvětový výkon větrných elektráren [3]

Obr. 2-2 Celkový celosvětový instalovaný výkon větrných elektráren [3] Z grafů je patrný neustále narůstající trend, zvláště v posledních pěti letech, kdy se instalovaný výkon VtE téměř ztrojnásobil. Tento prudký nárůst byl způsoben především rozvojem méně vyspělých zemí, o čemž vypovídá obr. 2-3. Na Asijském kontinentu došlo k masivní výstavbě VtE, především v Číně, která v současnosti má největší instalovaný výkon 62 733 MW.


18

Obr. 2-3 Roční instalovaný výkon VtE na jednotlivých světových kontinentech [3] Celkový globální instalovaný výkon VtE ke konci roku 2011 dosáhl hodnoty 238 GW. VtE za rok 2011 vyrobily 446 TWh, což při celkové výrobě energie 10 262,4 TWh činí asi 4,35 %. Není to nikterak velké číslo, ale vzhledem k tomu, že podpora VtE trvá poměrně krátkou dobu, lze předpokládat, že se tato hodnota každým rokem zvýší.

2.2.2 Větrná energie v Evropě V Evropě to vše začalo především v Dánsku, kde stát velice štědře finančně podporoval větrnou energetiku. Obdobně o pár roků později se i v Německu nastolily příznivé transparentní podmínky pro větrnou energetiku. Tato podpora přinesla zasloužené ovoce. Dánsko a Německo patří v současné době mezi světové technologické vůdce. O vývoji stavu instalovaného výkonu v EU vypovídá obrázek obr. 2-4 (vlevo), kde je patrný neustálý nárůst. Zejména v posledních třech letech jde o přibližně konstantní, vysoký přírůstek instalovaného výkonu VtE. Rozložení instalovaného výkonu do jednotlivých zemí znázorňuje obrázek obr. 2-4 (vpravo). Můžeme si povšimnout, že více než polovina instalovaného výkonu VtE je na území Německa a Španělska. Až daleko za těmito státy se v instalovaném výkonu VtE nachází Francie, Itálie a Anglie.


19

Obr. 2-4 Vývoj instalovaného výkonu VtE v letech 1995-2011 v Evropě (vlevo), rozložení instalovaného výkonu VtE v zemích evropského kontinentu (vpravo)[6] Celkový instalovaný výkon VtE v Evropě ke konci roku 2011 dosáhl hodnoty 93,957 GW. VtE za rok 2011 vyrobily 204 TWh, což při celkové výrobě energie všech zdrojů činí 3397 TWh, což představuje 6 % podílu větrných zdrojů [4,5]. Ani zde se nejedná o nijak vysoký podíl vyrobené elektřiny VtE zdrojů, ale je patrné, že Evropa je vzhledem k celosvětovým statistikám vyspělejší.

2.2.3 Větrná energie v ČR V České republice lze rozdělit vývoj větrné energetiky do dvou etap. První etapa je přiřazována k období 1990 – 1995, kdy došlo k výstavbě 24 VtE s instalovaným výkonem 8,22 MW. Tento na svoji dobu významný růst byl motivován hned několika důvody (otevření hranic, motivace od států Německa a Dánska, předpoklad podpory státu jako v Německu a Dánsku). Ve skutečnosti však v období 1996 – 2002 zaznamenal vývoj větrné energetiky spíše propad. Tento propad byl zapříčiněn nízkými výkupními cenami, nekvalitními levnými elektrárnami od českých výrobců, nedostatkem teoretického, odborného a legislativního zázemí, montáží elektráren na nevhodných místech. Provoz se stával mnohdy nerentabilním a v některých případech byly elektrárny i demontovány. Za druhou etapu můžeme považovat období po roce 2002, kdy Energetický regulační úřad stanovil minimální výkupní cenu elektřiny na 3000 Kč/MWh. I přesto, že se výkupní cena elektřiny z větru rok od roku snižuje, což je viditelné v obrázku obr. 2-5, se daří realizovat mnoho rentabilních projektů. To je patrné z obrázku obr. 2-6, kde si můžeme povšimnout masivní výstavby VtE během let 2006 – 2010. Na obrázku obr. 2-6 si dále můžeme povšimnout prudkého nárůstu výroby VtE, za který je odpovědný především vývoj, nové technologie a tím i zvyšování účinnosti.


20

Výkupní ceny a zelené bonusy VtE v období 2005-2012 3000 Výkupní cena Kč/MWh

Kč/MWh 2500 2000 1500 1000 500 0 2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011 rok 2012

Obr. 2-5 Výkupní ceny a zelené bonusy VtE v období 2005 – 2012 [ERÚ]

Obr. 2-6 Instalovaný výkon a výroba VtE od 1. 1. 2004 do 1. 6. 2012 [4] Snahou státu je podporovat budování zdrojů obnovitelné energie a finanční prostředky na rozvoj rozdělovat co možná nejspravedlivěji. Problematiku podporování OZE má na starosti Energetický regulační úřad, který každým rokem vydává příslušnou vyhlášku o výkupních cenách OZE na následující rok. Ve vyhlášce jsou výkupní ceny také rozděleny do několika skupin dle data uvedení elektrárny do provozu, čím starší elektrárna je, tím vyšší výkupní ceny pro ni platí. Vývoj výkupních cen pro různě staré elektrárny je viditelný v obrázku obr. 2-7.


21

Obr. 2-7 Vývoj výkupních cen VtE v ČR dle vyhlášek ERÚ Celkový instalovaný výkon VtE v ČR činil ke dni 31. 12. 2011 asi 218,9 MW. Větrné elektrárny za rok 2011 vyrobily 396,8 GWh elektrické energie, což činí asi 0,5 % podíl ve vyrobené elektrické energii v ČR [7].

2.3 Vítr Pohyb vzduchu je podmíněn tlakem vzduchu a rozdíly v tlaku jsou dány různými tepelnými kapacitami zemského povrchu. Při nepohybující se Zemi by vzduch proudil po spádnici, tedy kolmo na izobary ve směru nižšího tlaku. Protože se Země otáčí konstantní úhlovou rychlostí, začínají působit další síly na směr proudění vzduchu. První je tzv. Coriolisova síla, která způsobí, že částice vzduchu (vítr) se na severní polokouli stáčí vpravo, na jižní zase vlevo. Účinek síly se zvyšuje úměrně s rychlostí přemísťujícího se vzduchu. Dále závisí na zeměpisné šířce. Při stejné rychlosti nejsilněji působí na pólech a na rovníku klesá k nule. V blízkosti rovníku se jeho směr mění vlivem rotace [8]. Dále se uplatňuje odstředivá síla, která odchyluje pohybující se částice ven od středu křivky. Tento účinek síly je velký při velkých zakřiveních drah pohybu. [8] Na pohybující se částice vzduchu v blízkosti zemského povrchu působí síla tření, která se skládá z tření o zemský povrch, včetně překážek na něm existujících a vnitřního tření, spojeného s turbulentním charakterem atmosférického proudění. Molekulární tření je ve srovnání s turbulentním třením zanedbatelně malé. V turbulentním prostředí je silně zvětšeno promíchávání vzduchu a zvětšují se síly tření. Velikost turbulentního tření závisí také na vertikálním teplotním profilu mezní vrstvy atmosféry. Turbulentní tření je největší u zemského povrchu a směrem vzhůru jeho velikost klesá. Vrstvu atmosféry, v níž se projevuje vliv tření, označujeme jako mezní vrstvu atmosféry.[1]


22

Třecí síla způsobuje, že se částice vzduchu nepohybují ani při ustáleném proudění rovnoběžně s izobarami, ale odklání směr větru k nižšímu tlaku a rychlost větru se zmenšuje. Třecí síla a tím i odchylka vzdušného proudu od směru izobar vzrůstá s drsností zemského povrchu. Z fyziky mezní vrstvy je známo, že rychlost větru s rostoucí výškou s ubývajícím třením přibývá. Úbytek tření s výškou se projevuje až k horní hranici mezní vrstvy atmosféry, jejíž průměrná výška ve střední Evropě se uvádí při stabilním zvrstvení (převážně v zimě) 300 400 m, jinak kolem 1 km [1]. Na proudění vzduchu má vliv také střídání teplot mezi pevninou, údolími a horami, holými a zalesněnými plochami. Směrem k rovníku proudí pasáty a v horních vrstvách zase opačným směrem antipasáty. V jihovýchodní Asii dochází k půlročnímu střídání monzunů vanoucích od moře s antimonzuny, které vanou opačným směrem. Kromě uvedených faktorů na pohyb atmosféry má vliv i přitažlivost Měsíce a Slunce [8]. Problematikou větrných podmínek na území ČR se zabývá Ústav fyziky atmosféry, oddělení mezní vrstvy atmosféry a dále pak vědecký obor meteorologie ve větrné energetice. Cíle těchto oborů jsou následující: • určení pole větrného potenciálu na území státu (vytváření větrných map), • v daných lokalitách, nebo vymezených plochách určit zásoby větrné energie v potřebném výškovém profilu, za použití vědeckých poznatků, • rozvoj metod pro určování optimální lokality pro umístění VtE, • hodnocení projevů meteorologických podmínek na množství vyrobené energie, • zkvalitňování metod pro předpověď výroby elektrické energie, která je důležitá k udržení stability ES.

2.4 Energie větru a výroba větrných elektráren Turbíny VtE získávají svoji energii snížením rychlosti vzdušného proudění, tím dochází k částečné přeměně kinetické energie vzduchu na kinetickou energii rotoru VtE. Kinetická energie proudící hmoty je dána vztahem: Ek 

1 1  m  v 2    V  v 2 (J; kg, m.s-1), 2 2

(2.1)

kde m je hmotnost, ρ hustota vzduchu, V objem vzduchu a v rychlost větru. Výkon, který je možné získat využitím veškeré kinetické energie větru proudícího jednotkovou plochou, která je kolmá na směr proudění, se označuje hustota výkonu větru a platí pro ni vztah: P

1    v 3 (W; kg.m-3, m.s-1). 2

(2.2)

Výkon větrné turbíny je dán vztahem: P

1  c p  A    v 3 (W; -, m2, kg.m-3,m.s-1), 2

(2.3)


23

kde cp je součinitel výkonu, který nabývá maximální hodnoty 0,593, reálná hodnota pro větrné turbíny je nižší a pohybuje se kolem hodnoty 0,4 a je závislá na rychlosti větru a typu větrné turbíny. A je plocha opisovaná rotorem.

2.5 Větrný potenciál na území ČR Jak už bylo popsáno výše, vítr vzniká vyrovnáváním tlakových nehomogenit. Proudění větru je navíc silně deformováno zemským povrchem. Ze dříve popsaných vlastností větru je tedy jisté, že v nížinách bude intenzita větru nižší a na vysokých horách vyšší. Protože výkon větru roste se třetí mocninou rychlosti větru, pak právě rychlost větru bude jedním z parametrů důležitých pro určení vhodné lokality VtE. Druhý neméně důležitý parametr pro VtE je směr proudícího větru. Pro předběžné odhadnutí vhodných větrných podmínek složí tzv. větrné mapy. Větrná mapa udává průměrné rychlosti větru v daném časovém intervalu v určité výšce nad zemským povrchem a určitém směru proudění. Na obrázku obr. 2-8 je znázorněna větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z jihozápadu, na obrázku obr. 2-9 při proudění ze severozápadu a na obrázku obr. 2-10 při proudění z jihovýchodu.

Obr. 2-8 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JZ [1]


24

Obr. 2-9 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění ze SZ [1]

Obr. 2-10 Větrná mapa rychlosti větru v 10 m nad zemským povrchem při proudění z JV [1] Z obrázků je dobře viditelné, jak nemalý vliv má ráz krajiny na větrné podmínky. O rychlosti větru ve výšce 100 m nad zemským povrchem nás informuje obrázek obr. 2-11. Tato mapa je volně k dispozici na webových stránkách Geoportálu. Můžeme si povšimnout, že větrné podmínky vhodné pro výstavbu VtE s rostoucí výškou přibývají, protože minimální rychlost větru pro současné VtE se pohybuje kolem 4 m/s.


Obr. 2-11 Rychlost větru ve výšce 100 m nad zemským povrchem v m/s [17]

25

3 Rozdělení větrných motorů

26

3 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH MOTORŮ Větrný motor je zařízení sloužící k přeměně kinetické energie větru na energii mechanickou. Jedná se tedy o mezistupeň transformace větrné energie na energii elektrickou. Jsou popsány dva základní principy transformace energie větru, podle kterých můžeme větrné motory rozdělit. Toto dělení vychází z jeho aerodynamických vlastností: • motory vztlakové, • motory odporové. Dále můžeme motory dělit podle uložení osy rotace: • horizontální, • vertikální. Podle rychlostního součinitele λ: • rychloběžné, • pomaloběžné. Případně podle instalovaného výkonu.

3.1 Větrné motory odporové Podstatou těchto motorů je skutečnost, že plocha nastavená proti větru mu vytváří aerodynamický odpor. Na ploše vzniká síla, která je transformována obvykle na rotační pohyb. Příkladem tohoto typu motoru je mističkový anemometr, nebo Savoniův větrný motor obr. 3-1. Z obrázku je patrné, že část větrné energie dopadající na aktivní lopatku je odvedena na lopatku pasivní. Aby mohl u tohoto typu motoru vzniknout hnací moment, musí být rychlost větru vyšší než obvodová rychlost rotoru. V ideálním případě bez zátěže budou otáčky rotoru úměrné rychlosti větru. Účinnosti motorů pracujících na odporovém principu se pohybují v rozmezí 15 23 %, proto se v oblasti energetiky využívají jen zřídka. Výhody odporových větrných motorů: • poměrně jednoduchá konstrukce, • možnost použití už při velmi malých rychlostech větru cca 2 m.s-1, • za předpokladu vertikální osy rotace nejsou závislé na směru proudícího větru, • přímý přenos kroutícího momentu na hřídel. Nevýhody odporových větrných rotorů: • nižší efektivita, • vysoké hodnoty točivého momentu, • nízké otáčky.


27

Obr. 3-1 Savoniuv větrný motor princip/modifikace Savoniova motoru v praxi [11]

3.2 Větrné motory vztlakové Větrné motory založené na vztlakovém principu jsou dnes nejpoužívanějšími stroji k transformaci energie větru na energii elektrickou. V energetice se tedy nejčastěji setkáváme s větrnými motory s horizontální osou rotace, natočenou kolmo na směr větru. Jedná se o rychloběžné motory dvoulisté a třílisté, výjimečně potom jednolisté a čtyřlisté. Příklad těchto motorů je na obrázku obr. 3-2.

Obr. 3-2 Vztlakové motory a) jednolisté, b) dvoulisté, c) třílisté V posledních letech byly tyto typy, především potom provedení třílistého motoru, zdokonalovány. Jejich současný stav je už na takové úrovni, že součinitel využití se pohybuje kolem 40 %. Obvodové rychlosti se podle počtu listů pohybují u jednolistých motorů přibližně na patnáctinásobku rychlosti větru, u dvoulistých je to kolem desetinásobku a u provedení třílistého obvodová rychlost bývá kolem sedminásobku rychlosti větru. Z důvodu vysokých rychlostí se v poslední době od jednolisté verze už upouští, protože je velice obtížné dimenzovat stožár. Sebemenší nevyváženost rotoru při takt velkých otáčkách rozechvívá celý stožár. Také


28

protizávaží se ukázalo jako nepříliš dobrá volba, protože plocha listu a protizávaží nevytváří stejný moment na hřídeli a tím nerovnoměrně zatěžuje ložiska. K neposlednímu důvodu, proč se od jednolistých rotorů upouští, patří zvýšená hlučnost způsobovaná právě vysokými rychlostmi, kde konec listu dosahuje obvyklé rychlosti až 400 m.s-1. Speciálním typem vztlakového motoru je motor Darrieus. Znázorněn je na obrázku obr. 3-3. Jedná se o motor nejčastěji s vertikální osou rotace, tedy obdobně jako u Savoniova motoru není závislý na směru větru. Obvodová rychlost bývá dle typu přibližně kolem pětinásobku rychlosti větru. Udávané účinnosti se pohybují kolem 35 %. Z důvodů vyšších rychlostí větru potřebných pro rozběh bývá často použit v kombinaci z motorem Savoniovým.

Obr. 3-3 Darrieusova turbína v praxi [12,13]

3.2.1 Princip vztlakových motorů U vztlakových motorů vycházíme z rovnice kontinuity. Větrný motor odebere proudícímu větru část kinetické energie protékající pracovní plochou, tím dojde k poklesu rychlosti větru za větrným motorem. Vyjdeme-li z obrázku obr. 3-4, kde je prostor ohraničen proudovými plochami, potom za předpokladu, že se nepřenáší hmota ani energie, můžeme napsat rovnici kontinuity: v1  A1  v  A  v2  A2 (m.s-1,m2),

kde v je rychlost větru a A je plocha opisovaná špičkou listu větrné turbíny.

(3.1)


29

Obr. 3-4 Princip vztlakového rotoru popsán rovnicí kontinuity Ze zákona zachování hybnosti můžeme odvodit axiální sílu Fa působící na listy větrného motoru:

Fa    A  v  v1  v2  (N; kg.m-3, m2, m.s-1).

(3.2)

Výkon větru je definován rovnicí: P  Fa  v    A  v 2  v1  v2  (W; N, m.s-1).

(3.3)

Pro výkon určený ze změny kinetické energie ΔEk proteklého vzduchu za jednotku času platí: P

Ek 1     A  v  v12  v22 (W; J, s). t 2





(3.4)

Porovnáním rovnic získáme vztah pro rychlost: v

v1  v2 (m.s-1; m.s-1). 2

(3.5)

Dosazením do rovnic (3.2) a (3.4) pro Fa a P získáme: Fa  P





1    A  v12  v22 , 2





1    A  v12  v22  v1  v2  . 4

(3.6)

(3.7)

Ideální účinnost přeměny kinetické energie na mechanickou můžeme definovat jako poměr výkonu motoru k výkonu větru. Při uvažování ideálního větrného motoru s nekonečným počtem lopatek pracujících bez aerodynamického odporu můžeme pro účinnost napsat vztah:

i 

v

2 1



 v22  v1  v2  (-; m.s-1). 2  v13

(3.8)


30

Výše uvedené rovnice popisují ideální stav – definují pouze výkon vzduchové hmoty. Pokud bychom chtěli definovat výkon větrného motoru protékaného touto hmotou, je potřeba rovnici výkonu větru vynásobit součinitelem výkonnosti cp. Součinitel výkonnosti udává, kolik energie z proudícího vzduchu se využívá na turbíně. Jeho maximální hodnota může teoreticky podle Netzova pravidla dosahovat cp = 0,59. Hodnota součinitele výkonnosti není konstantní a je funkcí rychlosti větru. Obecně lze říci, že hodnota součinitele výkonnosti je při nízkých rychlostech větru nízká, při středních rychlostech dosahuje maximálních hodnot a při vyšších rychlostech opět klesá [9].

4 Větrné elektrárny

31

4 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Zařízení nazývané větrnou elektrárnou je v základu složeno ze dvou, maximálně ze tří hlavních částí a slouží k transformaci větrné energie na energii elektrickou. Jedná se tedy o zdroj mechanické energie (větrný motor). Tato energie je pomocí elektrického stroje (generátoru) transformována na energii elektrickou. Aby elektrická energie byla použitelná, je důležitý nějaký akční člen, regulace, řízení. Každý s těchto bloků má přímý vliv na správnou funkčnost a účinnost celé VtE.

4.1 Rozdělení větrných elektráren Větrné elektrárny můžeme dělit podle několika faktorů. Jedním z hlavních je právě dělení podle druhu větrného motoru [kap. 3]. Další způsob rozdělení VtE je podle velikosti, nebo spíše instalovaného výkonu. Toto dělení není jednoznačně definované a může se v různých zdrojích lišit. Dále je možné VtE dělit podle způsobu provozu nebo druhu elektrického stroje. S tím úzce souvisí použití, či nepoužití převodovky a jiných potřebných technologií.

4.1.1 Mikroelektrárny Jedná se o zařízení nízkého instalovaného výkonu přibližně do 2 kW, velikost rotoru nepřesahuje průměr 1,25 m. Někdy bývá tato kategorie zahrnuta v kategorii malé větrné elektrárny. Uplatnění nacházejí především tam, kde není dostupnost elektrických sítí pro napájení baterií energeticky nenáročných zařízení. Dále mohou sloužit jako zdroj pro krytí částečné spotřeby a přispívat tak k energetické soběstačnosti budov. Většina těchto zařízení pracuje na nízkém stejnosměrném napětí, obvykle napětí akumulátorů. Výhodou tohoto typu zařízení je nízká hmotnost, malá velikost, jednoduchá manipulace, finanční dostupnost, možnost umístění v podstatě kamkoliv, kde jsou dobré větrné podmínky bez nutnosti povolení stavebního úřadupřenosné zařízení.

4.1.2 Malé větrné elektrárny Jednotkový instalovaný výkon malé VtE se udává do 50 kW a průměr rotoru nepřesahuje 15 m. Význam mají především jako lokální zdroje pro místa bez připojení k síti, velmi často v kombinaci s fotovoltaickými panely, bateriemi a záložním zdrojem - dieselagregátem. Umisťují se zpravidla na samostatné stožáry. Mezi výhody tohoto typu VtE se řadí finanční dostupnost, relativně snadné povolovací řízení (do výšky 10 m včetně rotoru stačí pouze ohláška), možnost samozásobení energií a možnost kombinace se solární energií tzv. antikorelace. Mezi nevýhody těchto dvou typů elektráren lze řadit: • nízké rychlosti větru v malých výškách a s tím spojené třeba i třetinové výkony než udává výrobce, • poměrně vysoký podíl nákladů mimo samotnou turbínu (montáž, elektroinstalace, baterie, řízení), • možné problémy s hlukem a vibracemi, • malý a špatně rozvinutý trh, často nesolidní přístup výrobců i prodejců, rychle vznikající a zanikající firmy a často nízká trvanlivost zařízení.


32

4.1.3 Střední větrné elektrárny Instalovaný výkon se u této kategorie pohybuje v rozmezí 50 – 300 kW, průměr rotoru 15 – 30 m. Využití nachází především v zásobování odlehlých lokalit, v ostrovním provozu zpravidla v kombinaci s jiným zdrojem. Účelem tohoto typu zařízení je úspora paliva dieselagregátů, kde při dobrých větrných podmínkách dokáže pokrýt velkou část spotřeby. Dnes už jsou první pilotní projekty spolupráce VtE s bateriemi o velikosti až 500 kWh, kde dieselagregát slouží jen jako záložní zdroj. Jen velmi výjimečně je tento typ VtE používán pro dodávku do sítě. Pro tyto účely jsou vhodnější velké VtE. Mezi výhody tohoto druhu VtE lze zařadit snad jen výkonnostní mezistupeň (vhodné tam, kde by velké VtE měly přebytek energie), menší zásah do krajinného rázu a jednodušší přeprava komponent na stanoviště oproti velkým VtE. Jako hlavní nevýhody VtE této kategorie jsou poměrně vysoké pořizovací náklady na jednotku výkonu a tedy s tím spojená i delší návratnost investic oproti velkým VtE. Dále potom z důvodů stavby nadmístního významu je stejně jako u velkých VtE na území ČR požadováno vyjádření EIA (vliv na životní prostředí) a povolení Krajského úřadu. Je to poměrně složitá procedura, kdy výsledek není jistý a může na něm ztroskotat spousta projektů.

4.1.4 Velké větrné elektrárny Do této kategorie spadají elektrárny s instalovaným výkonem nad 300 kW, dnes typicky jednotky o výkonu 2 – 3 MW. Výška stožáru se pohybuje v rozmezí od 50 m do 150 m, nejčastěji kolem 100 m. Velikost rotoru je dle výkonu 30-150 m, typicky kolem 100 m. Jedná se o jednotky přímo připojené do sítě, velmi často vytváří větrné parky. Výhodou této kategorie je velká výška a s tím spojené poměrně stabilní proudění větru dostatečné velké rychlosti, tedy i vysoká účinnost tohoto zdroje a rychlejší návratnost než u předchozích typů. Nevýhodu činí více jednotek tohoto typu na jednom místě – velký vliv na připojenou síť.

4.2 Větrné elektrárny grid-off V průběhu vývoje VtE bylo vždy snahou dostat elektrárnu na takovou úroveň, aby dodávala trvalý výkon bez přestávek, protože však nedokážeme řídit vítr a nedokážeme mu rozkazovat, tak je výkon VtE spíše stochastického rázu. Dá se sice odhadnout, jaký výkon bude elektrárna schopna dodat, ale jen v omezeném časovém předstihu a ne zcela přesně. S tohoto důvodu se začal řešit problém spojený právě s provozem VtE a to akumulace energie. V začátcích provozu samostatných VtE se přebytečná energie umořovala tím, že se transformovala na teplo. To však v době nedostatku elektrické energie (při bezvětří) neřešilo problém, kde elektrickou energii vzít. Teprve až s rozvojem nových technologií, které šly ruku v ruce s vývojem fotovoltaických panelů, kde byl problém obdobného charakteru, se začala problematika akumulace řešit ve velkém. Z rozvojem OZE a především pak zdrojů, kde není zajištěna kontinuální dodávka, jako například velké větrné a fotovoltaické parky, se začala problematika akumulace řešit ještě ve větší míře, protože v dobách špiček elektrická vedení nebyla schopna energii odvést ke spotřebě. V nočních hodinách nebo bezvětří byla vedení zase téměř nevyužívaná. Snahou je tedy využívat vedení co možná nejrovnoměrněji a přitom veškerou energii OZE odvést ke spotřebě. S touto problematikou je velmi často spojen pojem „virtuální elektrárna“. Jde sice o elektrárnu připojenou do sítě, ale v rámci elektrárny jako takové se jedná o jakýsi autonomní systém, který je schopen zajistit akumulaci přebytečné energie a dodat ji do sítě v době potřeby. Za předpokladu, že by síť byla spotřebič, který nemá žádné další zdroje, by se jednalo v podstatě také o grid-off systém. Rozvoj těchto velkých projektů dal zelenou i malým grid-off systémům. Ceny za jednotky akumulovaného výkonu s rozvojem stále klesají. Zároveň s akumulací energie


33

se rozvíjí i výkonová elektronika, bez které by dnes žádný grid-off systém nemohl fungovat. Tedy další důležitý prvek grid-off systému je nějaký výkonový řídící člen (měnič, střídač, regulační člen). Všechny tyto prvky se musí podřídit požadavku spotřeby. Spotřeba udává, jak velká bude muset být použita VtE, kolik energie bude třeba akumulovat, jaké výkonové prvky bude třeba použít a také určuje, jaký stupeň zabezpečení dodávky bude potřebovat. Podle těchto parametrů se dá dnes v podstatě na míru nadimenzovat grid-off systém. Je však důležité podotknout, že většina snah kolem řešení grid-off systému je založena na snaze ušetřit provozní nebo pořizovací náklady. Jen velmi zřídka je systému grid-off použito jako jistého druhu prestiže, nezávislosti na elektrické síti.

4.2.1 Rozdělení systémů grid-off Přesné rozdělení grid-off systémů není nikde definováno. Dělit tyto systémy je možné podle mnoha faktorů, ať už podle velikosti, rozsáhlosti, způsobu použití, nebo zabezpečení dodávky. Rozdělení podle způsobu použití: • použití na úrovni zdroj a spotřebič bez akumulace, • použití na úrovni trvale napájeného spotřebiče s možností krátkodobého výpadku, • použití na úrovni chaty nebo rodinného domu s možností připojení k elektrické síti, • použití na úrovni chaty nebo rodinného domu bez možnosti připojení k elektrické síti, • použití na úrovni chatové oblasti nebo vesnice bez možnosti připojení k síti. Úroveň spotřebič a zdroj bez akumulace nachází velké uplatnění všude tam, kde nejsme nijak limitováni množstvím vyrobené energie. Vyrobená energie je hned účelně spotřebovávána a přeměňována na jinou formu energie. Příklad tohoto systému je na obrázku obr. 4-1. V době, kdy VtE vyrábí, se zároveň čerpá voda ze studny do zásobníku nebo se ohřívá voda v zásobníku právě vyrobenou elektrickou energií. Tedy je-li VtE mírně předimenzována, dá se očekávat spolehlivý provoz celého systému. Výhodou tohoto typu systému je poměrně nízká pořizovací cena a jednoduchost. Nevýhodou může být nefunkčnost systému při dlouhodobém bezvětří, ale s tím se u tohoto typu musí počítat.

Obr. 4-1 Blokové schéma grid off systému bez akumulace Úroveň trvale napájeného spotřebiče s možností krátkodobého výpadku je takový koncept, kde je do obvodu zapojena řídící jednotka s bateriemi. Jak může takový systém vypadat, vyobrazuje obr. 4-2. Použití tohoto typu je možné všude tam, kde nám nebude vadit případný výpadek elektrické energie. Systém je sice imunní vůči krátkodobým stavům bezvětří, ale protože kapacita baterie je omezena, je nutné i u tohoto systému předpokládat, že k výpadku dodávky může dojít. Stabilita celého systému je závislá na správném nadimenzování VtE a baterií, vzhledem k odběru. Vše je ohraničeno možnostmi investora. Aby systém správně fungoval, je důležité dobře znát informace o četnostech a rychlostech větru a co možná nejvíc informací o připojené zátěži. Dle těchto informací volit kompromis mezi pořizovacími náklady a


34

předpokládaným počtem výpadků za určité časové období. V praxi se této koncepce využívá především pro malé výkony, desítky až stovky wattů, například meteorologické stanice na vrcholcích hor, informační tabule v chráněných rezervacích a jiné drobné spotřebiče, kde není možnost připojení k síti. Poměrně často se dá toto zapojení nalézt na lesních a horských chatkách především pro účel svícení a napájení drobných spotřebičů. Možnost výpadku je zde vyvážena poměrně nízkými náklady celého systému.

Obr. 4-2 Blokové schéma grid off systému s akumulací Úroveň chaty nebo rodinného domu s možností připojení k elektrické síti zastupuje skupinu systémů, kde objekt sice je připojen k elektrické síti, ale VtE připojena do této sítě není, bude tedy přispívat především k zvýšení soběstačnosti dané budovy. Může u dobrých projektů poměrně razantně snížit náklady za elektrickou energii, avšak náklady spojené s realizací mohou být někdy natolik vysoké, že životnost elektrárny nemusí být dostatečně velká, aby pokryla dobu návratnosti celého projektu. Realizace tohoto typu grid-off elektrárny vyžaduje v domě dvojí rozvod elektrické energie a místo pro uložení řídící jednotky a baterií. Projekty tohoto typu nemusí být vždy nutně výnosné, avšak jsou otázkou prestiže, jistého druhu nezávislosti na elektrické síti a možná i dobrým pocitem investora, že využívá tzv. zelenou energii a tím chrání přírodu. Úroveň chaty nebo rodinného domu bez možnosti připojení k elektrické síti je takový druh systému, kde není možnost připojení k elektrické síti a je očekáváno stoprocentní pokrytí spotřeby tohoto objektu. Aby byla tato podmínka splněna, je nutné zařadit do obvodu další nezávislý zdroj, například dieselagregát. Celý systém je provozován a dimenzován tak, aby baterie pokrývaly každodenní předpokládané výpadky VtE, ale protože může dojít i k neočekávanému (dlouhodobému) výpadku, na který není kapacita baterie dimenzována, je celý systém zálohován právě dieselagregátem, který v případě vybití baterií pod určitou úroveň zajistí dodávku pro celý objekt. VtE s vhodným nastavením kapacity baterie slouží především pro snížení nákladů na výrobu elektrické energie. Dnes se často VtE kombinuje s PV panely a díky antikorelaci lze dosáhnout stálejší dodávky, tedy i možnosti úspory na kapacitě baterie a omezení času provozu zdroje drahé energie dieselagregátu. U dobře dimenzovaných systémů lze docílit stavu, kdy dieselagregát pokrývá jen 2-3 % celkové spotřeby objektu. Návratnost investic je potom individuální pro každý projekt a posuzuje se vzhledem k ceně za jednotku energie primárního zdroje (dieselagregátu).


35

Obr. 4-3 Blokové schéma grid off systému s akumulací a záložním zdrojem Úroveň chatové oblasti nebo vesnice bez možnosti připojení k síti zastupuje rozsáhlý systém, kde není možné přivést elektrickou energii ze sítě, nebo by to bylo finančně velice nákladné. Celý systém se chová jako lokální síť a začíná být aktuální teprve v posledních letech. Původní lokální sítě osazeny zdroji, především dieselagregáty, jsou postupem času modernizovány a osazovány různorodými zdroji energie. Můžeme se u takových systému setkat se zdroji PVE, VtE, VE a jiných, které přebírají výkon dieselagregátů. Aby bylo možné reagovat na změnu odběru, je nutné síť vybavit akumulátorem energie. K akumulaci energie může být použito například baterií, ale u velkých projektů také třeba přečerpávacích elektráren. Dále se u takto velkých projektů nesmí zapomínat na dostatečně výkonný řídící systém, který má za úkol udržovat stav akumulované energie, řídit provoz různých zdrojů, zajistit tzv. „Black start“ při restartu sítě a udržovat kvalitu elektrické energie.

Obr. 4-4 Blokové schéma rozsáhlého grid-off systému s akumulací a záložním zdrojem Velmi často se v souvislosti s takto velkými hybridními systémy setkáváme s tzv. Levelized Cost of Energy (LCoE) - úroveň nákladů na energii. Dnes již LCoE hybridního systému vychází levněji, než LCoE s použitím samostatných dieselagregátů, avšak je vždy závislé na kurzu měny, ceně pohonných hmot a profilu odběru. První pilotní projekt rozsáhlé grid-off sítě se začíná realizovat v Čile. Jedná se o VtE park o instalovaném výkonu 16,5 MW, Li-Ion baterii o velikosti 1 MWh a dieselagregátu o instalovaném výkonu 12 MW. Předpokládaná návratnost investic je pro tento projekt stanovena na 3,3 roku [15].

5 Akumulace energie v systémech grid-off

36

5 AKUMULACE ENERGIE V SYSTÉMECH GRID-OFF V dnešní době se nabízí celá řada více či méně vyvinutých systémů pro akumulaci energie. Každý z těchto systémů má své kladné i záporné stránky a různou možnost jeho aplikace a využití. Po akumulačním systému se vyžaduje vysoká účinnost, co možná nejnižší cena za jednotku akumulované energie, dlouhodobá stálost, vysoká životnost a v neposlední řadě také nízké požadavky na údržbu, vysokou hustotu akumulované energie a často i nízkou hmotnost.

5.1 Rozdělení akumulačních systémů Základní dělení akumulačních systémů vychází z technologie použité k akumulaci. Další možností rozdělení akumulačních systému je například dělení podle možnosti použití nebo podle kapacity. Přehledné rozdělení systémů pro akumulaci elektrické energie je znázorněno na obrázku obr. 5-1. Z obrázku je patrné, že k akumulaci elektrické energie v systémech grid-off je nejvýhodnější právě akumulace pomocí baterií, protože u dobře navržených systémů předpokládáme potřebu akumulace maximálně v řádech hodin.

Obr. 5-1 Akumulace elektrické energie - základní dělení [15]

5.2 Baterie vhodné pro VtE v režimu grid-off Baterie pracují na principu elektrochemické akumulace. Vždy se jedná o soubor kladné a záporné elektrody ponořené do elektrolytu. Podle materiálů použitých na elektrody a druhu elektrolytu rozlišujeme několik typů baterií.

5.2.1 Ni-Cd (Nikl Kadmiové) akumulátory Jedná se o baterie, kde kladná elektroda je pokryta aktivním materiálem NiOOH (oxihydroxid niklu), na záporné elektrodě je houbovité kadmium. Elektrolytem je roztok hydroxidu draselného KOH [18]. Akumulátory tohoto typu se vyznačují vysokou spolehlivostí za extrémních provozních stavů, vysokou hustotou energie na jednotku hmotnosti a objemu (100 Wh/dm3), dobrou odolností na přebíjení a nadměrné vybíjení, nízkým samovybíjením a


37

odolností na vysoké teploty. Životnost je udávána v rozmezí 500 – 8000 cyklů v závislosti na hloubce vybíjení. Kapacita tohoto typu baterií je uváděna v rozmezí 40 – 1110 Ah. Provozní teplota se pohybuje v rozmezí od -50 do +70 °C. Baterie vydrží až 4roky bez potřeby nabíjení. Napětí plně nabitého článku naprázdno je přibližně 1,35 V (1,2 V při zatížení). Nevýhodou baterií je obsah jedovatého kadmia a dále tzv. paměťový efekt (pokles kapacity). Cenově se tento typ baterií pohybuje kolem 700 Euro/kW. Výrobce zabývající se výrobou Ni-Cd baterií je například SAFT, kde baterii najdeme pod označením Sunica plus.

5.2.2 Ni-MH (Nikl Metal Hydridové) akumulátory Ve snaze odstranit jedovaté kadmium v Ni-Cd akumulátorech vznikl akumulátor Ni-MH. Tento typ baterií v mnoha případech překonal vlastnosti baterií Ni-Cd. Podařilo se podstatně redukovat paměťový efekt oproti Ni-Cd článkům, zvýšit objemovou koncentraci energie až na 300 Wh/dm3. Také nabíjecí a vybíjecí proud je oproti Ni-Cd článkům vyšší. Životnost Ni-MH článku se pohybuje kolem 500-1000 cyklů dle hloubky vybití. Mezi nevýhody lze řadit vysokou cenu (1000 Euro/kW) danou použitím drahých materiálů do slitin záporné elektrody a tzv. efektem poklesu napětí spojeným s nedokončenými cykly nabíjení a vybíjení a relativně vyšší samovybíjení. Další nevýhodou může být nižší rozsah provozní teploty, při teplotách pod 0 °C je část kapacity baterie nepoužitelná, ale při zahřátí se kapacita zase obnoví. Příkladem tohoto typu baterií je baterie s označením NHE od výrobce SAFT [10].

5.2.3 Li-ion (Lithium-iontové) akumulátory Komerčně dostupný akumulátor od roku 1993. Anodu článku tvoří uhlík, katoda je tvořena oxidem kovu a jako elektrolyt je použita lithiová sůl v organickém rozpouštědle. Vyznačuje se vysokou objemovou koncentrací (1000 Wh/dm3), neexistujícím paměťovým efektem a malým samovybíjením. Nevýhodou je vysoká cena (2000 Euro/kW), špatná tolerance na vysoké proudy, přebíjení, podvybití a postupná degradace vnitřních struktur snižující životnost. Životnost je udávána kolem 3000 cyklů dle hloubky vybití. Článek má při nabytém stavu napětí 3,7 V. Provozní teploty jsou udávány v rozmezí -40 až 75 °C. Baterie tohoto typu je možné najít například od výrobce SAFT s označením Evolion [26].

5.2.4 LiFePO4 akumulátory Akumulátory LiFePO4 a LiFeYPO4 patří mezi nejmodernější nástupce lithiových baterií na trhu. Oproti předchozímu typu je tento typ podstatně bezpečnější, protože nebezpečné lithium je v baterii pevně vázáno. Další výhodou jsou nepochybně vysoké vybíjecí a nabíjecí proudy (jmenovitě 3C, maximálně 20C), avšak při použití vysokých nabíjecích a vybíjecích proudů baterie rychleji stárne. Jmenovité napětí článku se pohybuje přibližně kolem hodnoty 3,2 V. Doporučené provozní napětí je udáváno v rozmezí 3 – 3,6 V. Minimální a maximální napětí, která jsou ještě bezpečná, jsou udávána hodnotami 2,5 V a 4 V, u baterií s Ytriem může být maximální napětí i vyšší. Právě s důvodů maximálních a minimálních napětí, která se prudce mění při vybité a nabité baterii viz obr. 5-2, je výhodné provozovat baterie v rozmezí 30-90 % celkové kapacity SoC (state of charge). Při takovém provozu nedochází k poškozování článku a baterie je možné mnohem lépe využívat. Tento typ baterií se vyznačuje téměř nulovým samovybíjením, netrpí paměťovým efektem, nepoškozuje jej dlouhodobé vybití, je zcela bezúdržbový a hermeticky uzavřený. Provozní teplota akumulátorů je v rozmezí -45 – 85°C. Životnost akumulátoru je závislá na počtu a hloubce vybíjecích cyklů DoD (depth of discharge) viz obr. 5-3. Nevýhodou je nutnost balancování při spojení více článků [26], [19].


38

Obr. 5-2 Závislost napětí na SoC článku a doporučený provoz článku [19] Životnost baterií dle počtu cyklů 1000000 Předpokládaný počet cyklů 100000

10000

1000

100 5

15

25

35

45

55 DoD [%]

65

75

85

95

Obr. 5-3 Životnost článku v závislosti na hloubce vybíjecích cyklů [29]

5.2.5 Olověné akumulátory V současnosti nejrozšířenější způsob akumulace v grid-off systémech. Akumulátory můžeme rozdělit na otevřené akumulátory se zaplavenou konstrukcí a akumulátory bezúdržbové ventilem řízené (VRLA). Další dělení je možné provést podle typu elektrod na deskové, trubkové nebo spirálové. Napětí článku v nabitém stavu se pohybuje vždy kolem 2,2 V a v průběhu vybíjení klesá. Jeho napětí by nemělo klesnout pod hodnotu 1,75 V. Deskové olověné akumulátory se zaplavenou konstrukcí jsou nejlevnější (50 Euro/kWh), ale poměrně velké a těžké. Hustota energie na jednotku objemu se pohybuje kolem 50 Wh/dm3. Životnost je také poměrně nízká, dle podmínek provozu se pohybuje v rozmezí 0,5 až 3 roky. Trubkové olověné akumulátory se zaplavenou konstrukcí se vyznačují vyšší životností (5 až 8 roků dle hloubky vybití). Cena se pohybuje kolem 160 Euro/kWh [18].


39

Olověné akumulátory se zaplavenou konstrukcí trpí na sedání elektrolytu o vyšší koncentraci na dno nádoby a následně vzniku krystalů síranu olovnatého což vede ke snižování kapacity a zvyšování sériového odporu, tedy snižování napětí a maximálního proudu akumulátoru. Tomuto jevu se dá předejít promícháváním elektrolytu, nebo speciálním způsobem nabíjení kde dochází ke chtěnému vývinu plynů, tedy probublávání elektrolytu. Nutností u tohoto typu akumulátoru je údržba, neustále kontrolování a doplňování elektrolytu (vody). VRLA (Valve Regulated Lead Acid) deskového typu, ať už v provedení AGM (Absobed Glass Mat), nebo gelového typu mají udávanou životnost 5 roků a cena se pohybuje kolem 100 Euro/kWh. AGM akumulátory trpí částečnou stratifikací a může u nich docházet k teplotnímu zkratu, kdy dochází ke generování velkého množství kyslíku, který se exotermicky regeneruje na anodě. S tímto problémem úzce souvisí vysoušení elektrolytu a nárůst vnitřního odporu akumulátoru. AGM akumulátory mají také omezení s hlediska provozních teplot. Těmito nežádoucími projevy netrpí akumulátory gelového typu, a proto se používají častěji [18], [20]. VRLA akumulátory konstrukcí elektrod trubkového typu s gelovým elektrolytem mají oproti deskovému typu delší životnost udávanou kolem 8 – 10 roků. Cena se pohybuje kolem 200 Euro/kWh. Moderní technologie téměř zamezují tvorbě sulfátu a zaručují vysokou spolehlivost. Výhodou akumulátorů tohoto typu je mimo jiné i možnost instalace v jakékoliv poloze a žádná potřeba údržby. Provozní teploty se udávají v rozmezí od -20 do 50°C. Nevýhodou může být vyšší vnitřní odpor a občasné úplné vybití akumulátoru [18], [20].

6 Obecný návrh VtE v režimu grid-off

40

6 OBECNÝ NÁVRH VTE V REŽIMU GRID-OFF Pro optimální dimenzování a správnou funkci celého systému je důležité velmi dobře znát vstupní parametry jak zdroje, tak odběru. O odběru nejvíce vypovídá odběrový diagram, a to nejlépe roční, měsíční a denní. Můžeme v něm vyčíst odběrová maxima, doby trvání maxima i četnosti jednotlivých výkonů. Na základě těchto diagramů dokážeme určit energetickou náročnost odběru. Dalším důležitým faktorem je dobrá znalost větrných podmínek, buď určená z větrných map, nebo nejlépe měřená. Budeme-li mít k dispozici diagram rychlosti větru za určité časové období, ve výšce, kde je předpoklad instalace větrné turbíny, pak můžeme na základě odběru a výkonu elektrárny při určité rychlosti větru stanovit potřebnou velikost větrné turbíny. Vychází se přitom z energetické bilance, kdy je nutno zajistit výrobu dostatečného množství energie, aby byla schopna pokrýt nejen odběr ale i ztráty celého systému. Dalším krokem návrhu je baterie. Pro optimální chod systému je třeba vycházet s histogramu výroby VtE, kde je možné určit četnost výpadků VtE a doby výpadků. Na základě těchto údajů a odběrového diagramu dokážeme určit kapacitu baterie pro krytí těchto výpadků. Nyní už jen doplníme systém o výkonnou řídící jednotku (nabíječku) a měnič. Cílem celého návrhu je dosáhnout co možná nejméně výpadků a na co možná nejkratší doby za přijatelné ceny.

6.1 Určení výkonu VtE Pro určení optimální velikosti VtE musíme dobře znát požadavky očekávané od celého systému, tedy v zásadě vše o spotřebičích (odběru) - napětí, instalovaný výkon (příkon) a doby provozu dílčích spotřebičů. Z těchto zadaných informací dokážeme sestavit denní, měsíční nebo i roční odběrový diagram. V nejideálnějším případě si zajistíme časové měření příkonu všech spotřebičů. Příklad denního odběrového diagramu je znázorněn na obr. 6-1. Můžeme si povšimnout, že odběr je v každém časovém okamžiku jiný, nejedná se tedy o odběr konstantního výkonu.

Obr. 6-1 Denní odběrový diagram Budeme-li předpokládat, že jde o průměrný denní odběrový diagram, pak můžeme spočítat výkon potřebný v určitém časovém období (plochu pod křivkou):


41

T

A   p(t )  dt ,

(6.1)

0

kde A je plocha pod křivkou, 0 a T jsou meze ohraničující časový úsek a p(t) je funkce křivky. Podělíme-li plochu A vymezeným časem t, získáme střední výkon Pstř, tedy: Pstř 

A (W; W.s, s). t

(6.2)

Jde o původní odběr, který je nyní přepočítán na konstantní hodnotu. Za předpokladu, že by v celém systému nedocházelo k žádným ztrátám, byla by tato hodnota právě hodnotou hledanou pro volbu zdroje konstantního výkonu. Tímto zdrojem je za určitých podmínek právě VtE s nekonečně velkým bezeztrátovým akumulátorem energie. Protože hledáme reálný zdroj v reálném systému, je nutné počítat při volbě VtE s dostatečně velkou rezervou na krytí ztrát při akumulaci a při přeměně stávajícího napětí na napětí jiné, tedy ztrát v měniči, případně i krytí vlastní spotřeby. Dále je třeba si uvědomit, že baterie budou používány přibližně na polovinu vyrobené energie, a protože většina baterií pracuje s účinností kolem 80 %, můžeme psát vztah pro určení výkonu VtE následovně:

  1 P Pstř PVtE ,stř   1 stř   PDC ,odb    PDC ,odb , 1 k        1  k Bat Nab   měě

(6.3)

kde Pstř je střední výkon, PDC,odb je odběr na stejnosměrném obvodu, k je koeficient udávající poměr provozu na baterie, ηBat je účinnost baterie, ηNab je účinnost nabíječky (kontroléru) a ηměn je účinnost měniče. Pro zajištění dostatečného výkonu VtE je dobré počítat s jistou rezervou, tedy výsledný výkon navýšit například o 10 %. Nyní můžeme přistoupit k volbě vhodné VtE pro daný odběr. Aby bylo možné zvolit co možná nejvhodnější VtE, je nutným předpokladem znát dobře větrné podmínky v dané lokalitě. Předpokládejme tedy, že se jedná o lokalitu, s dostatečným větrným potenciálem. Dle rychlosti větru zvolíme tedy nejvhodnější VtE a pomocí její výkonové křivky a průměrného větrného diagramu určíme obdobně jako u odběru hodnotu středního výkonu PVtE,stř. Střední výkon je na obrázku obr. 6-2. značen Pstř. Na obrázku dále vidíme rychlosti větru za časové období v(t) a výkony p(t) přepočítané přes výkonovou křivku z obrázku obr. 6-3. Hledáme takovou VtE, kde střední výkon výroby bude vyšší než přepočtený střední výkon spotřeby PVtE,stř.


42

Obr. 6-2 Denní diagram rychlosti větru a výkonu VtE

Obr. 6-3 Výkonová křivka větrné elektrárny Takto navržený systém bude fungovat jen za předpokladu konstantních výkonů a odběrů, ty ale nikdy nejsou konstantní, proto je nutné celý systém zálohovat baterií.

6.2 Návrh baterie Funkčnost celého systému je závislá na optimálně navržené kapacitě baterie. Jedním ze způsobů, jak určit optimální velikost baterie vychází z větrných podmínek. Máme-li k dispozici dostatek informací o větrných podmínkách, můžeme hledat doby bezvětří, nebo lépe doby, kdy VtE nevyrábí žádnou energii a celý systém je závislý jen na akumulační baterii. Nejlépe o výpadcích VtE vypovídá histogram obr. 6-4, kde je názorně viditelná četnost výpadků určitých délek (nejedná se zde o reálná data). Dále je třeba si uvědomit, že o velikosti kapacity baterie rozhoduje čas mezi jednotlivými výpadky. Z histogramu ale můžeme odhadnout dle počtu


43

dlouhodobých výpadků jaká je pravděpodobnost, že nastanou dva dlouhodobé výpadky v krátké době za sebou.

Obr. 6-4 Histogram doby trvání výpadku větrné elektrárny V histogramu tedy vidíme četnost nejdéle trvajícího výpadku a za předpokladu, že vyloučíme možnost dvou dlouhodobých výpadku v krátké době po sobě, můžeme brát tento čas tvyp jako hlavní parametr pro návrh kapacity baterie. Pokud však dovolíme v systému krátkodobé výpadky, můžeme brát čas pro návrh baterie i kratší. Druhý důležitý parametr pro návrh baterie je samotný odběr, pro zjednodušení budeme předpokládat, že půjde právě o střední odběrový výkon Pstř. Nyní můžeme pro kapacitu akumulované energie použít vztah: Caku  Pstř  tvyp (Wh; W, h).

(6.4)

Nejedná se však o kapacitu samotné baterie. V kapitole [kap. 5] jsme se dozvěděli, že úplné vybíjení baterie má podstatný vliv na její životnost, proto je dobré nechat v baterii vždy alespoň 20 % energie. Dále výrobce udává o jaký procentní díl je nutné kapacitu baterie navýšit, aby po celou dobu životnosti splňovala původní požadavky. Reálnou watthodinovou kapacitu baterie tedy vypočítáme následovně: CBat ,Wh  Pstř  tvyp  1,2  k st (Wh; W, h, -),

(6.5)

kde kst je koeficient eliminující stárnutí baterie. V případě že budeme znát napětí stejnosměrné části obvodu, můžeme s přihlédnutím na klesající napětí při vybíjení článku stanovit ampérhodinovou kapacitu potřebné baterie, tedy:

CBat , Ah  kde Ustř je střední napětí baterie.

CBat ,Wh (Ah; Wh, V), U stř

(6.6)


44

Do systému volíme nejbližší vyšší kapacitu baterie takovou, aby byla schopna absorbovat nabíjecí proudy dodané s VtE a zároveň aby dokázala proudově pokrýt nároky spotřeby.

6.3 Provoz navrženého systému Každý systém je navrhován tak, aby splnil svůj účel, tedy aby nikdy nedošlo k nepředpokládanému přerušení dodávky. Avšak příroda je nevyzpytatelná a proto je nutné systém proti jejímu vlivu více, či méně chránit. Bude-li celý systém závislý jen na VtE, je téměř jisté, že jeho robustnost nikdy nedokáže zaručit bezvýpadkový provoz. Pokud víme, že k výpadku dojít nesmí, je nutné celý systém zálohovat z jiného, nejlépe nezávislého zdroje (dieselagregát). Dále je zapotřebí, aby řídící jednotka hlídala stav baterie a včas dokázala připojit záložní zdroj a odpojit spotřebu tak, aby měla dostatek energie na restart systému, nebo například odstavit VtE při přebytku energie, aby nedocházelo k přebíjení baterií. U větších systémů je zapotřebí před samotným spuštěním systému provést nezbytné kalibrace a odlazení všech prvků.

6.4 Návratnost investic Při každém návrhu systému grid-off je zapotřebí uvědomit si, za jakým účelem je systém navrhován, bude-li systém jediným možným způsobem napájení, nebo zda bude nahrazovat jiný alternativní zdroj. Podle účelu použití musíme také přistupovat k samotnému financovaní a výpočtům spojeným s návratností. Za předpokladu že původní zdroj systému byl dieselagregát, nebo jiný zdroj, který ke svému provozu potřebuje placené médium (fosilní palivo), potom celý výpočet návratnosti bude zaměřen právě na spotřebu, tedy především cenu spotřebovaného média. Na druhé straně výpočtu bude právě výše investic do alternativního zdroje. Hledaným prvkem rovnice bude právě čas t, za který se investiční náklady Ni1 a provozní náklady Np1 prvotního zdroje budou rovnat investičním nákladům Ni2 a provozním nákladům Np2 alternativního zdroje. Můžeme tedy zjednodušeně psát:

t

N N i1

N p 2  N p1

i2

(rok; Kč/rok, Kč).

(6.7)

Výpočet návratnosti je ve skutečnosti mnohem složitější. Je nutné při něm zohlednit inflaci, změnu provozních nákladů v důsledku změny cen fosilních paliv a další faktory jako například neočekávaná porucha některého prvku a taky neočekávaná změna větrných podmínek. Všechny tyto faktory mají přímý vliv na dobu návratnosti investic. Doba návratnosti investic by neměla překročit dobu životnosti alternativního zdroje. Tuto podmínku je obvykle velmi těžké dodržet, ale je třeba si uvědomit, že investice do tohoto typu zařízení může být jistý druh prestiže, nezávislosti na okolí, a proto nemusí být nutně tento systém navrhován a instalován za účelem zisku.

7 Návrh ostrovního systému pro rodinný dům

45

7 NÁVRH OSTROVNÍHO SYSTÉMU PRO RODINNÝ DŮM 7.1 Popis lokality z pohledu energetických potenciálů 7.1.1 Větrný profil lokality Vzhledem k autorským právům na použitá data není možné zveřejnit konkrétní umístění objektu. Jedná se o lokalitu na Svitavsku na mírně vyvýšeném místě. Na lokalitě bylo provedeno měření rychlosti a směru větru ve výšce 10 m nad zemským povrchem. Toto měření probíhalo jeden rok v intervalu 5 minut, avšak z důvodu mnoha výpadku byla naměřena data v celkové délce jen asi půl roku. Větrný profil lokality je tedy určen z měřených dat 54 124 vzorků a je vyobrazen v grafu obr. 7-1. Četnosti rychlostí větru ve sledovaném období 14000 četnost 12000 10000 8000 6000 4000

2000 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13 14 15 16 17 rychlost větru [m/s]

Obr. 7-1 Četnosti rychlostí větru ve sledovaném období Pro lepší přehlednost je uveden graf obr. 7-2, kde jsou data uvedena procentuálně, tedy nezávislá na počtu vzorků.


46

Procentuální výskyt rychlostí větru ve sledovaném období 25 výskyt [%] 20 15 10 5

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13 14 15 16 rychlost větru [m/s]

17

Obr. 7-2 Procentuální výskyt rychlostí větru ve sledovaném období Z grafu obr. 7-2 je patrné, že rychlost větru v lokalitě dle předpokladů není nijak vysoká. Nejčastěji se zde vyskytují rychlosti větru v rozmezí 2 – 6 m/s. Průměrná rychlost větru za měřené období byla stanovena na 4,02 m/s. Pokud dojde k zanedbání rychlosti větru pod 2,5 m/s, bude průměrná rychlost větru 4,88 m/s v 39 626 vzorcích za sledované období. Zanedbání vzorků s nízkou rychlostí větru je výhodné při použití turbíny, která při zanedbaných rychlostech nedodává energii. Tyto hodnoty jsou zpracovány v tabulce tab 7-1. Maximální naměřená rychlost větru za sledované období byla 16,23 m/s. Tab. 7-1 Velikost průměrných rychlostí větru při zanedbání nevyužitých rychlostí větru vzanedbané [m/s] 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 a

a

vzorky 38349 36042 33528 31315 28868 26770 24487 22540 20495 18850

vprůměr [m/s] 4,96 5,11 5,27 5,42 5,60 5,77 5,96 6,14 6,34 6,52

čas t [dny] 133,16 125,15 116,42 108,73 100,24 92,95 85,02 78,26 71,16 65,45

čas t [%] 70,85 66,59 61,95 57,86 53,34 49,46 45,24 41,65 37,87 34,83

počet aktivních vzorků za sledované období

O směru větru vypovídá graf na obr. 7-3. Směr větru je tedy spíše chaotický, nejméně často proudí vítr od severu, severovýchodu a východu, což odpovídá azimutu 0 – 90 °. Naopak nejčastěji vítr vane od jihovýchodu.


47

Směr proudění větru - četnost 6000 četnost 5000 4000 3000 2000 1000

360

345

330

315

300

285

270

255

240

225

210

195

180

165

150

135

120

105

90

75

60

45

30

15

0 azimut [°]

Obr. 7-3 Směr proudění větru ve sledovaném období – četnost

7.1.2 Sluneční profil lokality Protože i sluneční záření je zdrojem výrazného energetického potenciálu, bylo by vhodné v dané lokalitě měřit současně s daty větru i data intenzity slunečního svitu. To se však neuskutečnilo. Aby bylo možné v ostrovním systému počítat i s výkonem dodaným slunečním zářením, bylo nutné intenzitu svitu v jednotlivých časových intervalech stanovit. Použitá data intenzity slunečního záření tedy nejsou reálná, ale generovaná za určitých podmínek aby se co nejvíce blížily reálným. V tabulce tab. 7-2 jsou vypsány průměrné doby svitu v jednotlivých měsících, kterých bylo použito při generování dat slunečního svitu, kde odchylka od průměrného měsíčního svitu nepřesáhla 5 %. Východy a západy slunce byly použity k rozlišení dne a noci. Tab. 7-2 Průměrná měsíční doba svitu [40] měsíc Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec

doba svitu [hod] 49,4 78,6 127,0 170,5 225,8 230,0 241,4 223,5 167,5 131,2 57,0 45,4

východ slunce 8:00 7:40 6:50 6:50 5:40 5:00 5:00 5:30 6:00 7:00 8:00 7:30

západ slunce 16:00 16:50 17:50 19:30 20:30 21:00 21:10 20:50 20:00 19:00 18:00 16:00

Energetický potenciál slunce pro další potřeby ve sledovaném období 54 124 vzorků v intervalu 5 minut, který byl vytvořen dle popsaných pravidel, je vyobrazen graficky na obr. 7-4.


48

Četnost intenzity slunečního záření ve sledovaném období 30000 četnost 25000 20000 15000 10000 5000 0 0

10

20

30

40

50

60 70 80 90 100 intenzita slunečního záření [%]

Obr. 7-4 Intenzita slunečního záření ve sledovaném období – četnost Pro vyšší přehlednost a nezávislost na sledovaném období je doplněn graf obr. 7-5, kde je výskyt procentuální intenzity slunečního záření vyjádřen v procentech. Četnost intenzity slunečního záření ve sledovaném období 50 výskyt [%] 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60 70 80 90 100 intenzita slunečního záření [%]

Obr. 7-5 Intenzita slunečního záření ve sledovaném období – procentuální výskyt Z grafů obr. 7-5 je patrné, že téměř polovinu času byla hodnota slunečního svitu nulová, tedy byla noc. Naopak období, kdy sluneční svit byl maximální, trvalo jen velmi krátce.

7.2 Popis řešeného objektu Daný objekt se nachází na Svitavsku na mírně vyvýšeném místě. Jedná se o samostatně stojící rodinnou chatu původně určenou pro letní rekreaci, nyní po přestavbě se očekává celoroční užívání. Půdorys budovy má rozměry 8 x 12 m a celková podlahová plocha je 150 m2. V přízemí budovy je obývací pokoj s krbem, kuchyň a jídelna. V podkroví se nachází koupelna, malá pracovna, ložnice, dětský pokoj a malá místnost (odkládací prostor). Severozápadně od objektu se nachází studna s pitnou vodou. Jihovýchodně od objektu je vystavěna příjezdová komunikace


49

(polní cesta). V lokalitě je vybudována elektrická přípojka, která se nachází 100 m od objektu. Na obrázku obr. 7-6 je znázorněna situační mapa daného objektu včetně označení světových stran.

Obr. 7-6 Situační mapa objektu pro realizaci OS

7.2.1 Energetická náročnost objektu na tepelnou energii Objekt po rekonstrukci spadá dle zákona č. 406/2000 Zb. v pozdějším znění vyhlášky k § 6a tohoto zákona, vyhlášky č. 148/2007 Zb., o energetické náročnosti budov, pod nízkoenergetické budovy. Náročnost na vytápění budovy je tedy v rozmezí 15 - 50 kWh na čtvereční metr podlahové plochy za rok. V tomto případě se pohybuje náročnost na vytápění budovy těsně pod horní hranicí, konkrétně 49 kWh·m-2·rok-1. Předpokládané měsíční nároky na vytápění a přípravu TUV jsou přehledně zpracovány v tabulce tab. 7-3 a následně v grafu obr. 7-7.


50

Tab. 7-3 Předpokládané nároky na vytápění a přípravu TUV [21] a

Měsíc Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec Celkem

Vytápění [kWh] [GJ] 1618,8 5,8 1274,5 4,6 943,9 3,4 515,3 1,9 82,1 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 73,0 0,3 490,2 1,8 1007,8 3,6 1436,4 5,2 7441,9

26,8

b

Příprava TUV [kWh] [GJ] 458,7 1,7 454,1 1,6 435,8 1,6 412,8 1,5 389,9 1,4 367,0 1,3 367,0 1,3 367,0 1,3 385,3 1,4 403,7 1,5 422,0 1,5 449,5 1,6 4912,7

17,7

a

Hodnoty energie pro vytápění jsou platné pro venkovní výpočtovou teplotu -12 °C, průměrná teplota v období topné sezóny byla stanovena na 4,3 °C. b

Hodnoty energie pro přípravu TUV jsou platné při teplotě vstupní vody v zimním období 5 °C a v letním období 15 °C, požadovaná teplota TUV je 55 °C a denní spotřeba byla 0,2 m3/den.

Graf roční energetické náročnosti na vytápění a přípravu TUV v daném objektu 2500,0 Energie [kWh] 2000,0

Příprava TUV [kWh] Vytápění [kWh]

1500,0 1000,0 500,0 0,0

Obr. 7-7 Předpokládaná energetická náročnost na vytápění a přípravu TUV

7.2.2 Energetická náročnost objektu na elektrickou energii Spotřebiče elektrické energie v daném objektu nejsou nijak specificky vybírány, jedná se tedy o standartní spotřebiče v běžné domácnosti určené na síťové napětí 230 V, 50 Hz. Konkrétní spotřebiče včetně jejich parametrů jsou přehledně vypsány v tabulce tab. 7-4. Pod položkou Pmax je udán maximální jmenovitý příkon spotřebiče. Pšpič reprezentuje maximální nárazový výkon dle typu spotřebiče, obvykle několikanásobek jmenovitého příkonu. Reálný průměrný denní příkon zařízení je udán pod položkou Preal. Pod položkou tpr/24 je udán průměrný čas provozu zařízení za den a Ep24 udává průměrnou energii spotřebovanou spotřebiči za den.


51

Tab. 7-4 Spotřebiče v daném objektu a jejich parametry Spotřebič

Typ

Domácí vodárna

Al-Ko-HW F 1000

Čistička odpadních vod

Bio Cleaner BC4

Chladnička s mrazákem

Whirpool ART 480

Mikrovlnná trouba

b

Pmax[W]

a

Pšpič[W]

Preal[kW]

tpr/24[h]

Ep24[kWh]

1000

6000

1,000

1,00

1,000

50

300

0,050

24,00

1,200

160

2400

0,026

24,00

0,630

Elektrolux-EMS 20400k

1000

2000

1,000

0,20

0,200

Pračka

AEG Lavamat 60260 FL

2200

4400

0,890

0,33

0,294

Myčka nádobí

Concept MNW 4560

2100

4200

0,930

0,50

0,465

Rychlovarná konvice

Concept RK 3050

2200

4400

2,200

0,20

0,440

Notebook

Lenovo Z570

90

180

0,065

4,00

0,260

Notebook

Asus Eee x101

40

80

0,030

3,00

0,090

LED TV

Philips Smart LED TV

62

124

0,052

4,00

0,208

PLC Foxtrot Osvětlení

CP xxxx

20

40

0,005

24,00

0,120

3 x Osram Duluxstar 17W

51

102

0,051

5,00

0,255

Osvětlení

Philips Small Economy

23

46

0,023

4,00

0,092

Osvětlení

Philips Economy 6Y

6

12

0,012

4,00

0,048

Rezerva

ostatní malé spotřebiče

2000

4000

2,000

0,20

0,400

11002

28284

8,334

Suma

5,702

a

Pro napájení asynchronních motorů (oběhová čerpadla, okružní pily, frézky, malé soustruhy) Pšpič = 6 – 8 x Pel, pro napájení motorů s komutátorem (ruční el. nářadí, jako vrtačky, ruční okružní pily, brusky, dále vysavače apod.) Pšpič = 3 x Pel. Spotřebiče se spínaným napájecím zdrojem (notebooky, PC, servery, nabíječky apod.) Pšpič = 2 x Pel, pro lednice a mrazáky Pšpič = 15 x Pel. b

Hodnoty převzaty ze stránek výrobce, jedná se o jmenovitý udávaný výkon.

V tabulce tab. 7-4 si můžeme dále povšimnout posledního řádku, kde jsou uvedeny součty výkonů a spotřeby jednotlivých spotřebičů. Budou-li všechny spotřebiče v jeden okamžik v provozu, bude v tu chvíli odebírán výkon 11kW. Dojde-li v jeden okamžik ke spuštění všech spotřebičů, bude špičkový výkon dosahovat 28 kW. Toto by mohlo být kritické při dimenzování některých prvků ostrovního systému, především pro invertor a elektrocentrálu, ale v neposlední řadě také pro akumulátory a jištění. Aby nedocházelo ke spínání větších spotřebičů v jeden okamžik, byl objekt vybaven řídící PLC jednotkou Foxtrot. Tato jednotka podle nastavení dokáže řídit chod celého domu. Velkou předností může být i vlastnost odložit start některých spotřebičů v době nedostatku energie.

7.3 Návrh ostrovního systému pro daný objekt Nyní, když známe potřebné vstupní parametry daného objektu, můžeme přistoupit k samotnému návrhu ostrovního systému. Hlavním předpokladem pro správnou funkci celého systému je optimální volba zdrojů elektrické energie. V případě volby silného zdroje budou vysoké investiční náklady a zdroj nebude optimálně využíván, bude muset být odstavován nebo bude nutné přebytečnou energii nějakým způsobem umořovat a to vzhledem k její ceně není příliš ekonomické. Při volbě slabého zdroje nemusí docházet ke správnému dobíjení baterií, což může mít za následek poškození baterií, ale je také velmi pravděpodobné, že chybějící výkon bude dorovnáván alternativním a drahým zdrojem a budou narůstat provozní náklady.


52

7.3.1 Dimenzování zdrojů elektrické energie Při dimenzování zdroje, tedy vhodné větrné elektrárny, vycházíme ze spotřeby daného objektu. V ideálním případě by šlo o pětiminutové intervaly obdobně jako u dat větru a slunce. Tato data nejsou však k dispozici. Použijeme tedy data průměrné denní spotřeby tab. 7-4, navýšené o rezervu na krytí ztrát. Hledáme tedy VtE, která má průměrný denní výkon vyšší než je průměrná denní spotřeba objektu. Každá větrná elektrárna je definovaná jmenovitým výkonem, ten však není při dimenzování až tak podstatný. Daleko větší význam pro správné dimenzování má výkonová křivka. Na obrázku obr. 7-8 jsou uvedeny výkonové křivky vybraných větrných elektráren. S přihlédnutím na průměrné rychlosti větru v tab. 7-1 a na histogram rychlosti větru obr. 7-2 je zřejmé, že nás u větrných elektráren bude zajímat výkon elektrárny při velmi malých rychlostech větru. Výkonové charakteristiky vybraných VtE 5000 P [W] 4000 ANERN 3000W ANERN 1000W

3000

GWL 1000W 2000

ANERN 600W ANERN 400W

1000

ANERN 5000W

0 2,5

5

7,5 10 12,5 rychlost větru [m/s]

15

17,5

Obr. 7-8 Výkonové charakteristiky vybraných VtE [39] Výkon jednotlivých typů VtE při různých rychlostech větru je přehledně zpracován v následující tabulce. Tab. 7-5 Výkony jednotlivých typů VtE při různých rychlostech větru vzanedbané [m/s] 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4

vprůměr

čas t

[m/s] 4,96 5,11 5,27 5,42 5,60 5,77 5,96 6,14 6,34 6,52

[%] 70,85 66,59 61,95 57,86 53,34 49,46 45,24 41,65 37,87 34,83

ANERN 3000W P [W] 462,92 514,25 574,99 637,62 720,05 805,09 908,16 1013,29 1138,08 1256,99

ANERN 1000W P [W] 257,32 277,15 299,83 322,55 351,70 381,08 415,97 450,92 491,74 530,08

GWL 1000W P [W] 65,68 72,97 81,26 89,48 99,93 110,34 122,60 134,81 149,02 162,40

ANERN 600W P [W] 121,58 135,95 152,25 168,39 188,79 209,04 232,67 255,92 282,61 307,25

ANERN 400W P [W] 72,69 81,16 90,62 99,87 111,43 122,78 135,95 148,85 163,62 177,25

ANERN 5000W P [W] 685,52 739,48 792,18 837,77 888,96 935,42 987,46 1039,24 1102,52 1167,17


53

Z průměrné denní spotřeby vypočítáme průměrný výkon Pp,sp následovně: Pp , sp 

E

p 24

t



5700 Wh  237,5 W . 24 h

(7.1)

Minimální výkon VtE tedy musí být z důvodů ztrát vyšší. Z tabulky tab. 7-5 najdeme řádek, kde jsou zanedbány rychlosti větru při kterých VtE nevyrábí žádnou energii. Pro většinu elektráren se tedy jedná o řádek, kde byly zanedbány rychlosti větru nižší než 2,6 m/s. Jen VtE s označením GWL 1000W, kde jsou zanedbány rychlosti větru do 3 m/s a u ANERN 5000W jsou zanedbány rychlosti větru do 3,4 m/s. Nalezené výkony je nutné přepočítat tak, aby se jednalo o trvalý výkon, tedy například pro ANERN 3000W: PVtE  PVtE ,t 

čas 70,85 %  462,92 W   327,98 W , 100 100

(7.2)

kde PVtE,t je výkon dodávaný po určitý čas. Z uvedeného vyplívá, že vyšší výkon, než výkon minimální Pp,sp má jen VtE ANERN 3000W a ANERN 5000W. Protože VtE ANERN 5000W má výkon téměř dvojnásobný, nebylo by ekonomické ji v systému použít. Další možný způsob jak správně dimenzovat VtE spočívá v součtu všech výkonů získaných z rychlostí větrů, přepočítaných přes výkonovou křivku jednotlivých typů VtE. Průměrné denní výroby VtE s použitím naměřených rychlostí větru jsou zpracovány v tabulce tab. 7-6. Tab. 7-6 Průměrné denní výroby VtE s měřených rychlostí větru Typ VtE ANERN 400W ANERN 600W ANERN 1000W GWL 1000W ANERN 3000W ANERN 5000W

Průměrná denní výroba [kWh] 1,53 2,75 5,37 1,70 12,57 13,38

V tabulce je patrné, jak velký vliv na vyrobenou energii má výkonová křivka. VtE s označením GWL 1000W má výkonovou křivku s malým stoupáním, ale zase dokáže lépe pracovat při vyšších rychlostech větru. V dané lokalitě jsou rychlosti větru malé a proto i vyrobená energie touto VtE je malá. Dle výsledků v tabulce tab. 7-6 se nám potvrdil výběr vhodné VtE a to ANERN 3000W.

7.3.2 Výběr vhodné řídící jednotky pro VtE Při volbě řídící jednotky pro VtE je důležité dodržet výkonovou řadu, tedy použít řídící jednotku pro stejný nominální výkon jako samotnou VtE. Dále musíme zvolit totožnou napěťovou hladinu s použitou VtE a také zkontrolovat, zda je jednotka určena pro střídavý, obvykle 3 fázový, nebo stejnosměrný generátor. V některých případech je nutné se také zaměřit na jaký typ baterií je jednotka vhodná a v neposlední řadě na její účinnost. Všem těmto podmínkám nejlépe vyhovuje hybridní řídící jednotka s označením TH30A-48 (ZonHan ZWS30A-48), ke které je mimo VtE možné připojit i FV pole do jmenovitého výkonu


54

900 W. Tato řídící jednotka potřebuje pro správnou funkci přídavnou zátěž, kde dochází k umořování přebytečné energie.

7.3.3 Dimenzování baterií Baterie volíme v závislosti na řídící jednotce. Musíme dodržet napěťovou hladinu řídící jednotky a také musíme přihlédnout na jaký nabíjecí a vybíjecí proud je baterie stavěna. Důležitým faktorem při volbě baterií je počet cyklů, tedy životnost. Při výpočtech kapacity baterie vycházíme z výroby a spotřeby energie. Správně dimenzovaná baterie by měla pokrýt běžné výpadky zdrojů (VtE). Pokud by byla lokalita popsána jen průměrnou rychlostí větru, musela by se kapacita baterie jen odhadovat. Při odhadu se pak používá nejdelší zadaná doba výpadku zdroje (VtE). Výpočet na základě tohoto odhadu pak vychází s průměrné denní spotřeby objektu, tedy:

Caku   E p 24  t vypadku  5,7 kWh  3 dny  17,1 kWh .

(7.3)

Při výpočtu byl předpokládán nejdelší výpadek zdroje v délce 3 dnů. Další způsob jak správně dimenzovat baterii vychází ze známosti dlouhodobého záznamu rychlosti větru a tedy i výroby VtE. V měřených datech potom hledáme nejdelší výpadky, jejich délku a četnost. Pro tyto případy je vhodné použít histogram výpadků zdroje (VtE). V obrázku obr. 7-9 je histogram počtu výpadků různých časů trvání za sledované období. Můžeme si povšimnout, že nejdelší výpadek výroby trval 23 hodin a nastal jen jednou za sledované období, avšak délka výpadku zdroje (VtE) není při volbě kapacity baterie hlavním určujícím faktorem. Podstatně přesněji o kapacitě baterie vypovídá histogram obr. 7-10, kde sledovaným faktorem za určité období je četnost nedostatků výroby zdroje, tedy kolik energie je potřeba dodat aby byla pokryta průměrná denní spotřeba (rovnoměrně rozložena do intervalů v délce 5 minut), do doby než dokáže zdroj spotřebu sám pokrýt. Četnost výpadků různé délky trvání za sledované období 10000 četnost 1000 100 10

1 0,1

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 délka výpadku [hod]

Obr. 7-9 Četnost výpadků různé délky trvání za sledované období


55

Četnost různě velkých nedostatků výroby za sledované období 10000 četnost 1000 100 10 1 0,1 1

2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 nedostatek výroby [kWh]

Obr. 7-10 Četnost různě velkých nedostatků za sledované období Z histogramu je patrné, že jen jednou za sledované období činil deficit výroby 20 kWh. Protože však většina nedostatků nepřesahovala 10-11 kWh, můžeme to vnímat jako výjimečný stav. Z histogramu se dá tedy stanovit kapacita baterie, která by měla pokrýt většinu deficitů, tedy právě 10-11 kWh. Pro kompletnost je doplněn histogram obr. 7-11, kde vidíme počet výskytů deficitních stavů různého trvání. Nejdelší deficitní období nastalo jen jednou za sledované období a trvalo 1100 hodin. Většina deficitních období nepřesahovala délky 400 hodin, tedy asi 16 dnů. Tato informace by mohla být důležitá při použití baterií, které nejsou stavěny na dlouhodobé uchovávání ve vybitém stavu, protože můžeme předpokládat, že za tuto deficitní dobu může dojít i k hlubokému vybití baterie. Četnost nedostatečné výroby různé délky trvání za sledované období 10000 četnost 1000 100 10 1

1100

1050

1000

950

900

850

800

750

700

650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0,1 délka nedostatečné výroby [hod]

Obr. 7-11 Četnost výroby různé délky trvání za sledované období Protože většina komponentů použitých v ostrovním systému má udávanou životnost delší než 20 roků, použijeme baterie s dlouhou životností, tedy baterie typu LiFePo. Tento typ baterií je charakteristický svoji silnou závislostí napětí na nabití (vybití) viz obrázek obr. 5-2. Výrobci baterií doporučují baterie používat tak, aby při vybíjení kapacita baterie neklesla pod 20 %


56

celkové kapacity a při nabíjení kapacita baterie nepřevyšovala 90 % celkové kapacity. Tento režim zaručuje optimální využívání baterie jak z hlediska životnosti, tak i z hlediska provozního dobře snáší vysoké nabíjecí a vybíjecí proudy. Skutečná využívaná kapacita baterie odpovídá tedy přibližně 70 % celkové kapacity navrhované baterie. Celkovou kapacitu baterie tedy vypočítáme následovně: C aku1 

Cužit 11 kWh   15,71 kWh . 0,7 0,7

(7.4)

Budeme-li předpokládat, že se celková kapacita baterie za dobu životnosti sníží o 10 % v důsledku opotřebení, je nutné při dimenzování baterii o tuto ztrátu navýšit, tedy: C aku,hledaná,Wh 

C aku1 15,71 kWh   17,46 kWh . 0,9 0,9

(7.5)

Podělíme-li tuto kapacitu jmenovitým napětím, získáme Caku,hledaná,Ah, tedy: C aku,hledaná, Ah 

C aku,hledaná,Wh U bat, jm



17 460 Wh  363,75 Ah . 48 V

(7.6)

Hledaná baterie by měla mít kapacitu vyšší než Caku,hledaná,Ah. Protože běžný článek LiFePo má napětí Učl = 3,2 V a jmenovité napětí hledané baterie Ubat,jm = 48 V, můžeme stanovit počet článků následovně:

pocet cl . 

U bat, jm U čl



48 V  15 článků . 3,2 V

(7.7)

Je možné skládat články baterie sériově i paralelně, ale pro hlídání provozu je výhodnější použít jen jednu sériovou větev. Nejblíže vypočtené kapacitě je článek WB-LYP400AHA LiFeYPO4 (3.2V/400Ah) od výrobce CALB.

7.3.4 Volba vhodného balanceru pro baterie Protože baterie jsou nepochybně nejdražším článkem celého ostrovního systému, bylo by dobré je opatřit vhodným typem balanceru. Balancer zajistí správné nabíjení každého článku a tím umožní využívat baterie efektněji, může prodloužit životnost a zajistí ochranu baterie v případě selhání větrného regulátoru. Balancer volíme takový, aby dokázal umořit v pomocné zátěži téměř celý dodávaný výkon. Druhým nutným předpokladem je dostatečný počet vstupů dle počtu článků. Nejlépe těmto podmínkám vyhovuje aktivní balancer s označením SBM-60A [28].

7.3.5 Dimenzování měniče napětí Všechny spotřebiče v daném objektu jsou určeny pro síťové střídavé napětí 230 VAC. Proto, aby bylo možné využívat energii z baterií pro tyto spotřebiče, musíme mezi baterii a spotřebič instalovat vhodný měnič. Měnič musí být kompatibilní s napěťovou hladinou baterií. Dalším důležitým parametrem je jeho výkon, ten by měl být dostatečně vysoký, aby pokryl souběh spotřebičů. Poběží-li všechny spotřebiče současně, bude celkový výkon sumou reálných výkonů všech spotřebičů, tedy s tabulky tab. 7-4 Preal = 11 kW. Tento výkon však není trvalý, protože


57

jsou zde zahrnuty i spotřebiče jako je rychlovarná konvice, domácí vodárna a pod kolonkou „ostatní“ například fén, tyčový mixér a jiné drobné spotřebiče. Doba provozu nebude tedy delší než pár minut. Další řešení jak snížit maximální reálný výkon spočívá ve správném nastavení jednotky PLC- Foxtrot. Můžeme tedy předpokládat, že trvalý výkon nebude vyšší než 5 kW. V ideálním případě by bylo přesnější použít zátěžový diagram, ten však není k dispozici. Nyní už zbývá jen zvolit mezi 1 nebo 3 fázovým systémem a vybrat jaký charakter bude mít výstupní napětí měniče, modifikovaný sinus, nebo čistý sinus. Jedná se o rodinný dům, proto je vhodné zvolit dražší, avšak komfortnější měnič s čistým sinusovým průběhem a vzhledem k potřebnému výkonu postačí měnič pro jednu fázi. Všem požadavkům vyhovuje měnič Sunny Island 5048 od společnosti SMA.

7.3.6 Volba vhodného záložního zdroje Správně dimenzovaný záložní zdroj je nezbytný v každém ostrovním systému, kde je zapotřebí zachovat trvalou dodávku i v době, kdy standartní zdroje nedokáží dlouhodobě pokrýt spotřebu. Zároveň by záložní zdroj měl pokrýt celkovou spotřebu při výpadku standartního zdroje nebo při poruše jakéhokoliv komponentu ostrovního systému. Protože dnes existuje velké množství spotřebičů nekompatibilních s jednofázovým rozvodem, je vhodné jako záložní zdroj použít třífázové zařízení, které bude v případě potřeby provozovat třífázový spotřebič možné spustit. Použití takového zdroje však není příliš ekonomické při použití inteligentního měniče, kde svorka pro záložní zdroj je jednofázová. Z tohoto důvodu budeme hledat jednofázový zdroj, který bude mít obdobný výkon jako měnič napětí a zároveň bude s měničem napětí kompatibilní (bude splňovat vstupní parametry napětí, proudu a frekvence). Zároveň musí mít možnost elektrického startu a nízkou spotřebu paliva (nízké provozní náklady). Vhodným záložním zdrojem pro navrhovaný ostrovní systém je například elektrocentrála s typovým označením EGM 65 AVR-1E 6,5 kW od výrobce Heron. Za poruchy některé části ostrovního systému (především PLC-Foxtrot) by výkon elektrocentrály nemusel být dostačující, avšak při dodržení určitých zásad (např. nespouštět současně spotřebiče velkého výkonu) při provozu v „Nouzovém režimu“, jde o dobrý kompromis mezi výkonem a cenou.

7.3.7 Dimenzování FV panelů Řídící jednotka VtE disponuje možností připojení FV panelů do výkonu 900 Wp. Této možnosti můžeme, ale nemusíme využít. V případě, že by této možnosti mělo být využito, musíme správně dimenzovat FV panely. Vycházíme s požadavků řídící jednotky VtE, tedy jmenovité napětí panelů je 48 V (max. 100 V). Panely můžeme zapojovat sériově i paralelně, podstatné však je, aby jejich napětí a výkon v tom kterém zapojení byly kompatibilní s řídící jednotkou VtE. Pro navrhovaný systém lze použít například 2 kusy panelů IBC PolySol 240MS zapojených v sérii, nebo 4 kusy IBC MonoSol 190Wp, dvě paralelní větve po dvou kusech zapojených sériově.

7.4 Ostrovní systém a jeho provoz Navržený ostrovní systém můžeme díky vstupním datům prověřit. Za jistých podmínek lze poměrně přesně určit, zda bude navržený systém a jeho komponenty pracovat správně. Dále můžeme stanovit, kolik energie vyrobí zdroje a kolik energie se využije ve spotřebičích, případně i jaké budou ztráty v jednotlivých komponentech systému. Tyto parametry budou jako výchozí pro stanovení provozních nákladů.


58

7.4.1 Výpočetní algoritmus použitý pro ověření funkčnosti systému Hlavním předpokladem, za kterého lze považovat následující výpočty za správné, je považování použitých dat větru a slunce za průměrné hodnoty za několik let. Jedině tak bude možné předpokládat, že další roky provozu budou mít obdobný charakter. Celý výpočet je rozdělen do několika kroků. V prvním kroku je v každém intervalu proveden součet dodaných energií jednotlivých zdrojů snížených o ztráty (řídící jednotka VtE, solární regulátor) kromě zdroje záložního. Zároveň je rovnoměrně do intervalů rozdělena spotřeba domu (to není příliš přesné), kde je předpokládán provoz přes navržený měnič, tedy spotřeba je navýšena o ztráty v měniči. Z energie vyrobené a spotřebované je každou hodinu provedena energetická bilance ΔE1hod. Tento proces je možné popsat vztahem: n Pspot,i P   P  E1hod    VtE ,i VtE  FV ,i FV  n n n i 1 

  , 

(7.7)

kde n je počet intervalů do hodiny a η je účinnost komponentů. V dalším kroku je prováděna kontrola hodinové bilance. Je-li bilance deficitní, provede se kontrola baterie, zda je možné deficit doplnit její energií. Pokud je v baterii dostatek energie, dojde k odečtení deficitní energie z baterie. Zde je zjednodušující faktor, kde vybíjení baterie je považováno za bezeztrátové. Baterie využíváme v rozmezí od 30 do 90 % její kapacity. Nastaneli případ, že není možné energii dodat z baterie, dojde k popudu nastartování elektrocentrály. Elektrocentrála má za úkol doplnit deficit energie, zároveň je možné část rezervní energie elektrocentrály využít k dobíjení baterií, zde už ale je započítána účinnost akumulace a účinnost nabíjení. Pokud je však bilance kladná, tedy přebytková, dojde ke kontrole baterie, jestli je možné energii přičíst (akumulovat). Je-li v baterii dostatek místa, dojde k přičtení energie, zde je brána v úvahu účinnost akumulace. Nastane-li situace, kde je baterie zcela nabitá, dojde k umoření elektrické energie například v akumulační nádobě na přípravu TUV. V případě, že by nastal případ, kdy by nebylo možné další energii spotřebovat, muselo by dojít k odstavení zdrojů. Tato procedura je provedena pro každou hodinovou bilanci energie ΔE1hod.

7.4.2 Navržený ostrovní systém se zdrojem VtE Parametry všech navržených ostrovních systémů jsou stejné pro řešený objekt, jen s rozdílem FV panelů. První navržený systém je bez FV panelů, rozpis použitých komponentu je uveden v následující tabulce.


59

Tab. 7-7 Rozpis použitých komponentů pro ostrovní systém Zařízení

Množství [ks]

Typ

Větrná turbína Větrný regulátor-hybridní Fotovoltaický panel a Fotovoltaický panel b Akumulátory Balancer (podpora baterií) Záložní zdroj Invertor a

pouze pro OS VtE + FV

b

pouze pro OS VtE + FV II

ANERN 3000W TH30A-48 IBC PolySol 240MS IBC MonoSol 190 Wp WB-LYP200AHA LiFeYPO4 (3.2V/400Ah) SBM-60A Heron EGM 65 AVR-1E Sunny Island 5048

1 1 2 4 15 1 1 1

Cena [Kč/ks] 74594 15999 5990 5490 13106 2299 28369 57000

cena celk. [Kč] 74594 15999 11980 21960 196590 2299 28369 57000

Tento systém byl ověřen výpočetním algoritmem a výsledky jsou zobrazeny v tab. 7-8. Hodnoty v tabulce jsou platné za předpokladu, že je v invertoru povolena možnost nabíjení baterií v případě, kdy běží záložní zdroj a jeho výkon není zcela využíván. K dobíjení je vždy využívána jen část přebytečného výkonu a to pro tento případ 1200 W. V tabulce jsou znázorněny průměrné hodnoty denní a roční vyrobené energie jednotlivých zdrojů. Dále jsou zde podrobně rozepsány průměrné denní a roční ztráty jednotlivých komponentů, které vychází z účinností komponentů. Účinnosti použité pro určení ztrát jsou uvedeny v tabulce tab. 7-9. Dále je v tabulce možné vidět provozní náklady navrženého systému. Provozní náklady pro EC jsou závislé na ceně potřebného paliva na množství vyrobené energie a na době provozu. V tomto případě byla doba provozu EC 260 hodin za rok. Kdyby nebylo povoleno dobíjení při provozu EC, byla by doba provozu EC asi 1622 hodin za rok. EC má nejnižší možnou provozní spotřebu přibližně 0,45 l/hod a to i v případě, že nedodává žádnou energii. Odtud je tedy jasné, že provozní náklady EC by byly mnohonásobně vyšší. Tab. 7-8 Výsledky provozu OS VtE

zdroj VTE zdroj PV zdroj EC ztráty VtE reg. ztráty SR + wp ztráty aku. ztráty invertor odběr celk. bilance c

Denní Roční vyrobená vyrobená energie Ed energie Er [kWh] [kWh] 12,57 4525,09 0,00 0,00 1,03 369,20 -1,26 -452,51 0,00 0,00 -0,25 -88,86 -0,29 -102,72 -5,71 -2054,41 6,10

Provozní Roční náklady provozní NpkWh náklady Np [Kč/kWh] [Kč/rok] 0,10 452,51 0,10 0,00 c 15,75 5 814,86

2195,79

cena je platná pro spotřebu EC 0,45 l/kWh a cena paliva 35 Kč/l

6 267,37


60

Tab. 7-9 Použité účinnosti jednotlivých komponentů komponent účinnost [-] Řídící jednotka VtE 0,9 Solární regulátor + wp 0,9 Akumulace 0,9 Invertor 0,95

Protože jedním z nejdůležitějších částí celého systému jsou baterie, bylo provedeno grafické zpracování, které sleduje, jakým způsobem jsou baterie využívány. V grafu obr. 7-12 je znázorněno, jak dlouhou dobu v roce se baterie nachází ve stavu nabití nebo vybití. Je zde patrné, jakým způsobem je ovlivněn čas, kdy se baterie nachází ve vybitém stavu, je-li povoleno dobíjení baterií z EC. Tento jev byl očekáván. V případě, že elektrocentrála nedobíjí baterie, dojde k vybití baterie a po dobu nedostatečné výroby standartních zdrojů nedochází k nabíjení, tedy je stále vybitá. Tím, že je dobíjení povoleno, nedojde k úplnému vybití baterie a po dobu provozu EC se baterie hned nabíjí. Stav baterie a déka trvání tohoto stavu za rok 2500

s dobíjením bez dobíjení

čas [h/rok] 2000 1500 1000 500 0 30

35

40

45

50

55

60 65 SoC [%]

70

75

80

85

90

Obr. 7-12 Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE Další parametr, který můžeme na baterii sledovat je počet vybíjecích cyklů při různém stavu nabití baterie. Toto je znázorněno v grafu obr. 7-13. Je zde patrné jakým způsobem ovlivní počet cyklů dobíjení baterií z EC. Počet vybíjecích cyklů se téměř zdvojnásobil při stavech, kdy je baterie téměř vybitá.


61

Četnost vybíjecích cyklu při různém stavu baterie za rok 600 četnost 500

bez dobíjení s dobíjením

400 300

200 100 0 30

40

50

55

60

65 SoC [%]

70

75

80

85

90

Obr. 7-13 Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE Dalším sledovaným parametrem důležitým pro životnost baterií je počet cyklů v závislosti na hloubce vybití. Počet cyklů je znázorněn v grafu obr 7-14. Četnost cyklů je v grafu znázorněna logaritmicky. Protože na životnost mají zásadní vliv především cykly, při kterých dojde k vybití velké části kapacity baterie, bude pro nás zajímavá četnost právě těchto cyklů. Z grafu je patrné, že těchto hlubokých cyklů bude za rok asi jen 35. Cykly jsou hluboké maximálně 40 % DoD, proto můžeme předpokládat podstatně vyšší životnost baterií, než udává výrobce. Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok 10000 četnost 1000

100

10

1 0

5

10

15

20

25

30 35 DoD [%]

40

45

50

55

60

Obr. 7-14 Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE

7.4.3 Navržený ostrovní systém se zdrojem VtE a FV I Řídící jednotka VtE je uzpůsobena pro připojení FV panelů, proto by mohlo být zajímavé tohoto vstupu využít a doplnit původní ostrovní systém o další zdroj. Komponenty tohoto ostrovního systému jsou znázorněny v tabulce tab. 7-7. Výsledky této verze ostrovního systému, ke kterým se došlo stejným způsobem jako u předchozí varianty, jsou vypsány v tabulce tab2m. Už na první pohled je zde viditelné, jak markantní je rozdíl provozních nákladů EC. Za rok EC


62

běžela jen 40 hodin, kdyby nebylo povoleno dobíjení s EC, byla by doba provozu asi 273 hodin a provozní náklady by byly zase podstatně vyšší. Tab. 7-10 Výsledky provozu OS VtE + FV I

zdroj VTE zdroj PV zdroj EC ztráty VtE reg. ztráty SR + wp ztráty aku. ztráty invertor odběr

Denní vyrobená energie Ed [kWh] 12,57 2,24 0,16 -1,26 -0,22 -0,16 -0,29 -5,71

Roční vyrobená energie Er [kWh] 4525,09 806,23 56,16 -452,51 -80,62 -55,83 -102,72 -2054,41

Provozní Roční náklady provoz. NpkWh náklady Np [Kč/kWh] [Kč/rok] 0,10 452,51 0,10 80,62 c 15,75 884,49

7,34

2641,38

1 417,62

celk. bilance c

cena je platná pro spotřebu EC 0,45 l/KWh a cena paliva 35 Kč/l

Zaměříme-li se na baterie, které jsou podobně jako u předešlého systému graficky vyobrazeny v obr. 7-15, obr. 7-16 a obr. 7-17, můžeme si povšimnout, že přidání nezávislého zdroje snížilo dobu, kdy se baterie nachází ve vybitém stavu, viz obr. 7-15. Zároveň se podstatně prodloužila doba, kdy je baterie zcela nabita. Stav baterie a déka trvání tohoto stavu za rok 4000 čas [h/rok] 3500


3000 2500 2000 1500 1000

500 0 30

35

40

45

50

55

60 65 SoC [%]

70

75

80

85

90

Obr. 7-15 Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE + FV I Dále si v obrázku obr. 7-15 můžeme povšimnout, že k vybíjení dochází častěji při téměř nabité baterii a protože je celý systém méně často deficitní, nedochází tak často k dobíjení baterií s EC a tím se snižuje počet vybíjecích cyklů při téměř vybitém stavu baterií.


63



600 500 400 300 200 100 0 30

40

50

55

60

65 SoC [%]

70

75

80

85

90

Obr. 7-16 Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE + FV I V grafu obr. 7-17 můžeme sledovat oproti předchozí verzi systému poměrně velké snížení vybíjecích cyklů, zejména pak cyklů středně hlubokých. V důsledku by toto snížení cyklů mohlo prodloužit životnost baterií. Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok 10000 četnost 1000

100

10

1 0

5

10

15

20

25

30 35 DoD [%]

40

45

50

55

60

Obr. 7-17 Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE + FV I

7.4.4 Navržený ostrovní systém se zdrojem VtE a FV II Ostrovní systém, do kterého byly instalovány dva různé zdroje VtE a FV je na první pohled lepší co se provozu týká. Z tohoto důvodu provedeme ještě jeden návrh, kde využijeme celý výkon hybridní řídící jednotky a zapojíme tedy FV pole, které se bude pohybovat svým výkonem pod maximálním vstupním výkonem. Ostatní komponenty ostrovního systému zůstanou ponechány. Rozpis komponentů je znázorněn v tabulce tab. 7-7. Stejným způsobem jako u předešlých si vyčíslíme energetické bilance tohoto systému, ty jsou přehledně vypsány v tabulce tab. 7-11. Je patrné, že provozní náklady tohoto systému budou ještě nižší než ty z předchozího,


64

avšak rozdíl už zde není tak markantní, jako tomu bylo u předešlé varianty. Roční provoz EC bude jen asi 13 hodin, pokud nebude použito dobíjení baterií s EC, bude provoz EC asi 90 hodin. Tab. 7-11 Výsledky provozu OS VtE + FV II

zdroj VTE zdroj PV zdroj EC ztráty VtE reg. ztráty SR + wp ztráty aku. ztráty invertor odběr

Denní Roční vyrobená vyrobená energie Ed energie Er [kWh] [kWh] 12,57 4525,09 3,55 1276,53 0,05 19,06 -1,26 -452,51 -0,35 -127,65 -0,14 -48,95 -0,29 -102,72 -5,71 -2054,41

celk. bilance c

8,43

Provozní Roční náklady provoz. NpkWh náklady Np [Kč/kWh] [Kč/rok] 0,10 452,51 0,10 127,65 c 15,75 300,22

3034,43

880,38

cena je platná pro spotřebu EC 0,45 l/KWh a cena paliva 35 Kč/l

I zde se podíváme na to, jak se změní provoz baterií. Grafy vypovídající o provozu baterií jsou vyobrazeny v obr. 7-18, obr. 7-19, obr. 7-20. Z grafu obr. 7-18 je na první pohled patrné, že baterie se nachází skoro stále v nabitém, nebo téměř nabitém stavu. Tomu odpovídá i nejvyšší četnost vybíjení při nabité baterii v dalším grafu obr. 7-19. Z toho se dá usuzovat, že zdroje jsou už natolik silné, že baterie je využívána jen z části, tedy mohlo by dojít ke snížení její kapacity. Předimenzování zdrojů má za následek velké množství přebytečné energie, kterou je nutné někde umořit. V tabulce tab. 7-11 je přebytečná energie znázorněna v posledním řádku. Můžeme si povšimnout, že přebytek energie je zde natolik velký, že by dokázal pokrýt přibližně 75 % energie potřebné k přípravě TUV. Pokud by přebytečné energie mohlo být takto využito, může se i tento systém stát ekonomicky zajímavým. Stav baterie a déka trvání tohoto stavu za rok 6000 čas [h/rok] 5000


4000

3000 2000 1000 0 30

35

40

45

50

55

60 65 SoC [%]

70

75

Obr. 7-18 Stav baterie a délka trvání tohoto stavu za rok u OS VtE + FV II

80

85

90


65



800 600 400 200 0 30

40

50

55

60

65 SoC [%]

70

75

80

85

90

Obr. 7-19 Četnost vybíjecích cyklů při různém stavu baterie za rok u OS VtE + FV II O tom, že baterie jsou využívány jen málo, nás informuje také následující graf obr. 7-20. Pokud by systém byl takto provozován, byl by minimalizován i počet cyklů a životnost baterie by mohla teoreticky přesáhnout třeba i 20 roků. Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok 10000 četnost 1000 100 10 1 0,1 0

5

10

15

20

25

30 35 DoD [%]

40

45

50

55

60

Obr. 7-20 Četnost vybíjecích cyklů různé hloubky za rok u OS VtE + FV II

7.5 Konkrétní řešení ostrovního systému na daném objektu Jak bude vypadat objekt po nainstalování ostrovního systému je vyobrazeno na obr. 7-21. V technické místnosti je uložena řídící jednotka VtE (4), invertor (2), baterie (1) včetně balanceru (3), rozvaděč s jednotkou Foxtrot a jistícími prvky (5) a také akumulační nádoba na přípravu TUV (6). Na jižní straně střechy jsou instalovány FV panely (8). Pod patou stožáru VtE se nachází zateplená technická buňka, kde je instalována EC a domácí vodárna (7).


66

Obr. 7-21 Konkrétní objekt po nainstalování OS VtE + FV II

7.6 Ekonomické zhodnocení navržených ostrovních systémů Ekonomické zhodnocení je dnes nedílnou částí každého projektu. Investora ani tak nezajímá technické řešení projektu, ale spíše jaký bude výnos, popřípadě úspora nákladů z jeho investice nebo i jiné nefinanční přínosy např. reklama, nezávislost a jiné. Investor také dobře slyší na nízkou dobu návratnosti investic a bezpečnost investice. K hodnocení efektivnosti investic můžeme použít například statických metod, kde máme například průměrný roční peněžní tok nebo dobu návratnosti investic. Statické metody jsou sice jednoduší, avšak ne příliš přesné, protože nezohledňují faktor času a rizika. Podstatně přesnější pro hodnocení efektivnosti investic jsou metody dynamické, tedy metody, kde je brán ohled na faktor času. Do této skupiny spadají metody jako čistá současná hodnota, index rentability nebo vnitřní výnosové procento.

7.6.1 Vstupy pro ekonomické hodnocení navržených systémů Pro větší přehlednost provedeme v tabulce tab. 7-12 shrnutí investičních nákladů, ročních provozních nákladů a výnosů (úspor) řešených projektů. Tab. 7-12 Shrnutí nákladů řešených projektů s DPH OS VtE Investiční náklady [Kč] Roční provozní náklady [Kč] Roční výnosy (úspory)[Kč] Jednorázové úspory a [Kč] a

383 851 6 843 13 783 65 000

úspora za nevybudování elektrické přípojky

OS VtE + FV 396 631 2 013 14 333 65 000

OS VtE + FV II 407 411 1 491 14 819 65 000


67

V tabulce tab. 7-13 jsou podrobně rozepsány investiční náklady jednotlivých projektů. Tab. 7-13 Shrnutí investičních nákladů řešených projektů Rozpis investičních nákladů b [Kč] OS VtE OS VtE + FV

OS VtE + FV II

Zařízení Větrná turbína Větrný regulátor Fotovoltaický panel Solární regulátor Akumulátory Balancer (podpora baterií) Záložní zdroj Invertor Stožár a Kabeláž a Kotvící prvky FV panelů a Další instalační materiál a

74 594 15 999 196 590 2 299 28 369 57 000 6 000 1 000 2 000

74 594 15 999 11 980 196 590 2 299 28 369 57 000 6 000 1 200 400 2 200

74 594 15 999 21 960 196 590 2 299 28 369 57 000 6 000 1 400 800 2 400

celkem

383 851

396 631

407 411

a

cena je pouze orientační

b

cena je s DPH

Roční provozní náklady jsou podrobně rozepsány v tabulce tab. 7-14. Tab. 7-14 Shrnutí ročních provozních nákladů řešených projektů Rozpis ročních provozních nákladů b [Kč] OS VtE OS VtE + FV

Náklady

Údržba zdroje VtE Údržba zdroje FV

a

Provoz zdroje EC

c

Pojištění

a

d

Celkový úhrn

OS VtE + FV II

453

453

453

0

81

128

5 815

884

300

576

595

611

6 843

2 013

1 491

a

cena je počítána z vyrobené energie 0,1 Kč/kWh

b

cena je uvedena s DPH

c

cena je platná pro spotřebu EC 0,45 l/kWh a cena paliva 35 Kč/l

d

cena pojištění odpovídá 15 ‰ s investičních nákladů

Roční předpokládané výnosy a úspory jsou rozepsány v tabulce tab. 7-15. Hodnoty v tabulce odpovídají nevyužitým ročním nákladům za energie, které systém vyrobí.


68

Tab. 7-15 Shrnutí předpokládaných ročních výnosů řešených projektů Rozpis ročních předpokládaných výnosů b [Kč] OS VtE OS VtE + FV OS VtE + FV II Výnosy (úspory) Nenakoupená el. Energie c Nenakoupená energie TUV Celkový úhrn

d

11 070

11 070

11 070

2 713

3 263

3 749

13 783

14 333

14 819

b

cena uvedena s DPH

c

hodnota platná pro průměrnou spotřebu domu, pro sazbu za distribuci D02d a tarif E.ON Elektřina klasik 2013

d

cena platná pro teplovodní výměník s účinností 50 %, použité palivo: bříza s výhřevností 3,75 kWh/kg a cenou 2,29 Kč/kg

7.6.2 Ekonomické hodnocení projektu OS VtE Projekt OS VtE má nejnižší pořizovací náklady, avšak z důvodu vysokého využívání baterií je nutné po deseti letech nakoupit nové baterie. Cena baterií za deset let bude z důvodu poklesu cen technologií pravděpodobně nižší. Tento projekt je také specifický svými vysokými provozními náklady, které mají nemalý vliv na ekonomickou efektivnost projektu. Při určování efektivnosti investic budeme vycházet z peněžních toků projektu. Přehled peněžních toků tohoto projektu je zpracován v tabulce tab. 7-16. Tab. 7-16 Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE Rok 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Celkem Průměr

Roční výnosy Roční náklady [Kč] [Kč] 13 783 6 843 14 886 6 843 16 076 6 843 17 363 6 843 18 752 6 843 20 252 6 843 21 872 6 843 23 622 6 843 25 511 6 843 27 552 6 843 29 756 6 843 32 137 6 843 34 708 6 843 37 484 6 843 40 483 6 843 43 722 6 843 47 220 6 843 50 997 6 843 55 077 6 843 59 483 6 843 630 735 31 537

136 863 6 843

Jiné náklady [Kč] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a 157 416 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

CF b [Kč] 6 940 8 042 9 233 10 519 11 908 13 409 15 029 16 778 18 668 -136 707 22 913 25 294 27 865 30 641 33 640 36 879 40 376 44 154 48 234 52 640

Diskont. CF b [Kč] 6 801 7 724 8 690 9 703 10 764 11 878 13 047 14 274 15 565 -111 699 18 347 19 848 21 429 23 093 24 845 26 693 28 640 30 693 32 858 35 143

157 416 7 871

336 456 16 823

248 336 12 417

7 Návrh ostrovního systému pro rodinný dům a

náklady vzniklé výměnou baterií respektující pokles ceny

b

peněžní tok (Cash flow)

69

V tabulce přehledně vidíme toky peněz během jednotlivých let. Roční výnosy reprezentují úspory za nenakoupenou elektrickou energii zahrnující i energii přebytečnou, využitou pro přípravu TUV a respektují růst cen energií. Je zřejmé, že roční náklady na provoz a údržbu nebudou po celou dobu životnosti projektu stejné, ale pro zjednodušení je budeme za stejné považovat. Aby bylo ekonomické hodnocení co možná nejpřesnější, budeme pracovat s diskontovaným peněžním tokem CF, který zohledňuje vliv inflace. V tabulce tab. 7-17 jsou uvedeny zpřesňující parametry, za kterých je tabulka peněžních toků tab. 7-16 platná. Tab. 7-17 Použité zpřesňující parametry pro ekonomické hodnocení Parametr Předpokládaný roční růst cen energií a Předpokládaná roční velikost inflace b Předpokládaný roční pokles ceny baterií c Doba životnosti d Cena elektrické přípojky e

Hodnota 8 2 2 20 65 000

a

odhadovaný roční růst ceny energií

b

predikce roční inflace dle ČNB

c

odhadovaný pokles ceny na základě zvolené technologie

d

předpokládaná doba životnosti použitých komponentů

e

odhadovaná cena za pokládku kabelu a připojení

Jednotka %/rok %/rok %/rok rok Kč

Na základě tabulky tab. 7-16 jsme schopni určit hodnocení efektivnosti investic. Při hodnocení byly investiční náklady sníženy o cenu elektrické přípojky, protože se jedná o nevydané investice, tedy úsporu. Výsledky hodnocení byly přehledně zpracovány v tabulce tab. 7-18. Metoda NPV udává rozdíl mezi sumou diskontovaných peněžních toků CF na konci životnosti projektu a investičními náklady. Je-li tato hodnota záporná, je tento projekt o tuto hodnotu ztrátový. Podobný vypovídající faktor má i index ziskovosti (rentability) IR, udává NPV vyjádřené bezrozměrnou hodnotou. Ziskový projekt je jen takový, který má IR větší 1. Dalším ukazatelem efektivnost investic je vnitřní výnosové procento IRR. Jedná se o maximální (diskontní) roční úrokovou míru, za které ještě projekt není ztrátový, tedy bude-li inflace rovna IRR, budou se investiční náklady rovnat sumě diskontovaného CF a k návratnosti investic dojde na konci životnosti projektu. Je-li tato hodnota vyšší než úroková míra (inflace), můžeme považovat projekt za ziskový. Posledním použitým ukazatelem je doba návratnosti investic DN, ta vychází z celkových investičních nákladů podělených průměrným ročním diskontovaným CF. Aby byl projekt ziskový, musí být DN kratší než životnost projektu.


70

Tab. 7-18 Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE Název metody hodnocení Průměrný roční diskontovaný CF Čistá současná hodnota NPV a Doba návratnosti DN b Index ziskovosti IR c Vnitřní výnosové procento IRR d

Hodnota 12 417 -70 515 25,68 0,78 0,35

Jednotka Kč Kč rok %

a

rozdíl investičních nákladů a celkového diskontovaného CF

b

podíl investičních nákladů a průměrného ročního diskontovaného CF

c

podíl sumy diskontovaného peněžního toku a investičních nákladů

d

maximální roční úroková míra, za které projekt ještě není ztrátový

Na základě tabulky tab. 7-18 můžeme konstatovat, že projekt je za zpřesňujících parametrů v tab. 7-17 ztrátový.

7.6.3 Ekonomické hodnocení projektu OS VtE a FV Vyjdeme-li ze stejných zpřesňujících parametrů tab. 7-17 kromě doby životnosti, můžeme určit peněžní toky projektu OS VtE + FV, které jsou zobrazeny v tabulce tab. 7-19. Protože při návrhu bylo zjištěno nižší využívání baterií, můžeme předpokládat prodloužení její životnosti. Na základě těchto předpokladů můžeme životnost projektu prodloužit na životnost větrné elektrárny, tedy 25 roků.


71

Tab. 7-19 Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE + FV Rok 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Celkem Průměr a

Roční výnosy Roční náklady [Kč] [Kč] 14 333 2 013 15 480 2 013 16 719 2 013 18 056 2 013 19 501 2 013 21 061 2 013 22 745 2 013 24 565 2 013 26 530 2 013 28 653 2 013 30 945 2 013 33 421 2 013 36 094 2 013 38 982 2 013 42 100 2 013 45 468 2 013 49 106 2 013 53 034 2 013 57 277 2 013 61 859 2 013 66 808 2 013 72 152 2 013 77 925 2 013 84 159 2 013 90 891 2 013 1 047 863 41 915

50 314 2 013

Jiné náklady [Kč] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a 151 182 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

CF [Kč] 12 321 13 468 14 706 16 043 17 488 19 048 20 733 22 553 24 518 26 640 28 932 31 408 -117 101 36 969 40 088 43 456 47 093 51 022 55 264 59 846 64 795 70 140 75 912 82 146 88 879

Diskont. CF [Kč] 12 074 12 934 13 841 14 798 15 808 16 874 17 999 19 187 20 442 21 767 23 167 24 646 -90 053 27 861 29 607 31 453 33 404 35 467 37 648 39 954 42 393 44 972 47 699 50 584 53 635

151 182 6 047

846 366 33 855

598 161 23 926

náklady vzniklé výměnou baterií respektující pokles ceny

Výsledky hodnocení efektivnosti investic jsou vypsány v následující tabulce. Tab. 7-20 Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE + FV Název metody hodnocení Průměrný roční diskontovaný CF Čistá současná hodnota NPV Doba návratnosti Index ziskovosti Vnitřní výnosové procento IRR a

Hodnota a 23 926 266 530 13,86 1,80 5,63


výsledky jsou relevantní pro parametry tab. 7-17

Z tabulky tab. 7-20 vyplívá, že projekt je za daných zpřesňujících parametrů ziskový.


72

7.6.4 Ekonomické hodnocení projektu OS VtE a FV II I projekt OS VtE + FV II budeme hodnotit stejným způsobem jako předchozí projekty. Vyjdeme taktéž ze zpřesňujících parametrů tab. 7-17. Přehled peněžních toků je zobrazen v tabulce tab. 7-21. Tento projekt má nejnižší provozní náklady, avšak jeho pořizovací náklady jsou mírně vyšší oproti předešlým projektům. Protože u tohoto OS byly baterie využívány jen minimálně, můžeme očekávat, že se jejich životnost zvýší na 20 roků a není tedy nutná žádná další investice v průběhu provozu. Tab. 7-21 Přehled peněžních toků pro projekt OS VtE + FV II Rok 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Celkem Průměr

Roční výnosy Roční náklady Jiné náklady [Kč] [Kč] [Kč] 14 819 1 491 0 16 005 1 491 0 17 285 1 491 0 18 668 1 491 0 20 161 1 491 0 21 774 1 491 0 23 516 1 491 0 25 397 1 491 0 27 429 1 491 0 29 623 1 491 0 31 993 1 491 0 34 553 1 491 0 37 317 1 491 0 40 302 1 491 0 43 527 1 491 0 47 009 1 491 0 50 769 1 491 0 54 831 1 491 0 59 217 1 491 0 63 955 1 491 0 678 151 33 908

29 830 1 491

CF [Kč] 13 328 14 513 15 794 17 176 18 670 20 283 22 025 23 906 25 938 28 132 30 502 33 061 35 826 38 811 42 035 45 517 49 278 53 339 57 726 62 463

Diskont. CF [Kč] 13 061 13 938 14 865 15 843 16 876 17 967 19 120 20 338 21 625 22 986 24 424 25 944 27 551 29 250 31 046 32 945 34 954 37 078 39 325 41 701

648 321 32 416

500 836 25 042

0 0

Za zpřesňujících parametrů viz tab. 7-17, jsou výsledky hodnocení uvedeny v následující tabulce tab. 7-22. Tab. 7-22 Výsledky ekonomického hodnocení projektu OS VtE + FV II Název metody hodnocení Průměrný roční diskontovaný CF Čistá současná hodnota NPV Doba návratnosti Index ziskovosti Vnitřní výnosové procento IRR a

Hodnota a 25 042 158 425 13,67 1,46 5,06

výsledky jsou relevantní pro parametry tab. 7-17



73

I tento projekt za zpřesňujících parametrů můžeme tedy považovat za ekonomicky výnosný.

7.7 Citlivostní analýza na změny různých vstupních parametrů Ekonomické hodnocení bylo vždy určováno za stanovených podmínek. Budou ale projekty výhodné, i když se změní některá ze vstupních podmínek? Aby bylo možné odpovědět na tuto otázku, musíme každý z projektů podrobit tzv. citlivostní analýze. Na základě citlivostní analýzy můžeme poměrně snadno stanovit, za jakých podmínek bude projekt ekonomicky výhodný.

7.7.1 Citlivostní analýza projektu OS VtE Projekt OS VtE sice vycházel jako ekonomicky nevýhodný, ale za jistých podmínek by výhodný být mohl. Jako první byla provedena citlivostní analýza na riziko změny ročního růstu cen energií. Výsledky citlivostní analýzy jsou přehledně vypsány v tabulce tab. 7-23. Tab. 7-23 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE Roční růst Prům. roční cen energií diskont. CF %/rok Kč 2 1 452 3 2 781 4 4 276 5 5 960 6 7 859 7 10 000 8 12 417 9 15 145 10 18 226

DN

NPV

IR

rok 219,55 114,67 74,57 53,50 40,57 31,88 25,68 21,05 17,49

Kč -289 805 -263 241 -233 337 -199 650 -161 677 -118 847 -70 515 -15 952 45 668

-

IRR

0,09 0,17 0,27 0,37 0,49 0,63 0,78 0,95 1,14

% -10,72 -8,27 -6,15 -4,27 -2,59 -1,06 0,35 1,66 2,89

Na základě výsledků citlivostní analýzy na změnu ročního růstu cen energií můžeme tento projekt považovat za přijatelný jen v případě, bude-li roční růst cen energií vyšší nebo roven 10 %. Další rizikový faktor ovlivňující hodnocení projektu je nepochybně pokles cen použitých baterií. Výsledky citlivostní analýzy zkoumající toto riziko jsou uvedeny v tabulce tab. 7-24. Z výsledků je patrné, že i při ročním poklesu cen baterií 3,5 % bude projekt ztrátový. Tab. 7-24 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen baterií v projektu OS VtE Roční pokles ceny baterií %/rok 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Prům. roční diskont. CF Kč 11 247 11 657 12 047 12 417 12 769 13 103 13 420

DN

NPV

IR

rok 28,35 27,35 26,47 25,68 24,97 24,33 23,76

Kč -93 907 -85 712 -77 921 -70 515 -63 478 -56 793 -50 444

-

IRR 0,71 0,73 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84

% -0,22 -0,02 0,17 0,35 0,52 0,68 0,83


74

Větrné i sluneční podmínky jsou nevyzpytatelné, z tohoto důvodu provedeme také citlivostní analýzu zkoumající riziko změny výroby elektrické energie. Výsledky této analýzy jsou zobrazeny v tabulce tab. 7-25. Z tabulky je zřejmé, že projekt bude ekonomicky přijatelný jen za předpokladu, kdy bude výroba elektrické energie 110 % a víc. Tab. 7-25 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE Změna produkce Prům. roční energie diskont. CF %/rok Kč 90 3 395 95 8 786 100 12 417 105 15 222 110 17 340

DN rok 93,93 36,29 25,68 20,95 18,39

NPV

IR

Kč -250 956 -143 136 -70 515 -14 417 27 955

IRR

0,21 0,55 0,78 0,95 1,09

% -4,76 -1,51 0,35 1,67 2,62

I přes to, že při určitých citlivostních analýzách se tento projekt jeví jako ziskový, nemusí být ziskovým. Je to dáno tím, že zde sledujeme rizika změn jednotlivých parametrů, ale ve skutečnosti se mohou měnit současně, tedy může dojít ke změně všech sledovaných parametrů najednou.

7.7.2 Citlivostní analýza projektu OS VtE a FV Obdobným způsobem jako u předchozího projektu byly provedeny citlivostní analýzy na rizika změn sledovaných parametrů u projektu OS VtE + FV. Výsledky citlivostních analýz jsou zobrazeny v tabulkách tab. 7-26, tab. 7-27 a tab. 7-28. Tab. 7-26 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE + FV Roční růst cen energií %/rok 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Prům. roční diskont. CF Kč 7 765 9 537 11 600 14 004 16 810 20 090 23 926 28 418 33 681

DN

NPV

IR

IRR

rok 42,71 34,77 28,59 23,68 19,73 16,51 13,86 11,67 9,85

Kč -137 508 -93 207 -41 642 18 467 88 629 170 619 266 530 378 822 510 391

-

% 0,59 0,72 0,87 1,06 1,27 1,51 1,80 2,14 2,54

-1,65 -0,21 1,12 2,35 3,51 4,60 5,63 6,62 7,57


75

Tab. 7-27 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen baterií v projektu OS VtE + FV Roční pokles Prům. roční ceny baterií diskont. CF %/rok Kč 0,5 22 911 1 23 270 1,5 23 608 2 23 926 2,5 24 226 3 24 507 3,5 24 771

DN

NPV

IR

IRR

rok 14,47 14,25 14,05 13,86 13,69 13,53 13,39

Kč 241 148 250 127 258 578 266 530 274 010 281 043 287 654

-

% 1,73 1,75 1,78 1,80 1,83 1,85 1,87

5,33 5,44 5,54 5,63 5,72 5,81 5,89

Tab. 7-28 Výsledky cit. analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE + FV Změna produkce Prům. roční energie diskont. CF %/rok Kč 90 18 640 95 21 769 100 23 926 105 24 784 110 25 646

DN

NPV

IR

IRR

rok 17,79 15,23 13,86 13,38 12,93

Kč 134 371 212 604 266 530 287 979 309 514

-

% 1,41 1,64 1,80 1,87 1,93

3,91 4,95 5,63 5,88 6,13

Z výsledků si můžeme povšimnout, že změna ceny baterií nemá na hodnocení téměř žádný vliv. Dojde-li však ke snížení meziročního růstu cen energií pod 5 % stane se projekt při 100 % produkci energie nevýhodným.

7.7.3 Citlivostní analýza projektu OS VtE a FV II Citlivostní analýza na rizika změn sledovaných parametrů byla provedena i u projektu OS VtE + FV II, protože však u tohoto projektu nedochází k výměně baterií, nemá smysl kontrolovat riziko změny ceny baterií. Výsledky citlivostních analýz jsou uvedeny v tabulkách tab. 7-29 a tab. 7-30. Tab. 7-29 Výsledky citlivostní analýzy na riziko změn cen energií v projektu OS VtE + FV II Roční růst cen energií %/rok 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Prům. roční diskont. CF Kč 13 253 14 681 16 289 18 100 20 141 22 444 25 042 27 975 31 288

DN

NPV

IR

rok 25,84 23,32 21,02 18,92 17,00 15,26 13,67 12,24 10,94

Kč -77 350 -48 788 -16 637 19 582 60 410 106 460 158 425 217 091 283 344

-

IRR

0,77 0,86 0,95 1,06 1,18 1,31 1,46 1,63 1,83

% -0,32 0,64 1,57 2,47 3,36 4,22 5,06 5,89 6,70


76

Tab. 7-30 Výsledky cit. analýzy na riziko změn produkce energie v projektu OS VtE + FV II Změna produkce Prům. roční energie diskont. CF %/rok Kč 90 22 817 95 24 203 100 25 042 105 25 881 110 26 609

DN

NPV

IR

IRR

rok 15,01 14,15 13,67 13,23 12,87

Kč 113 925 141 648 158 425 175 208 189 772

-

% 1,33 1,41 1,46 1,51 1,55

4,27 4,77 5,06 5,35 5,59

I tento projekt z výsledků citlivostních analýz může být ztrátový, pokud meziroční růst cen energie nebude alespoň 5 % při předpokládané výrobě 100 % energie. Z tabulky tab. 7-30 si můžeme dále povšimnout, že změna produkce energie u zdrojově naddimenzovaného ostrovního systému nemá až tak velký vliv na ekonomické hodnocení projektu.

7.8 Srovnání projektů z hlediska původních požadavků Zaměříme-li se na hodnocení projektů vzhledem k původním požadavkům, tedy jen na primární úkol ostrovního systému zásobovat objekt elektrickou energií, je jisté, že zhodnocení investic bude podstatně nižší a doba návratnosti se prodlouží. Abychom dokázali stanovit, který projekt je ekonomicky nejvýhodnější, vyjdeme z diskontovaných nákladů jednotlivých projektů OS. Protože byla všechna ekonomická hodnocení stanovována na základě úspor při nevybudování elektrické přípojky, přidáme do hodnocení i diskontované náklady DC vybudování a provozu elektrické přípojky. Aby bylo i toto hodnocení srovnatelné s předešlými, musíme vycházet ze stále stejných zpřesňujících parametrů tab. 7-17. Průběhy diskontovaných nákladů za období 25 roků jsou vyobrazeny v grafu obr. 7-21. Průběhy diskontovaných nákladů 800 000 DC [Kč] 700 000 600 000 500 000

VtE

400 000

VtE+FV

300 000

VtE+FV2 Přípojka

200 000 100 000 0 0

5

10

15

20 [roky]

25

Obr. 7-22 Průběhy diskontovaných nákladů sledovaných projektů Z grafu můžeme posoudit, která varianta by byla nejvhodnější vzhledem k délce trvání a životnosti projektu. Pokud by délka trvání projektu byla kratší než 19 roků, tak by za předpokladu využití jen primární elektrické energie (nevyužití přebytků) bylo nejvýhodnější vybudovat


77

elektrickou přípojku. Pokud by délka trvání projektu byla 25 roků, potom by bylo výhodnější použít variantu projektu OS VtE + FV II. Tento projekt má nejnižší diskontované náklady za období 25 roků. Další výhodou tohoto projektu je možnost prodeje nevyužité životnosti akumulátorů, což může vést ke značnému snížení DC. Další, méně výhodnou variantou by byl projekt OS VtE + FV. Diskontované náklady jsou vyšší než u předchozího projektu, ale stále jsou nižší než DC elektrické přípojky. Výhodou této varianty pro investora může být předpoklad konce životnosti všech komponent v jeden okamžik. Jako absolutně nevýhodná varianta vyšel dle očekávání projekt OS VtE, kde DC za 25 roků výrazně převyšují DC ostatních projektů.

8 Závěr

78

8 ZÁVĚR Cílem práce bylo provedení rozboru využití větrné energie, větrných elektráren zapojených v systémech grid-off, vlastností a možností návrhu těchto systémů. V praktické části potom konkrétní návrh ostrovního systému, popis provozu, pojednání o využití jednotlivých komponentů při provozu a ekonomické hodnocení navrženého projektu. V první části se práce zabývala historií využívání větrné energie od počátku až do současnosti. Dále popisuje rešerši současného stavu a využívání větrných elektráren a to jak na úrovni globální, tak i na evropském kontinentu a na území České republiky. Na výsledku rešerše je viditelný neustálý zájem o rozvoj tohoto typu energetického potenciálu. Tento vysoký zájem má dvě stránky a to ekonomickou (finanční podpora ze strany státu) a ekologickou (zdroj čisté energie). V další části se práce zaměřuje na možnosti získávání energie z větru, definuje principy a rozdělení větrných elektráren dle různých parametrů. Na základě těchto údajů dále popisuje možnosti aplikace. Obdobné rozdělení udává práce i pro systémy grid-off, kde dle zapojení stanovuje možnosti využití a vystihuje jejich klady a zápory. Dále v této části popisuje principy a možnosti akumulace elektrické energie využívané u těchto systémů. Jsou zde definovány kritéria, podle kterých se při návrhu akumulace posuzuje výhodnost použité technologie pro systém gridoff. V komerčně používaných aplikacích bude mít největší váhu cena za jednotku akumulované energie. Dále pak životnost, kterou ovlivňuje především hloubka vybíjení akumulátorů v každém cyklu a pracovní teplota akumulátoru. V neposlední řadě bude brán ohled také na dostupnost použité technologie. V třetí části se práce zaměřuje na samotný obecný návrh systému grid-off. Popisuje stanovení vstupních kritérií pro správné dimenzování větrné elektrárny a akumulační baterie. Pojednává o funkčnosti, provozu a možnosti aplikace navrženého systému. Stanovuje, za jakých podmínek a jakým způsobem lze určit návratnost investičních nákladů při využití větrné elektrárny v systémech grid-off. Poslední část práce je věnována konkrétnímu návrhu ostrovního systému. Byl proveden podrobný rozbor vstupních parametrů, tedy informací o větru a slunci v dané lokalitě. Průměrná rychlost větru byla stanovena na 4,02 m/s, užitečná průměrná rychlost větru potom 4,8 m/s. Dále pak rozbor energetické náročnosti objektu rodinného domu, požadavky na teplo potřebné pro vytápění stanovené na 7 442 kWh/rok, přípravu TUV stanovené na 4 912 kWh/rok a elektrickou energii dle použitých spotřebičů stanovenou na 2 054 kWh/rok. Na základě vstupních parametrů byl proveden návrh tří podobných ostrovních systémů. První návrh používal jako primární zdroj větrnou elektrárnu s napětím 48 V a jmenovitým výkonem 3 kW. Další dva návrhy výhodně využily vstupu řídící jednotky větrné elektrárny pro připojení PV. Jako primárního zdroje bylo tedy využito stejné větrné elektrárny v kombinaci s fotovoltaickou elektrárnou dvou různých výkonů 480 Wp a 760 Wp. Kapacita baterie byla stanovena z předpokládané výroby instalovaných zdrojů a spotřebičů na 400 Ah při napětí 48 V. Podle spotřeby objektu byl dimenzován invertor s jmenovitým výkonem 5 kW a záložní zdroj o jmenovitém výkonu 6 kW. Z použitých vstupních dat byl ověřen provoz navrženého systému a stanoveny hodnoty vyrobené elektrické energie, energie na krytí ztrát a velikost přebytečné energie (kap. 7-4). Tyto údaje byly následně použity ke stanovení provozních nákladů pro ekonomické hodnocení. Protože systém není připojen k síti, nemůžeme tedy nic prodávat, nejsou zde tedy žádné finanční zisky. Z tohoto důvodu jsou na místo zisků používány úspory za nenakoupenou energii a úspory za

8 Závěr

79

nevybudování elektrické přípojky. Do ekonomického hodnocení byly zahrnuty předpoklady změny růstu cen energií 8 %/ rok, inflace 2 %/ rok, pokles cen baterií při výměně 2 %/ rok, celková životnost projektů a spotřeba přebytků energie. Výsledky ekonomického hodnocení jednotlivých projektů jsou uvedeny v kapitole (kap. 7-6). Projekt OS VtE, kde byla použita jen větrná elektrárna, vyšel ekonomicky jako nevýhodný. Bylo to způsobeno především nedostatečnou výrobou primárního zdroje a tedy i dlouhou dobou provozu záložního, drahého zdroje. Doba návratnosti tohoto projektu byla tedy delší než životnost projektu. Projekt OS VtE + FV, kde bylo použito navíc dvou polykrystalických panelů, měl sice vyšší investiční náklady, avšak provozní náklady byly podstatně nižší. Průměrný roční diskontovaný peněžní tok se zvýšil a vyšší byla také životnost systému. Takto sestavený projekt můžeme považovat za ekonomicky přijatelný. Doba návratnosti tohoto projektu byla stanovena na 13,86 roků. Projekt OS VtE + FV II, kde bylo k VtE přidáno čtyř monokrystalických panelů vyšel také jako ekonomicky přijatelný a doba návratnosti byla stanovena na 13,68 roků. Tento projekt měl životnost 20 roků, a proto nemělo navýšení výkonu zdroje velký vliv na dobu návratnosti. Aby ekonomické hodnocení mělo vyšší vypovídající schopnost, byla v kapitole (kap. 7-7) provedena citlivostní analýza všech projektů na změnu některých vstupních předpokladů. Z citlivostní analýzy je patrná silná závislost ekonomického hodnocení na změně produkce energie a na změně růstu cen energií. Pokud by byla výroba 100 %, budou projekty OS VtE + FV i OS VtE + FV II ekonomicky přijatelné i když dojde ke snížení růstu cen energií na 5 %/ rok. Protože však nemůžeme změny těchto faktorů přesně určit, musíme výsledky hodnocení brát s jistou rezervou. Na závěr bylo provedeno srovnání jednotlivých projektů, které je zaměřeno jen na potřebnou elektrickou energii, tedy přebytky jsou zahozeny. Pokud by byla životnost projektů 25 roků, mohly by projekty OS VtE + FV a OS VtE + FV II konkurovat elektrické přípojce. I přes to, že ostrovní systémy VtE nejsou vždy schopny konkurovat systémům připojeným k síti elektrické energie, můžeme je považovat za určitou prestižní, ekologickou a nezávislou alternativní možnost provozovaného objektu. Vzhledem k neustále rostoucím cenám energií a snižováním cen technologií zejména pro akumulaci elektrické energie, můžeme předpokládat stále vyšší rozvoj těchto systémů, které budou jak ekologicky, tak i ekonomicky výhodné.

Použitá literatura

80

POUŽITÁ LITERATURA [1]

CETKOVSKÝ, S., FRANTÁL, B., Š TEKL, J. A KOL. Větrná energie v České republice. Brno: Ústav geoniky Akademie věd ČR, v.v.i., 2010, 208 stran. ISBN 978-80-86407-84-5

[2]

KOČ, B. Z historie větrných elektráren [on line]. 2005, č.v. 12 [cit. 2012-11-10] Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=26559

[3]

gwec.net. Global wind report [on line]. 2011 [cit. 2012-11-10] Dostupné z: http://gwec.net/wp-content/uploads/2012/06/Annual_report_2011_lowres.pdf

[4]

csve.cz. 2012 [cit. 2012-11-15] Dostupné z: www.csve.cz

[5]

cez.cz. Výroba elektřiny. 2012 [cit. 2012-11-15] Dostupné z: www.cez.cz

[6]

ewea.com. Wind in power -2011 European statistics [on line]. 2012 [cit. 2012-11-12] Dostupné z: http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/statistics/Wind_in_power_2011_ European_statistics.pdf

[7]

Oddělení statistik ERÚ. Roční zpráva o provozu ES ČR 2011[on line]. Praha 2012 [cit. 2012-11-29] Dostupné z: http://www.eru.cz/user_data/files/statistika_elektro/rocni_zprava/2011/Rocni_zprava_ES_ CR_FINAL.pdf

[8]

J IŘÍČEK, I., RÁBL, V. Větrná energie [on line]. Poslední revize: duben 2005, 22 stran. [cit. 2012-11-29] Dostupné z: http://www.vscht.cz/ktt/studium/zdrene/3.0_V%C4%9Btrn%C3%A1_energie.pdf

[9]

BARTOŠÍK, T., DRÁPELA , J., MACHÁČEK, J., MASTNÝ, P., M IŠÁK, S., PAVELKA, T., PTÁČEK, M., RADIL, L. Obnovitelné zdroje elektrické energie [on line]. Praha 2011[cit. 2012-12-1]. ISBN 978-80-01-04937-2. Dostupné z: http://k315.feld.cvut.cz/CD_MPO/CVUT-2-OZE.pdf

[10] cettra.cz. Lithiové akumulátory [on line]. 2008 [cit. 2012-12-3] Dostupné z: http://www.cettra.cz/vysilacky-radiostanice/MOTOROLA/Baterie-NiCd,-NiMH-.../Co-sLi-Ion-clanky/22 [11] bizrice.cz [on line]. [cit. 2012-12-4] Dostupné z: http://www.bizrice.com/upload/20120119/Wind_Energy_Generators.jpg [12] turbines.allsmallwindturbines.com [on line]. [cit. 2012-12-4] Dostupné z: http://turbines.allsmallwindturbines.com/images/uploads/turbine_images/turbine_image_1 352728599.jpeg [13] de.academic.ru [on line]. [cit. 2012-12-4] Dostupné z: http://de.academic.ru/pictures/dewiki/68/Darrieus_rotor002.jpg [14] J ANEČEK, M. Zhodnocení stavu sektoru větrné energetiky a výhled do dalších let. Větrná energie v České republice 2012. Praha, 5.12.2012, ISBN: 978-80-87534-45-8 [15] MICHALÍČEK, M. Větrné farmy Siemens a akumulace energie. Větrná energie v České republice 2012. Praha, 5.12.2012, ISBN: 978-80-87534-45-8 [16] HANSLIAN, D. Větrné podmínky pro male větrné elektrárny. Větrná energie v České republice 2012. Praha, 5.12.2012, ISBN: 978-80-87534-45-8 [17] Geoportal. Větrné mapy [on line]. [cit. 2012-11-25] Dpstupné z: geoportal.gov.cz


81

[18] KŘIVÍK, P., BAČA, P. Současné možnosti akumulace elektrické energie ve fotovoltaických aplikacích. In 28. Nekonvenční zdroje elektrické energie. Rožnov pod Radhoštěm: SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm, 2007.s. 39-44. ISBN: 978-80-02-01961-9 [19] KOLAŘÍK, M. Akumulátory LiFePO4. Off-Grid v ČR 2013 – Cesta k energetické soběstačnosti. Brno, 13.3.2013, Dostupné z: www.bids.cz [20] GÁLUS, M. Olověné baterie v ostrovních a hybridních systémech. Off-Grid v ČR 2013 – Cesta k energetické soběstačnosti. Brno, 13.3.2013, Dostupné z: www.bids.cz [21] tzb-info.cz. Potřeba tepla pro vytápění a ohřev teplé vody [on line]. [cit. 2013-3-12] Dpstupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/47-potreba-tepla-pro-vytapeni-aohrev-teple-vody [22] eon.cz. Ceník dodávky elektřiny E.ON energie, a.s. [on line]. 2012 [cit. 2013-4-10] Dostupné z: http://www.eon.cz/file/edee/cs/domacnosti/produkty-a-ceny-elektriny/eoncenik-elektrina-2013-domacnost-eon.pdf [23] cnb.cz. Česká národní banka. Zpráva o inflaci / IV 2012. [on line]. Praha 2012[cit. 2013-411]. ISSN 1804-2457. Dostupné z: http://www.cnb.cz/miranda2/export/sites/www.cnb.cz/cs/menova_politika/zpravy_o_inflac i/2012/2012_IV/download/zoi_IV_2012.pdf [24] sma.de. Battery inverters. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-10] Dostupné z: http://www.sma.de/en/products/battery-inverters.html [25] eskutr.cz. Simple Battery management pro 16 článků. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-10] Dostupné z: http://eskutr.cz/cs/bms-balancery/58-simple-battery-management-board-16cells-48v-60a.html [26] wikipedia.org. Lithium-iontový akumulátor. [on line]. 2013 [cit. 2013-2-17] Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Lithium-iontov%C3%BD_akumul%C3%A1tor [27] ostrovni-elektrarny.cz. Trakční baterie. [on line]. 2013 [cit. 2013-2-17] Dostupné z: http://www.ostrovni-elektrarny.cz/index.php?category=trakcni-baterie [28] i4wifi.cz. Návod k obsluze pro akumulátory LiFePO4. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-14] Dostupné z: http://www.i4wifi.cz/img.asp?attid=209632 [29] eskutr.cz LiFePO4 3,2V/400Ah. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-14] Dostupné z: http://eskutr.cz/cs/baterie/210-lifepo-akumulator-32-v-40-ah-lifepo4.html [30] made-in-china.com. Wind solar hybrid controller. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-18] Dostupné z: http://zhwind.en.made-in-china.com/product/LeZmkXJxAdcK/China-WindSolar-Hybrid-Controller.html [31] OSIČKA. A. Ekonomika provozu větrné elektrárny. Brno: Vysoké učení technické v Brne, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2010. 45s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Lukáš Radil. [32] KIJOVSKÝ, F. Fotovoltaický on-grid systém s akumulací. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2012. 79 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Petr Mastný, Ph.D. [33] ZO ČSOP Veronica. Větrné elektrárny v Jihomoravském kraji. 2007. 56.s. ISBN: 978-80254-0148-4 [34] rpc.com. Sunny Island 5048 Installation and Instruction Manual. [on line]. 2012 [cit. 2013-4-20] Dostupné z: http://www.rpc.com.au/pdf/SI5048-11-EE4206-prosa-installinstruction.pdf


82

[35] windgenerator.cn. ZKJ-B Charge Controller. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-18] Dostupné z: http://www.windgenerator.cn/eproducts/81.html [36] namir.cz. Elektrocentrála benzínová Heron EGM 65 AVR-1E 6,5 kW. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-22] Dostupné z: http://www.namir.cz/elektrocentrala-benzinova-heron-egm-65avr-1e-65-kw-10502.html [37] neosolar.cz. Solární panel IBC PolySol 240Wp/24V. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-28] Dostupné z: http://eshop.neosolar.cz/solarni-panel-ibc-polysol-240wp-24v [38] neosolar.cz. Solární panel IBC MonoSol 190Wp/24V. [on line]. 2013 [cit. 2013-4-28] Dostupné z: http://eshop.neosolar.cz/solarni-panel-ibc-monosol-190wp-24v [39] dasty.eu. Katalog produktů - Větrné elektrárny. [on line]. 2013 [cit. 2013-3-22] Dostupné z: http://www.dasty.eu/katalog-produktu?page=shop.browse&category_id=28 [40] treals.cz. Výklad pojmů. [on line]. 2012 [cit. 2013-2-11] Dostupné z: http://www.treals.cz/fotovoltaika/vyklad-pojmu/

Přílohy

Příloha A Parametry jednotlivých komponentů OS Parametry VtE ANERN 3000W [39]: Jmenovitý výkon: 3000 W při jmenovitých otáčkách 600 min-1 a rychlosti větru 9 m/s Typ generátoru: 3f AC generátor s permanentními magnety Napětí generátoru: 3 x 48 VAC Rozběhová/doběhová rychlost: 2/ 2,5 m/s Maximální rychlost větru: 50 m/s Počet listů: 5 Brzda: elektromagnetická Průměr vrtule: 3,1 m Hmotnost: 73 kg Životnost: 25 roků Cena: 74 594 Kč

Parametry řídící jednotky TH30A-48 [35], [30]: Jmenovitý/ maximální výkon VtE: 3/ 6 kW Jmenovitý výkon FV: 0,9 kW Jmenovité napětí baterie: 48 V Maximální napětí baterie: 52 V Jmenovitý/ maximální nabíjecí proud: 60 A Režim řízení: PWM Ochrany: FV - přepólování, přepětí, Baterie- přebíjení (pojistka 100A), přepólování, podpětí (min. 40 V) VtE – nadproudová ochrana, automatická brzda, ochrana před bleskem Pomocná zátěž- 80 A pojistka Cena: 15 990 Kč

Technické parametry článku WB-LYP400AHA LiFeYPO4 [29]: Jmenovité napětí článku: 3,2 V Kapacita: 400 Ah Maximální nabíjecí napětí: 4,25 V Minimální napětí článku: 2,5 V Maximální proud: až 20C (8000 A) Dlouhodobý proud: 3C (1200 A) Životnost: 2000 – 8000 cyklů (až 10 roků) Provozní teploty: -45 až 85°C Cena: 13106 Kč

Technické parametry zvoleného balanceru SBM-60A [25]: Počet kanálů: 16 Typ: aktivní Maximální proud: 60 A Uvolňovací napětí: 3,5 V Hraniční napětí: 3,6 V Maximální napětí: 3,9 V Cena: 2299 Kč

Parametry měniče Sunny Island 5048 [34]: Jmenovité napětí baterií: 48 VDC, (41 až 63 VDC) Jmenovitý/max. nabíjecí proud: 100/120 A Kapacita baterie: 100 až 10 000 Ah Jmenovité výstupní AC napětí: 230 VAC, (202 až 253 VAC) Jmenovitý/max. výstupní AC proud: 21/100 A (100 ms špička) Výstupní frekvence: 45 až 65 Hz

83

Přílohy Harmonické skreslení: <3 % Účiník cosφ: -1 až 1 Jmenovitý výstupní výkon 25/45 °C: 5000/4000 W Krátkodobý výstupní výkon pro 25 °C, 30/ 5/ 1 minuta: 6500/ 7200/ 8400 W Jmenovité vstupní AC napětí: 230 VAC, (172,5 až 250 VAC) Vstupní frekvence: 50 Hz, (40 až 60 Hz) Maximální vstupní AC proud: 50 A, (2 až 56 A) Maximální vstupní výkon: 12,8 kW Cena: 57 000 Kč

Technické parametry elektrocentrály EGM 65 AVR-1E 6,5 kW [36]: Výstupní napětí a frekvence generátoru: 230 VAC, 50 Hz Jmenovitý proud AC: 26 A Jmenovitý proud/ napětí DC: 8,3 A/ 12 VDC Jmenovitý/ maximální výkon: 6/ 6,5 kW Typ generátoru: 1f, synchronní Objem nádrže: 25 l Spotřeba paliva: min. 0,45 l/kWh Cena: 28 369 Kč

Parametry FV panelů IBC PolySol 240MS/ IBC MonoSol 190Wp [38], [37]: Typ: Polykrystal/ Monokrystal Jmenovité napětí: 24/24 V Výkon panelu: 240/ 190 W Napětí naprázdno: 37,2/ 45,2 V Proud nakrátko: 8,56/ 5,56 A Napětí maxima: 30/ 36,6 V Proud maxima: 8,01/ 5,19 A Cena: 5 990/ 5 490 Kč

84

Přílohy

Příloha B

85

Schéma zapojení projektovaného OS

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents