ZKRÁCENÁ VERZE STUDIE ZAJIŠTĚNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE Lokální energetická firma, Guinea Ing. K. Vítek, CSc

ZKRÁCENÁ VERZE STUDIE ZAJIŠTĚNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE Lokální energetická firma, Guinea Ing. K. Vítek, CSc. 1. Úvodní informace Předmětem předkládané studie k projektu je výstavba fotovoltaické elektrárny v kombinaci s bioplynovou stanicí, větrnou elektrárnou a přečerpávací elektrárnou. Přidaná hodnota je postavena na synergickém efektu při výrobě a spotřebě elektrické energie na místě. Zároveň přímým napojením na čerpadla u zdroje vody je zabezpečena dodávka elektrické energie po celých 24 hodin denně a přístup obyvatelstva k pitné vodě. Výsledkem realizace by bylo vzorové řešení zásadních problémů v oblastech zajištění elektrické energie z obnovitelných zdrojů, zajištění přístupu obyvatelstva k pitné vodě, likvidace odpadů organického charakteru, vytváření nových podnikatelských aktivit a pracovních příležitostí pro obyvatelstvo a vytváření podmínek pro život ve městě a na venkově na předem určené lokalitě.

Náklady projektu (v mil. Kč): Položka

Investiční náklady Neinvestiční náklady CELKEM

Náklady na přečerpávací elektrárnu

Náklady 4,0 MW fotovolt.el.

Náklady 1,0 MW bioplynové stanice

Náklady 2 x 3,0 MW větrné elektrárny

300

600

100

750

30

40

10

80

330

640

110

830

O nákladech projektu by zásadním způsobem rozhodovaly místní podmínky, konfigurace terénu, geologické a místní meteorologické podmínky.

2. Stručný popis podstaty studie k projektu 2.1 Podstata studie k projektu Základní myšlenkou předkládané studie k projektu je výstavba a provoz komplexu fotovoltaické elektrárny, bioplynové stanice a větrné elektrárny, které budou dodávat elektrickou energii nejen do místní sítě, ale také budou přímo napájet stanici na výrobu pitné vody pro zajištění vody obyvatelstvu, zvířatům i pro zemědělskou produkci.

Zkrácená verze studie zajištění obnovitelných zdrojů energie - lokální energetická farma, Guinea

Zásadní progresivnost a inovativnost předkládané studie k projektu spočívá nejen ve využití nově vyvinutých moderních technologií fotovoltaických panelů s vysokou účinností v kombinaci s bioplynovou stanicí moderní konstrukce a větrnou elektrárnou, ale především v propojení výroby elektrické energie a pitné vody s místní přímou spotřebou: ·

Fotovoltaická elektrárna (dále označována také jako FE), která bude vyrábět elektrickou energii přímou přeměnou světla na elektrickou energii.

·

Větrná elektrárna (dále označována také jako VTE), bude dodávat elektrickou energii v době kdy intenzivně proudí vzduch.

·

Bioplynová stanice (dále označována také jako BPS), bude vyrábět elektrickou energii a teplo po dobu kdy nebude k dispozici elektrická energie z větrné elektrárny nebo z fotovoltaické elektrárny. BPS umožňuje svým charakterem likvidovat ekologickým způsobem veškeré organické odpady při výrobě zeleniny, chovu zvířat (skotu, drůbeže), lidské výkaly a při záměrném pěstování plodin pro energetické potřeby může zajistit celoročně elektrickou energii a zároveň organickou hmotu pro další využití v rostlinné výrobě v trvale udržitelném režimu.

·

Obyvatelstvo a provozy spotřebovávají elektrickou energii ve městě v areálu energetické farmy a v jejím nejbližším okolí.

·

Při tomto přímém propojení výroby a spotřeby na místě vznikne komplex zásadně zvyšující jistotu a efektivitu výroby elektrické energie a spotřeby v místě. Touto ekologicky čistou technologií budou také podstatně sníženy emise COx a NOx při výrobě potřebné energie než např.v klasických tepelných elektrárnách.

·

Elektrická energie produkovaná energetickou farmou bude při přebytku dodávána do přečerpávací elektrárny (dále označována jako PE).

·

Při zpětném průtoku vody, při dostatečném výkonu z přečerpávací elektrárny, bude voda využívána ke zpracování na pitnou vodu.

2.2. Cíl projektu Cílem je dosažení vyrovnané výroby a spotřeby elektrické energie při současném vyhodnocení návratnosti vložené investice: kalkulace finančních nákladů a zahrnutí časové hodnoty peněz maximálně do 15 let provozu při životnosti vystavěného komplexu cca 20 a více let.

Zpracovatel: Ing. Karel Vítek,CSc. Akreditovaný poradce MZeČR č. 101/2004 Strana:2

Projekt:Lokální energetická farma pro mongolský venkov

Technické a technologické řešení studie k projektu Vysoká efektivnost výroby elektrické energie a s tím spojená krátká návratnost vložených finančních zdrojů je mimo jiné založena na využití moderních, velmi progresivních technologických postupů výroby elektrické energie.

3. Fotovoltaická elektrárna (FE) Energie Slunce - výroba elektřiny Téměř veškerá energie, kterou na Zemi máme, pochází ze Slunce. Na území ČR dopadne za rok asi milionkrát více energie, než je roční spotřeba elektřiny. Sluneční záření lze nejefektivněji přeměňovat na teplo, přeměna na elektřinu je dražší. Přímo ji lze získávat pomocí fotovoltaických panelů, nepřímo pomocí větrných a vodních elektráren, nebo tepelných elektráren spalujících biomasu či bioplyn. Existují i zařízení, kde je teplo spalovacího procesu nahrazeno teplem ze speciálních slunečních kolektorů.

3.1. Technologie solárních panelů Fotovoltaická zařízení představují jednoduchý a elegantní způsob, jak sluneční paprsky přeměnit na elektřinu. Pracují na principu fotoelektrického jevu: částice světla - fotony dopadají na článek a svou energií z něho "vyráží" elektrony. Polovodičová struktura článku pak uspořádává pohyb elektronů na využitelný stejnosměrný elektrický proud. Se stejnými

Zpracovatel:Ing. Karel Vítek,CSc. Akreditovaný poradce MZeČR č. 101/2004

Strana:3


základními stavebními prvky - solárními články - je možné realizovat aplikace s nepatrným výkonem (napájení kalkulačky) až po elektrárny s výkony v MW. Solární článek je polovodičový velkoplošný prvek s alespoň jedním PN přechodem (v podstatě jde o polovodičovou diodu). Na rozhraní materiálů P a N vzniká přechodová vrstva P-N, v níž existuje elektrické pole vysoké intenzity. Toto pole pak uvádí do pohybu volné nosiče náboje vznikající absorpcí světla. Vzniklý elektrický proud odvádějí z článku elektrody. V ozářeném solárním článku jsou fotony generovány elektricky nabité částice (pár elektron díra). Některé elektrony a díry jsou poté separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi "předním" (-) a "zadním" (+) kontaktem solárního článku. Zátěží (elektrospotřebičem) připojenou mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, jež je přímo úměrný ploše solárních článků a intenzitě dopadajícího slunečního záření.

Princip činnosti solárního článku.

V současné době jsou nejrozšířenější solární články vyrobené z krystalického křemíku ve formě monokrystalu (účinnost 14 až 22 %) nebo polykrystalu s účinností 12 až 15 %. Levnější články na bázi amorfního křemíku (účinnost 5 až 9 %) jsou na ústupu. V laboratořích byly již vyvinuty články s účinností až 28 %, nejlepší komerční výrobky mají účinnost 20 - 23 %. Protože výkon článků závisí pochopitelně na okamžitém slunečním záření, udává se jejich výkon jako tzv. špičkový, tedy při dopadajícím záření s intenzitou 1 000 W/m2 při definovaném spektru. Článek s účinností 17 % má při ploše 1 m2 špičkový (peak) výkon 170 Wp. Dnes komerčně dodávané špičkové panely mají výkon 220 – 230 Wp.



Odhad produkce fotovoltaického panelu Energie vložená do výroby fotovoltaických panelů je těmito panely získána zpět v našich podmínkách během 2-4 let, přitom předpokládaná životnost je minimálně 20 let s garantovanou účinností 80 %.

3.2.Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování Fotovoltaický systém pracuje nejlépe, pokud je navržen pro skutečné místní podmínky (dimenzování, umístění solárních článků a způsob využití). Pro dimenzování je důležité znát účel, uvažovanou spotřebu (výrobu) elektřiny, typ a provozní hodiny připojených spotřebičů, zda bude systém připojen do sítě, či nikoliv, způsob napojení na doplňkový zdroj energie a další vstupní údaje: · počet hodin slunečního svitu a intenzita slunečního záření, která se mění podle znečištění atmosféry (město, venkov, hory); · orientace - ideální je na jih (případně s automatickým natáčením panelů za Sluncem); · sklon panelů - pro celoroční provoz je optimální 45° vzhledem k vodorovné rovině; · množství stínících překážek - je nutný celodenní osvit Sluncem. Z výše uvedených parametrů je možné stanovit množství vyrobené energie z celého systému za rok. Pro podrobnější výpočty existují již počítačové programy, např. firemní programy výrobců. 3.2.1.Přírodní podmínky Pro odhady se používá hodnota roční sumy globálního záření (průměr pro celou Českou republiku je kolem 1 081 kWh/m2). Jeden m2 fotovoltaického panelu s monokrystalickými články má špičkový výkon 110Wp. Během roku z něho lze získat 80 až 110 kWh elektrické energie. Měsíc

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12 Rok (Wh)

Energie 80 138 213 302 383 390 408 360 265 179 83 60 87237 Průměrné hodnoty elektrické energie [Wh/den], kterou lze získat během jednoho dne ze solárního panelu s výkonem 110 Wp (cca 1 m2) dle měsíců.



3.2.2.Průměrný elektrický výkon V současných podmínkách můžeme počítat s energetickým výkonem z fotovoltaických panelů v průběhu roku s hodnotami dle následujícího grafu.

3.2.3. Sklon a orientace FE Sklon a orientace pozemků je důležitá jak bylo uvedeno výše, ale z praktických poznatků vyplývá, že pásmo, ve kterém se výnosy z fotovoltaického systému pohybují okolo hodnoty 100 % je velmi široké. Zajímavých hodnot lze dosahovat i při extrémních orientacích (východ, západ) a sklonech (0°, 90°).

3.3. Vlastní zařízení fotovoltaické elektrárny by se skládalo z: ·

Fotovoltaických panelů P 210-60GET AK 220W pro vlastní přeměnu slunečního záření a světla na elektrickou energii.

·

Střídače Solar Max 300C – zajišťuje změnu stejnosměrného proudu na střídavý

·

Nosná konstrukce celého systému – betonové kotvení, vlastní nosná konstrukce z hliníkových nosníků.

3.4. Přínosy fotovoltaické elektrárny pro životní prostředí: Získávání elektrické energie pomocí fotočlánků je jedním z nejčistších způsobů získávání elektrické energie vůbec. Využití této technologie má velmi pozitivní vliv na životní prostředí, jedná se zejména o: · Absolutně ekologicky čistý způsob výroby elektrické energie přímou přeměnou slunečního záření. Dochází k velmi významnému snížení emisí CO2 a NOx.



· Výroba elektrické energie touto cestou je bezodpadová. Přestože při výrobě samotných fotosenzitivních buněk a panelů je potřeba značné množství materiálu a energie na výrobu, jsou tyto vklady uhrazeny provozem cca během čtyř až pěti let a běžná životnost panelů je cca 20 a více let. · Rozvod do místní sítě k přímé spotřebě bez potřeby využití veřejné rozvodné sítě uspoří další značné množství energie z klasických zdrojů.



4. Bioplynová stanice (BPS) 4.1. Technologie BPS Ve starších bioplynových stanicích byla využívána zejména kejda, chlévská mrva a kaly z čističek odpadních vod. Takto provozované zařízení však nevykazovalo dostatečnou rentabilitu a návratnost vložených prostředků. Energetická hodnota těchto vstupů je velmi malá a jsou vhodné pouze jako stabilizátory startovacího procesu fermentace. V moderních zařízeních je využíván proces „kofermentace“, tj. proces kontinuální výroby bioplynu mokrou nebo suchou cestou. Směs připravená podle přesné receptury je z míchacího zařízení postupně dávkována do vlastního fermentoru BPS. Směs je tvořena kukuřičnou siláží, travní senáží, hnojem, ale je také možné přidávat nejrůznější biologické odpady. To znamená, že bioplynová stanice může likvidovat také část průmyslových odpadů, které jsou pro podniky placenou službou a dle zákonných norem je musí biologicky likvidovat (jako např. odpady z jatek, cukrovarů, lihovarů, pivovarů, mlékáren, pekáren, atd.). Pro ukázku jsou v tabulce porovnány výtěžnosti produkce bioplynu: Biomasa Produkce BP (m3/t)

Prasečí kejda

Hovězí kejda

Drůbeží podestýlka

Travní senáž

Kukuřičná siláž

Brambory

55

40

110

140

230

145

Výtěžnosti vstupních surovin

4.2. Vlastní zařízení bioplynové stanice by se skládalo z: ·

Skladů suroviny a materiálů (silážní jámy atd.)

·

Distribuce materiálu do fermentoru – rostlinná biomasa musí být manipulátorem nakládána do stacionárního bunkru, který zajišťuje dávkování. Tento proces je plně automatizován podle potřeb fermentoru.

·

Fermentor – prostor, ve kterém dochází ke kvašení biomasy. Fermentor by byl tvořen betonovou jímkou zapuštěnou do země, která působí jako účinný a levný izolant. Součástí fermentoru by měly být zbytkové sklady, ze kterých bude také jímán bioplyn.

·

Automatická řídící jednotka. Slouží k řízení celého procesu kvašení, jímání plynu, dávkování vstupní biomasy a odtahu sušiny a zbytkového fermentátu.

·

Kogenerační jednotka. Jedná se o spalovací motor přizpůsobený pro spalování bioplynu v závislosti na obsahu methanu v bioplynu (to je mezi 50 % - 62 % v závislosti na vstupní biomase). Účinnost kogenerační jednotky se pohybuje mezi 30 % až 42 %.



·

Výměník tepla pro odvod odpadního tepla. Při provozu biostanice vzniká přibližně 1,3 násobek výroby elektrické energie v podobě odpadního tepla, které by mělo být odváděno pro využití v biorafinérii.

Globální schéma činnosti technologie bioplynové stanice:

4.3. Analýza vstupů / výstupů, jejich kvantifikace, zajištění a využití: V předkládané studii k projektu je kalkulováno s instalací bioplynové stanice s výkonem 1,0 MWe / hod. elektrické energie. K této hodnotě jsou vztaženy všechny další kalkulace. Vstupy BPS: Základní množství biomasy jako vstupu výroby (zejména kukuřičné a čirokové siláže) pro stanovený výkon je cca 200 t / den. Za rok by bylo spotřebováno cca 78 250 t biomasy, organických odpadů a exkrementů zvířat. Dále je pro udržení ideálního prostředí ve fermentoru používána především chlévská mrva a kejda, která by byla zpracovávána jako odpady z živočišné výroby (tj. vstup bez přímých finančních nákladů). Výstupy BPS: Základním výstupem je elektrická energie, výkon 1,0 MWe / hod., která bude ze 100 %. Dále vzniká zbytkový digestát v poměru 70 % vstupní biomasy a výstup je v podobě sušiny do 4 % objemu vstupu. Slouží jako hnojivo a bylo by používáno pro hnojení osevních ploch pro produkci biomasy, aplikováno standardním kejdovačem, nebo zpracováno po separaci na hnojivou látku - separát o sušině 25 % a tekutý fugát pro přímé hnojení plodin.



Dále vzniká teplo v objemu cca 1,3 násobku výroby elektrické energie, které by bylo spotřebováváno v sušárně plodin, konzervárně a k chlazení a klimatizaci budov včetně fermentorů BPS a ostatních provozů. Zajištění vstupní biomasy v závislosti na využití vlastních osevních ploch: Pro zajištění výše definovaného množství biomasy pro BPS je třeba cca 2000 ha půdy.

4.4. Dopad na životní prostředí Anaerobní fermentace biomasy spojená s výrobou bioplynu a jeho následným energetickým využitím má velmi pozitivní vliv na životní prostředí, jedná se zejména o: ·

Řízená anaerobní fermentace zabezpečí jímání metanu (BP) a jeho energetické využití (zamezení úniku do atmosféry). Metan CH4 (hlavní energetická složka BP) vzniká i v přírodě při samovolném rozkladu organické hmoty. Přitom je velmi významným skleníkovým plynem (1 t CH4 = 21 t CO2.).

·

Řízená anaerobní fermentace = stabilizace biomasy (zamezení dalšího rozkladu, odstranění zápachu a hygienických rizik). Při samovolném rozkladu organické hmoty dochází ke značné emisi pachových látek a existují i hygienická rizika (mikroby, hmyz).

·

BP (bioplyn) = obnovitelné palivo (potenciál se obnovuje přírodními procesy). Energetické využití BP = bilance CO2 neutrální.

·

Vlastnosti fermentátu jsou velmi příznivé pro jeho využití v zemědělství. Zachování hnojivého účinku, vazba dusíku na organické látky, velmi významná redukce choroboplodných zárodků a semen plevelů, atd.



Modelový systém dvoustupňové bioplynové stanice fy. Oekobit:



5. Větrná elektrárna (VTE) Větrná energie má svůj původ opět v dopadajícím slunečním záření, jehož energie zahřívá vzduch v blízkosti povrchu země. Vlivem rozdílného oslunění v různých oblastech dochází k významným teplotním rozdílům vzduchových oblastí. Důsledkem je potom horizontální proudění vzduchu, známé jako vítr. Také energie větru byla v minulosti dosti využívána pro celou řadu hospodářských činností. Dnes je energie větru využívána pomocí větrných turbín téměř výhradně pro energetické účely. Vítr je obnovitelným zdrojem energie v jeho celkovém slova smyslu. Má velmi nízké externí náklady a obrovský potenciál pro další růst. V Evropské unii mohla výroba elektřiny z větrníků v roce 2002 převyšovat očekávanou spotřebu o 10 %. Průmysl větrné energetiky zaznamenává v Evropě rychlý rozvoj a zaujímá velmi silné postavení na světovém trhu. Jenom v Německu je zaměstnáno v tomto odvětví více jak 45 000 lidí. Významný je i technologický pokrok směřující ke stále větším větrným generátorům a ke snižování investičních nákladů. Zatímco v roce 1992 byly používány 200 kW jednotky s průměrem rotoru 35 m, v roce 2000 to byly již generátory o výkonu 900 kW (rotor – 80 m). V současné době jsou testovány větrné elektrárny s výkony do 3,5 MW s rotorem o průměru 110 m. Rotory jsou optimalizovány tak, aby byly minimalizovány zvukové emise. K regulaci otáček se používají stavitelné listy rotoru. Strojovny větrných elektráren jsou osazeny asynchronními motory bez převodovky. Vývojové trendy směřují k redukci počtu dílů, značné úsilí je věnováno snížení hmotnosti listů rotorů a současně zajištění jejich dostatečné pružnosti. Pozornost je zaměřena také na zpřesnění předpovědi větrných podmínek. Přímořské státy instalují své další větrné farmy do šelfových pobřežních moří. V evropských zemích se větrná elektřina stává důležitým průmyslovým odvětvím. Čisté zdroje snižují exhalace, vytvářejí tisíce pracovních míst a zásobují proudem už milióny domácností. Evropské sdružení pro větrnou energii (European Wind Energy Association) oznámilo, že do konce desetiletí plánuje zvýšit instalovanou kapacitu větrných elektráren v zemích současné Evropské unie na trojnásobek, tedy 75 000 megawattů. Takový objem by zajistil elektřinu pro 86 milionů průměrných Evropanů (167 terawatthodin elektřiny) a pokryl třetinu závazku snížit exhalace oxidu uhličitého, ke kterému se EU zavázala v Kjótském protokolu (523 milionů tun). Doposud průmysl ve tři roky starém plánu předpokládal, že do roku 2010 dosáhne 60 000 MW, tedy o čtvrtinu méně. Skutečný rozvoj však v posledních letech postupuje rychleji než tyto záměry.



5.1. Technologie větrných elektráren Větrné elektrárny jsou technická zařízení, ve kterých je kinetická energie větru přeměňována na energii elektrickou. V závislosti na průměru vrtule, určujícím plochu S opsanou vrtulí, která podle vztahu: Ps = 1/2 cp S r u

3

cp –součinitel výkonu r – hustota vzduchu u – rychlost větru

podmiňuje výkon odebraný proudícímu vzduchu rotorem turbíny, se tato zařízení obvykle dělí na malé, střední a velké větrné elektrárny. K malým větrným elektrárnám tento autor řadí turbíny s nominálním výkonem menším než 60 kW a průměrem vrtulí do 16 m. Nejvýznamnější kategorií jsou malé VTE s nominálním výkonem do 10 kW, které zcela převládají v katalogových nabídkách výrobců (Windenergie, 2006). Dřívější kategorie velkých VTE se díky rostoucím rozměrům vrtulí nových VTE rozdělila na dvě kategorie a to na střední větrné elektrárny s průměrem vrtulí od 16 do 45 m a nominálním výkonem v rozsahu 60–750 kW a velké větrné elektrárny s průměrem vrtulí od 45 do 128 m a nominálním výkonem turbín od 750 do 6 400 kW. Největší VTE s nominálním výkonem nad 3 000 kW jsou většinou zařízení určená pro umístění v moři (offshore). Sporadická je nabídka výrobců VTE s nominálním výkonem do 300 kW, málo výrobců nabízí VTE s výkony v rozsahu 300–750 kW. Zcela největší nabídka výrobků je v rozsahu výkonů 1 500 až 3 000 kW. V souladu s touto skutečností je i největší počet VTE v této kategorii (40 %) ze všech VTE postavených v Německu do konce r. 2005 a vyrábějících 66 % energie z roční produkce všech VTE v Německu. Průměrný výkon všech VTE vybudovaných v r. 2005 je v Německu 1 723 kW (Ender, 2006).

Vrtule větrných elektráren Jak již bylo uvedeno, vedle meteorologických parametrů závisí výkon odebraný proudícímu vzduchu na velikosti plochy vrtule VTE a hodnotě součinitele výkonu. Z tohoto důvodu jsou vrtule zásadní částí celého zařízení VTE a prodělaly za posledních 30 let až překvapivý vývoj co do velikosti, aerodynamických charakteristik a režimu práce. Např. v Německu v r. 2004



bylo 90 % VTE s průměrem vrtulí větším než 60 m. Sériově vyráběné VTE měly trojlisté vrtule, většinou regulaci motoru systémem „pitch“ a měly proměnlivý počet otáček. Zvětšující se rozměry vrtulí kladou vysoké nároky na konstrukci a použité materiály, aby byla zajištěna provozní spolehlivost. Na rozměrově velkých vrtulích vznikají značná zatížení např. v momentech, kdy velká hmota listů vrtule je zabrzděna přestavěním listů do praporové polohy. Nepříznivě na životnost materiálu listů velkých vrtulí vedle malorozměrné turbulence působí případné velké vertikální gradienty rychlosti větru, které v extrémních případech mohou dosahovat až 10 m.s-1/100 m. Aby zvyšování rychlosti větru, které vede ke zvyšování výkonu, nezpůsobilo poškození generátoru, musí být vhodným způsobem snížen výkon dodávaný vrtulí. K tomuto účelu se používají různé způsoby regulace výkonu vrtule, charakteristické pro jednotlivé typy VTE. V podstatě se jedná o tři způsoby regulace: a) regulace odtržením proudu na listech vrtule s konstantním úhlem nastavení listů, tzv. regulace „stall“, b) regulace přestavováním listů vrtule na větší úhly nastavení a tím snížení vztlakové síly a výkonu, tzv. regulace „pitch“, c) regulace přestavováním listů vrtule na menší úhly nastavení a tím snížení vztlakové síly, zvýšení odporu a pokles výkonu, tzv. regulace „aktive stall“.

Turbíny regulované režimem „stall“ jsou konstrukčně jednodušší než turbíny s režimem „pitch“, protože nemají technický systém měnící nastavení listů rotoru. V porovnání s „pitch“ regulovanými větrnými turbínami má regulace výkonu „stall“ principiálně následující výhody: 1. Jednoduchá konstrukce. 2. Nenáročná údržba s ohledem na menší počet pohyblivých částí. 3. Vysoká spolehlivost regulace výkonu. Nevýhodou tohoto způsobu regulace je skutečnost, že výkon vrtule při vysokých rychlostech větru klesá, a tím klesá i její účinnost, což je v případech, kdy je energie větru. Další nevýhodou je nutnost jemného nastavení listů, často až po zkušebním provozu v konkrétní lokalitě. Nevýhodou je dále neschopnost vrtule samostatně startovat, což se realizuje elektrickým motorem. V současné době režim regulace „stall“ výrobci nabízejí u VTE s nominálním výkonem zhruba do 1000 kW, pouze výjimečně u výkonů větších. „Pitch“ regulace představuje aktivní systém, který pracuje se vstupním signálem o výkonu generátoru. Vždy, když je překročen nominální výkon generátoru, změní listy rotoru úhel nastavení vůči natékajícímu proudění, čímž dojde ke zmenšení hnacích aerodynamických sil a zmenšení využití výkonu turbíny. Pro všechny rychlosti větru větší než „nominální“ rychlost, která je nutná pro dosažení jmenovitého výkonu, se nastaví úhel náběhu tak, aby turbína



dávala právě tento výkon. Větrné elektrárny s „pitch“ regulací jsou více sofistikované než turbíny se „stall“ regulací, protože nastavení listů rotoru se mění průběžně. Regulace typu „active stall“ je v počátečních režimech shodná s předchozím typem regulace „pitch“. Liší se jen v posledním režimu, kdy udržování konstantního výkonu není docilováno zvětšením úhlu nastavení listů, ale zmenšováním tohoto úhlu. V tomto režimu jde o řízení odtržení na listech, proto „active stall“. Výhodou této regulace oproti předcházející je menší citlivost na znečištění povrchu na náběžných hranách listů (hmyz). 5.2. Jako VTE by byla použita větrná elektrárna Vestas V90 Jako představitele skupiny větrných elektráren s převodovkou by byla použita větrná elektrárna Vestas V90 – 3,0 MW. Jedná se o typ větrné elektrárny s moderní technologií a řadící se svým výkonem do kategorie největších. Hlavní segmenty strojovny a rotorové hlavy jsou uvedeny na obr. Rotor je vybaven zařízením OptiSpeed, které umožňuje, aby rotor pracoval s variabilním počtem otáček. Větrná elektrárna je regulována naklápěním listů trojlistého rotoru (pitch) pomocí zařízení OptiTip, což je zvláštní regulační systém naklápění listů firmy Vestas, kdy úhel nastavení listů je vždy optimálně přizpůsoben příslušným větrným podmínkám. Tímto je optimalizována výroba energie i hladina hluku. Mechanická energie je od rotoru přenášena hlavní hřídelí přes převodovku na generátor. Přenos výkonu z převodovky na generátor se uskutečňuje pomocí kompozitní spojky. Generátor je speciální, čtyřpólový, asynchronní s vinutým rotorem. Při vyšších rychlostech větru zajišťuje OptiSpeed systém a regulace naklápění OptiTip, aby odevzdávaný výkon ležel nezávisle na hustotě vzduchu v oblasti jmenovitého výkonu. Při nízkých rychlostech větru optimalizují systémy OptiTip a OptiSpeed výkon nastavením počtu otáček a vhodného úhlu listů rotoru. Zabrzdění větrné elektrárny je prováděno nastavením listů rotoru do praporu. Parkovací brzda je na vysokorychlostní hřídeli převodu. Veškeré funkce větrné elektrárny jsou kontrolovány a řízeny řídicími jednotkami na bázi mikroprocesorů. Změny úhlu nastavení jsou aktivovány hydraulickým systémem, který umožňuje pohyb listů rotoru axiálně až o 95°. Čtyři elektricky poháněné převodovky zajišťují nastavení osy gondoly do směru větru.



Obr. schéma větrné elektrárny Vestas V–90, 2 MW (Windenergie 2006)



6. Přečerpávací elektrárna 6.1. Princip přečerpávací elektrárny Přečerpávací vodní elektrárna je speciální typ vodní elektrárny, která slouží ke skladování (akumulaci) elektrické energie prostřednictvím gravitační potenciální energie vody. Umožňuje řešit problém rozdílné spotřeby elektrické energie během pracovního dne, kdy ráno a v podvečer bývají v odběru elektrické energie z elektrorozvodné sítě výkonové spotřební špičky, kdežto v noci je odběr elektrické energie malý. Podobné rozdíly existují i mezi pracovními dny a dny pracovního klidu a volna. Jedná se o doposud jediný technicky proveditelný způsob, pomocí něhož lze vyrobenou elektrickou energii ve velkém měřítku po delší dobu skladovat. Akumulace a čerpání energie Přečerpávací vodní elektrárna má dvě vodní nádrže. Jedna z nich je umístěna na níže položeném místě (dolní nádrž), druhá pak na vyšším místě (horní nádrž). Obě dvě nádrže jsou spojeny spádovým potrubím o velkém průměru. V noci se využívá přebytečná energie z elektrorozvodné sítě a voda se přečerpává z dolní nádrže do horní (elektrárna se v tomto režimu chová jako velký spotřebič elektrické energie, vyrobené z jiných zdrojů energie). V horní nádrži se tak vytvoří velké zásoby vody. Ve chvíli, kdy vznikne v napájecí elektrorozvodné síti potřeba většího množství špičkové energie je voda řízeně vypouštěna z horní nádrže do dolní nádrže přes turbínu vodní elektrárny a elektrická energie spotřebovaná na její noční přečerpání se tak během dne vrací zpět do elektrorozvodné sítě. Fungování přečerpávací elektrárny Během přečerpávání se energie samozřejmě ztrácí, za každou kilowatthodinu elektrické energie, kterou je třeba během špičky použít, je nutné mimo špičku akumulovat asi 1,3 kWh do potenciální energie vody. Celková energetická účinnost obvykle nepřevyšuje 80 %. První přečerpávací elektrárny měly dva samostatné okruhy – turbínu s alternátorem na výrobu elektřiny a čerpadlo poháněné elektromotorem na čerpání vody. To se později ukázalo jako zbytečné, protože každý alternátor lze přepnout tak, aby pracoval jako synchronní elektromotor. Přechod z čerpání na výrobu elektřiny trvá u těchto systémů obvykle jen 3 až 6 minut, vodní turbíny zde pak pracují v opačné roli čerpadel vody.



Tato studie tvoří návrh využití obnovitelných zdrojů energie pro rozvoj středních a malých ostrovních systémů výroby elektrické energie v synergii s přípravou pitné vody pro obyvatelstvo a zároveň při likvidaci organických odpadů za současné produkce hnojivých organických látek pro trvalou udržitelnost úrodnosti půdy v dané lokalitě.


ZKRÁCENÁ VERZE STUDIE ZAJIŠTĚNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE Lokální energetická firma, Guinea Ing. K. Vítek, CSc

Recommend Documents