Energie větru Vítr je vzduch proudící v přírodě, jehož směr a rychlost se obvykle neustále mění. Příčinou energie větru je rotace Země a sluneční energie. Například nad zemským povrchem ohřátým sluncem vzrůstá teplota vzduchu a tím se vzduch roztahuje. Nad sousedícím mořem zůstává vzduch chladnější. Kolísání hustoty vzduchu, které tak vzniká, má za následek rozdíly tlaku vzduchu, které zase způsobují proudění vzduchu. Nad povrchem země tak začíná vát vítr z moře na pevninu. V noci se směr větru mění na opačný, protože voda je teplejší než povrch země, který se ochlazuje rychleji. Vzduch neustále proudí z míst s vysokým tlakem do míst s nízkým tlakem vzduchu. Proudění vzduchu také ovlivňuje otáčení Země, které se jen částečně přenáší na vzduchový obal, což ukazují větry zvané pasáty. Dalším působícím faktorem je struktura zemského povrchu. Síla větru Síla větru je mírou rychlosti větru., která má rozhodující vliv na výkonnost větru. Rychlost větru se nejčastěji hodnotí podle stupnice síly větru zavedené britským admirálem Sirem Francisem Baufortem v roce 1800. Původně byla založena na účincích pozorovatelných na moři, později doplněna o události pozorovatelné na zemi. Rychlost větru se měří pomocí tzv. anemometru s miskovým křížem ve výšce 10 m nad zemí. Otáčky rotoru se převádějí analogově na napětí nebo digitálně na počet impulsů za časový interval. Průměrné rychlosti větru se registrují v 10minutových nebo hodinových intervalech. Pro posouzení možného výnosu energie jsou důležité měsíční průměrné hodnoty. Rychlost větru závisí na charakteru krajiny a zástavbě. S rostoucím počtem a výškou překážek stoupají čáry stejné rychlosti (isoventy) do větších výšek.
Pro rovný terén, kde je závislost mezi rychlostí a výškou ovlivňována pouze drsností povrchu, lze použít následující závislost mezi rychlostí větru a výškou:
h v h = v 0 × h0 kde: vh v0 h0 h p
p
je střední rychlost větru ve výšce h0 [m/s] je vypočítaná rychlost větru [m/s] je výška, ve které se provádí měření [m] je výška umístění osy rotoru [m] je exponent závisející na drsnosti povrchu, vertikálním profilu teplot a výšce nad zemským povrchem; vyjadřuje vliv atmosférické turbulence a nabývá hodnot 0 až 1. Při použití průměrných rychlostí větru lze orientačně předpokládat pro vrstvu 0 - 2 m hodnotu p = 0,25, pro vrstvu 2 – 16 m hodnotu p = 0,22 a pro vrstvu 16 – 250 m hodnotu p = 0,25.
Druh povrchu Hladký povrch, písek, vodní hladina, led, bláto Rovinatý terén s nízkým travnatým porostem, ornice, zasněžený terén Vysoký travnatý porost, nízké obilné porosty Porosty vysokých kulturních plodin, nízké lesní porosty Vysoké husté lesy Předměstí, vesnice, malá města
p 0,10 – 0,14 0,13 – 0,16 0,18 – 0,19 0,21 – 0,25 0,28 – 0,32 0,40 – 0,48
Orientační koeficienty pro extrapolaci rychlosti větru
Pozor na rozdíl mezi výškou nad zemským povrchem a výškou nad terénem. Je potřeba si uvědomit, že koeficienty v tomto přiblížení platí pro rovinatý terén a tedy odrážejí vliv drsnosti podloží vzdušného proudu, ale nikoliv vliv členité ortografie. Koeficienty se mění i s výškou vegetace, sněhu atd. Průměrné roční rychlosti větru na našem území udává tzv. větrná mapa. Z ní lze vyčíst, že pouze 1,6 % území je vhodné pro stavbu větrných elektráren. Většinou se jedná o výše položené oblasti, které patří často mezi chráněné krajinné oblasti, což může komplikovat povolení ke stavbě.
Větrná mapa ČR
Laminární a turbulentní proudění vzduchu Existují dva základní druhy proudění: • laminární, • turbulentní. U laminárního proudění se vrstvy s rozdílnou rychlostí proudění vzájemně paralelně posouvají bez tvoření vírů. Rychlost větru bez tvoření vírů narůstá s výškou. Rozdělení rychlostí nad zemí pak závisí na samotné rychlosti větru, na hustotě vzduchu, na charakteru povrchu a v malé míře také na teplotě. U turbulentního proudění se přidává také různě silné víření, vzniká turbulentní proudové pole, kde se molekuly vzduchu nepohybují jen souběžně. V tomto proudění jsou i složky směřující napříč nebo i proti směru hlavního proudění. Turbulentní složky nelze měřit běžným anemometrem.
Větrná turbína pracující na aerodynamickém vztlaku má být co nejméně vystavena turbulentnímu proudění. Proto má být v hlavním směru větru ve vzdálenosti od překážky, která je dvacetinásobkem výšky překážky. Čím vyšší je stožár a volnější krajina, tím je větší šance na minimální turbulence. Normálně roste rychlost větru s výškou. U kopců a horských hřebenů je rychlost těsně nad vrcholkem nebo hřebenem vyšší než ve větších výškách.
Kolísání větru podle ročních období Pro využívání energie je kromě roční průměrné hodnoty rychlosti větru důležité i to, jak kolísá energetický obsah větru v průběhu ročních období. Výroba energie se zpravidla vyplácá od 5 m/s. V zimě bývá energetický obsah větru až několikrát vyšší než v létě. Energie větru tak lépe odpovídá potřebám energie podle ročních období než sluneční energie.
Kromě kolísání rychlosti větru v závislosti na ročních obdobích, měsíčním nebo denním kolísání rychlosti se mohou projevovat i místní zvláštnosti. Větry typické pro daný region mívají svá jména: monsun (Indie), mistral (jižní Francie), bora (Jaderské moře). Teoretický výkon větru Kinetická energie tělesa se vypočítá podle známého vztahu: E kin = 1 / 2mv 2 Hmotnost vzduchu vypočteme jako součin jeho hmotnosti a objemu:
m = ρ ⋅V Kinetická energie větru tedy bude: E kin = 1 / 2 ⋅ ρ ⋅ V ⋅ v 2 Při normálním tlaku je hustota vzduchu: ρ (20°C ) = 1,2kg / m 3 Výkon větru zjistíme jako podíl jeho kinetické energie a časového intervalu: Pvětru =
E kinvětru 1 / 2 ⋅ ρ ⋅ ∆V ⋅ v 2 = ∆t ∆t
Objem větru zjistíme vynásobením plochy, kterou vítr kolmo prochází, rychlosti větru a časového intervalu: ∆V = A ⋅ v ⋅ ∆t
Teoretický výkon větru je tedy: Pvětru = 1 / 2 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3
Teoretický výkon předpokládá, že vítr je zcela zabržděn a odevzdá veškerou svou energii. Větrná turbína Ani nejmodernější větrné konvertory nemohou teoretický výkon obsažený ve větru převést stoprocentně na využitelnou energii. Vzduch za větrným kolem proudí dál určitou rychlostí není možné jej zabrzdit úplně, takže v něm zůstane určitá část pohybové energie. Prot = P1 − P2
Teoretický výkon lopatek rotoru je dána rozdílem výkonu vzduchu před a za větrnou turbínou. Účinnost rotoru je dána vztahem: P τ rot = rot Pvětru Pomocí vzorců je možné zjistit optimální podmínky (teoretické) – tj. poměr rychlosti větru před a za lopatkami konvertoru, při kterých se z proudícího vzduchu odebere největší energie. Tohoto stavu se dosáhne v případě, že se rychlost větru v rovině větrného kola sníží o 2/3; za větrným kolem tedy má ještě 1/3 rychlosti.
Energetický zisk by v tomto případě mohl dosahovat asi 60 % celkové energie obsažené ve větru, a to za předpokladu, že by větrné kolo mělo lopatky ideálně projektované pro danou rychlost. Prakticky ale nelze vyrobit lopatky, které by ideálně využívaly jakékoliv rychlosti větru. V praxi je při dobrém provedení lopatek rotoru možné dosáhnout účinnosti rotoru 40 %.
Teoretická závislost účinnost rotoru na poměru rychlostí větru za a před větrným kolem.
Efektivně využitelný výkon Celková účinnost větrného konvertoru není dána jen účinností větrného kola, ale také účinností převodovky a generátoru. τ celk = τ rotor ⋅ τ převod ⋅ τ generátor •
Za reálnou účinnost větrného kola můžeme považovat hodnotu 0,4. Tj. z procházejícího větru se odebere 40 % energie. • Za účinnost řemenového převodu můžeme brát 0,9. • Generátor převede asi 80 % výkonu na hřídeli na elektrickou energii, tj. s účinností 0,8. Po dosazení uvedených hodnot vychází celková účinnost 0,29. Následující tabulka ukazuje teoretický a efektivní výkon v závislosti na rychlosti větru.
Zdroje: Kolektiv: Velká kniha o energii. L.A.Consulting Agency, 2001 Horst Crome: Technika využití energie větru. HEL, 2002 Beranovský, Truxa a kol.: Alternativní energie pro váš dům. EkoWatt, Brno, 2003 www.csve.cz www.ewea.org
