ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov
Budovy a energie Obnovitelné zdroje energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.
Verze 2.17
Energie větru
2
1
Energie větru • Slunce nerovnoměrně zahřívá zemi-vznikají vzdušné proudy • Snadné využití pro výrobu elektrické energie • Rozvoj větrné energetiky v souvislosti se státními garancemi výkupních cen • Možnost likvidace po skončení životnosti
www.general-energy.eu
www.csve.cz/ 3
Energie větru • Konstrukční provedení větrné turbíny – vodorovná osa otáčení – svislá osa otáčení
4
2
Konstrukční provedení větrné turbíny • Vodorovná osa otáčení • nejběžnější typ • vztlakový princip – využívá princip vztlaku-podobně jako letecké křídlo » podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly; listy proto musejí mít speciálně tvarový profil velmi podobný profilu křídel letadla » energie větru je převedena na rotační energii mechanickou. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie. – natáčení rotoru kolmo na směr větru
www.csv.cz
www.ekobydleni.eu 5
Konstrukční provedení větrné turbíny
• Svislá osa otáčení
• vztlakový princip-možnost vyšší rychlosti otáček, nižší hlučnost (možnost výstavby ve větší blízkosti), nižší životnost-vyšší namáhání, nižší výkony • odporový princip
www.nazeleno.cz
www.pvsolar.cz
www.impel.cz 6
3
•
Větrná turbína
Vícelopatkový rotor
– desítky listů rotoru (např. americké kolo) – malá náběhová rychlost (cca od 0,2m/s) – účinnost 20-30 %
•
Vrtule – – – –
•
1-4 listy rotoru náběhová rychlost 3-6m/s nejpoužívanější typ pro výrobu elektrické energie účinnost 30-40 %
Savoniův rotor – 2 listy rotoru – účinnost do 20 % – náběhová rychlost od 2 m/s
•
Darrierův rotor
www.ueen.feec.vutbr.cz
– 2-3 listy rotoru – účinnost do 40 % – náběhová rychlost 5-8 m/s (nutnost roztočení)
7
Výkon větrné turbíny • Maximální účinnost větrného stroje 59 % • odvedená práce je rovna rozdílu kinetické energie na vstupu a výstupu z rotoru) • Teoreticky dosažitelný výkon Pt Betzův koeficient kB=0,59
• Reálný výkon P
D průměr rotoru (m) v rychlost větru (m/s) ρ měrná hmotnost vzduchu (m3/s)
Cp součinitel výkonnosti (ideálně 0,59)-závisí na rychlosti větru 8
4
Výkonový součinitel větrné turbíny
Reálná účinnost 35-45%
9
Rozdělení větrných elektráren podle výkonu
Malé větrné elektrárny elektrárny s výkonem do 60kW
Střední větrné elektrárny
Velké větrné
s výkonem 60-750kW s výkonem 750-6400kW
10
5
Velikost větrných turbín
11
12
6
Energie větru - konstrukce gondoly 1) Hlavní hřídel 2) Nosný rám strojovny 3) Převodovka 4) Spojení mezi převodovkou a generátorem 5) Generátor 6) Systém natáčení strojovny 7) Hydraulické systémy 13
Příklad větrných elektráren
Protivanov výkon 1,5MW 14
7
Energie větru • Ukazatele využitelnosti: – Rychlost větru (m/s) v dané výšce -běžně 10m (logaritmický profil rychlosti v závislosti na drsnosti povrchu) – Četnost rychlosti větru (distribuční charakteristika) – Vhodné lokality je možné stanovit pomocí analýzy dat dostupných z meteorologických stanic – Dostupnost lokality – Nadmořská výška (námraza,..) – Majetkoprávní vztahy – Zátěž ŽP
15
Energie větru
X
16
8
• Využití energie
Energie větru
– Grid-off systém - systém nezávislý na elektrické síti • malé výkony • synchronní generátor • stejnosměrné napětí 12V nebo 24V • zpravidla malé elektrárny výkon 0,1-5 kW+baterie+elektronika
• možné propojení se systémem fotovoltaických panelů
17
• Využití energie
Energie větru
– Grid-on systém -propojení s elektrickou sítí • Zpravidla komerční výroba elektrické energie • Trend výstavba velkých elektráren (omezené území, nižší náklady na výkon) • Velké výkony • Asynchronní generátor 660V, střídavé napětí • Nelze použít pro autonomní systémy • Rotor 50-100m, stožár >100m • Výkon 100-2000kW (moře, pobřeží 5MW) • Většinou konstantní otáčky a 3-listé provedení-s rostoucí silou větru se zvyšuje zátěž • Výstavba většího počtu elektráren - větrné farmy • ČR systém výkupní ceny elektřiny nebo zelené bonusy
18
9
Energie větru • Problematika větrných elektráren – Hlučnost-lze řešit umístěním do vhodné vzdálenosti od obydlí, nutná hluková studie – Rušení zvěře a ptactva -údajně není významné, umístění mimo tahy ptáků – Rušení signálu TV, rádio, telefony -technicky řešitelné posílením signálu – Stroboskopický efekt (vhání pohyblivých stínů) -umístění – Narušení rázu krajiny • Otázka vhodného výběru lokality
19
Příklad větrné elektrárny • Jednotkový výkon 3MW (2ks) • Pchery (Kladno)
20
10
Příklad větrné elektrárny • • • • • • •
Jednotkový výkon 3MW (2ks) Strojovna ve výšce 90 m nad zemí Rotor o průměru 100 m Pchery (Kladno) Cena 190mil.Kč, zisk 11GWh/rok Zisk předpokládán po 15 letech provozu Obec dostává 240 tis. Kč/rok od provozovatele
21
Cenové rozhodnutí ERÚ
22
11
Umístění větrných elektráren
• Větrný park - větrná farma • onshore – offshore • Využití kontinentálního šelfu - větrné turbíny jsou nákladnější ale výkonnější
23
Příklad Větrný park Baltic 1 • Německo, Baltské moře • Oficiální připojení 2.5.2011, 1 komerční projekt, výstavba cca 3 roky • Instalovaný výkon 48,3MW (21 turbín 2,3MW, turbína 140t, průměr 93m, výška 125-169m) • Baltské moře-průměrná rychlost 9m/s nárazy větru až 120km/h, vlny až 5m, nutná ochrana proti ledovým krám • hloubka moře 20m • Příprava projektu Baltic 2 288MW 24
12
Využití větrné energie ve městech • Zpravidla využití malých větrných turbín • Umístění turbín na budově – integrace s budovou – samostatné umístění turbín
• Využíváno z důvodu nutného použití obnovitelných zdrojů energie pro dosažení lepší energetické bilance • Větrné turbíny jsou výrazným prvkem budovy • Nutné řešení akustiky, vlivu vibrací
25
Příklad budovy Bahrain World Trade Center • prestižní budova určená pro reprezentaci (2008) • první mrakodrap s integrovaným systémem výroby el. energie z větru • využití energie větru vanoucího od moře • výška budovy 240m
26
13
Příklad budovy • (UK)
27
Energie vody
28
14
Vodní energie • Vodní elektrárny - založeny na přeměně potenciální energie vodního toku • Využitelná energie závisí na průtoku a spádu • Výroba elektrické energie • Základní části (vodní dílo) – Vodní stavba - přehrada, jez – vodní stroj - turbína – generátor elektrické energie
• Stabilní výkon zdroje • Nutnost údržby toku http://mve.energetika.cz/
29
Vodní elektrárny • Dle instalovaného výkonu: – MVE do 10MW • domácí, mikroelektrárny, minielektrárny, průmyslové
– SVE – VVE
10-200MW nad 200MW
30
15
Vodní elektrárny
• Přehradní vodní elektrárny Vltavská kaskáda - Orlík (364MW), Slapy (144MW) a Lipno (120MW) • Přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé stráně (650 MW) a Dalešice (480 MW) - reakční doba 55-400 s do plného výkonu • Přílivové vodní elektrárny
www.chatamerin.cz
www.cez.cz
31
Tři soutěsky • Největší elektrárna na řece Jangc'-ťiang • 1993-2006 • instalovaný výkon 22500MW • finálně plánováno 32 turbín • plocha 1084 km2, délka 660km • přehrada omezila záplavy v oblasti a zajistit výrobu elektřiny • stavba měla řadu odpůrců a vyžádala si velké stěhování obyvatel 1,3 mil. Lidí (+následné sesuvy půdy vyžadují přestěhování nyní cca 100tis. lidí) • turismus
32
16
Konec
33
17
