Hybridní soustava větrné elektrárny a solárních fotovoltaických článků Samostatný zdroj elektrické energie

Hybridní soustava větrné elektrárny a solárních fotovoltaických článků Samostatný zdroj elektrické energie Josef Luťcha, KG Process Innovations, Příkop 8, 602 00 Brno [email protected] 1. Vítr – fotovoltaika hybridní zdroj elektrické energie Vývoj v oblasti solárních fotovoltaických článků a větrných elektráren pro malé rychlosti větru umožňuje přímou a nepřímou přeměnu slunečního záření na energii elektrickou v dané lokalitě. Solární energie záření je zdrojem veškeré energie země a je přijímána v každém zákoutí světa. Energie větrná je jinou formou solární energie. Pro různé tvary povrchu a topologie (např. písek, stromoví a voda) faktor absorpce tepla je jiný což zapříčiňuje teplotní diference na povrchu země a způsobuje konvekční proudění vzduchu – vítr. Tudíž solární energie záření a energie větru jsou komplementární z hlediska času a oblastí. Ve dne kdy sluneční záření je silné vítr je slabý. Při západu slunce sluneční záření je slabé ale vítr zesílí vlivem větších teplotních rozdílů na povrchu země. V létě sluneční záření je silné ale vítr je slabý. V zimě sluneční záření je slabé ale vítr je silnější. Komplementárnost mezi solární energií záření a energií větru vytváří z hlediska časové sekvence nejlepší podmínky pro kombinaci – hybrid – vítr/fotovolataika k nejlepšímu využití solární energie jako energetického zdroje v dané lokalitě. Fotovotaický systém přímo přeměňuje solární záření na energii elektrickou pomocí solárních panelů které nabíjejí baterie. Stejnosměrný proud z baterií prochází střídačem a dále je již proud střídavý dodáván do spotřebičů. Výhodou tohoto systému je velká spolehlivost a malé náklady na údržbu ale nevýhodou je vysoká cena. Větrný systém přeměňuje energii větru na elektrickou prostřednictvím generátoru a vzniklý proud nabíjí baterie. Spotřebiče dále odebírají střídavý proud přes střídač. Výhodou tohoto systému je možnost vyšší produkce elektrického výkonu, nízká cena a nízké náklady na údržbu. Nevýhodou je nižší spolehlivost zařízeni této výkonové třídy. Společnou nevýhodou jak větrného tak i fotovoltaického systému je časová neurčitost elektrického výkonu zdroje která vede k nerovnováze mezi výrobou elektrické energie a požadavky spotřebičů v daném časovém okamžiku. Hybridní větrný / fotovotaický systém, vzájemně komplementární, tuto časovou neurčitost do jisté míry kompenzuje. Přesto je nutné do celé soustavy zařadit zásobník elektrické energie, obvykle bloky baterií. Kapacita baterií musí zabezpečit po určitou dobu i provoz autonomní tj. v době kdy hybridní systém žádnou elektrickou energii nedodává.

Hybrid_WT&PV_Publish_Cor.doc

1

Významnou charakteristikou těchto hybridních systémů, které využívají energii slunečního záření v podstatě bez energetických převodních mezičlánků, je skutečnost, že emise škodlivých plynů, a zvláště potom skleníkových, jsou nulové. Dále uvedený diagram ukazuje prvky a jejich vzájemné vazby hybridního systému. Poznámka: Diagram je převzat z prezentací společnosti J. Bornay, www.bornay,com (1).

2. Hybridní elektrický zdroj pro rodinný dům Významnou aplikací hybridního zdroje je dodávka elektrické energie pro rodinný dům (1). Níže uvedená prezentace takovouto soustavu ilustruje. Roční průměrná spotřeba a dodávka elektrické energie je obvykle vyjadřována ve Wh/den. Naznačené spotřebiče odebírají Dodávka větrného systému Inclin 1500 Dodávka solárních fotovoltaických panelů Dodávka hybridního systému Kapacita baterií pro třídenní autonomní provoz


2

6238 Wh/den 2695 Wh/den 4600 Wh/den 7295 Wh/den 897 Ah

A. Větrná elektrárna generuje elektrickou energii z energie větru. Výběr výkonů se mění podle potřeb pro danou instalaci. B. Baterie - skladují energie vyprodukovanou větrnou elektrárnou a solárními fotovotaickými panely která je potom k dispozici podle okamžitých potřeb. Doporučuje se aby kapacita baterií byla dostatečná pro autonomní provoz po dobu nejméně tří dnů. R. Regulátor řídí produkci elektrické energie větrným a fotovoltaickým systémem. Dále řídí stav nabití baterií, chrání baterie před přebíjením a nepřípustným odběrem. I. Střídač mění skladovanou „stejnosměrnou“ elektrickou energii na standardní střídavý proud 220 V. Může být integrován s řízením nabíjení baterií i z externího střídavého zdroje např. dieselagregátu. Ps. Solární panely generují elektrickou energii ze slunečního záření a tudíž jejich využití je omezeno na dobu denního světla. V kombinaci s větrnou elektrárnou umožňují téměř stabilní produkci elektrické energie v průběhu roku. Počet solárních panelů a jejich výkon závisí na celkové potřebné energii pro danou instalaci.


3

3. Objekt s nulovým příjmem energie z vnějších zdrojů Rodinný dům vybavený tepelným čerpadlem kde jedinou formou energie je odběr z rozvodné elektrické sítě je vhodným uspořádáním pro konverzi na objekt s nulovým příjmem energie z vnějších zdrojů – Zero Energy House. Místo rozvodné sítě dům je vybaven lokálním hybridním vítr/fotovoltaickým elektrickým zdrojem. Jako příklad pro takovýto konverzní postup může sloužit rodinný dům s tepelným čerpadlem umístěný podle níže naznačené mapy. Průměrná roční spotřeba, průměrná měsíční spotřeba a průměrná denní spotřeba elektrické energie je dle zaznamenaných dat následující: Rok 2004 2005 2006 2007

Roční kWh/rok 24 136 22 251 16 026 22 441

Měsíční kWh/měs. 1 980 1 830 1 320 1 860

Denní kWh/den 66 61 44 62

Rozdělení průměrné denní spotřeby po položkách dle jednotlivých spotřebičů je uvedeno v tabulkovém seznamu mapy. Pro krytí objektem požadovaného elektrického příkonu je vybrána malá větrná elektrárna s nominálním elektrickým výkonem 12 kW – viz. American Wind Energy Assotion, Small Wind Turbines, www.awea.com (2) - v kombinaci se solárními fotovoltaickými články s nominálním výkonem 6 kW.


4


5

3.1 Větrná elektrárna Elektrický výkon větrné elektrárny se v podstatě mění se třetí mocninou rychlosti větru. Tato závislost je přesněji charakterizována výkonovou křivkou. Pro vybranou větrnou elektrárnu (2) tvar výkonové křivky naznačuje – viz. níže uvedený diagram, že i při malých rychlostech větru, kolem 5 – 6 m/s, lze očekávat elektrický výkon vyšší než 2 kW.

Jak je naznačeno na mapce větrná elektrárna je umístěna na pozemku rodinného domu. Stožár je samonosný a je tvořen silnostěnnou trubkou která je zakotvena v betonových základech. Níže uvedený obrázek ilustruje takovouto konfiguraci.


6

Klíčovou veličinou pro danou lokalitu je rychlost větru. Publikace Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v České republice, ČEZ Praha 2007 (3) uvádí rozbor větrných podmínek v naší zemi. Zde jsou prezentovány roční průměry rychlosti větru v různých lokalitách. Je obvyklé uvádět rychlosti větru měřené ve výšce 10 m nad povrchem. V tomto rozboru jsou uváděny hodnoty jak „referenční“ tak i pro oblasti kde je „větrno“. Lze zjistit, že při proudění větru podél horizontálního povrchu se rychlost větru zvětšuje s výškou od povrchu vlivem vytvořené mezné vrstvy. Je proto výhodné umístit osu rotoru co nejvýše. Pro malé větrné elektrárny je obvykle doporučován limit 35 m. Podle údajů publikace (3) a s uvažováním turbulence způsobené okolními překážkami proudění lze očekávat rychlosti větru následující: Oblast

Výška osy rotoru 10 m 35 m 4,66 m/s 5,63 m/s 5,21 m/s 6,63 m/s

Reference Větrno

Parametry Weibull Měřítko Tvar 6,1 m/s 2,0 7,3 m/s 1,8

Roční průměrný elektrický výkon větrné elektrárny je úměrný součinu druhé mocniny průměru rotoru a třetí mocniny rychlosti větru v ose rotoru (2). Průměr rotoru vybrané větrné elektrárny je 7 m. Lze očekávat, že roční průměrný výkon a denní produkce elektrické energie budou následující : Reference Větrno

1,63 kW 2,67 kW

39 kWh/den 64 kWh/den

Vlivem změn rozložení teplot povrchu země, které jsou hnacím faktorem větru, v zimním a letním období rychlosti větru se v dané lokalitě mění. V zimně vane vítr silněji a v létě slaběji. Těmto podmínkám odpovídá i výkon větrné elektrárny. Pro kvantifikaci trendů tohoto jevů je využit záznam výroby elektrické energie v jednotlivých měsících roku větrných elektráren ENERCON E-40 které jsou instalovány v Jindřichovicích Jindřichovice pod Smrkem (4) – viz. níže uvedený sloupcový diagram. Použitím poměru ročního průměru k měsíční výrobě elektrické energie lze odhadnout rozložení kWh/den pro vybranou větrnou elektrárnu a uvažované větrné podmínky takto: Měsíc Větrné podmínky Reference Větrno

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

60,0

52,4

41,9

24,8

31,0

28,5

21,1

27,6

34,1

38,4

53,0

54,8

98,3

86,0

68,4

40,7

50,7

46,8

34,6

45,3

56,0

63,0

86,8

90,0


7


8

3.2 Solární fotovotaické články Druhým zdrojem elektrické energie jsou solární fotovoltaické články. Sluneční záření – tok fotonů – dopadá na velkoplošnou diodu s PN přechodem. Přitom jsou generovány elektricky nabité částice (pár elektron-díra). Elektrony (-) a díry (+) jsou separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu a tak vzniká napěťový rozdíl mezi předním (-) a zadním (+) kontaktem článku. Vnějším zátěžovým obvodem zapojeným mezi kontakty protéká stejnosměrný elektrický proud který je úměrný intenzitě slunečního záření. Tedy tímto mechanizmem dochází k přímé přeměně slunečního záření na elektrický proud. Na povrch České republiky dopadá sluneční záření s průměrnou intenzitou 800 W/m2 v závislosti na lokalitě a klimatických podmínkách (3). Pro uvažovanou aplikaci je účelné využít nejvíce propracovanou technologie výroby článků tj. na bázi krystalického křemíku. Energetická účinnost přeměny slunečního záření na energii elektrickou u těchto článků je 14 až 17 %. Tudíž při 15ti procentní energetické účinnosti pro odhad potřebných ploch panelů lze uvažovat s měrným výkonem 120 W/m2. Napěťový rozdíl článku má přibližně hodnotu 0,5 V. Sériovým propojením více článků lze získat napětí které je již použitelné v různých typech fotovoltaických systémů, obvykle jde o napětí 12, 24 a 48 V. Paralelním propojením skupin se zvyšuje proud. Obvyklé uspořádání vychází z článku (cell), přes moduly (modules) na panely (array). Dále uvedený náčrt ilustruje řazení a rozměry Introduction to Phtovoltaic Systems, www.InfinitePower.org (5).


9

Pro požadovaný průměrný výkon solárních panelů 6 kW lze stanovit jejich potřebnou ozařovanou plochu podle doporučení Wind/Photovoltaic Hybrid Power Systems, www.wexport.net/lemon/ (6). Tedy: 6000/(0,85 x 120) = 60 m2 Vzhledem k tomu, že efektivní ozařovaná plocha panelu o rozměrech 1,5 x 2 m je asi 1 m2 – viz. výše uvedenou ilustraci – bude potřebné instalovat 60 panelů. Vhodnou konfigurací je vybudování samostatného „přístřešeku“ kde střecha je tvořena pěti řadami panelů – v každé řadě je dvanáct panelů – takže rozměry „přístřešku“ jsou následující: 12 x 1,5 = 18 m a 5 x 2,0 = 10 m Výhodou této konfigurace je možnost příznivého nasměrování vzhledem dopadajícím paprskům v dané lokalitě a sklonu ozařované plochy. Poznámka. V „přístřešku“ se vytvoří dostatečný prostor pro umístění baterií určených pro skladování elektrické energie – viz. níže uvedená ilustrace.

Pro stanovení generované elektrické energie solárními fotovoltaickými panely lze uvažovat s roční dobou trvání osvitu 2000 – 2200 hodin (6). Tudíž při nominálním výkonu 6 kW průměrná denní produkce elektrické energie bude: 6,0 x 24 x 0,22 = 31,68 kWh/den


10

Při změně intenzity ozáření se mění elektrický výkon solárního panelu téměř lineárně. To ilustruje analýza prezentovaná v D.L. King, W.E. Boyson, J.A. Kratochvil, Phtovoltaic Array Performance Model, Sandia National Laboratories, Albuquerque August 2004 (7). Pro referenční hodnotu solární radiace 1000 W/m2 níže uvedený graf ukazuje závislost výkonu panelu – nominální výkon 3,36 kW – na relativní efektivní solární radiaci pro různé teploty PN přechodu.

Publikace (3) uvádí potenciál možností instalace solárních fotovoltaických panelů v České republice. Zde se zjišťuje, že největší oblast pro využití těchto systémů je v obytných budovách. V případě rodinných domů bylo počítáno s tím, že na 70 % všech těchto objektů bude nainstalován výkon 5 kW na každém. Měsíční objemy elektrické energie vyrobené těmito systémy o celkovém možném výkonu 20 MW jsou naznačeny na následujícím grafu.

Údaje uvedené v grafu lze též využít po normalizaci pro odhad distribuce výroby elektrické energie v průběhu roku. Tudíž pro roční průměrnou produkci 31,68 kWh/den hodnoty v jednotlivých měsících budou následující: Měsíc Denní produkce solárními panely kWh/den

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

9,5

16,9

41,2

43,2

52,7

51,2

51,2

52,7

47,6

31,5

17,6

8,0


11

3.3 Elektrická energie produkovaná hybridním systémem Výše uvedené hodnoty umožňují zpracovat měsíční průměry denní produkce elektrické energie hybridním systémem větru a fotovoltaiky. Větrné podmínky okolí jsou uvažovány jak referenční tak i větrno (3). Takto zpracované hodnoty jsou znázorněny v dále prezentovaném grafu.

Graf též uvádí průměrné roční hodnoty spotřeby elektrické energie analyzovaného rodinného domu vyjádřené v jednotkách kWh/den. Graf zdánlivě naznačuje, že dodávka elektrické energie hybridním systémem má dostatečnou rezervu oproti požadovaným hodnotám. Zde je nutné uvážit, že elektrický příkon tepelného čerpadla se v průběhu roku dosti podstatně mění. Průměrný příkon pro daný typ instalovaného tepelného čerpadla je v tabulce spotřebičů ohodnocen šesti provozními hodinami v průběhu dne. K vyhodnocení skutečné spotřeby v průběhu celého roku je potřebná podrobnější analýza časových záznamů pro konkrétní rodinný dům. V uvažované instalaci jedna provozní hodina představuje 5,4 kWh.


12

3.4 Zásobník elektrické energie Vzhledem k již zmíněnému časovému nesouladu mezi výrobou a potřebou elektrické energie je nutné zajistit energetický zásobník – Energy Storage. Pro analyzovanou instalaci jsou použity baterie. Uvažuje se, že kapacita baterií by měla zajistit autonomní provoz, tj. bez dodávky elektrické energie z hybridního systému, po dobu tří dnů. Při denní průměrné spotřebě energie 70 kWh to znamená 210 kWh. Za předpokladu, že napětí na výstupu větrného i fotovoltaického systému je 48 V potom hodnota stejnosměrného proudu a kapacita baterií budou: 70/24 = 2,92 kW => 3000 W / 48 V = 62,5 A

62,5 x 24 x 3 = 4500 Ah

Napětí používaných baterií bývá 2 V, 6 V, 12 V. Při napětí 12 V bude nutné zapojit do bloku čtyři baterie do série na výstupní napětí 48 V. Při výběru baterií např. od společnosti J. Bornay (1) s kapacitou 210 Ah a napětí 12 V, kapacita bloku bude 210 Ah. V tomto případě pro celkovou kapacitu 4500 Ah bude nutné instalovat 4500/210 = 21,4 bloků a s rezervou 22 bloků zapojených paralelně a tedy s kapacitou 22 x 210 = 4620 Ah. Proud blokem bude 2,84 A. V případě, že v době kdy množství elektrické energie dodávané hybridním systémem je nízké a kapacita autonomního provozu je vyčerpána řídící systém začne odpojovat spotřebiče v pořadí dle jejich významu pro servis. Naopak při přebytku energie z hybridního systému a nabitých bateriích je obvykle využita odbočka s balastní odporovou zátěží. Při možnosti připojení do elektrické rozvodné sítě přebytek může být exportován.

4. Podmínky pro výstavbu hybridní soustavy Podmínky pro výstavbu lze třídit do tří vzájemně vázaných oblastí. Zaprvé jsou to tepelné ztráty a spotřeba elektrické energie nového nebo rekonstruovaného domu. Zadruhé jsou to větrné poměry v lokalitě s vazbou na vliv větrné elektrárny na životní prostředí a subjektivní i legislativní dopad na okolí. Zatřetí jsou to hlediska ekonomická s důrazem na návratnost.

4.1 Spotřeba energie rodinného domu Tepelné ztráty rezidenčních a komerčních budov jsou významnou složkou energetické spotřeby. Zvýšení účinnosti tepelných izolací lze dosáhnout cíle norem některých rakouských zemí ve spotřebě tepla 50 kWh na jeden m2 podlahové plochy za rok což je zhruba dvakrát účinnější úroveň než předepisují současné české normy jak uvádí P. Leidl a T. Víšek, Náklady a potenciál snižování skleníkových plynů v České republice, McKinsey&Company Praha říjen 2008 (8).


13

Hodnotu 50 kWh na m2 a rok lze promítnout do spotřeby elektrické energie která je vstupem tepelného čerpadla. To lze ilustrovat na příkladu analyzovaného rodinného domu. V položce tepelné čerpadlo je v současnosti průměrná spotřeba elektrické energie 32,3 kWhe/den. Podlahová plocha domu činí 250 m2. Při uvedené měrné spotřebě tepla 50 kWh/m2 a rok, vyžadované zmíněnou normou, je denní spotřeba tepla 50.250/365 = 34,3 kWh/den. V případě použití tepelného čerpadla s tepelným výkonem 6,4 kW a topným faktorem rovným čtyřem (Vaneta Zlatareva, Tepelná čerpadla, Česká Energetická Agentura, Praha CHKT 9/2001 (9)) je vstupní elektrický výkon roven 1,6 kWe. Pro denní šestihodinovou provozní dobu to reprezentuje spotřebu elektrické energie 1,6 . 6 = 9,6 kWhe/den. Porovnání se současným stavem 32,4 kWhe/den naznačuje, že rodinný dům má dosti velkou rezervu v možnostech snížení tepelných ztrát. Z hlediska elektrické energie ostatních spotřebičů lze obecně doporučit úplné zavedení úsporných svítidel a používání energeticky účinných spotřebičů a to jak při přímém elektrickém vytápění tak i ohřívačů vody. Ztráty také zvyšuje např. paralelní provozování dvou chladniček.

4.2 Instalace větrných elektráren v lokalitě rodinného domu Větrné poměry pro malé větrné elektrárny se dosti významně odlišují od těch kde jsou instalovány větrné elektrárny velkých výkonů. Především je to již zmíněná skutečnost, že rychlost větru se rychle zvyšuje s výškou osy rotoru od povrchu vlivem vzniklé mezné vrstvy. Rychlost změny rychlosti větru se zmenšuje od výšky nad 45 m. Vzhledem k tomu, že elektrický výkon větrné elektrárny je v podstatě úměrný třetí mocnině rychlosti větru je snahou umístit osu rotoru co nejvýše od povrchu. V řadě zemí je pro tuto výšku určována hranice, např. v řadě federálních států USA je limitem výška 120 stop - 36,6 m. Malá větrná elektrárna obvykle pracuje v prostředí vysoké turbulence charakterizované rychlými změnami rychlosti větru v průběhu času, např. změna o 1,5 m/s během dvou vteřin při střední rychlosti větru 6 m/s. Intenzita turbulence je především určována překážkami proti směru větru – „drsnost povrchu“. Vysoká hodnota turbulence obvykle způsobí rychlé kmitání částí konstrukce větrné elektrárny spojené s únavou materiálů což vede ke snížení její životnosti. Pro malé větrné elektrárny proudění větru může být ovlivněno překážkami a tvarem terénu. Např. za budovou se tvoří úplav s víry a zpětným prouděním. Proto by osa větrné elektrárny měla být umístěna v dostatečné vzdálenosti a výšce mimo oblast úplavu. Podobně hradba lesa nebo prudký sráz otáčí směr proudění větru vertikálně se snížením horizontální složky rychlosti větru a tudíž spojenou s poklesem elektrického výkonu. Je li nezbytné umístění větrné elektrárny na střeše budovy vyžaduje se aby byla dostatečná vzdálenost osy od střechy tak aby se předešlo nepříznivému vlivu interakce proudění s okolními budovami.


14

Pro instalaci malé větrné elektrárny v uvažované lokalitě jsou nezbytné hodnoty rychlosti větru i jeho převládajícího směru. Užitečné informace, v podstatě nepřímá měření, poskytne pozorování lokální vegetace. Stromy, zejména jehličnany, se trvale deformují převládajícím silným větrem. Z tvarů trvalé deformace lze odhadnout sílu i směr větru – viz. tzv. Griggs-Putnam Index of Deformity (2). Dlouhodobě měřené rychlosti větru na meteorologických stanicích v okolí lokality uvažované pro instalaci větrné elektrárny jsou dobrým vodítkem při zjišťování lokálních větrných poměrů. Ovšem přímé monitorování rychlosti větru na místě měřením anemometrem dává jasnou odpověď jaké jsou zdroje větrné energie. Pro zvýšení spolehlivosti lokálně a dlouhodobě měřených rychlostí větru, např. jeden rok, lze využít již zavedený postup tj. korelaci s daty referenční meteorologické stanice. Dalším důležitým hlediskem je vliv stavby na životní prostředí. Např. je li stožár ukotven betonovém bloku je potřebné prozkoumat jak budou ovlivněny hydrologické poměry v podloží. Významnými hledisky jsou subjektivní vjemy okolí. Jde o dopad optický ale především o hluk. Větrná elektrárna je zdrojem hluku. Hladina hluku v místě příjmu je též ovlivněna vlastnostmi prostředí jímž se hluk šíří. Pro názornost ve volném prostoru a vzdálenosti 250 m typická malá větrná elektrárna způsobuje hluk 45 dB(A) – decibellů. V porovnání hluk uvnitř domu je asi 55 dB(A), v kancelářských prostorách 65 dB(A) a v ložnici 35 dB(A).

4.3 Náklady na výstavbu hybridní soustavy Významnými prvky hybridní soustavy jsou tepelné čerpadlo, malá větrná elektrárna, fotovotaické články, zásobník elektrické energie – baterie a příslušný monitorovací a řídící systém. Primárním zdrojem tepla, při nižší teplotě, tepelného čerpadla je okolní vzduch, studniční voda nebo voda v nádrži a podpovrchová zemina (9). Energetická účinnost tepelných čerpadel je obvykle vyjádřena topným faktorem jehož hodnota je v současnosti větší jak čtyři (9). To znamená, že potřebný elektrický příkon je čtyřikrát nižší než tepelný výkon. Např. při zadané hodnotě tepelného výkonu 8 kW je potřebný elektrický příkon roven 2 kWe. V České republice je řada dodavatelů širokého spektra tepelných čerpadel. Např. pro výše uvedený případ tepelného čerpadla vzduch – voda o tepelném výkonu 6,4 kW se prodejní cena pohybuje kolem 200 000 Kč. V České republice lze, při nákupu tepelného čerpadla, získat dotaci do výše 100 000 Kč.


15

V porovnání s větrnými elektrárnami velkých výkonů malé elektrárny vykazují některé odlišnosti jako např. • •

Větrná elektrárna pracuje v obtížných podmínkách jako jsou prudké poryvy větru, úplav za blízkými překážkami se zpětným prouděním, prach a písek. Větrná elektrárna má jednoduchou a robustní konstrukci. Obvykle jde pouze o tři rotační pohyby jako je otáčení rotoru s přímým pohonem elektrického generátoru s permanentními magnety, natáčení do směru větru a otáčivý pohyb rotorového disku za účelem ochrany při překročení limitu rychlosti větru. V rámci současného vývoje je posledně zmíněný otáčivý pohyb vynechán a ochrana je zabezpečena elektronicky zpětnovazebním řízením magnetického pole generátoru.

Počet instalovaných malých větrných elektráren zaznamenal prudký růst. V roce 2006 bylo světově nainstalováno 9500 malých větrných elektráren, z toho v USA 6800 (2). Měrné náklady samotných malých větrných elektráren se pohybují v rozmezí od 1000 US dolarů na 1 kW – pro nominální výkony blíže k 10 kW – do 3000 US dolarů na 1 kW – pro nominální výkony blíže k 1 kW – Small Wind Electric Systems, A Guide produced for the American Corn Growers Foundation, www.acgf.org (10). Další náklady mohou být spojeny se stožárem. Samostatný stožár upevněný v betonovém bloku je dražší než stožár s kotvícími lany. Příkladem může být výše analyzované zmenšení tepelných ztrát rodinného domu což se promítá do nižší hodnoty průměrné spotřeby elektrické energie za den. Nominální výkon větrné elektrárny s hybridní soustavě by mohl být zmenšen ze stávajících 12 kW na 6 kW. Tomu by odpovídala větrná elektrárna Inclin 6000 (1). Náklady na pořízení takovéto elektrárny lze očekávat ve výši 13 000 US dolarů. V České republice zatím nejsou dodavatelé renomovaných malých větrných elektráren. V této oblasti také není přístupný postup k získání dotací. I přes složitý a nákladný výrobně technologický postup nejrozšířenějším typem jsou fotovoltaické články na bázi krystalického křemíku. Měrné pořizovací náklady korespondují hodnotě 9 US dolarů na jeden watt elektrického výkonu. Dlouhodobě ověřený elektrický výkon jednoho m2 účinné ozářené plochy činí 100 W – High Performance Home Technologies, Solar Thermal & Photovoltaic Systems www.eere.energy.gov/buildins (11). Pro uvažovanou hybridní soustavu činí elektrický výkon fotovoltaických článků 6 kW. To odpovídá pořizovacím nákladům 54 000 US dolarů. Po zmenšení tepelných ztrát potřebný elektrický výkon klesne na 4 kW a pořizovací náklady na 36 000 US dolarů. Evropská komise definuje základní strategii pro rozvoj evropského fotovoltaického průmyslu – Směrnice 2001/77/EC (3). Strategie je zaměřená na zajištění dostatečného množství levného křemíku a rozvoj dalších alternativních technologií. Cena 2,5 EURO/W se uvádí jako cílová hodnota pro rok 2010.


16

Pozoruhodný vývoj ve fotovoltaice je přechod do oblasti nanomateriálů – Konarka Technologies www.konarka.com (12). Jde o organické polymery které zabezpečují tři základní funkce konvenčních článků, tj. absorbují světlo, toto přeměňují na tok elektronů a vytvářejí napěťový potenciál. Tyto články jsou vytvořeny z částic oxidu titanu které jsou chemicky pokryty speciální barvou citlivou na světlo. Při ozáření je generován elektrický proud. Tento fotoreaktivní materiál lze levně nanášet, nebo tisknout, na flexibilní substrát typu folie. Měrná cena, EURO/W, je výrazně menší v porovnání s jinými technologiemi. Významným ekonomickým přínosem, který vyplývá z nulových emisí skleníkových plynů – GHG – při provozování hybridní soustavy, jsou platby v rámci „Evropský systém obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů – Emission Trading Scheme – ETS (8). Pro motivaci lze konstatovat: Pro srovnání Česká republika vypouští téměř dvakrát více oxidu uhličitého na obyvatele v energetickém a průmyslovém sektoru než je průměr EU. Jelikož má ETS velký vliv i na Českou republiku cílem tohoto systému je stimulovat snížení emisí skleníkových plynů. Tedy jde o snížení emisí prostřednictvím stanovených limitů a obchodování s povolenkami, tzv. „cap-and-trade system“. ETS systém se vyvíjí a po několika změnách se současné ceny povolenek ustálily na částce 20 – 30 EURO za tunu. Ceny v této výši budou mít podstatný dopad na ziskovost mnoha průmyslových odvětví a měly by představovat silnou motivaci ke snižování emisí. V návaznosti na tento trend lze vyhodnotit množství snížených emisí GHG i pro oblast hybridních systémů. Prezentované výkony 6 kW fotovoltaických článků spolu s 12 kW pro malou větrnou elektrárnu vykazují úsporu 80 tun CO2 za rok a při snížených tepelných ztrátách domu jde o výkony 4 kW fotovoltaických článků spolu s 6 kW pro malou větrnou elektrárnu což odpovídá úspoře 60 tun CO2 (11). Těmto hodnotám odpovídají roční přínosy asi kolem 80.20 = 1600 EURO a 60.20 = 1200 EURO.


17

Hybridní soustava větrné elektrárny a solárních fotovoltaických článků Samostatný zdroj elektrické energie

Recommend Documents