MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2011
Vlastimil Nejtek
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Přehled využívání energie větru Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Martin Fajman, Ph.D.
Vypracoval: VlastimilNejtek Brno 2011
Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy
Agronomická fakulta 2009/2010
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Autor práce:
Vlastimil Nejtek
Studijní program:
Zemědělská specializace
Obor:
Provoz techniky
Název tématu:
Přehled využívání energie větru
Rozsah práce:
25-35 stran včetně příloh
Zásady pro vypracování: 1.
Na základě studia literárních pramenů zpracujte přehled využívání energie větru v současném energetickém uplatnění, sestavte základní přehled typů větrných elektráren a způsobů jejich provozu
2.
Analyzujte základní výhody a nevýhody získávání elektrické energie z větrné energie
3.
Rozveďte důvody, principy a vlastní způsob podpory výroby elektrické energie z energie větru, nejlépe i v mezinárodním srovnání
4.
Ze získaných údajů sestavte závěry o uplatnění, potenciálu a možném budoucím vývoji v oblasti větrné energetiky v České republice
Seznam odborné literatury: 1.
elektronické informační zdroje
2.
firemní literatura
3.
odborné časopisy (Alternativní energie, Energie), sborníky z vědeckých konferencí
Datum zadání bakalářské práce:
říjen 2008
Termín odevzdání bakalářské práce:
květen 2010
Vlastimil Nejtek Autor práce
Ing. Martin Fajman, Ph.D. Vedoucí práce
doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vedoucí ústavu
prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Přehled využívání energie větru Vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne………………………………………. podpis bakalanta……………………….
PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval svojí rodině za podporu při studiu a dále panu Ing. Martinu Fajmanovi, Ph.D., který mi jako vedoucí práce poskytl cenné rady a připomínky.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce pojednává o možnostech využívání větrné energie, zejména v České republice. V úvodu je popsána historie a základní pojmy. Dále jsou rozebrány jednotlivé typy a druhy větrných elektráren, základní konstrukce, výhody a nevýhody získávání energie z větru, v závěru pak legislativní stránka věci.
KLÍČOVÁ SLOVA Obnovitelné zdroje energie, větrná energie, větrná elektrárna
ABSTRACT This bachelor thesis discusses the possibilities of using wind energy, especially in the Czech Republic. The introduction describes the history and basic concepts. Further, the thesis is focused on different types and kinds of wind power plants, describing basic design; furthermore, on, advantages and disadvantages of obtaining energy from wind, finally, on the legislation dealing with described matters.
KEYWORDS Renewable energy, wind energy, wind power
OBSAH: 1.
ÚVOD..............................................................................................................................................9
2.
CÍL....................................................................................................................................................9
3.
HISTORIE ....................................................................................................................................10 3.1.
Větrná energie......................................................................................................10 VÍTR ..............................................................................................................................................11
4. 4.1.
Rychlost a směr větru ..........................................................................................12
4.2.
Koeficient ročního využití ...................................................................................15
5.
TYPY VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN .................................................................................17 5.1.
Rozdělení podle výkonu [17] ..............................................................................17
5.2.
Podle aerodynamického principu [17].................................................................17
5.3.
Rozdělení podle konstrukce ................................................................................18
5.3.1
Elektrárny s vertikální osou rotace .................................................................18
5.3.2
Elektrárny s horizontální osou rotace .............................................................18
6.
KONSTRUKCE VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN ..............................................................19 6.1.
Elektrárny s vertikální osou rotace ......................................................................19
6.1.1
Rotory .............................................................................................................19
6.1.2
Nosný sloup ....................................................................................................20
6.2.
Elektrárny s horizontální osou rotace ..................................................................21
6.2.1
Rotor ...............................................................................................................21
6.2.1.1
Vrtule ..............................................................................................................21
6.2.1.2
Lopatkové kolo ...............................................................................................25
6.2.2
Gondola...........................................................................................................26
6.2.3
Stožár ..............................................................................................................30
6.2.4
Betonový základ .............................................................................................33
7.
VÝHODY A NEVÝHODY VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN ........................................35 7.1.
Výhody ................................................................................................................35
7.2.
Nevýhody ............................................................................................................35
8.
LEGISLATIVA ..........................................................................................................................41 8.1. 8.1.1
Přehled aktuálně platných předpisů [16] .............................................................42 Zákon č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání OZE) ...............................................................................................................42
8.1.2
Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu pro rok 2011 ..............42
8.1.3
Vyhláška č. 475/2005 Sb. ...............................................................................43
8.1.4
Zákon č. 458/2000 Sb. (energetický zákon) ...................................................44
8.1.5
Vyhláška č. 51/2006 Sb. o podmínkách připojení k elektrizační soustavě...........................................................................................................44
8.1.6
Metodický návod k vyhodnocení možnosti umístění větrných a fotovoltaických elektráren z hlediska ochrany přírody a krajiny – Ministerstvo životního prostředí, listopad 2009 .............................................44
9.
ZÁVĚR .........................................................................................................................................45
10.
POUŽITÁ LITERATURA ......................................................................................................46
11.
SEZNAM OBRÁZKŮ..............................................................................................................47
12.
SEZNAM TABULEK ..............................................................................................................48
13.
PŘÍLOHY .....................................................................................................................................49
1. ÚVOD Spotřeba elektrické energie v celosvětovém měřítku neustále roste, je to způsobeno mnoha faktory, mezi nejvýznamnější patří zvyšování počtu obyvatel na planetě a zkvalitňování úrovně jejich životního stylu. Z tohoto důvodu dochází k nárůstu výrobních kapacit elektrické energie, u kterých by se nemělo zapomínat na ekologii. Elektrická energie se dá získat z tradičních, nebo obnovitelných zdrojů. Tradiční zdroje uvolňují energii pomocí spalování fosilních paliv: ropy, uhlí, zemního plynu, nebo štěpnou jadernou reakcí. Problémem tepelných elektráren je zejména jejich velká produkce škodlivých látek do ovzduší a malá účinnost. U jaderných elektráren dochází ke vzniku vyhořelého paliva, které se ukládá do meziskladů, a možnosti jeho následného využití se objevují zatím jen v náznacích. Oproti tomu získávání energie z obnovitelných zdrojů (vítr, voda, slunce, geotermální energie) je k přírodě nezměrně šetrnější, nevýhodou je ovšem špatná regulovatelnost a malá využitelnost v závislosti na vhodných místech pro umístění těchto zařízení. Lze si jen těžko představit, že by tyto zdroje měly pokrýt veškeré energetické nároky lidstva, do budoucna se spíše počítá s nahrazením tepelných elektráren jadernými a obnovitelné zdroje budou sloužit spíše jako doplněk.[1]
Politika Evropské unie se ovšem zaměřuje na podporu obnovitelných zdrojů (důvodem je zlepšování životního prostředí) a je tak možné na jejich výstavbu, provoz získat finanční podporu, ať už ve formě dotací, nebo zvýhodněným výkupem vytvořené energie. Negativním účinkem může být zdražení elektrické energie a škodlivý vliv na přenosovou síť. [1]
2. CÍL Tato bakalářská práce se snaží vytvořit přehled o využívání větrné energie v současném energetickém uplatnění, základních principech větrných elektráren a způsobech jejich podpory v mezinárodním srovnání.
9
3. HISTORIE 3.1. Větrná energie Větrná energie je používána člověkem již od dávnověku. V historii se tato energie nepřeváděla na elektrickou, ale sloužila k mechanické práci. U větrných mlýnů k mletí obilí, k pohonu vodních čerpadel, lisování oleje. Nesmíme také zapomenout na dopravní prostředky (lodě). I na území České republiky se využívalo větrných mlýnů, první takový byl postaven již v roce 1277 v Praze ve Strahovském klášteře. Největší rozvoj zažilo větrné mlynářství ve 40. letech 19. století. Celkem bylo na našem území evidováno 879 větrných mlýnů. Výroba novodobých větrných elektráren započala v 80. letech 20. století a vrcholu dosáhla mezi roky 1990-1995. Poté následoval útlum a to zejména z důvodu nevyhovujícího technického stavu, velké poruchovosti, špatného umístění elektráren v oblastech s nedostatečnou zásobou větrné energie. V dnešní době jsou již v provozu nové větrné elektrárny, které jsou umístěny na dvou desítkách míst po české republice. Výkon dnešních větrných elektráren dosahuje zhruba 2 až 3 MW.[1]
OBR. 1 VĚTRNÝ MLÝN RUPRECHTOV zdroj [2]
10
4. VÍTR Sluneční paprsky, které dopadají na zemský povrch, způsobují rozdílné teploty ve vrstvách atmosféry, největší teplota je na rovníku a směrem k pólům se snižuje, vznikají tak rozdílné atmosférické tlaky a proudění které nazýváme vítr, je vyrovnává. Vítr proudí nad zemským povrchem od pólu k rovníku, tam se stáčí vzhůru a v horních vrstvách proudí zpět k pólu. Z důvodu zemské rotace se v nižších vrstvách stáčí, a proto na pevnině převládají západní proudění, díky tomu je nejvhodnější místo pro umístění větrné elektrárny na západním pobřeží, kde je proudění stálé a dostatečně silné, směrem do vnitrozemí se jeho síla snižuje a potenciál využitelnosti klesá. Na obrázku 2. vidíme rozdělení typů krajin do čtyř skupin dle energetického potenciálu proudění vzduchu.
A Otevřené moře, ploché pobřeží. Rychlost větru je neomezena. Energetický potenciál: 100%
B Plochá krajina bez lesů a jiných překážek. Rychlost větru je mírně snížena. Energetický potenciál: 70%
C Plochá a mírně kopcovitá krajina s vegetací, farmami a osídlením. Energetický potenciál: 50%
D Kopcovitý terén s lesy a jinou vegetací, hustě osídlený. Energetický potenciál: 30%
OBR. 2 VĚTRNÝ POTENCIÁL KRAJINY zdroj [2]
11
OBR. 3 STÁČENÍ VĚTRU VLIVEM ZEMSKÉ ROTACE zdroj [2]
4.1. Rychlost a směr větru Důležitým údajem při využívání větru, je jeho rychlost a směr.
Rychlost větru - měříme ji v metrech za sekundu, čím níže se nacházíme,
tím rychlost logaritmicky klesá, příčinou je drsnost zemského povrchu a přítomnost terénních překážek (kopce, hory, stavby). Kolísání rychlosti a směru větru je způsobeno jeho turbulentním prouděním. Při měření rychlosti a směru proto dochází k průměrování naměřených hodnot za určitý časový interval. Pro měření se používají anemometry a to mechanické nebo elektronické[3]. Anemometr (obrázek 4.) je přístroj pro měření nejen rychlosti, ale i směru větru. Jeho základní částí je rotor, který se otáčí na svislé hřídeli, a je tvořen třemi či čtyřmi rameny, z nichž každé je zakončeno půlkruhovými miskami. Otáčky se přenášejí na ručkový ukazatel jednoduchým mechanismem, nebo elektronicky. Další typy jsou anemometry aerodynamické, akustické, značkovací. Anemograf je anemometr napojený na záznamové zařízení, je schopen vyčíslovat střední hodnoty rychlosti a směru větru za 60 minut, celkem 24krát denně.
12
OBR. 4 SCHÉMA MISKOVÉHO ANEMOMETRU zdroj [2]
Při měření rychlosti větru se užívalo evropských standardů, rychlost a směr se měřily ve výšce 10 m nad zemským povrchem, v případech kdy měření nebylo možné, se používaly dohodnuté přepočty na tuto výšku. V některých oblastech docházelo k rozdílům naměřených rychlostí 10-20%. Z tohoto důvodu byla vytvořena nová větrná mapa pro ČR, měřená pro výšku 100 m, která je podstatně bližší nynější výšce rotorů a pomocí níž můžeme přesněji určit místa vhodná pro stavbu[3]. Na obrázku 5. vidíme závislost výkonu na rychlosti větru, pokud by rychlost větru dále stoupala, došlo by k odstavení elektrárny z technických důvodů.
OBR. 5 PŘÍKLAD ZÁVISLOSTI OKAMŽITÉHO VÝKONU NA RYCHLOSTI VĚTRU zdroj [7]
Směr větru - Je dán světovou stranou, ze které vane. Je udáván
v desítkách stupních azimutu, nebo v meteorologii anglickými zkratkami. Máme 36 směrů větru 01,02…36.
13
TAB. 1 ZNAČENÍ SMĚRU VĚTRU NA ČÍSELNOU STUPNICI zdroj [7] SSV
SV
VSV
V
VJV
JV
JJV
J
NNE
NE
ENE
E
ESE
SE
SSE
S
2
4
7
9
11
13
16
18
JJZ
JZ
ZJZ
Z
ZSZ
SZ
SSZ
S
SSW
SW
WSW
W
WNW
NW
NNW
N
20
22
25
27
29
31
34
36
Směr větru se sleduje pomocí otočné korouhve (která se natáčí podle proudění vzduchu, při srovnání s kompasem se dá určit jeho směr) nebo větrného pytle (obrázek 7.). Získané výsledky znázorňujeme do tzv. větrné růžice (obrázek 6.), v níž k příslušnému směru je přiřazena rychlost a procentuální četnost. Výhodou korouhve je její viditelnost na velkou vzdálenost. Směr větru můžeme určit i větrnou směrovkou, která je součástí rychloměru. Jde o svislou desku otáčející se kolem svislé osy v určité vzdálenosti od těžiště její plochy.
OBR. 6 VĚTRNÁ RŮŽICE zdroj [8] [8]
OBR. 7 VĚTRNÝ PYTEL zdroj
OBR. 8 RYCHLOST VĚTRU V ZÁVYSLOSTI NA DRSNOSTI POVRCHU převzato z [3] 14
OBR. 9 PRŮMĚRNÁ RYCHLOST VĚTRU VE 100M VÝŠKY NAD ČR převzato z [4]
4.2. Koeficient ročního využití Patří mezi základní ukazatele efektivity zdroje energie. Je to poměr mezi skutečným množstvím vyrobené energie a maximálním možným (teoretickým) množstvím v horizontu jednoho roku.
kr =
Wr ⋅ 100 Pi h
[%]
[1]
kde Wr vyjadřuje roční množství energie, Pi je instalovaný výkon, h je počet hodin za rok (8760) Výkon větru protékající jednotkovou plochou:
Pv =
1 3 ρv 2
[W ⋅ m ] −2
kde Pv je hustota výkonu větru,
[2]
je hustota vzduchu, v je rychlost proudění vzduchu.
15
Odhad síly větru umožňuje Beaufortova stupnice, byla sestavena v letech 18051808 britským kontraadmirálem sirem Francisem Beaufortem (1774-1857) nepotřebuje přístroje, odhad se dělá pouhým okem podle vlnění mořské hladiny[6].
TAB. 2 BEAUFORTOVA STUPNICE zdroj [6] stupeň 0 1
rychlost větru
m/s
km/h
slovní označení
0–0,2
0–1
bezvětří
0,3–1,5
1–5
vánek
1,6–3,3
6–11
3,4–5,4
12–19
5,5–7,9
20–28
8,0–10,7
29–38
kouř už nestoupá úplně svisle, malé šupinovitě zčeřené vlny bez korouhev nereaguje pěnových vrcholků malé vlny, ještě krátké, ale vítr je cítit ve tváři, listí šelestí, výraznější, se sklovitými hřebeny, slabý vítr korouhev se pohybuje které se nelámou hřebeny vln se začínají lámat, listy a větvičky v pohybu, vítr pěna převážně skelná. Ojedinělý mírný vítr napíná prapory výskyt malých pěnových vrcholků. vítr zvedá prach a papíry, dosti pohybuje větvičkami a vlny ještě malé, ale prodlužují se. čerstvý vítr slabšími větvemi Hojný výskyt pěnových vrcholků. dosti velké a výrazně prodloužené vlny. Všude bílé hýbe listnatými keři, malé pěnové vrcholy, ojedinělý výskyt čerstvý vítr stromky se ohýbají vodní tříště.
39–49
silný vítr
pohybuje silnějšími větvemi, telegrafní dráty sviští, velké vlny. Hřebeny se lámou a nesnadné jest používat zanechávají větší plochy bílé pěny. Trochu vodní tříště. deštník
50–61
moře se bouří. Bílá pěna vzniklá pohybuje celými stromy, chůze lámáním hřebenů vytváří pruhy prudký vítr proti větru obtížná po větru.
2
3
4
5
6 10,8–13,8 7 13,9–17,1
8 17,2–20,7
62–74
bouřlivý vítr
20,8–24,4
75–88
vichřice
24,5–28,4
89–102
silná vichřice
28,5–32,6
mohutná 103–117 vichřice
32,7–??
118–133
9
10
11
12
orkán
znaky na souši
znaky na moři
kouř stoupá svisle vzhůru
moře je zrcadlově hladké
dosti vysoké vlnové hory s hřebeny výrazné délky od jejich láme větve, vzpřímená chůze okrajů se začíná odtrhávat vodní tříšť, pásy pěny po větru proti větru je již nemožná vysoké vlnové hory, husté pásy pěny po větru, moře se začíná valit, vodní tříšť snižuje menší škody na stavbách dohlednost. velmi vysoké vlnové hory s překlápějícími a lámajícími se hřebeny, moře bílé od pěny. na pevnině se vyskytuje Těžké nárazovité valení moře. zřídka, vyvrací stromy a ničí Viditelnost znatelně omezena domy vodní tříští. mimořádně vysoké pěnové hory. Dohlednost znehodnocena vodní rozsáhlé zpustošení plochy tříští. vzduch plný pěny a vodní tříště. ničivé účinky odnáši domy, Moře zcela bílé. Dohlednost velmi pohybuje těžkými hmotami snížena. Není výhled.
16
5. TYPY VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN 5.1.
Rozdělení podle výkonu [17]
Malé větrné elektrárny- jsou větrné turbíny s nominálním výkonem menším než 60 kW a s průměrem vrtulí do 16 m. Významnou složkou jsou elektrárny s výkonem do 10 kW, které dále dělíme.
o Mikroelektrárny- s výkonem do 2,5 kW a průměrem vrtulí 0,5-3 m. Slouží k výrobě stejnosměrného proudu o napětí 12-24 V, který je akumulován v bateriích a následně využit pro osvětlení, napájení komunikačních systémů a jiných spotřebičů.
o Elektrárny s výkonem 2,5-10 kW a průměrem rotoru 3-8 m. Výstupní napětí je 48-220 V, využívají se pro vytápění domu, ohřev vody.
Střední větrné elektrárny- nominální výkon se pohybuje v rozsahu 60-750 kW, průměr rotoru 16-45 m.
Velké větrné elektrárny- výkon se u těchto elektráren pohybuje v rozsahu 750-6400 kW a průměr rotoru dosahuje 45-128 m. Elektrárny dodávají energii přímo do rozvodné sítě.
5.2. Podle aerodynamického principu [17] Toto hledisko, má na princip elektrárny rozhodující vliv dělí se na: Větrné elektrárny pracující na odporovém principu- Jsou to nejstarší druhy větrných elektráren a mají horizontální nebo vertikál osu rotace (Savonius), princip je takový, že plocha nastavená proti větru mu klade aerodynamický odpor, proud vzduchu zpomaluje a je na ni působeno silou. Tato síla je přeměňována na zpravidla mechanickou práci. Větrné elektrárny pracující na vztlakovém principu- Mezi větrné elektrárny pracující na vztlakovém principu patří, nejen vrtule a lopatková kola s horizontální osou rotace, ale i elektrárny s vertikální osou rotace (typ Darrieus). Rotor pracuje na vztlakovém principu, tedy lopatky a vrtule jsou tvarovány tak, aby při působení větru vznikala potřebná vztlaková síla uvádějící rotor do pohybu.
17
5.3. Rozdělení podle konstrukce Podle konstrukce rozlišujeme dva základní typy větrných elektráren. S vertikální osou rotace a s horizontální osou rotace.
5.3.1
Elektrárny s vertikální osou rotace
Jejich velkou výhodou je, že mají samostatný rozběh a hodí se i do husté městské zástavby, dokážou pracovat i za proměnného směru větru, dosahují účinnosti až 38%. Vyrábí se od malých střešních až po velké námořní. Protože mají umístěno těžiště v dolní části u alternátoru, netrpí tolika konstrukčními omezeními jako elektrárny s horizontální osou rotace, které musejí rotor natáčet ve směru větru.
5.3.2
Elektrárny s horizontální osou rotace
V dnešní době se s nimi můžeme setkat nejčastěji. V ideálních podmínkách dosahují účinnosti až 45%, k tomu jim dopomáhá výška stožáru přes 100 m a vysoké otáčky vrtule rotoru, který je tvořen 1-4 listy. U větrné elektrárny poháněné lopatkovým kolem, je rychlost rotoru mnohem menší. Vyznačují se těžkou konstrukcí. Používají se zejména pro čerpání vody a jako zdroj energie pro samostatné domácnosti.
OBR. 10 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN DLE RYCHLOBĚŽNOSTI zdroj [1] 18
6. KONSTRUKCE VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN Tato kapitola se zaměřuje na jednotlivé části nejčastěji užívaných větrných elektráren.
6.1. Elektrárny s vertikální osou rotace
OBR. 11 SCHÉMA HORIZONTÁLNÍ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY zdroj [19]
6.1.1
Rotory •
Savoniův rotor
Byl vynalezen kolem roku 1925 finským lodním důstojníkem Siguardem J. Savoniusem. Zařízení (obrázek 13.) je složeno ze dvou navzájem do protisměru přesazených půl-válcových lopatek a kruhových kotoučů, mezi které jsou lopatky osazeny. Přesazení lopatek je 20-30%. V praxi se díky přesazení část větrné energie dostane ze zabírající lopatky i na lopatku, která jde při rotaci proti větru. Rotory se dělí na levotočivé a pravotočivé, dle uspořádání lopatek. Účinnost se pohybuje okolo 20%. Rozběhová rychlost větru 2-3 m/s.[9]
19
OBR. 12 PRINCIP SAVONIOVA ROTORU zdroj [8] OBR. 13 SAVONIŮV ROTOR zdroj [9]
•
Darrierův rotor
K jeho patentování došlo v roce 1931. Je to rychloběžný typ rotoru (obrázek 14.) složený ze dvou či více křídel, rotujících kolem vertikální osy. Křídla vytváří v průběhu rotace válcovou, kuželovou, kulovou, nebo parabolickou plochu. Účinnost je až 38%, využívá se pro výrobu stejnosměrného i střídavého elektrického proudu. Nevýhodou je špatný samostatný rozběh.[9]
OBR. 14 DARREIERŮV ROTOR SE SVISLOU OSOU ROTACE zdroj [8]
6.1.2
Nosný sloup
Nosný sloup je ve spodní části zapuštěn do betonového základu a v horní části ukotven ocelovými lany. Na obou koncích se také nacházejí ložiska, která umožňují otáčení rotoru. Jako výrobní materiál se používá ocel.
20
6.2. Elektrárny s horizontální osou rotace OBR.
15
ZÁKLADNÍ ČÁSTI VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY zdroj [10]
6.2.1
Rotor
6.2.1.1 Vrtule Je rychloběžný typ rotoru s horizontální osou rotace. Vrtule je technické zařízení, které umožňuje přeměňovat energii rotačního pohybu na tah nebo naopak tah na rotační pohyb. Je tvořena dvěma až třemi listy (obrázek 19.). V dnešní době jsou vyráběny z kompozitních materiálů metodou laminování. Prosycováním tkaniny pojivem vzniká kompozitní díl. Tkaninou je skelná tkanina a jako pojivo se používá epoxidová pryskyřice. Pryskyřice se před zpracováním smíchá s tvrdidlem. Po vytvrzení pojiva vznikne kompozit, který kombinuje vlastnosti obou materiálů. Výroba spočívá v kladení tkanin do naseparované formy a následnému impregnování laminační pryskyřice pomocí válečků nebo štětců. Vrstvení laminátů 21
je tajemstvím každé firmy (kolik se použije vrstev, zda budou skelné, uhlíkové nebo kevlarové tkaniny, s jakou orientací vlákna a jak to bude proloženo tvrzenou pěnou. Objemový podíl vláken je maximálně 50%.
OBR. 16 FORMA PRO LAMINOVÁNÍ ROTOROVÉHO LISTU zdroj[1]
Do listů rotoru je možné namontovat i vyhřívání (obrázek 17.). Pokud teplota vzduchu klesne pod bod mrazu a je vysoká vzdušná vlhkost vytváří se na listech námraza, ta způsobuje nižší výkon, nebo úplné odstavení větrné elektrárny z důvodu možného ohrožení svého okolí. Systém vyhřívání funguje na principu topného tělesa, který ohřívá vzduch, ten je následně vháněn ventilátorem do náběžné hrany. Na vrcholu listu se proudění obrátí a vzduch proudí zpět na odtokové straně listu k ventilátoru[1].
OBR. 17 SYSTÉM VYHŘÍVÁNÍ LISTU zdroj [1]
Listy vrtule jsou k rotorové hlavně připevněny pevnostními šrouby (obrázek 18.), které jsou zalaminovány přímo do stěny rotorového listu. 22
OBR. 18 PEVNOSTNÍ ŠROUBY NA LISTECH ROTORU zdroj [1]
Účinnost vrtule se pohybuje v rozmezí 40-45% průměr listů rotoru je od 25 do 150 m. Tyto rotory slouží pro výrobu třífázového elektrického proudu.
OBR. 19 PROVEDENÍ VRTULÍ a) JEDNOLISTÁ b) DVOULISTÁ c) TŘÍLISTÁ zdroj [5]
•
Regulace rychlosti otáčení rotoru
Smyslem větrných elektráren je co nejlevněji vyrobit elektrický proud. Maximálního výnosu dosahují při rychlostech větru kolem 15 m/s (54 km/h), stavba zařízení s maximální produkcí při vyšších rychlostech není ekonomická, protože vítr o větší rychlosti se vyskytuje jen zřídka. Při velké rychlosti větru se musí výkon elektrárny snížit, aby se zabránilo škodám na zařízení [5].
23
•
Regulace Pitch (regulace natáčením listů)
Výkon zařízení je stále měřen elektronickým regulátorem, při velkém nárůstu dojde k natočení lisů rotoru lehce z větru, při snížení rychlosti větru se vše vrátí do původního stavu. Listy rotoru jsou tedy otočné kolem své podélné osy. Tento systém neslouží jen k ochraně zařízení před silným větrem, ale i k maximalizaci výkonu (listy rotoru jsou vždy ideálně nastaveny, při každé síle větru) [5]. •
Regulace Stall (regulace odtržením proudu)
Listy rotoru jsou pevně přišroubované k hlavě pod určitým úhlem. Listy rotoru jsou dimenzovány tak, že při silném větru se na odvrácené straně listu vytvářejí turbulence, tím dochází k snížení vztlakové síly pohánějící rotor. Výhodou této regulace je menší množství pohyblivých dílů. Nevýhodou jsou vznikající vibrace způsobené odtržením proudu vzduchu. Dále je to nutnost rozběhu pomocí elektromotoru, protože vrtule se sama neuvede do pohybu [5]. •
Aktivní regulace Stall
Listy u rotoru jsou natáčivé jako u regulace Pitch, při dosažení jmenovitého výkonu se listy otočí do protilehlého směru, uhel nastavení se zvýší a zesílí se odtržení proudu. Tím dojde k odražení přebytečné energie větru. Výhodou je přesnější regulace než u systému Pitch, zejména při poryvech větru nedochází k přetěžování generátoru, zařízení můžeme tedy používat i za vysoké rychlosti větru při jmenovitých otáčkách. Tato regulace se uplatňuje zejména u elektráren s výkonem nad 1 MW [5].
Výkon větrné elektrárny:
P=
kde
1 3 ρv ⋅ C p ⋅ S 2
[kW]
[3]
je výkonový součinitel určující míru snížené rychlosti protékajícího vzduchu
rotorem a S je plocha rotoru. 24
Z uvedeného vzorce vyplývá, že výkon větrné elektrárny je závislý na druhé mocnině průměru rotoru.
OBR. 20 ZÁVYSLOST JMENOVITÉHO VÝKONU VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY NA PRŮMĚRU ROTORU převzato z [1]
6.2.1.2 Lopatkové kolo Je pomaloběžný typ větrného rotoru s horizontální osou rotace. Je složeno z 12 až 24 lopatek (obrázek 21.), díky nimž se rotor rozběhne i za malé rychlosti větru 2-7 m.s-1. Průměr lopatkového kola se pohybuje v rozmezí 5-8 metrů a jeho účinnost 2043%. Nejčastěji se používá pro čerpání vody a výrobu elektrické energie pro vlastní spotřebu. Nevýhodou je těžký rotor, který je složen z ocelového rámu.
OBR. 21 LOPATKOVÉ KOLO zdroj [5]
25
6.2.2
Gondola
V gondole najdeme srdce větrné elektrárny, je vytvořena ze sklolaminátu a obsahuje celou strojovnu (obrázek 22.). Rotor je umístěn na hřídeli, která přenáší výkon do převodovky a ta zvyšuje otáčky pro generátor. Dále je v gondole umístěna brzda, která slouží k okamžitému zastavení rotoru. Celá strojovna je natáčena pomocí elektropohonu, který je připevněn k rámu strojovny. Některé části větrné elektrárny mohou být ovládány hydraulicky, proto je zde umístěno hydraulické čerpadlo, olejová nádrž a tlakové rozvody. [1]
OBR. 22 ZJEDNODUŠENÝ NÁKRES GONDOLY A JEJÍ ČÁSTI zdroj [1] 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
Hlavní hřídel větrné elektrárny Nosný rám strojovny Převodovka větrné elektrárny Spojení mezi převodovkou a generátorem Generátor větrné elektrárny Systém natáčení strojovny Hydraulické systémy větrné elektrárny
•
Hlavní hřídel větrné elektrárny
Je podlouhlá rotační součást (obrázek 23.), která přenáší krouticí moment. Upevněna je pomocí několika ložisek. Hřídel je vyrobena jako výkovek a následně třískově obráběna s důrazem na přesnost. 26
OBR. 23 HŘÍDEL zdroj [1]
•
Nosný rám strojovny
Jde o podélné těleso, které slouží k nesení všech komponent strojovny (obrázek 24.). Vyroben je ze svařených ocelových plátů. Dosedací plochy jsou obráběny na horizontální frézce.
OBR. 24 NOSNÝ RÁM zdroj [1]
27
•
Převodovka větrné elektrárny
Slouží k přizpůsobení rychlosti otáček potřebám elektrického generátoru. Při větrných poryvech je velice namáhána rázy od rotoru. Požadavkem na převodovku je její tichost, proto jsou kola kalena, cementována či nitridována, povrch zubů pak broušen. Rozmezí pracovních teplot se pohybuje mezi -40°C až +45°C. Při výkonech do 50kW se používají převodovky s čelním převodem a šikmými zuby. Občas i planetové převodovky, ty se ale více zahřívají a nastává problém s chlazením, neboť u takto malých elektráren se nepoužívá nucená cirkulace vzduchu, při které by ventilátor zvyšoval elektrické ztráty na provoz. U elektráren s výkonem nad 500 kW se používají několikastupňové planetové převodovky, případně kombinované několikastupňové převodovky, kdy první stupně jsou planetové a poslední jeden či dva stupně koaxiální. [1]
OBR. 25 PŘEVODOVKA zdroj [1]
•
Spojení mezi převodovkou a generátorem
Krouticí moment na generátor bývá přenášen jednou hřídelí, nebo pomocí dvou souosých hřídelí, které jsou spojeny přes spojku. Spojka kompenzuje rázové špičky od poryvu větru. Na výstupní hřídeli z převodovky je umístěna třecí brzda, která dokáže zastavit točící se rotor. •
Generátor větrné elektrárny
Mění mechanickou energii větru na elektrickou energii. Můžeme je rozdělit na : 28
-
Stejnosměrné generátory: používají se u malých elektráren pro dobíjení akumulátorů.
-
Synchronní generátory:najdeme je na středních a velkých větrných elektrárnách (obrázek 26.). Mají dobrou účinnost a pracovní rozsah rychlostí větru. Využívají se jako záložní zdroje pro dodávky elektrické energie, při selhání dodávek z rozvodné sítě.
-
Asynchronní generátory: používají se také u středních a velkých výkonů, jejich konstrukce je levnější a snadněji se připojují k síti. [1]
OBR. 26 SYNCHRONNÍ GENERÁTOR zdroj [1]
•
Systém natáčení strojovny
Tyto systémy slouží ke správnému nasměrování rotoru vůči větru, tedy k co nejlepšímu výkonu. -
Umístění rotoru na závětrné straně gondoly: aerodynamická síla působící na rotor vyvolá moment síly, který jej natáčí kolmo ke směru větru. S tímto systémem se můžeme setkat u malých, rychloběžných elektráren.
-
Kormidlo: gondola je opatřena plochou, která má specifický tvar a je pevně připevněna k rámu gondoly. Při změně směru větru dojde k točivému efektu a k natočení elektrárny potřebným směrem. Tento způsob najdeme u elektráren s výkonem do 5kW.
-
Boční pomocné rotory: je tvořen dvojicí lopatkových kol, které se při otočení větru roztočí a nasměrují rotor do požadované polohy. Nevýhodou je složitější konstrukce.
-
Systém natáčení gondoly: Je sledována rychlost a směr větru, na základě těchto veličin dojde k vyhodnocení a natočení celé strojovny pomocí elektromotoru. [1]
29
OBR. 27 ELEKTROPOHON NATÁČEJÍCÍ STROJOVNU zdroj [1]
OBR. 28 USPOŘÁDÁNÍ ROTORU ZA GONDOLOU, KORMIDLO, BOČNÍ POMOCNÉ ROTORY zdroj[5]
•
Hydraulické systémy větrné elektrárny
Ve strojovně můžeme najít několik hydraulických systémů jako je brzda generátorového hřídele, brzda systému otáčení strojovny, brzda rotoru, případně systém natáčení rotorových listů.
6.2.3
Stožár
Výška stožáru se pohybuje v rozmezí 40-110m. V Evropě se nejčastěji používá tubusový stožár, ten je sestaven ze segmentů o délce 25m, které jsou vyrobeny z plechových plátů a následně skrouženy do prstenců a svařeny. U stožárů s výškou nad 100m se používá příhradového stožáru, který je výhodnější, zejména z důvodu snadné přepravy materiálu na místo stavby a nižší spotřeby oceli. Poslední variantou jsou betonové stožáry, na jejich stavbu se používají betonové poloskruže, které se na místě kompletují do skruží. Pro větší pevnost jsou vedena ocelová lana dutinami ve skružích, od vrcholu stožáru až k jeho patě. [1]
30
•
Tubusový stožár
V našich zeměpisných šířkách se s ním můžeme setkat nejčastěji. Jejich výška je 40-105m, výjimečně více. Z důvodu snadnější dopravy je rozdělen až na 25m části. U malých stožáru, jejichž délka segmentů nepřesahuje 10m se jako povrchová úprava používá žárový zinek, v ostatních případech se užívá nátěrových hmot. Tloušťka plechu se pohybuje v rozmezí 12-45mm (výjimečně 70mm), ovlivňujícím faktorem je poloha segmentu ve stožáru. V dolní části stožáru je to 30-45mm, u vrcholu 12mm. Na výrobu se používá plech, jehož ekvivalentem dle ČSN je plech 11 523.1. Před dalším zpracováním je otryskáván litinovými broky, aby se odstranila případná koroze. Skružování se provádí na válcové skružovací stolici. [1]
OBR. 29 PRINCIP SKRUŽOVÁNÍ NA VÁLCOVÉ STOLICI zdroj [1]
Podélný spoj je svařen metodou MAG (tavící se elektroda v aktivní ochranné atmosféře). Jakmile prstenec drží svůj tvar je svár dokončen (metodou svařování pod tavidlem). Všechny sváry jsou kontrolovány opticky a ultrazvukem. V některých případech i magnetickou rezonancí. Na závěr se usazení žebřík a kabelový roštu. •
Příhradový stožár
Tento typ stožáru se v Evropě nevyskytuje tak často jako tubusový, je ekonomicky výhodnější při výšce stožáru nad 100m, sestavení proběhne až na místě, materiál sestávající z nosníků a vzpěr se snadno transportuje. Další výhodou je jeho estetická stránka, oproti tubusovému stožáru, který je v krajině vidět i na velkou vzdálenost, příhradový stožár se s rostoucí vzdáleností ztrácí v terénu (obrázek 30.), neovlivňuje tedy tolik krajinný ráz. Setkat se s tímto typem stožáru můžeme zejména v Indii a Číně. S dnešním trendem stavět vyšší a vyšší stožáry pro lepší výkon se s tímto typem stožáru budeme setkávat v budoucnu častěji. [1]
31
OBR. 30 VĚTRNÁ ELEKTRÁRNA S PŘÍHRADOVÝM STOŽÁREM zdroj [1]
•
Betonový stožár
Tento stožár se sestavuje na místě z menších dílů (obrázek 31.), jsou to betonové skořepiny, obsahující vnitřní ocelové výztuhy. Jejich rozměry jsou přizpůsobeny pro snadnou dopravu, prstenec může tedy obsahovat 1,2,3 i více dílů. Další výhodou je dlouhá životnost betonové konstrukce a odolnost proti korozi, která hraje důležitou roli zejména u přímořských větrných elektráren. Dále má tento stožár lepší tlumící vlastnosti ve srovnání s ocelovým stožárem a vydává menší provozní hluk.
OBR. 31 BETONOVÝ STOŽÁR zdroj [1] 32
6.2.4
Betonový základ
Před vlastní instalací větrné elektrárny, se již několik týdnu dopředu začíná se stavbou betonového základu, který je nejhmotnější částí elektrárny. Před zahájením stavby se provádí geologický průzkum, aby se zjistila stabilita spodních vrstev zeminy. Z důvodu velké výšky je větrná elektrárna velice citlivá na drobné odchylky od svislice. Betonový základ má čtvercový půdorys, jakmile deska vyzraje, umístí se na ni ocelový kruh (fundament) který má hmotnost několik tun. Ve fundamentu (obrázek 32.) jsou otvory pro armování a vedení kabeláže. Usazení se provádí s tolerancí na 1mm. [1]
OBR. 32 USAZENÍ FUNDAMENTU zdroj [1]
Dále následuje armování (obrázek 33.) a připojení trubek pro vedení kabeláže, celá sestava se dále uzemní.
OBR. 33 ARMOVÁNÍ FUNDAMENTU zdroj [1]
33
Dalším krokem je vylití bednění betonem (obrázek 34.), po uzrání které trvá, asi 5 týdnů se aplikuje asfaltový penetrační nátěr. Oblast styku fundamentu a betonu je potřena plastickým nátěrem, který má za účel kompenzaci jejich rozdílných teplotních roztažností a zabránit pronikání vlhkosti mezi tyto části.
OBR. 34 ZALITÍ FUNDAMENTU BETONEM zdroj [1]
OBR. 35 RŮZNÉ DRUHY ZÁKLADŮ U MOŘSKÝCH ELEKTRÁREN zdroj [1]
34
7. VÝHODY A NEVÝHODY VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN 7.1. Výhody •
Čistá energie vyrobená z obnovitelného a nevyčerpatelného zdroje
•
Nevytvářejí se skleníkové plyny
•
Nevznikají odpady pro okolí
•
Zisk pro podnikatele a obce
•
Dokonalá demontáž bez stavebních zbytků
•
Malé nároky na stavební plochu
•
Malé nároky na údržbu
•
Rychlé odstavení
7.2. Nevýhody •
Nestálost dodávek elektrické energie
Větrné elektrárny vytvářejí elektrickou energii v závislosti na počasí, respektive na síle větru, z tohoto důvodu, se nedá odhadnout, kdy energii dodávat budou a kdy ne. Tento nedostatek může způsobit nestabilitu celé elektrické sítě. Když je koncentrováno velké množství větrných elektráren v určité lokalitě, kde není velká poptávka po energii, může dojít k překročení kapacity přenosové soustavy. Pokud nastane v této oblasti výrazné větrné období, musí se tato energie transportovat na velké vzdálenosti, což má za následek zatěžování dálkového vedení nejvyššího napětí. Tento problém lze odstranit výstavbou nových elektrických vedení, což je ovšem časově a finančně nákladné. Příkladem může být severní Čína, či americký Středozápad. Druhým ohrožením elektrické sítě, je dodržení bilance mezi vyrobenou a spotřebovanou elektrickou energií. Protože u větrných elektráren okamžitý výkon kolísá (v závislosti na počasí), je třeba tyto výkyvy vyrovnat. Používají se k tomu ostatní energetické zdroje. Tyto nevýhody můžeme zaznamenat například v Německu kde je instalovaný výkon přes 22 000MV, u nás zatím tyto problémy nejsou, důvodem je podstatně menší instalovaný výkon. V České republice momentálně platí stop stav připojování nových solárních a větrných zdrojů do září letošního roku, důvodem jsou výše zmiňované rizika. Díky štědré podpoře solárních elektráren bylo do konce letošního února připojeno 1950 MW plus 213 MW větrných zdrojů. [18]
35
•
Hluk
Zvuk je mechanické vlnění v látkovém prostředí, které dokáže vyvolat sluchový vjem. Frekvence vlnění, které dokáže člověk vnímat, leží v rozmezí 16-20 000Hz. Frekvence nižší než 16Hz se nazývá infrazvuk, vyšší než 20 000Hz ultrazvuk. Hladiny hluku jsou měřeny v decibelech (dB) důležitým rysem decibelů je že se dvě hodnoty aritmeticky nesčítají. Např. součet 50dB a 50dB není roven 100dB, ale 53dB. Naopak také platí, že při snížení energie hluku na polovinu, dosáhneme snížení hladiny hluku o pouhé 3dB. Z toho vyplývá, že požadavek na snížení hluku například z 70dB na 40dB může být velice nákladný. Snížení hluku o 30dB odpovídá energii zvuku na jedné tisícině původní hodnoty.[12] Za provozu větrné elektrárny vznikají aerodynamické hluky při obtékání listů vrtule, stejně tak při pohybu mechanických součástí elektrárny. V České republice se začínají prosazovat zahraniční výrobci větrných elektráren, kteří mají mnohaleté zkušenosti s provozem, to se příznivě odráží na spolehlivosti a také na hlučnosti. Problém není ani tak mechanická hlučnost, jako spíše aerodynamická. Riziko nadměrného hluku hrozí tedy zejména tam, kde není dodržena minimální vzdálenost větrné elektrárny od obytné zástavby. Ochrana staveb je zpracována v nařízení vlády č.502/2000sb o ochraně před nepříznivými účinky hluku a vibrací. Případným problémům s hlukem, se dá předejít dodržením standardního postupu pro posouzení hluku větrné elektrárny. Technické měření hluku (je povinností výrobce daného zařízení při uvedení výrobku na trh) – Měřením hluku větrné elektrárny se zabývá ČSN EN 61400-11, v protokolu jsou uvedena tato akustická data: -Hodnota LWS (hladiny akustického výkonu) (ve výšce 10m a rychlosti větru 8m/s) -Graf datových dvojic hluku větrné elektrárny a hluku v pozadí ku rychlosti větru -Tabulka s grafem spektra akustického tlaku v oktávovém pásmu -Tonalita -Směrovost (na návětrné straně a po 60 stupních na obou stranách od bodu na závětrné straně) Měření by měla provádět akreditovaná laboratoř. Akustická studie: vychází z LWA (hladiny akustického výkonu) a LWT (hladiny ve spektru). Tyto hodnoty jsou přepočteny na hodnotu LAeq (akustický tlak) u nejbližší chráněné zástavby. Výpočet se provádí pro 36
nejběžnější rychlosti větru (8-10m/s) a měl by obsahovat porovnání hluku z provozu větrné elektrárny a hluku pozadí (porovnání regresních křivek), aby bylo vidět kdy je hluk větrné elektrárny převažující. Výsledná hodnota by měla splnit limit 50dB ve dne a 40dB v noci. Hygienické měření: měří se LAeq (hladiny akustického tlaku) a Lteq (hladiny ve spektru) u nejbližší zástavby. Měření hluku větrné elektrárny a hluku pozadí se provádí zvlášť, ale synchronizované s měřením rychlosti větru v minutových intervalech. Výsledkem jsou dvě regresní křivky, v jejichž průsečíku leží minimální rychlost větru, při které hluk pozadí maskuje hluk větrné elektrárny. Hygienické měření není nutné, pokud akustické studie splňuje limity. Inspekční měření: Provádí se při stížnostech obyvatel z okolí větrné elektrárny. Provádí se podle stejné metodiky jako výše popsaná měření, jen s tím rozdílem, že se uvažují nejnepříznivější vlivy.[11]
OBR. 36 STUPNICE HLADINZ ZVUKU zdroj [12]
37
•
Ohrožení ptáků a zvěře
Ohrožení ptactva spočívá v nárazu do otáčejícího se rotoru (obvodová rychlost je 200km/h). Toto riziko však není pro letící ptáky nijak velké, lopatky jsou pro ně viditelné překážky, které oblétají. Zhoršení nastává za tmy nebo mlhy, ale ani v těchto podmínkách nenastaly fatální důsledky. Nicméně i při přímých nárazech nemusí vždy dojít k usmrcení letícího ptáka, kolem lopatky je vytvořen vzduchový polštář, který je schopen ptáka odhodit aniž by ho usmrtil. Dle měření britské Královské společnosti na ochranu ptactva dochází k jedné smrtelné kolizi na 10 000 ptáků, kteří proletí větrnou farmou, toto měření se uskutečnilo na větrné farmě ve Walesu.[13]Jestliže tento údaj přepočteme na jednu vrtuli, jde o jeden až dva střety za rok. K většímu množství usmrcených zvířat došlo pouze v tom případě, že byla špatně vybrána lokalita pro stavbu. Příkladem může být kalifornský Altanont pass. Z tohoto důvodu se nedoporučuje výstavba v přírodních rezervacích, v místech velkého výskytu ptactva, nebo napříč, jejich tahovým cestám. V České republice prochází každý projekt posouzením vlivu na životní prostředí (EIA) jehož součástí je i studie vlivu na faunu. Ve sporných případech může být úřadem nařízena ornitologická studie. Dalším nepříznivým vlivem pro ptactvo je vznikající turbulence za rotorem, která může rozhodit formace plachtících ptáků. Strach ptactva z otáčejícího se rotoru můžeme vidět spíše jen u táhnoucích druhů, které nejsou tomuto jevu uvyklé, ptactvo žijící v těsné blízkosti větrné elektrárny zde buduje i svá hnízdiště. Z hlediska divoké zvěře nedochází dle tříletého výzkumu v Hannoveru k jejich nucené migraci. Tento výzkum spočíval ve sledování velkého území s celkovým počtem 36 větrných elektráren, množství zvěře zůstávalo stejné, nebo dokonce rostlo. Zvířata se tedy místům s výskytem větrných elektráren nevyhýbají a jsou na ně uvyklá, takže jimi nejsou rušena. •
Kmitající stíny a odlesky od lopatek
Kmitající stíny můžeme vidět, v tom případě, že elektrárna stojí mezi vámi a nízkostojícím sluncem. Tento efekt nazýváme stroboskopický efekt. V případě blízko stojících domů by se mu měl projektant věnovat, zejména je tomu tak v severských zemích, kde je slunce nad obzorem níže. V případě potřeby je možné elektrárnu na pár minut denně zastavit a vyhnout se tak stroboskopickému efektu, kdy vrhá stíny na okolní domy. Odlesky od lopatek byly vidět u starších modelů 38
větrných elektráren, dnešní výrobci jim předchází vhodnou volbou barvy lopatek rotoru. Tím je tento nežádoucí jev (diskoefekt) odstraněn.[14] •
Rušení televizního a rozhlasového přenosu
Stožár větrné elektrárny elektromagnetické pole narušuje, ale přijmu televize, rozhlasu a mobilním sítím to nevadí. Jiná je situace u točícího se rotoru, elektromagnetické pole je střídavě zastiňováno a síla signálu se mění. Kolísání signálu je však patrné jen v bezprostřední blízkosti rotoru, na televizních a radiových přijímačích ho nezaznamenáme. Nehledě na to, v dnešní době se lopatky vyrábějí z pryskyřice, která elektromagnetické vlny neodráží. [14] •
Vznik námrazy, ledu, konstrukční a provozní vady, bezpečnost provozu
Při vzniku námrazy může dojít k odlétávání kusů ledu na velkou vzdálenost a následným škodám na zdraví a majetku. Těmto jevům se však dá účinně bránit. Při vzniku námrazy se změní parametry výkonu v závislosti na rychlosti větru oproti normálu, tato změna je řídící jednotkou vyhodnocena a elektrárna odstavena, dalším opatřením jsou otřesové senzory, ty při vznik námrazy rozeznají vibrace rotoru a elektrárnu vypnou. Pouze v případě že je námraza rovnoměrně rozprostřena, k vibracím nedochází, proto jsou doporučována ještě námrazová čidla umístěna na gondole. Do listů rotoru je možné namontovat i vyhřívání, jak bylo zmíněno v kapitole pojednávající o rotorech. Dalšími nebezpečími jsou: nekontrolovatelné roztočení rotoru, požár strojovny, ohýbání tubusu, pád listu rotoru. Příčinou požáru může být úder blesku, zkrat elektrického zařízení, přehřátí kabelů, ložisek, nebo brzd. Hořlavé látky nacházející se v gondole jsou zejména kabely, olej v převodovce, chladící kapaliny na alkoholové bázi, listy rotoru a kryt gondoly vyrobené obvykle ze sklolaminátu. Požár gondoly nezpůsobuje jen přímé škody, ale i nepřímé škody způsobené dlouhodobým vyřazením stroje z provozu. Jako prevence se používá nasávací, vysoce citlivý systém s kouřovým hlásičem, který je schopen požár zaznamenat již v první fázi. Při požáru, je tedy dán impuls k zastavení rotoru a elektrických zařízení z činnosti. Pokud je instalované, spustí se stabilní hasicí zařízení (plynové pro elektrické části, mlhové pro strojní části jako jsou brzdy, ložiska, převodovka). Pro plynové zařízení se užívá jako hasivo dusík, nebo argon. Uchovává se v talkové lahvi pod tlakem 300bar umístěných v patě tubusu, či ve strojovně. Mlhové zařízení 39
je vysokotlakého typu, čímž se sníží nároky na vodu. K vytlačení se používá dusík. Certifikaci těchto zařízení podle jednotných a konsensuálně dohodnutých požadavků zahrnující i požární ochranu provádí Germanischer Lloyd (certifikace strojního zařízení) a Asociace německých pojistitelů.[15]
OBR. 37 POŽÁR VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY zdroj [15]
OBR. 38 PÁD STOŽÁRU A LISTU ROTORU zdroj [15]
40
OBR. 39 POŽÁR GONDOLY zdroj [15]
•
Vliv na ráz krajiny
Z důvodu výstavby v místech kde je větrno, tvoří větrné elektrárny dominanty umístěné na kopcích, či rozlehlých rovinách. Vliv na krajinu je hodnocen z pohledu člověka, což může být velmi subjektivní. Harmonická krajina by měla obsahovat rovnováhu stop člověka a přírody. Větrné elektrárny mohou tedy zosobňovat moderní prvek čisté, nevyčerpatelné energie, který krajinu oživuje. Protože jsou tyto zdroje energie zpravidla malé (ve srovnání např. s uhelnými či jadernými elektrárnami) a blízko místa spotřeby, mají menší nároky na přenosovou síť. Není tedy potřeba takové množství sloupů a vodičů jako u centralizovaných zdrojů. Navíc se připojovací vedení zpravidla vede pod zemí, nenarušuje tedy krajinu. Samozřejmě jsou místa, kde by tyto elektrárny stát neměly, jako například přírodní rezervace, první zóna národního parku apod. V citlivých místech, může nechat úřad vypracovat pohledovou studii, při ní se dá posoudit, jak bude větrná elektrárna v krajině následně vypadat.
8. LEGISLATIVA Legislativní předpisy a normy tvoří potřebný rámec pro fungování a rozvoj větrných elektráren. Na jejich základě plynou provozovatelům nejen výhody (ve formě dotací), ale také povinnosti, zejména v oblasti norem a předpisů pro stavbu a
41
provoz. Vzhledem k tomu, že větrná energie má rozvíjející se tendenci, můžeme shledat legislativní podporu za dostatečnou, i když prostor pro zlepšení je možný.
8.1. Přehled aktuálně platných předpisů [16] 8.1.1
Zákon č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání OZE) Tento zákon upravuje způsob podpory výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie v souladu s právem Evropských společenství. Dále práva a povinnosti fyzických a právnických osob s tímto spojené.
Účelem tohoto zákona je: •
Podpořit využití obnovitelných zdrojů energie.
•
Vytvořit podmínky pro zvyšování podílu obnovitelných zdrojů ve výrobě elektrické energie.
•
Přispět k šetrnému využívání přírodních zdrojů a zajisti trvalý rozvoj společnosti.
•
Vytvoření podmínek pro splnění cíle podílu elektřiny z obnovitelných zdrojů na hrubé spotřebě energie v České republice ve výši 8% v roce 2010.
8.1.2
Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu pro rok 2011 Toto rozhodnutí stanovuje výkupní cenu a hodnotu zeleného bonusu vždy na
kalendářní rok začínající 1.1 a končící 31.12 pro obnovitelné zdroje energie.
TAB. 3 VÝKUPNÍ CENY A ZELNÉ BONUSY PRO VĚTRNOU ENERGII zdroj [1] Datum uvedení do provozu Výkupní ceny elektřiny dodané do sítě
v CZK/MWh
Zelený bonus v CZK/MWh
Větrná elektrárna uvedená do provozu od 1. ledna 2011 do 31. prosince 2011
2230
1830
Větrná elektrárna uvedená do provozu od 1. ledna 2010 do 31. prosince 2010
2280
1880
Větrná elektrárna uvedená do provozu od 1. ledna 2009 do 31. prosince 2009
2440
2040
Větrná elektrárna uvedená do provozu od 1. ledna 2008 do 31. prosince 2008
2670
2270
Větrná elektrárna uvedená do provozu od 1. ledna 2007 do 31. prosince 2007
2740
2340
Větrná elektrárna uvedená do provozu od 1. ledna 2006 do 31. prosince 2006
2790
2390
Větrná elektrárna uvedená do provozu od 1. ledna 2005 do 31. prosince 2005
3050
2650
Větrná elektrárna uvedená do provozu od 1. ledna 2004 do 31. prosince 2004
3210
2810
42
U větrných elektráren uvedených do provozu po 1. lednu 2005 včetně se výkupní ceny a zelené bonusy uplatňují pouze pro nově zřizované výrobny elektřiny, jejichž výrobní technologické celky, zejména rotor a generátor nejsou starší než dva roky.
TAB. 4 VÝVOJ VÝKUPNÍCH CEN OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ zdroj [1]
Zdroj
Cena 2007 CZK/kWh
Cena 2008 CZK/kWh
Cena 2009 CZK/kWh
Cena 2010 CZK/kWh
Cena 2011 CZK/kWh
Fotovoltaika
13,46
13,46
12,79
12,15
5,5
VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
2,46
2,46
2,34
2,23
2,23
Malé vodní elektrárny
2,39
2,6
2,70
3,00
3,00
Biomasa
3,37
4,21
4,49
4,58
4,58
Bioplyn z BPS
3,04
3,9
4,12
4,12
4,12
8.1.3
Vyhláška č. 475/2005 Sb. Touto vyhláškou se stanovují termíny a podrobnosti výběru způsobu podpory
energie získané z obnovitelných zdrojů, dále také termíny oznámení záměru nabídnout elektrickou energii vyrobenou z obnovitelných zdrojů k povinnému výkupu a ekonomické a technické parametry.
43
8.1.4
Zákon č. 458/2000 Sb. (energetický zákon) Tento zákon zpracovává příslušné předpisy Evropských společenství, dále
upravuje podmínky podnikání, výkon státní správy, regulaci v energetických odvětvích (elektroenergetika, teplárenství, plynárenství), práva a povinnosti fyzických a právnických osob s tím spojené.
8.1.5
Vyhláška č. 51/2006 Sb. o podmínkách připojení k elektrizační soustavě Vyhláška
stanovující
podmínky
připojení
výroben
elektrické
energie,
distribučních soustav a odběrných míst zákazníků k elektrizační soustavě a způsob stanovení podílu nákladů na připojení a zajištění požadovaného příkonu.
8.1.6
Metodický návod k vyhodnocení možnosti umístění větrných a fotovoltaických elektráren z hlediska ochrany přírody a krajiny – Ministerstvo životního prostředí, listopad 2009 Metodický návod definuje kritéria hodnocení území, z hlediska ochrany
přírodního prostředí, zejména krajinného rázu. Zaměřuje se na větrné elektrárny s výškou nosného sloupu nad 35m a fotovoltaické elektrárny o rozloze více než 1ha. Dále mapuje vliv výstavby a provozu těchto elektráren na krajinu s ohledem na přírodní, historické a kulturní charakteristiky dané krajiny. Rozděluje území podle vhodnosti výstavby do třech kategorií: •
Území nevhodná pro výstavbu (červená zóna)
•
Území spíše nevhodná pro výstavbu (žlutá zóna)
•
Území podmíněně vhodná pro výstavbu (zelená zóna) Zařazení do zelené zóny, nemusí znamenat kladné stanovisko orgánů krajiny a ochrany přírody pro výstavbu.
44
9. ZÁVĚR Plánem Evropské unie je dosažení dvacetiprocentního podílu obnovitelných zdrojů na výrobě energie do roku 2020. Lze tedy předpokládat i navýšení počtu větrných elektráren, jako jednoho ze zástupců větrné energie, která má řadu výhod i nevýhod jak již bylo v této práci popsáno. Dle mého názoru má výstavba větrných elektráren význam zejména v přímořských a rovinatých oblastech, kde jsou nejvýhodnější povětrnostní podmínky. V České republice jsou povětrnostně vhodné oblasti příhraničí (obrázek 40), omezující jsou však nároky na ochranu přírody. Navzdory tomu sledujeme v ČR nárůst instalovaného výkonu, v roce 2010 činil 215MW, oproti roku 2004 (17MW) je vidět citelný vývoj. Ze světového hlediska byl nově instalovaný výkon v roce 2004 (47 620MW), v roce 2010 již 194 390 MW. Největší podíl má USA (40 180MW instalovaného výkonu za rok 2010) a Čína (42 287MW instalovaného výkonu za rok 2010), (tabulka 6,7). Obnovitelným zdrojům také nahrává nedávná jaderná katastrofa ve Fukušimě, která vede k nebývalému oživení protiatomové nálady v Evropě. Myslím si, že budoucnost leží v rozumném energetickém mixu, ve kterém budou zahrnuty jak jaderné elektrárny, které dokážou dodávat energii 24h denně pro zabezpečení základní poptávky, tak obnovitelné zdroje, jejichž role bude spíše doplňková, protože jejich výroba energie je vzhledem k závislosti na počasí jen těžko predikovatelná.
45
10. POUŽITÁ LITERATURA [1] Česká společnost pro větrnou energii [online] [cit. 2011-10-03] Dostupné na:
[2] NOSKIEVIČ P., 2004: Fakta a mýty o obnovitelných zdrojích [online] [cit. 2011-1203] Dostupné na:
[3] BERANOVSKÝ J. a kol., Energie větru [online] [cit. 2011-12-03] Dostupné na: [4] Větrné elektrárny [online] [cit. 2011-10-03] Dostupné na: [5] MASTNÝ P. 2006 Větrná energetika [online] [cit. 2011-08-03] Dostupné na: [6] SIMON A. s kol., 1998: Svět vědy a techniky. SLOVART, Praha, 168s [7] Větrné elektrárny [online] [cit. 2011-15-03] Dostupné na: [8] Wikipedie, otevřená encyklopedie,. 2011:[online] [cit. 2011-13-03] Dostupné na: [9] NICOLAJ S., 2009:Vertikální větrné turbíny [online] [cit. 2011-18-03] Dostupné na: [10] JELÍNEK S. 2009:Větrné elektrárny [online] [cit. 2011-19-03] Dostupné na: [11] JIRÁSKA A., 2008:Hluk větrných elektráren [online] [cit. 2011-19-03] Dostupné na: [12] MARKVERT K., 2006:Akustika ve školních budovách [online] [cit. 2011-20-03] Dostupné na: [13] HOLUB P., 2006:Větrné elektrárny:mýty a fakta [online] [cit. 2011-22-03] Dostupné na: [14] WILKES J., 2006:Větrná energie [online] [cit. 2011-25-03] Dostupné na: [15] RYBÁŘ P., 2010:Větrné elektrárny a požární bezpečnost, 112,odborný časopis požární ochrany. MV-generální ředitelství HZS ČR, Praha, 58s [16]Kolektiv autorů., 2010: Aktuálně platné předpisy [online] [cit. 2011-19-03] Dostupné na: [17] PETERKA J., 2010:Alternativní zdroje energie. CEMC - České ekologické manažerské centrum, Praha [18] KLÍMOVÁ J., 2011:Nové elektrárny se nesmějí až do září připojit do sítě, Mladá fronta Dnes. MAFRA, a.s. Praha 35s [19] SMITH J., 2011: Větrná energie [online] [cit. 2011-25-03] Dostupné na: [20]LUPÍŠEK A., 2008:Větrné mapy a větrné elektrárny v České republice [online] [cit. 2011-17-04] Dostupné na:
46
11. SEZNAM OBRÁZKŮ OBR. 1 VĚTRNÝ MLÝN RUPRECHTOV zdroj [2].................................................. 10 OBR. 2 VĚTRNÝ POTENCIÁL KRAJINY zdroj [2]................................................... 11 OBR. 3 STÁČENÍ VĚTRU VLIVEM ZEMSKÉ ROTACE zdroj [2]........................... 12 OBR. 4 SCHÉMA MISKOVÉHO ANEMOMETRU zdroj [2] ..................................... 13 OBR. 5 PŘÍKLAD ZÁVISLOSTI OKAMŽITÉHO VÝKONU NA RYCHLOSTI VĚTRU zdroj [7]............................................................................................... 13 OBR. 6 VĚTRNÁ RŮŽICE zdroj [8]…………………………………………………..15 OBR. 7 VĚTRNÝ PYTEL zdroj [8]............................................................................... 14 OBR. 8 RYCHLOST VĚTRU V ZÁVYSLOSTI NA DRSNOSTI POVRCHU převzato z [3]..................................................................................................... 14 OBR. 9 PRŮMĚRNÁ RYCHLOST VĚTRU VE 100M VÝŠKY NAD ČR převzato z [4]..................................................................................................... 15 OBR. 10 ROZDĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN DLE RYCHLOBĚŽNOSTI zdroj [1] ............................................................................................................. 18 OBR. 11 SCHÉMA HORIZONTÁLNÍ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY zdroj [19] ............ 19 OBR. 12 PRINCIP SAVONIOVA ROTORU zdroj [8]..................................................... OBR. 13 SAVONIŮV ROTOR zdroj [9]....................................................................... 20 OBR. 14 DARREIERŮV ROTOR SE SVISLOU OSOU ROTACE zdroj [8].............. 20 OBR. 15 ZÁKLADNÍ ČÁSTI VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY zdroj [10]........................... 21 OBR. 16 FORMA PRO LAMINOVÁNÍ ROTOROVÉHO LISTU zdroj[1] ................ 22 OBR. 17 SYSTÉM VYHŘÍVÁNÍ LISTU zdroj [1]....................................................... 22 OBR. 18 PEVNOSTNÍ ŠROUBY NA LISTECH ROTORU zdroj [1] ......................... 23 OBR. 19 PROVEDENÍ VRTULÍ a) JEDNOLISTÁ b) DVOULISTÁ c) TŘÍLISTÁ zdroj [5]..................................................................................... 23 OBR. 20 ZÁVYSLOST JMENOVITÉHO VÝKONU VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY NA PRŮMĚRU ROTORU převzato z [1].................................................... 25 OBR. 21 LOPATKOVÉ KOLO zdroj [5] ...................................................................... 25 OBR. 22 ZJEDNODUŠENÝ NÁKRES GONDOLY A JEJÍ ČÁSTI zdroj [1]............. 26 OBR. 23 HŘÍDEL zdroj [1]............................................................................................ 27 OBR. 24 NOSNÝ RÁM zdroj [1] .................................................................................. 27 OBR. 25 PŘEVODOVKA zdroj [1]............................................................................... 28 OBR. 26 SYNCHRONNÍ GENERÁTOR zdroj [1]....................................................... 29 47
OBR. 27 ELEKTROPOHON NATÁČEJÍCÍ STROJOVNU zdroj [1].......................... 30 OBR. 28 USPOŘÁDÁNÍ ROTORU ZA GONDOLOU, KORMIDLO, BOČNÍ POMOCNÉ ROTORY zdroj[5]....................................................................... 30 OBR. 29 PRINCIP SKRUŽOVÁNÍ NA VÁLCOVÉ STOLICI zdroj [1]..................... 31 OBR. 30 VĚTRNÁ ELEKTRÁRNA S PŘÍHRADOVÝM STOŽÁREM zdroj [1]...... 32 OBR. 31 BETONOVÝ STOŽÁR zdroj [1].................................................................... 32 OBR. 32 USAZENÍ FUNDAMENTU zdroj [1] ............................................................ 33 OBR. 33 ARMOVÁNÍ FUNDAMENTU zdroj [1] ....................................................... 33 OBR. 34 ZALITÍ FUNDAMENTU BETONEM zdroj [1] ............................................ 34 OBR. 35 RŮZNÉ DRUHY ZÁKLADŮ U MOŘSKÝCH ELEKTRÁREN zdroj [1]... 34 OBR. 36 STUPNICE HLADINZ ZVUKU zdroj [12] ................................................... 37 OBR. 37 POŽÁR VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY zdroj [15]............................................... 40 OBR. 38 PÁD STOŽÁRU A LISTU ROTORU zdroj [15] ........................................... 40 OBR. 39 POŽÁR GONDOLY zdroj [15] ...................................................................... 41 OBR. 40 ČESKÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY zdroj [20] ............................................... 51
12.
SEZNAM TABULEK
TAB. 1 ZNAČENÍ SMĚRU VĚTRU NA ČÍSELNOU STUPNICI zdroj [7] ............... 14 TAB. 2 BEAUFORTOVA STUPNICE zdroj [6]........................................................... 16 TAB. 3 VÝKUPNÍ CENY A ZELNÉ BONUSY PRO VĚTRNOU ENERGII zdroj [1] ............................................................................................................. 42 TAB. 4 VÝVOJ VÝKUPNÍCH CEN OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ zdroj [1] .......... 43 TAB. 5 PŘEHLED CELOSVĚTOVÉHO INSTALOVANÉHO VÝKONU zdroj [1].. 49 TAB. 6 NÁRŮST INSTALOVANÉHO VÝKONU VE SVĚTĚ zdroj [1] ................... 49 TAB. 7 INSTALOVANÝ VÝKON VE SVĚTĚ zdroj [1]............................................. 50
48
13. PŘÍLOHY TAB. 5 PŘEHLED CELOSVĚTOVÉHO INSTALOVANÉHO VÝKONU zdroj [1]
TAB. 6 NÁRŮST INSTALOVANÉHO VÝKONU VE SVĚTĚ zdroj [1] Nárůst instalovaných výkonů v EU 27 a ve světě v letech 2004 až 2010 Instalovaný kumulativní výkon v MW Rok
EU 27
Podíl EU 27
Svět
USA + Kanada
Čína
2004
34 205
72%
47 620
7 169
764
2005
40 504
69%
59 091
9 835
1 260
2006
43 069
58%
74 052
13 035
2 604
2007
56 535
60%
93 820
18 664
6 050
2008
64 949
54%
120 291
27 606
12 104
2009
74 919
47%
158 738
38 405
25 805
2010
84 074
43%
194 390
44 189
42 287
49
TAB. 7 INSTALOVANÝ VÝKON VE SVĚTĚ zdroj [1]
50
OBR. 40 ČESKÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY zdroj [20]
51
