Minimalizace bezpečnostního rizika z odletování ledu z rotorů větrných elektráren umístěných v námrazových oblastech Úvod: Led uvolněný z rotoru odletuje na vzdálenosti větší než je půdorys zařízení. To je způsobeno odstředivou silou. Váha kusů ledu nalezených na okolním terénu se pohybuje od desítek gramů do více než 15 kg. Větší kusy se po dopadu mohou rozbít na úlomky. V odborné literatuře se doporučuje bezpečnostní pásmo v poloměru 1,5(H+D), kde H je výška osy rotoru nad terénem (jedná se o VE s vertikální osou rotoru) a D je průměr rotoru. Tento empirický vztah byl odvozen v 90. letech pro VE s výkony nižšími než 850kW a nižšími obvodovými rychlostmi. Riziko spojené s odletováním ledu lze eliminovat nebo snížit na akceptovatelnou míru lokalizací VE v bezpečné vzdálenosti od míst s velkou frekvencí dopravy, pohybu osob, zranitelných zařízení, budov apod. a řádným označením výstražnými tabulemi na okraji tohoto pásma. Zkoumáním rizikových studií vypracovaných pro potřeby provozovatelů VE lze nalézt pokusy o zkreslení nebo bagatelizaci rizika, např. porovnáváním s pravděpodobností úderu blesku a pod. Je nutno opakovat, že na rozdíl od přírodních rizik, požárů nebo průmyslových havárií dochází k odletování ledu v zimním období v námrazových oblastech velmi často a pravděpodobnost zásahu v hustě osídlených oblastech je velmi vysoká.
Teoretická vzdálenost dopadu ledu Výpočet maximální vzdálenosti dopadu je možno provést zjednodušenou aplikací základních balistických rovnic (volný pád a rovnoměrný pohyb vertikální) se zanedbáním odporu vzduchu, síly a směru větru, tvaru vrženého kusu ledu a pod. Tato zanedbání jsou na straně bezpečnosti a vytváří bezpečnou vzdálenost k maximálně odpadnutým kusům ledu. Dále platí, že oddělení kusu ledu je proces ryze náhodný (odstředivá síla převáží nad adhezí ledu na lopatce) a tomu odpovídá i náhodnost úhlu, který svírá počátek balistické trajektorie s vodorovnou rovinou. Distribuční funkce pro balistický úhel se tedy bude blížit obdélníku a tedy platí, že ve všech vzdálenostech od VE je pravděpodobnost dopadu dána nelineárním charakterem balistické rovnice, nicméně neplatí náhodné Gaussovo rozdělení. Pro maximální metnou vzdálenost bereme dva body na kružnici tvořené konci lopatek, počítáme tedy s výškou rotoru od terénu, poloměrem lopatky a maximální obvodovou rychlostí otáčení. Výpočty byly provedeny pomocí balistického programu. Maximální vzdálenost dopadu lze ověřit za pomoci elektronického kalkulátoru na internetové adrese např.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/traj.html#tra10 (Pozor na zadávání znamének plus a mínus a místo desetinné čárky nutno použít tečku.)
.
Pro výpočet byly vybrány 3 různé velikostní a výkonové typy větrných elektráren již postavených v ČR Varianta A Pavlov výkon 850kW, výška stožáru 65 m, průměr rotoru 52 m, max. ot. 31,4/min Varianta B Pavlov (Kámen) výkon 2000 kW, výška stožáru 105m, průměr rotoru 90m, max. ot. 17,3/min Varianta C Pchery výkon 3000 kW, výška stožáru 88m, průměr rotoru 100m, max ot. 15/min Pro výpočet byly použity údaje z technických dat výrobců. Pro maximální odlety ledů byly použity maximální provozní otáčky uváděné výrobcem. Dále byla vytvořena havarijní varianta, kdy dochází k přetočení rotoru a následné destrukci a odletům částí velkých hmotností. (viz. havárie únor 2008-Dánsko).
Velikosti ledů schopných odlétnout byly zvoleny ve tvaru válce o těchto hmotnostech: 0,46 kg (válec průměr 8 cm, délka 10 cm) pozn. velikost odpovídá ledům běžně dokumentovaným u el. Pavlov a Kámen 2,3 kg (válec průměr 8 cm, délka 50 cm) pozn. velikost odpovídá ledům běžně dokumentovaným u el. Pavlov a Kámen 7,2 kg (válec průměr 10 cm, délka 100 cm) pozn. velikost odpovídá ledům občas dokumentovaným u el. Pavlov a Kámen 43,21 kg (válec průměr 20 cm, délka 150 cm) pozn. velikost odpovídá ledům vyjímečně dokumentovaným u el. Pavlov a Kámen ------------------------129,64 kg (válec průměr 30 cm, délka 200 cm) pozn. velikost odpovídá ledům velmi zřídka dokumentovaným blíže ke stožáru elektrárny Pavlov a Kámen tato velikost je uvažována pouze pro stanovení bezpečnostního pásma 3.-havárie, nikoliv pro riziko odletujících ledů 1800,52 kg (válec průměr 50 cm, délka 1000 cm) pozn. velikost odpovídá hmotnosti části odtrženého listu tato velikost je uvažována pouze pro stanovení bezpečnostního pásma 3.-havárie, nikoliv pro riziko odletujících ledů
Výpočty byly provedeny pro různé hmotnosti ledů při variantě: 1. bez započtení odporu vzduchu – dosaženo maximální pásmo, za které nemůže led při běžném provozu dle fyzikálních zákonů doletět 2. se započtením odporu vzduchu 3. se započtením odporu vzduchu a podporou zadního větru Tyto kontrolní dvě varianty výpočtu dokazují, že se odlet ledu začíná s rostoucí hmotností přibližovat odletu bez odporu vzduchu. 4. krizová varianta – havárie Varianta kdy dochází k pravděpodobné destrukci a odletu částí rotoru elektrárny.
Tabulka s výpočty Označení typu elektr.
Max dolet ledu bez odporu vzduchu
Max dolet ledu s odporem vzduchu
A - V 52 B -V 90 C -V 100
808 m 778 m 714 m
717 m 697 m 644 m
Max dolet ledu s odporem vzduchu a podporou větru 761 m 739 m 679 m
Havarijní dolet
První pásmo bezpečnosti 1,5(H+D)
Druhé pásmo bezpečnosti
Třetí pásmo bezpečnosti
1862 m 2032 m 2442 m
176 m 293 m 282 m
800 m 800 m 800 m
1500 m 1500 m 1500 m
Bezpečnostní pásma jsou pro typ elektráren se stožárem nad 50 m výšky sjednocena a zaokrouhlena. Druhé pásmo bezpečnosti je zaokrouhleno nahoru. Třetí pásmo je navrženo na úrovni 60-80% pásma vypočteného programem z důvodu toho, že při destrukci odletující kusy nepravidelně rotují a skutečný dolet je rozhodně menší než výpočtový. Lze konstatovat, že menší větrné elektrárny s výškou stožáru kolem 50m pracují s většími provozními otáčkami a proto odlety ledů dosahují zhruba stejných vzdáleností jako stožáry vysoké kolem 100 metrů, které mají z bezpečnostních důvodů otáčky nižší. V případě přetočení rotoru je však bezpečnostní pásmo u vysokých elektráren větší, protože dochází k větším obvodovým rychlostem.
Závěry výpočtů Pro bezpečnost okolí větrných elektráren jsou vytvořena 3 bezpečnostní pásma. První pásmo bezpečnosti Je stanoveno ze vztahu 1,5(H+D). Jedná se o pásmo s velmi vysokým rizikem zásahu padajícím ledem co do četnosti a velikosti katapultovaných kusů. (Zdroj-odborná literatura) Druhé pásmo bezpečnosti Je stanoveno z maximálních odletů dle balistických rovnic. Je vyšší než skutečné odlety a proto vytváří dostatečný bezpečnostní odstup od reálných dopadů ledů. (Zdroj - balistický program a fyzikální zákony).
Třetí pásmo bezpečnosti Je stanoveno na základě balistických výpočtů s hmotnostmi rovnajícími se hmotnostem částí listu rotoru. Ve skutečnosti budou odlety menší z hlediska nerovnoměrné rotace dílů. (Zdroj balistický program a odborný odhad.) Rozlišení ploch dle rizika zásahu a stanovení bezpečnostního pásma: Velmi vysoké riziko: stavby strategického významu, elektrárny, dálnice a mezinárodní silnice, mezinárodní železnice, letiště, el. rozvodny, plynové stanice, stavby pro armádu, telekomunikace, státní správa apod). Tyto objekty musí ležet za hranicí třetího pásma bezpečnosti, tedy 1500 m od stožáru elektrárny . Vysoké riziko: intravilán, zástavba obytných budov včetně zahrad a parků, silnice 1. 2. a 3. třídy, železniční trati, průmyslové a zemědělské objekty, objekty s frekventovanou dopravou a pohybem zaměstnanců vně budov, sportovní areály, sjezdovky, udržované běžecké tratě, nákupní střediska, parkoviště, rekreační areály, turistické trasy. Tyto objekty musí ležet za hranicí druhého pásma bezpečnosti, tedy 800 m od stožáru elektrárny . Nízké riziko: tj. zemědělská půda, les, polní a lesní cesty, skládky TKO, skladovací plochy, kde je občasný pohyb vozidel a pracovníků. Mohou ležet uvnitř druhého pásma bezpečnosti. Vjezd do druhého pásma bezpečnosti musí být řádně označen. Zde umístit na komunikacích a veřejných cestách viditelné tabule na hranicích maximálního doletu s varováním (za námrazy nebezpečí zásahu ledem padajícím z VE). Hranice bezpečnostní zóny o šířce 1,5 (D+H) vybavit tabulemi se zákazem vstupu vzhledem k vysokému riziku zásahu padajícím ledem. Vlastníci nemovitostí jichž se dotýká první a druhé bezpečnostní pásmo musí byt s těmito pásmy obeznámeni a je nutný jejich souhlas. Stanovení bezpečnostních pásem elektráren pod výšku stožáru 50m U větrných elektráren se stožárem nižším jak 50 metrů může být velikost těchto ochranných pásem snížena pouze za předpokladu doložení balistických výpočtů druhého a třetího stupně bezpečnosti. Velikost druhého bezpečnostního pásma nesmí býti však menší jak 5 x průměr rotoru. (Zdroj-zahraniční provozní řády výrobců turbín).
Související literatura -
Garrald Hassan Consulting, Recommendations for risk assessment of ice throw and blade failure in Ontario, May 2007. Morgan, Bossanyi, Seifert, Assessment of safety arising from wind turbine icing, BOREAS 4, March 1998, Hetta, Finland. Cattin a spol., Wind turbine ice throw studies in the Swiss Alps, publikace General Office of Meteorology and Climatology, MeteoSwiss, 2004. Seifert a spol., Risk analysis of ice throw from wind turbines, BOREAS 6, April 2003, Pyha, Finland. Wahl a Giguere, Ice shedding and ice throw - risk and mittigation, interní publikace GE Energy, Greenville, 2006. ing. L. Nondek, CSc., konzultant v oblasti ochrany životního prostředí Jabloňová 2136/11, Praha 10
V dokumentaci EIA vyznačit 3 hranice bezpečnostních pásem. viz nákres.
Závěr: Vzhledem k faktu poměrně častých nehod větrných elektráren (požáry, havárie, závady) a nedostatečným ověřením provozu extrémně vysokých větrných elektráren (žádná z těchto staveb nemá za sebou 15 let plánované životnosti) je třeba k těmto zařízením přistupovat jako k neověřeným a držet se principu předběžné opatrnosti a dodržovat bezpečnostní pásma na maximální úrovni. Po získání dostatečných dlouhodobých zkušenostech ohledně bezpečnosti těchto zařízení bude možno provést vyhodnocení a případné revize bezpečnostních pásem.
Provozovatel musí při umístění VE v oblastech s výskytem námrazy (nad 1 den/rok) předložit KÚ rizikový plán zahrnující minimalizaci rizika-výstražné značení, varovné signály, monitoring, režim odmrazování, regulaci otáček apod. V Jihlavě 03/2008 Autoři: Ing. Noha Ing. Krčmář Seznam příloh: 1. balistický program+klíč 2. součinitelé tvaru 3. technická data větrných elektráren 4. grafy varianta A, B, C 5. technická zpráva
