VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Tomáš Kostka
VĚTRNÁ ELEKTRÁRNA Větrná elektrárna (větrná turbína) využívá k výrobě elektrické energie kinetickou energii větru. Větrné elektrárny řadíme mezi obnovitelné zdroje energie. kinetická energie
EK =
1 ⋅ m ⋅ v2 2
Proudění vzduchu (vítr) vzniká: 1) nerovnoměrným zahříváním Země Vzduch se přemísťuje z oblasti vyššího tlaku vzduchu do oblasti nižšího tlaku – oběh vzduchu. 2) rotací Země Protože se Země otáčí, stáčejí se větry na S polokouli vpravo od směru proudění a na J polokouli vlevo od směru proudění.
VÝKON A ÚČINNOST VĚTRNÉ TURBÍNY Proudící vzduch předává lopatkám větrné elektrárny část své kinetické energie. Maximální dosažitelná účinnost je 59 %. Běžná v ČR činí 12 %. Výkon větrné elektrárny závisí především na rychlosti větru a průměru rotoru. v3 ⋅S 2 v3 ⋅ D2 P = 0,59 ⋅ ρ ⋅ π ⋅ 8 P = 0,59 ⋅ ρ ⋅
P… výkon (W) ρ … hustota vzduchu (kg/m3) v… rychlost proudění vzduchu (m/s) 0,59 … max. účinnost stroje D … průměr rotoru (m) D/2 … délka listu rotoru (m)
1
KONSTRUKCE ELEKTRÁRNY
mechanismus natáčení listů
převodovka
gondola řídící elektronika
hlava rotoru hlavní ložisko brzda rotoru generátor list rotoru
hřídel mechanismus natáčení gondoly vyvedení výkonu stožár, tubus
Hlavní části (vyznačeny červeně): základy, stožár, gondola, rotor V gondole se nachází strojovna elektrárny. Rotor tvoří hlava rotoru spojená s hlavní hřídelí a listy rotoru („lopatky“).
2
PROVEDENÍ STROJOVNY VĚRNÉ ELEKTRÁRNY Základním problémem větrných elektráren je proměnná rychlost otáčení rotoru. Do sítě je však nutné dodávat proud o frekvenci 50 Hz. A) Strojovna větrné elektrárny s převodovkou a asynchronním generátorem
Největší světový výrobce větrných elektráren, dánská firma VESTAS, používá ve své konstrukci uspořádání rotor – převodovka – asynchronní generátor. Jedná se o spolehlivé konstrukční spojení, kdy asynchronní generátor je schopen činnosti v rozmezí otáček a tedy regulace celého systému je snazší. Rotorové vinutí je napájeno přes kroužky z frekvenčního měniče.
1 – hlavní hřídel; 2 – nosný rám strojovny; 3 – převodovka; 4 – hřídel; 5 – generátor
3
B) Strojovna větrné elektrárny bez převodovky se synchronním generátorem
Německý výrobce větrných elektráren Enercon od začátku svojí existence používá princip mnohapólového generátoru. Úplně vynechal převodovku a snížil tak hmotnost, hlukové emise a možnost potenciálních poruch a eliminoval tak ztráty, které vznikají v převodovce. Na rotoru je přímo umístěn jeden prstenec cívek (pólů), druhý prstenec je statorový. Podle síly větru, tedy podle velikosti vyvozeného kroutícího momentu se zapínají jednotlivé pólové dvojice (čím vyšší rychlost větru, tím je zapnuto více pólových dvojic). Vyrobená elektrická energie se ale ještě musí upravovat výkonovou elektronikou, aby mohla být dodána do sítě (zde vznikají určité ztráty).
4
C) Strojovna větrné elektrárny s převodovkou, variátorem a synchronním generátorem
Český výrobce větrných elektráren, firma Wikov, použila systém, který by teoreticky měl mít nejvyšší účinnost ze všech tří představených principů. Proměnlivé otáčky rotoru větrné elektrárny „zpracovává“ převodovka s variátorem. Její výstupní otáčky jsou stále konstantní. Toho využívá synchronní generátor, který při těchto stálých otáčkách vyrábí elektrickou energii, jenž se již nemusí nijak upravovat a je možné ji přímo dodávat do rozvodné sítě.
VÝHODY A NEVÝHODY VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN VÝHODY VE -
obnovitelný zdroj energie ekologický zdroj
NEVÝHODY VE -
malý instalovaný výkon (obvykle 0,5–2 MW) výkon závisí na rychlosti proudění vzduchu velmi hlučné (strojovny s převodovkou) narušují přirozený ráz krajiny narušují přirozené prostředí ptáků při nízkém slunci vzniká stroboskopický efekt životnost 20 let (jiné zdroje energie mají životnost delší)
5
