Větrná turbína

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Větrný generátor v Lucembursku
7,5 MW turbíny větrné farmy v Belgii Estinnes dokončeno 10.10.2010
Tento článek je o větrem poháněných elektrických generátorech. O větrem poháněných strojích na mletí mouky a pumpování vody pojednává článek Větrný mlýn.

Větrná turbína nebo větrná elektrárna je stroj, který přeměňuje kinetickou energii větru na elektrickou energii. Turbína je roztáčena větrem proudícím přes lopatky turbíny a pohání elektrický generátor, který vytvořenou elektřinu přenáší do elektrické sítě. Z větru vytvořená elektřina je obnovitelná energie přispívající k udržitelnému rozvoji. Skupina větrných turbín se nazývá větrná farma.

Charakteristika[editovat | editovat zdroj]

Větrná elektrárna se skládá z ocelového tubusu, který může mít spodní železobetonovou část. Na jeho vrcholu je umístěna otočná gondola, v níž je umístěno ložisko rotoru, kterým prochází hřídel. Na jednom konci hřídele jsou umístěny listy, které musí být u větších turbín natáčeny. Plynulá změna úhlu náběhu listů umožňuje regulovat parametry provozu turbíny umístěné na druhém konci hřídele tak, aby byl její provoz optimální. Současné velké větrné turbíny mívají tři listy, což je optimální konstrukce. Při větším počtu listů by neúměrně vzrostla hmotnost strojovny, což by si vyžádalo neekonomické náklady na posílení pevnosti hřídele, odolnosti ložiska i tubusu, na který by působil příliš vysoký tlak větru. Vícelisté rotory se proto používají jen u menších turbín.[1]

Počet otáček za minutu bývá 10 až 22 při obvodové rychlostí až 320 km/h. Rotor turbíny se většinou začíná otáčet při rychlosti větru přesahující 2 až 5 m/s (7 až 18 km/h). Pak s rychlostí větru roste postupně i výkon turbíny, nejdříve velmi rychle. Při rychlosti větru zhruba mezi 10 až 14 m/s (36 až 50 km/h) dosáhne výkon turbíny maxima a jeho zvyšování nepokračuje. Většinou u rychlosti 20 až 25 m/s (75 až 90 km/h) se turbína vypíná a listy i gondola se nastaví do polohy, v níž je riziko poškození co nejmenší. Konstrukční odolnost stavby je obvykle do limitní rychlosti větru od 40 do 72 m/s (144 až 259 km/hod), což závisí na místních předpokládaných podmínkách.[1]

Koeficient ročního využití výkonu (kapacitní faktor), se pohybuje mezi 15 až 50 % instalovaného výkonu, ale velmi silně závisí na místních geografických podmínkách. Nejlepší podmínky jsou na rovných pláních, v pobřežních vodách moří, případně na vrcholcích oblých holých hřebenech hor. Výhodnost umístění jde obvykle proti zájmu instalovat zdroje elektrické energie co nejblíže místu její spotřeby. Větrné farmy, které mohou obsahovat desítky až tisíce větrných turbín, jsou stavěny tak, aby vzdálenost mezi jednotlivými turbínami byla šesti až desetinásobek průměru rotoru. Nejmenší vzdálenost bývá trojnásobek průměru v případě, že převládající směr větru je kolmo na řadu turbín.[1]

Nevýhody[editovat | editovat zdroj]

Při instalaci větrných turbín je nutné přihlížet k vlivu na životní prostředí v místě jejich instalace. Větrné turbíny při svém provozu generují hluk, usmrcují ptáky. Dále zabírají volnou krajinu, narušují krajinné panorama, vyžadují výstavbu přístupových komunikací, oplocení zabraného prostoru, vymýcení případných stromů, pravidelné sečení trávy v uzavřeném prostoru atp. Větší turbíny nelze budovat v blízkosti lidských obydlí nebo jiných provozů z důvodu bezpečnosti, protože při závadě nelze vyloučit požár gondoly, zřícení listů rotoru nebo vlastního nosného stožáru. Často je výstavba blokována místními obyvateli nebo ekologickými organizacemi.

Při využití větrné turbíny jako zdroje pro elektrickou distribuční soustavu je nutné počítat s tím, že dodávky elektrické energie nejsou rovnoměrné a není možné je příliš regulovat. Je-li bezvětří, nevyrábí větrná elektrárna žádný proud. Při příliš vysoké rychlosti větru jsou turbíny kvůli bezpečnosti odstaveny z provozu. Fouká-li optimální vítr, vyrábí turbíny maximum proudu a distribuční soustava je zatížena nadměrnými přetoky elektrické energie z místa výroby na místo její spotřeby (například v Německu ze severního pobřeží do jižní průmyslové oblasti).[2] Vyrovnání přetoků vyžaduje vysoké investice do přenosové soustavy, která je však následně využívána jen nepravidelně, což prodražuje vyrobenou energii.[3] Kvůli výpadkům výroby větrných turbín je nutné mít v distribuční soustavě stále k dispozici alespoň stejný výkon stabilních zdrojů (tepelné nebo plynové elektrárny s rychlým náběhem), které výpadek mohou kdykoliv nahradit.[4] Tyto záložní zdroje nejsou proto využívány trvale (slouží jako záloha), což dále prodražuje výrobu energie[5] z větru a zvyšuje tak nepřímo její uhlíkovou stopu.

Uhlíková stopa[editovat | editovat zdroj]

V roce 2015 firma Siemens při příležitosti Mezinárodního dne větru vyhodnotila přínos a uhlíkovou stopu větrných elektráren. Do vstupů započetli energii nutnou k výrobě materiálu a veškeré energetické výdaje související s výrobou, výstavbou, provozem, údržbou i následným rozebráním a recyklací. Větrná farma s 80 větrníky umístěnými na moři s plánovanou životností 25 let podle jejich studie vygeneruje 53 mil. MWh elektrické energie s uhlíkovou stopou 7 g CO2 na 1 kWh (pro srovnání: energie generovaná z fosilních paliv má průměrnou výši 865 g CO2 na 1 kWh).[6]

Teorie větrné turbíny[editovat | editovat zdroj]

Teoreticky dosažitelný výkon[editovat | editovat zdroj]

Proudící vzduch předává lopatkám větrné turbíny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosažitelnou účinnost větrného stroje na 59,3 % (tzv. Betzovo pravidlo).[7] Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosažitelný výkon činí v případě jednotkové plochy

, kde kB je Betzův koeficient 0,59

Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se používá vzorec

, kde cp je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59

Účinnost[editovat | editovat zdroj]

Typický průběh generovaného výkonu a součinitele výkonnosti VE v závislosti na rychlosti větru

Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.).

Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního využití , definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky možnému výkonu zdroje za rok:

V českých podmínkách se pohybuje v mezích 0,1-0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky až 0,28.[8]. Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě - větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými generátory o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního využití za rok 2006 21,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného využití 32,3 % (přičemž po zbytek téhož roku to bylo necelých 20%).[9]

Základní typy větrných turbín[editovat | editovat zdroj]

Mnohalopatkový rotor, Halladayova turbína[editovat | editovat zdroj]

Halladayova turbína na mlýně v Ruprechtově
  • Počet listů rotoru: až 150
  • Účinnost: 20-43 %
  • Náběhová rychlost (m/s): 0,16
  • Poznámka: uvádí se, že výkon stoupá s 3. mocninou rychlosti větru

Vrtule[editovat | editovat zdroj]

  • Typické využití: výroba elektrické energie (střídavý a třífázový proud)
  • Počet listů rotoru: 1 - 4
  • Účinnost: ~45 % (max. se uvádí 48 %)
  • Náběhová rychlost (m/s): 3 - 6
  • Poznámka: nejpoužívanější typ

Savoniův rotor[editovat | editovat zdroj]

  • Typické využití: čerpání vody, výroba stejnosměrné elektrické energie
  • Počet listů rotoru: 2
  • Účinnost: ~20 (max. se uvádí 23 %)
  • Náběhová rychlost (m/s): 2 - 3
  • Poznámka: obvodová rychlost rotoru je vyšší než rychlost větru, často používán pro náběh *Darrierova rotoru

Darrierův rotor[editovat | editovat zdroj]

Darrieova turbína v Bádensku-Württembersku
  • Typické využití: výroba elektrické energie (střídavý a třífázový proud)
  • Počet listů rotoru: 2 - 3<
  • Účinnost: 38 % (max. se uvádí 48 %)
  • Náběhová rychlost (m/s): 5 - 8
  • Poznámka: vyžaduje pomoc při náběhu

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. a b c WAGNER, Vladimír. Větrné elektrárny včera, dnes a zítra [online]. osel.cz, 2017-09-01 [cit. 2019-09-02]. Dostupné online. 
  2. PROCHÁZKA, Martin. Přetoky elektřiny z Německa stojí ČR desítky miliónů ročně. Novinky.cz [online]. 2016-02-14 [cit. 2019-09-02]. Dostupné online. 
  3. ČEPS krotí divoký proud z Německa. Spustil nové obří transformátory. iDNES.cz [online]. 2017-09-22 [cit. 2019-09-02]. Dostupné online. 
  4. VOBOŘIL, David. EPH sází na budoucnost uhlí jako záložního zdroje k OZE. OENERGETICE.cz [online]. 2016-06-06 [cit. 2019-09-02]. Dostupné online. 
  5. Konec dotací pro OZE, podporu pro záložní zdroje, žádají energetické firmy. Euractiv [online]. 2013-10-16 [cit. 2019-09-02]. Dostupné online. 
  6. Siemens podporuje výrobu elektřiny z větru. technickyportal.cz [online]. 2015-10-02 [cit. 2019-09-02]. Dostupné online. 
  7. JUNG, Ondřej; MALÝ, Luboš; MAREK, Michael; ŠMÍD, Martin. Větrná energie [online]. Tábor: Střední průmyslová škola strojní a stavební, Tábor, Komenského 1670, 2013 [cit. 2019-05-11]. Kapitola Účinnost VtE, s. 44. Dostupné online. 
  8. http://www.czso.cz/csu/2007edicniplan.nsf/kapitola/10n1-07-2007-1600
  9. Archivovaná kopie. www.sternwind.at [online]. [cit. 2010-02-04]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2010-11-07. 

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]