Obnovitelné zdroje energie Energie větru

Obnovitelné zdroje Problematika neobnovitelných zdrojů energie (uhlí, ropa, zemní plyn a uran): * zásoby se ztenčují * těžba je stále náročnější a dražší (větší hloubky, …)  cena těchto zdrojů neustále roste a do budoucna je třeba najít nové zdroje energie Obnovitelné zdroje energie * energie slunce * přímá výroba elektrické energie * nepřímá výroba elektrické energie * výroba tepelné energie * energie větru * energie vody – proudění vody, příliv a odliv * geotermální energie * energie biomasy * jaderná energie – množivé reaktory

Obnovitelné zdroje

Předpokládaný vývoj krytí potřeby elektrické energie

Energie větru Využití větrné energie má dlouhou minulost – větrné mlýny, plachetnice, větrná čerpadla. Vznik větru: nerovnoměrným ohříváním zemské kůry vznikají různé atmosférické tlaky  proudění teplého a studeného vzduchu. Větrné proudy jsou dány: zemskou rotací morfologie krajiny vodními plochami vegetací Pro optimální využití větrné energie jsou zpracovány větrné mapy, které vznikly na základě pravidelného proudění a dlouhodobého měření. Všeobecně nejpříznivější podmínky mají severské přímořské státy.

Větrná mapa západní Evropy

Větrná energetika ve světě      Stát        2005   2006   2007   2008   1 USA 9 149 11 603 16 818 25 170 2 Německo 18 415 20 622 22 247 23 903 3 Španělsko 10 028 11 615 15 145 16 740 4 Čína 1 260 2 604 6 050 12 210 5 Indie 4 430 6 270 8 000 9 587 6 Itálie 1 718 2 123 2 726 3 736 7 Francie 757 1 567 2 454 3 404 8 Velká Británie 1 332 1 963 2 389 3 288 29 Česká republika 28 50 116 150

Větrná mapa ČR

Energie větru Pi = ½ *  * v3 (W/m2) P = ½ * cp * S *  * v3 (W) Hustota výkonu („měrný výkon“) při stoprocentní využití kinetické energie větru kolmo na směr proudění: Pi = ½ *  * v3 (W/m2) kde  - hustota vzduchu (zhruba 1,3 kg/m3) v - rychlost větru Tento výkon nelze (ani teoreticky) využít – vítr za rotorem větrné elektrárny by musel být nulový ! Reálný výkonu odebraný proudícímu vzduchu kolmo na směr proudění: P = ½ * cp * S *  * v3 (W) kde cp - součinitel výkonu – závisí na míře snížení rychlosti větru za rotorem Cpmax = 0,593 S - plocha, kterou prochází rotor

Energie větru P = k * D2 * v3 (kW;m, m/s) Pro orientační výpočet lze použít vztah P = k * D2 * v3 (kW;m, m/s) kde D - délka lopatky oběžného kola k - konstanta zahrnuje krajinné vlivy, „stínění“, … - pohybuje se v rozmezí (0,2 – 0,5) Celková účinnost se pohybuje v rozsahu (35 – 45)% Pro výkon elektrárny je tedy prioritní průměrná rychlost větru ! U velkých výkonů by mělo předcházet dlouhodobé měření rychlosti větru v dané lokalitě. S rostoucí výškou stožáru se snižuje vliv krajinných nerovností, které výrazně snižují rychlost větru.

Výkonová křivka * je závislost výkonu na rychlosti větru - P=f(v). * vymezuje „pracovní“ rozsah větrné elektrárny - minimální a maximální rychlost větru, při které elektrárny pracuje - výkon při dané rychlosti větru * s rozvojem technologie se postupně snižuje rozběhová rychlost (3 – 4 m/s) a zvyšuje maximální rychlost (20 – 25 m/s) * tvar výkonové křivky závisí na způsobu regulace („pitch“ a „stall“).

Výkonová křivka P = f(v) turbína WWD-1, výkon 1MW, průměr 56 m Pmax= 1014 kW vmin= 4 m/s vn= 13 m/s vmax= 25 m/s

Výkonová křivka P = f(v) Enercon E-40, 600 kW (Jindřichovice pod Smrkem) Cp - koeficient výkonu - je dán konstrukcí úhel natočení lopatek v závislosti na velkosti větru), cpmax = 0,59

Aerodynamické regulační principy 1. Rotory s pevně nastavitelnými listy s autoregulací výkonu  stall control 2. Rotory s nastavitelnými listy  pitch control 3. Kombinace obou způsobů (dnes nejrozšířenější)  variable pitsch control, individual pitsch kontrol, …) Stall control * turbíny jsou mnohem jednodušší * jednodušší údržba * vysoká spolehlivost * vhodnější pro menší výkony Pitsch control * listy mají zpětnou vazbu z výkonu generátoru  po překročení jmenovitého výkonu udržují konstantní výkon natáčením lopatek * jednodušší start (optimální nastavení lopatek) * při překročení maximální rychlosti větru se natočí vodorovně (zanedbatelný odpor vzduchu)  nižší nároky na dynamickou brzdu

Systémy větrných elektráren 1. Autonomní systémy - grid-off systémy nezávislé na rozvodné síti * slouží objektům, které nemají možnost připojení k veřejné síti nebo kde je připojení technicky a ekonomicky náročné * elektrárny mají výkon (0,1 – 100) kW * součástí systému je akumulátor a řídící elektronika, mohou být doplněny i dalším zdrojem elektrické energie (fotovoltaický článek) * při přímém napájení je napětí zpravidla malé (12, 24 V stejnosměrných), při použití střídače může být síťové (230 V střídavých) * měrné investiční náklady jsou vysoké, návratnost je dlouhá

Autonomní systémy-grid-off

Systémy větrných elektráren 2. Systémy připojené k síti - grid-on systémy dodávají energii do rozvodné sítě * slouží výhradně pro komerční výrobu elektřiny * současný trend vede ke zvyšování průměru rotoru (až 100m), ve vnitrozemí mají elektrárny výkon do 2 MW, na moři do 5MW. * pro vyšší efektivnost se staví více větrných elektráren v jedné lokalitě – větrné farmy. Některá technická zařízení jsou společná. * ekonomická návratnost je podmíněna: - výběrem vhodné lokality - minimální garantovanou výkupní cenou na několik let dopředu, včetně postupného zvyšování vlivem inflace - výhodnými půjčkami - dotacemi z evropských fondů a fondů v rámci ČR

Technické řešení 1. Věž 2. Gondola * musí odolávat značnému mechanickému namáhání (nápor větru, osazená gondola, extrémní klimatické podmínky). * konstrukce ocelový tubus (v Evropě nejčastější) příhradový stožár betonový sloup (pouze pro malé výkony) 2. Gondola * je umístěna na stožáru * obsahuje generátor, převodovku, brzda, mechanismus k natáčení gondoly (podle typu působením větru nebo pomocný pohon), tlumiče, hlavní hřídel, mechanismus k natáčení listů, řídící jednotky, … (nemusí mít všechny uvedené části).

Technické řešení - gondola 1. ložisko 2. převodovka 3. generátor 4. natočení listů vrtule prohlídka

Systémy výroby elektrické energie AG síť 1. Asynchronní generátor s kotvou nakrátko * jmenovité otáčky jsou okolo 40 (1/min), čtyřpólové asynchronní generátory mají otáčky nad 1500 (1/min) * mezi turbínou a vrtulí je jedno- nebo dvoustupňová převodovka * asynchronní generátory bývají dvourychlostní s přepínáním počtu pólů. Používají se dvě oddělená vinutí nebo dělené vinutí (/YY). * nutná kompenzace

Systémy výroby elektrické energie AG měnič 2. Asynchronní generátor s kroužkovou kotvou a s měničem * rotor je napájen přes frekvenční měnič, v závislosti na otáčkách rotoru  vyšší kvalita průběhu napětí * při aktivní natáčení lopatek vrtule se zvyšuje výroba elektrické energie * nutná kompenzace

Systémy výroby elektrické energie měnič 3. Synchronní generátor s měničem * buzení prostřednictvím trvalých magnetů * proměnné otáčky, bez převodovky * nejkvalitnější průběh napětí * mnohapólový stator  velký průměr statoru * vhodné pro velké výkony

Připojení elektrárny k síti * Prakticky všechny větrné elektrárny se připojují do distribuční soustavy * Malé elektrárny se připojují do soustavy nn, střední a velké výkony do soustavy vn (22 kV) * U středních a velkých výkonů musí být síť schopná přijmout nový výkon a spínací zařízení musí mít zpravidla vyšší parametry * Optimální je dostatečný odběr v blízkosti elektrárny

Technické problémy větrných elektráren * Výkon je závislý na třetí mocnině rychlosti větru  nelze zajistit konstantní výkon zdroje, Jsou známy případy, že během několika hodin ke změně výkonu v oblasti s větrnými zdroji o 3 GW * Přetěžování sítí, zejména v úseku od větrné elektrárny do rozvodny s transformací do přenosové sítě. * Se změnou výkonů se výrazně mění i velikost proudů  změny úbytků napětí  kolísání napětí sítě. * Zvýšení zkratových poměrů  při zkratu dodává energii do místa zkratu. * Současné regulační systémy využívají výkonovou elektroniku  rušení (flicker, vyšší harmonické) * Změny výkonů v přenosové soustavě  zvýšené nároky na regulaci, vlivy na mezistátní přenosy elektřiny

Ekonomika větrných elektráren * měrné investiční náklady jsou zhruba 40 000 Kč/kW * návratnost investice je dána výběrem lokality a pohybuje se okolo 10 let * formy dotace - minimální garantovaná výkupní cena - nové elektrárny - 2,46 Kč/kW - starší elektrárny - až 3,28 Kč/kW - výhodné půjčky - evropské fondy * výroba v ČR 2007 - 125 000 MWh * instalovaný výkon 2007 - 114 MW

Ekonomika větrných elektráren

video