Větrné elektrárny - princip, rozdělení, elektrárny v ČR

Větrná elektrárna je zařízení přeměňující kinetickou energii větru na elektřinu. V dnešní době existuje mnoho druhů s vertikální či horizontální osou otáčení. V tomto článku se dozvíte vše, co potřebujete vědět o nejvíce používaných větrných elektrárnách současnosti.

Princip činnosti

Větrná turbína převádí sílu proudícího vzduchu působící na listy rotoru na rotační mechanickou energii. Ta je prostřednictvím generátoru převedena na energii elektrickou. Listy rotoru mají speciálně tvarovaný profil a pracují na principu buď vztlakové, nebo odporové síly. Oba tyto principy jsou vysvětleny v následující kapitole.

Druhy větrných turbín

Turbíny lze rozdělit podle principu fungování na odporové a vztlakové.

• Odporové turbíny (drag turbine) jsou z historického hlediska starší. Jejich princip je jednodušší a dosahují nižší účinnosti než turbíny vztlakové, proto jsou v dnešní době málo používané. Využívá se principu rozdílu sil působících na lopatky, v důsledku jejich různého odporu vůči proudícímu vzduchu. Toho je docíleno dvěma způsoby
  • Různým tvarem lopatek v důsledku opačného směru působení větru, v tomto případě má lopatka různý aerodynamický odpor v závislosti na směru proudícího větru. Typickým příkladem jsou lopatky miskovitého tvaru, které je možné vidět na obrázku
  • Natočením lopatek Plocha lopatek je natáčena v závislosti na pozici rotoru a směru působícího větru. Toto řešení je komplikovanější než předchozí, ale dosahuje větší účinnosti.

• Vztlakové turbíny (lift turbine) jsou v dnešní době nejpoužívanějším typem. Využívá se síly vznikající na rotorovém listu při obtékání vzduchem, tzv. aerodynamické vztlakové síly. Tato síla vzniká díky speciálně tvarovanému profilu lopatek, podobně jako na křídlech letadla. Na obrázku je možno vidět dvě síly působící na list rotoru – již zmíněnou sílu vztlakovou (lift force), která je příčinou rotačního pohybu turbíny (vrtule) a sílu odporovou (drag force), která působí proti směru pohybu a je v tomto případě nežádoucí.

Podle osy otáčení rotoru se turbíny dělí na horizontální (anglicky označované jako HAWT – horizontal axis wind turbine) a vertikální (VAWT – vertical axis wind turbine).

• Horizontální turbíny (horizontální větrné elektrárny) musí vždy směřovat proti směru větru, proto se u větrných elektráren menších rozměrů využívá směrové lopatky u větších většinou větrného senzoru a servo motoru. Většina obsahuje také převodové ústrojí, které zvyšuje rotační rychlost pomaloběžného rotoru na požadovanou rychlost, která je vhodná pro pohon generátoru. Větrné elektrárny s horizontálními turbínami jsou v dnešní době nejvyužívanější především z důvodu jejich vyšší účinnosti (okolo 48 %) oproti větrným elektrárnám s vertikálními turbínami.

• Vertikální turbíny (vertikální neboli axiální větrné elektrárny) mají tu výhodu, že není nutné měnit jejich směr, což je výhodou zejména tam, kde se směr větru velmi často mění. Další výhodou je možnost umístění generátoru a převodového ustrojí na zemském povrchu, to značně zjednodušuje údržbu. Dále zabírají méně prostoru oproti horizontálním turbínám, ve větrné farmě je lze umístit blíže k sobě aniž by se aerodynamicky ovlivňovaly a jsou méně hlučné. Hlavní nevýhodou je vyšší cena než u turbín horizontálních se srovnatelným výkonem a nižší účinnost (okolo 38 %).

Druhy vertikálních turbín

Darrierova turbína pracuje na vztlakovém principu a vyznačuje se vejcovitým tvarem rotoru. Má vyšší účinnost než ostatní vertikální turbíny (uvádí se okolo 35-38 %), ale vyžaduje vyšší rychlost větru pro start.

Savoniova turbína pracuje na odporovém principu a lopatky mají polokruhovitý tvar. Využívá se velmi málo hlavně pro svou nízkou účinnost, je ovšem velmi jednoduchá na výrobu. Modifikací je turbína se šroubovitým tvarem lopatek, která se využívá například na lodích.

Komponenty elektrárny

Na následujícím obrázku jsou znázorněny komponenty větrné elektrárny s horizontální osou otáčení a otočným mechanismem turbíny.

1 – rotor, 2 – brzda rotoru, 3 – převodové ústrojí, 4 – spojka a brzda generátorového hřídele, 5 – generátor, 6 – servo motor pro otáčení turbíny, 7 – brzda otočného mechanismu, 8 – ložisko, 9 – hydraulický agregát brzd, 10 – hydraulický agregát pro ovládání natočení lopatek rotoru

Účinnost

Ve větrné turbíně se kinetická energie větru mění na energii otáčivého pohybu. V praxi není možné, aby veškerá energie větru byla využita. Vyplývá to ze zákona o zachování hmoty. Množství vzduchu, které dosedne na lopatky větrné turbíny, je musí následně opustit. Bentzovo pravidlo udává maximální využití energie větru ve větrné turbíně, které dosahuje 59 % veškeré kinetické energie proudícího vzduchu skrz turbínu. Následně je nutné přičíst ztráty třením a odporem listů rotoru, převodové ztráty a ztráty v generátoru a měniči. Účinnost současných větrných elektráren se poté pohybuje mezi 75-80 % Bentzova limitu při jmenovitých otáčkách.

Teoretický dosažitelný výkon

Teoretický výkon, kterého je možno dosáhnout je popsán následujícím vzorcem

 , kde

• Pt – výkon elektrárny [W]
• k_B – Betzův koeficient, roven 0,59
• ρ – hustota vzduchu [kg/m3]
• v – rychlost proudění vzduchu [m/s]
• Pro reálné turbíny platí

, kde

• c_p – součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59
• D – průměr rotoru [m]

Větrné parky

Větrné elektrárny jsou často shlukovány do tzv. větrných parků. V případě větrných parků je nutné počítat se vzájemným ovlivňováním jednotlivých elektráren a s ohledem na to je umístit v dostatečné vzdálenosti od sebe. Ve větrných parcích s horizontálními větrnými turbínami se udává vzdálenost mezi elektrárnami okolo 6-10 násobku průměru rotoru turbíny, ovšem u velkých větrných farem jsou ekonomicky optimální vzdálenosti až 15 násobek průměru rotoru.

Elektrárny využívané ve větrných parcích jsou obvykle horizontálního typu, tří lopatkové s otáčením v závislosti na směru větru pomocí počítačem ovládaných motorů. Obvodová rychlost obvykle dosahuje více než 320 km/h a listy rotoru dosahují délky mezi 20 a 40 metry nebo více, trubkové ocelové věže jsou vysoké mezi 60 a 90 metry. Všechny elektrárny jsou opatřeny ochrannými funkcemi proti poškození při vysokých rychlostech větru, využívá se sklopných lopatek doplněných brzdami.

Větrné elektrárny lze podle umístění dělit na onshore a offshore větrné elektrárny (princip výroby elektřiny zůstává víceméně stejný).

Termín onshore větrné elektrárny se používá pro elektrárny umístěné na pevnině. Pevninské větrné elektrárny jsou ve srovnání s větrnými elektrárnami na moři méně investičně náročné a mají menší vliv na životní prostředí. Výhodou je také rychlejší doba výstavby a uvedení do provozu a v řadě případů také nižší nároky na výstavbu související infrastruktury pro přenos elektřiny z elektrárny do přenosové/distribuční soustavy.

Termín offshore větrné elektrárny se užívá pro větrné farmy umístěné mimo pevninu, kde vítr dosahuje stabilně vyšších rychlostí než nad pevninou, díky tomu jsou tyto větrné parky schopny produkovat vyšší elektrický výkon. Nevýhodou jsou vyšší investiční náklady a náklady na údržbu.

Větrné elektrárny v ČR

K 31. 12. 2014 bylo podle České společnosti pro větrnou energii (ČSVE) v ČR v provozu celkem 75 větrných elektráren, připojených do elektrizační soustavy (nejsou započítány malé VtE, využívané především pro vlastní spotřebu). Největší elektrárna, Kryštofovy Hamry- Přísečnice, disponuje výkonem 42 MW (21 turbín o výkonu 2 MW), leží v Ústeckém kraji a do provozu byla uvedena v roce 2007. Nejstarší z provozovaných elektráren je elektrárna Hostýn ve Zlínském kraji, byla uvedena do provozu v roce 1993 a disponuje jedinou turbínou o výkonu 225 kW.

Seznam větrných elektráren v ČR

Seznam větrných elektráren, připojených do elektrizační soustavy ČR k 31. 12. 2014, je uveden v následující tabulce (nejsou uvedeny malé VtE, využívané především pro vlastní spotřebu). Zdroj: ČSVE

Instalovaný výkon a výroba

V roce 2014 vyrobily větrné elektrárny v ČR 477 GWh elektřiny (brutto) a na celkové výrobě elektřiny v ČR se tak podílely z 0,55 %. V roce 2015 se výroba elektřiny z větrných elektráren poprvé přehoupla přes 0,5 TWh elektrické energie. Přesto patří větrné elektrárny ke zdrojům, které v ČR vyrobí nejméně elektřiny.