Větrná elektrárna

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.
Princip funkce odporové (drag) a vztlakové (lift) turbíny. Zdroj: Alternative Power Sources, Sukrov, Lukutin

Princip funkce odporové (drag) a vztlakové (lift) turbíny. Zdroj: Alternative Power Sources – Surkov, Lukutin

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 musí vždy směřovat proti směru větru, proto se u 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. Horizontální turbíny jsou v dnešní době nejvyužívanější především z důvodu jejich vyšší účinnosti (okolo 48 %) oproti vertikálním turbínám.
  • Vertikální turbíny 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.

Darrierova turbína. Autor: Carl von Canstein

Darrierova turbína. Autor: Carl von Canstein

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.

Savoniova turbína. Autor: Badzil

Savoniova turbína. Autor: Badzil

Komponenty elektrárny

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

Komponenty větrné elektrárny

Komponenty větrné elektrárny, Zdroj: boschrexroth.com

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

Konvoj převážející lopatky větrné turbíny, Edenfield, Velká Británie

Konvoj převážející lopatky větrné turbíny, Edenfield, Velká Británie. Autor: Paul Anderson

Konvoj převážející věž větrné turbíny, Edenfield, Velká Británie

Konvoj převážející věž větrné turbíny, Edenfield, Velká Británie. Autor: Paul Anderson

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

P_t = k_B\cdot \rho \cdot \frac {v^3}{2} , kde

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

P = c_p\cdot \rho \cdot \frac {v^3}{2} \cdot \pi \cdot \frac {D^2}{4} , kde

  • cp – 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.

Termín Offshore 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.

Alpha Ventus (Německo, Severní moře) větrná park

Offshore větrný park Alpha Ventus (Německo, Severní moře) Autor: SteKrueBe

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

LokalitaKrajVýrobceTyp elektrárenRotorVýška nábojeVýkon turbíny (MW)Počet turbínCelkový výkon (MW)Instalace
Kryštofovy Hamry- PřísečniceÚsteckýEnerconE- 828285221422007
Horní Loděnice - LipinaOlomouckýVestasV909010529182009
Červený kopec - RejcharticeOlomouckýSiemensSWT-2,3-101101802.3613.82012
AndělkaLibereckýRepowerMM9292802.05612.32012
Horní PasekyKarlovarskýVestasV909010525102012
Jinřichovice-StaráKarlovarskýEnerconE82821082.349.22010
Strážní Vrch v Nové Vsi v HoráchÚsteckýRepowerMM9292802.0548.22008
Mlýnský vrch, Krásná u AšeKarlovarskýVestasV90901052482009
Rusová-Podmíleská výšinaÚsteckýNordexN8080802.537.52006
Nové Město - Vrch Tří pánůÚsteckýEnerconE-7071852362006
PcheryStředočeskýWinWindWWD-3881003262008
Anenská Studánka IIPardubickýDeWindD664681.25452008
VrbiceKarlovarskýEnerconE8282982.324.62010
KopřivnáOlomouckýEnerconE82821082.324.62013
Hora Svatého ŠebestiánaÚsteckýNordexS7070651.534.52008
BřežanyJihomoravskýVestasV5252740.8554.252005
VěžniceVysočinaRepowerMM9292802.0524.12009
Habartice u KrupkyÚsteckýRepowerMM9292802.0524.12010
PetroviceÚsteckýEnerconE-7071852242005.2007
PavlovVysočinaVestasV90901052242006
Veselí u OderMoravskoslezskýVestasV9090802242007
Gruna- ŽipotínPardubickýDeWindD880802242007
Mníšek,KlínyÚsteckýEnerconE-7071852242007
Horní ČástkovKarlovarskýVestasV90901052242009
JanovPardubickýWikovW2000spg80802242009
Horní Částkov IIKarlovarskýVestasV90901052242010
Hranice u AšeKarlovarskýVestasV90901052242012
Ostrý KámenPardubickýDeWindD664681.2533.752009
Vítkov (Lysý Vrch u Albrechtic)LibereckýTackeTW 50037400.55+0,63.12004
OstružnáOlomouckýVestasV 39-50039400.5631994
Protivanov IIOlomouckýRepowerMD7777851.5232005
Vítězná u Dvora KrálovéKrálovéhradeckýVestasV1121121193132014
Zlatá Olešnice IKrálovéhradeckýVestasV112112943132014
AndělkaLibereckýSinvion (Rep)MM9292852.0512.052014
DrahanyOlomouckýVestasV90901052122006
Stará Libavá -Rejchartice(Norberčany)OlomouckýEnerconE-7071852122007
KlínyÚsteckýEnerconE-7071852122007
KámenVysočinaVestasV90901052122008
MaletínOlomouckýVestasV90901052122008
LipnáOlomouckýVestasV90901052122008
BanticeJihomoravskýVestasV90901052122008
TulešiceJihomoravskýVestasV90901052122009
Mlýnský vrch, Krásná u AšeKarlovarskýVestasV90901252122013
Oldřišov u OpavyMoravskoslezskýVestasV90901052122014
Zlatá Olešnice IIKrálovéhradeckýVestasV100100952122014
Dětřichov u FrýdlantuLibereckýVestasV90901052122014
LoučnáÚsteckýDeWindD446600.631.82004
RozstáníOlomouckýVestasV100100951.811.82011
Horní ŘasniceLibereckýVestasV100100951.811.82012
HaťMoravskoslezskýVestasV100100951.811.82012
Pavlov IIVysočinaVestasV5252740.8521.72006
Nová Ves v Horách IÚsteckýRepowerMD7777751.511.52003
Nová Ves v Horách IIÚsteckýRepowerMD7777751.511.52004
Čižebná - Nový Kostel IIKarlovarskýTackeTW 50036400.531.52006
TrojmezíBKarlovarskýVestasV6363601.511.52008
Krásný lesLibereckýWikovW1500spg7761.51.511.52013
Jindřichovice pod SmrkemLibereckýEnerconE-4040650.621.22003
Žipotín-Gruna-SolitaryPardubickýDeWindD446600.621.22006
Brodek u KoniceOlomouckýDeWindD446420.621.22007
TrojmezíAKarlovarskýVestasV4242500.621.22008
MravenečníkOlomouckýEnergowars+ WindWorld32290,22 0,315 0,63031.171993-1996
Hraničné Petrovice IOlomouckýVestasV5252740.8510.852005
Hraničné Petrovice IIOlomouckýNordexN5454600.8510.852005
Boží dar IIIKarlovarskýEnerconE48480.810.82010
DožicePlzeňskýEnerconE4848500.810.82013
Pohledy u SvitavPardubickýFuhrlanderFL 25029420.2530.752004.2006
Boží Dar II- NeklidKarlovarskýEnerconE-3333.4500.3320.662006
PotštátOlomouckýBonus20300.1540.62005,2009, 2011
MladoňovOlomouckýTackeTW 50036400.510.52004
Anenská StudánkaPardubickýFuhrlanderFL 25029420.2520.52006
Boží Dar - NeklidKarlovarskýEnergovarsEWT-31532290.31510.3152001
Čižebná - Nový Kostel IKarlovarskýVítkoviceVE 315/230330.31510.3152006
HostýnZlínskýVestasV 27-2252731.30.22510.2251993
Velká KrašOlomouckýVestasV 29-22529300.22510.2251994
Protivanov IOlomouckýFuhrlanderFL-10021350.110.12002

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.

Výkon a výroba větrných elektráren v ČR v jednotlivých letech. Zdroj: ČSVE

Výkon a výroba větrných elektráren v ČR v jednotlivých letech. Zdroj: ČSVE

Rok20042005200620072008200920102011201220132014
Instalovaný výkon (MW)172854116148192215217260269283
Výroba bruto (GWh)8.321.349.4125245290336397416479477


2 odpovědí na Větrné elektrárny – princip, rozdělení, elektrárny v ČR

  1. Jan Veselý Jan Veselý napsal:

    Pro pana Hájka, jako reakce na jeho strach o chudáky ptáky zabíjené větrnými elektrárnami vyjádřený v tomto článku:
    Ročně se v USA vylíhne cca 100 miliard ptáků, populace ptáků na podzim je cca 20 miliard.
    Kočky zabijí ročně v USA okolo 3.7 miliardy ptáků, kolize s budovami něco mezi 100 miliony až miliardou, komunikační věže 4-5 milionů (nebo taky 10x tolik), 60 milionů ptáků zabijí auta, 72 milionů je otráveno pesticidy, lovci zastřelí 15 milionů ptáků, 2 miliony se otráví/utopí v jezírcích hnusu, co vypadá jako voda, 10-40 milionů zabijí dráty VN.
    https://www.fws.gov/mainefieldoffice/PDFs/mortality-fact-sheet%5B1%5D.pdf
    Podle jiné studie zahynulo v USA v roce 2009 v důsledku výroby větrné elektřiny 46 000 ptáků, 460 000 v důsledku výroby jaderné elektřiny a 24 milionů v důsledku výroby elektřiny z fosilních paliv. Vychází to, že VtE = 0.27 ptáka/GWh, JE = 0.6 ptáka/GWh, FosE = 9.4 ptáka/GWh.
    https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=2198024
    Můj kontakt z USA mi dodal odkaz i na tvrzení, že počet zabitých ptáků na MW výkonu VtE klesl mezi lety 2009-2012 o 24% (z 12.5 ptáka/MW na 9.5 ptáka/MW), ale odkaz není funkční, nemohu ověřit.
    Výsledek je jednoduchý, bojíte se zbytečně. Nahrazování fosilní výroby elektřiny větrnou energetikou ptáků pomáhá, ale stejně existuje dost řádově větších problémů způsobovaných lidmi ptákům než celá elektroenergetika, počínaje ztrátou habitatů.

    • Martin Hájek napsal:

      Děkuji za laskavost, ale kdybyste se namáhal čtením toho, co jsem psal, tak jsem hovořil o netopýrech. To za prvé.
      Za druhé není pták jako pták, nejde počítat kusy. Není totéž městský holub jako chráněný orel. Je potřeba řešit jednotlivé druhy, ne omračovat nesmyslnou globální statistikou, která nemá absolutně žádnou vypovídací hodnotu. Off shore větrné turbíny zřejmě nebudou hrozbou pro ptáky, které chytají kočky. Takže je potřeba u toho i malinko myslet.
      Pak také není jednoduché vyzkoumat, kolik ptáků off-shore větrná turbína zabila. Ani nevím, jestli to někdo detailněji vůbec řešil, takže ty globální statistiky jsou poměrně pochybné. Navíc je to všechno dost staré z doby, kdy off-shore parky byly ještě spíš kuriozitou.
      Tak se prosím, netvařte, že je to vyřešený a marginální problém. Prostě není. Je zatím málo prozkoumaný a poznaný, jak je velký teprve zjistíme. Až ten výzkum začne někdo platit, výrobci větrných elektráren to asi nebudou… Třeba najde teď peníze Trumpova administrativa, až se začne zabývat skutečnou ochranou životního prostředí.

      Tady namátkou třeba něco o těch netopýrech:
      https://www.theguardian.com/environment/2016/nov/07/wind-turbine-collisions-killing-hundreds-of-uk-bats-each-month-study-finds

      A tady něco o ptácích.
      http://savetheeaglesinternational.org/new/us-windfarms-kill-10-20-times-more-than-previously-thought.html

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *