Domů
Elektřina
Větrné elektrárny - princip, rozdělení, elektrárny v ČR
autor: Nanashinodensyaku

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 – 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

            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

            Komponenty elektrárny

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

            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. Autor: Paul Anderson

            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

             , 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
            • , 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.

                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

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

                Komentáře

                (11)

                Josef Kadleček

                1. září 2019, 12:16

                Zdravím!

                Mám takovou myšlenku - a to zda by při existenci kombinace modulárních a kaskádovatelných větrných (málo hlučná VAWT uzavřená v stacionární lamelové kleci pro znásobení výkonu - viz zde: https://www.youtube.com/watch?v=cYh7jR4vLQg ) a FV elektráren (popř. vč. akumulátorů), osazovaných na/u běžných domcích/ků, bytových domů, ale hlavně na těch obludných logistických kvádrech (vzrostlých u dálnic na nejbonitnější půdě) mohlo podstatněji ovlivnit decentralizaci rozvodné sítě?

                A pokud by existoval modulární a kaskádovatelný systém (mám střechu - vezmu úvěr na první část, zaplatí se, přikoupím druhý, atd.). Nebyla by to lepší cesta, než hyzdit krajinu obrovskými vrtulemi?

                Jan Veselý

                19. prosinec 2016, 21:17

                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[1].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

                20. prosinec 2016, 01:56

                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

                František Endrle

                20. leden 2021, 17:55

                Zdravím,

                jaká je předepsaná vzdálenost VTE od ostatních staveb?

                Anna Pospíšilová

                27. červenec 2018, 16:00

                Dobry den prosím vás kolik váží jedna vrtule na větrné elektrárne.

                Josef Kadleček

                30. srpen 2019, 09:52

                Zdravím!

                Mám takovou myšlenku - a to zda by při existenci kombinace modulárních a škálovatelných větrných (VAWT uzavřená v stacionární lamelové kleci) a FV elektráren (popř. vč. akumulátorů), osazovaných na/u běžných domcích/ků, bytových domů, ale hlavně těch obludných logistických kvádrů, vzrostlých u dálnic na nejbonitnější půdě, mohlo podstatněji ovlivnit decentralizaci rozvodné sítě?

                Lada Klárová

                30. červen 2019, 15:45

                Dobrý den,mám dotaz...proč se větrné elektrárny točí všechny vpravo?ještě jsme neviděli že by točili vlevo... Jestli je to něčím dané ze zákona.. Dekuji

                Carlos

                30. červen 2019, 20:25

                Zákonem asi ne, někde jsem viděl nějakou se točit i opačně, ale myslím že je to dáno zvykem, když se na to podíváte, tak se snad všechny stroje točí ve finále doprava, doleva je takový jakýsi zvláštní nezvyk.

                Lada Klárová

                1. červenec 2019, 23:03

                No právě že mi na to ještě nikdo neodpověděl.....nejspíš máte pravdu,asi ta vrtule je tak prostě vyrobena aby se točila vpravo...

                Pavel Vaňátko

                5. květen 2019, 10:40

                Mě by zajímalo jaký druh generátoru se do větrných elektráren používá?

                Carlos

                30. červen 2019, 20:21

                Synchronní PMG asi nejčastěji. Staré měly myslím asynchronní. Ale v zásadě tam může jít jakýkoliv. Technicky pro to neexistuje žádné omezení, prakticky tam nechcete kartáčky.

                Přidat komentář

                Vaše emailová adresa nebude zveřejněna u komentáře
                Vyžadované informace jsou označeny *
                Pravidla diskuze
                Veškeré příspěvky v diskuzi na webu oEnergetice.cz musí splňovat Pravidla diskuze. Přidáním příspěvku do diskuse uživatel vyjadřuje souhlas s těmito pravidly a zavazuje se je dodržovat.
                Komentáře pouze pro přihlášené uživatele
                Upozorňujeme diskutující, že komentáře v diskuzi budou moci přidávat již brzy pouze přihlášení uživatelé. V diskuzi se stále častěji objevují příspěvky od anonymních uživatelů, které porušují pravidla diskuze. Věříme, že díky tomuto opatření bude diskuze pod články pro všechny přínosnější.
                Pokud ještě účet nemáte, je možné si jej vytvořit na stránce registrace. Pokud již účet máte, přihlaste se do něj na této stránce.
                V uživatelské sekci pak můžete najít poslední vaše komentáře.
                OM Solutions s.r.o.
                Kpt. Nálepky 620/7, Nové Dvory, 674 01
                Třebíč
                IČ: 02682516
                SOCIÁLNÍ SÍTĚ
                © 2021 oEnergetice.cz All Rights Reserved.