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_Bcdot 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_pcdot 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

Lokalita Kraj Výrobce Typ elektráren Rotor Výška náboje Výkon turbíny (MW) Počet turbín Celkový výkon (MW) Instalace
Kryštofovy Hamry- Přísečnice Ústecký Enercon E- 82 82 85 2 21 42 2007
Horní Loděnice – Lipina Olomoucký Vestas V90 90 105 2 9 18 2009
Červený kopec – Rejchartice Olomoucký Siemens SWT-2,3-101 101 80 2.3 6 13.8 2012
Andělka Liberecký Repower MM92 92 80 2.05 6 12.3 2012
Horní Paseky Karlovarský Vestas V90 90 105 2 5 10 2012
Jinřichovice-Stará Karlovarský Enercon E82 82 108 2.3 4 9.2 2010
Strážní Vrch v Nové Vsi v Horách Ústecký Repower MM92 92 80 2.05 4 8.2 2008
Mlýnský vrch, Krásná u Aše Karlovarský Vestas V90 90 105 2 4 8 2009
Rusová-Podmíleská výšina Ústecký Nordex N80 80 80 2.5 3 7.5 2006
Nové Město – Vrch Tří pánů Ústecký Enercon E-70 71 85 2 3 6 2006
Pchery Středočeský WinWind WWD-3 88 100 3 2 6 2008
Anenská Studánka II Pardubický DeWind D6 64 68 1.25 4 5 2008
Vrbice Karlovarský Enercon E82 82 98 2.3 2 4.6 2010
Kopřivná Olomoucký Enercon E82 82 108 2.3 2 4.6 2013
Hora Svatého Šebestiána Ústecký Nordex S70 70 65 1.5 3 4.5 2008
Břežany Jihomoravský Vestas V52 52 74 0.85 5 4.25 2005
Věžnice Vysočina Repower MM92 92 80 2.05 2 4.1 2009
Habartice u Krupky Ústecký Repower MM92 92 80 2.05 2 4.1 2010
Petrovice Ústecký Enercon E-70 71 85 2 2 4 2005.2007
Pavlov Vysočina Vestas V90 90 105 2 2 4 2006
Veselí u Oder Moravskoslezský Vestas V90 90 80 2 2 4 2007
Gruna- Žipotín Pardubický DeWind D8 80 80 2 2 4 2007
Mníšek,Klíny Ústecký Enercon E-70 71 85 2 2 4 2007
Horní Částkov Karlovarský Vestas V90 90 105 2 2 4 2009
Janov Pardubický Wikov W2000spg 80 80 2 2 4 2009
Horní Částkov II Karlovarský Vestas V90 90 105 2 2 4 2010
Hranice u Aše Karlovarský Vestas V90 90 105 2 2 4 2012
Ostrý Kámen Pardubický DeWind D6 64 68 1.25 3 3.75 2009
Vítkov (Lysý Vrch u Albrechtic) Liberecký Tacke TW 500 37 40 0.5 5+0,6 3.1 2004
Ostružná Olomoucký Vestas V 39-500 39 40 0.5 6 3 1994
Protivanov II Olomoucký Repower MD77 77 85 1.5 2 3 2005
Vítězná u Dvora Králové Královéhradecký Vestas V112 112 119 3 1 3 2014
Zlatá Olešnice I Královéhradecký Vestas V112 112 94 3 1 3 2014
Andělka Liberecký Sinvion (Rep) MM92 92 85 2.05 1 2.05 2014
Drahany Olomoucký Vestas V90 90 105 2 1 2 2006
Stará Libavá -Rejchartice(Norberčany) Olomoucký Enercon E-70 71 85 2 1 2 2007
Klíny Ústecký Enercon E-70 71 85 2 1 2 2007
Kámen Vysočina Vestas V90 90 105 2 1 2 2008
Maletín Olomoucký Vestas V90 90 105 2 1 2 2008
Lipná Olomoucký Vestas V90 90 105 2 1 2 2008
Bantice Jihomoravský Vestas V90 90 105 2 1 2 2008
Tulešice Jihomoravský Vestas V90 90 105 2 1 2 2009
Mlýnský vrch, Krásná u Aše Karlovarský Vestas V90 90 125 2 1 2 2013
Oldřišov u Opavy Moravskoslezský Vestas V90 90 105 2 1 2 2014
Zlatá Olešnice II Královéhradecký Vestas V100 100 95 2 1 2 2014
Dětřichov u Frýdlantu Liberecký Vestas V90 90 105 2 1 2 2014
Loučná Ústecký DeWind D4 46 60 0.6 3 1.8 2004
Rozstání Olomoucký Vestas V100 100 95 1.8 1 1.8 2011
Horní Řasnice Liberecký Vestas V100 100 95 1.8 1 1.8 2012
Hať Moravskoslezský Vestas V100 100 95 1.8 1 1.8 2012
Pavlov II Vysočina Vestas V52 52 74 0.85 2 1.7 2006
Nová Ves v Horách I Ústecký Repower MD77 77 75 1.5 1 1.5 2003
Nová Ves v Horách II Ústecký Repower MD77 77 75 1.5 1 1.5 2004
Čižebná – Nový Kostel II Karlovarský Tacke TW 500 36 40 0.5 3 1.5 2006
TrojmezíB Karlovarský Vestas V63 63 60 1.5 1 1.5 2008
Krásný les Liberecký Wikov W1500spg 77 61.5 1.5 1 1.5 2013
Jindřichovice pod Smrkem Liberecký Enercon E-40 40 65 0.6 2 1.2 2003
Žipotín-Gruna-Solitary Pardubický DeWind D4 46 60 0.6 2 1.2 2006
Brodek u Konice Olomoucký DeWind D4 46 42 0.6 2 1.2 2007
TrojmezíA Karlovarský Vestas V42 42 50 0.6 2 1.2 2008
Mravenečník Olomoucký Energowars+ WindWorld 32 29 0,22 0,315 0,630 3 1.17 1993-1996
Hraničné Petrovice I Olomoucký Vestas V52 52 74 0.85 1 0.85 2005
Hraničné Petrovice II Olomoucký Nordex N54 54 60 0.85 1 0.85 2005
Boží dar III Karlovarský Enercon E48 48 0.8 1 0.8 2010
Dožice Plzeňský Enercon E48 48 50 0.8 1 0.8 2013
Pohledy u Svitav Pardubický Fuhrlander FL 250 29 42 0.25 3 0.75 2004.2006
Boží Dar II- Neklid Karlovarský Enercon E-33 33.4 50 0.33 2 0.66 2006
Potštát Olomoucký Bonus 20 30 0.15 4 0.6 2005,2009, 2011
Mladoňov Olomoucký Tacke TW 500 36 40 0.5 1 0.5 2004
Anenská Studánka Pardubický Fuhrlander FL 250 29 42 0.25 2 0.5 2006
Boží Dar – Neklid Karlovarský Energovars EWT-315 32 29 0.315 1 0.315 2001
Čižebná – Nový Kostel I Karlovarský Vítkovice VE 315/2 30 33 0.315 1 0.315 2006
Hostýn Zlínský Vestas V 27-225 27 31.3 0.225 1 0.225 1993
Velká Kraš Olomoucký Vestas V 29-225 29 30 0.225 1 0.225 1994
Protivanov I Olomoucký Fuhrlander FL-100 21 35 0.1 1 0.1 2002

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
Rok 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Instalovaný výkon (MW) 17 28 54 116 148 192 215 217 260 269 283
Výroba bruto (GWh) 8.3 21.3 49.4 125 245 290 336 397 416 479 477

Komentáře

0 komentářů ke článku "undefined"

Přidat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *