Větrná energie

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Větrné elektrárny v dánském Vendsysselu

Větrná energie je označení pro oblast technologie zabývající se využitím větru jako zdroje energie.

Nejobvyklejším využitím jsou dnes větrné elektrárny, které využívají síly větru k roztočení vrtule (větrná turbína). K ní je pak připojen elektrický generátor. Získaná energie je přímo úměrná třetí mocnině rychlosti proudící vzdušné masy, proto větrné elektrárny po většinu doby nedosahují nominálních hodnot generovaného výkonu.

V historii se místo převodu na elektřinu přímo konala nějaká mechanická práce. Větrný mlýn například mlel obilí, větrnými stroji se čerpala voda, lisoval olej, stloukala plsť nebo poháněly katry. . Vítr se také používá k pohonu dopravních prostředků, nejvíce u lodí (plachetnice).

Tento článek se zabývá převážně soudobým využitím větru pro získávání elektrické energie.

Obsah

1 Teorie větrné elektrárny
2 Hlučnost větrných elektráren
3 Debata o využití větrné energie v Česku
- 3.1 Argumenty zastánců větrné energie
- 3.2 Argumenty odpůrců větrné energie
4 Podívejte se taky na
5 Reference
6 Externí odkazy

[editovat] Teorie větrné elektrárny

[editovat] Teoreticky dosažitelný výkon

Proudící vzduch předává lopatkám větrné elektárny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosažitelnou účinnost větrného stroje na 59% (Betzovo pravidlo). Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosažitelný výkon činí v případě jednotkové plochy

$P_t = k_B\cdot \rho \cdot \frac {v^3}{2}$ , kde k_B je Betzův koeficient 0,59

Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se používá vzorec

$P = c_p\cdot \rho \cdot \frac {v^3}{2} \cdot \pi \cdot \frac {D^2}{4}$ , kde c_p je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59

[editovat] Účinnost

Typický průběh generovaného výkonu a součinitele výkonnosti VE v závislosti na rychlosti větru

Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.).

Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního využití $k$ , definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky možnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se $k$ pohybuje v mezích 0,1-0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky až 0,28. Statisticky podle dat ČSÚ za rok 2005 však dosahuje koeficient ročního využití větrných elektráren v ČR pouze 0,11 tedy 11 % ^[1]

[editovat] Rychlost větru v obecných podmínkách

Rozložení hustot rychlostí větru pro střední hodnotu rychlosti 15 m/s

Spektrum rozložení hustoty rychlostí větru v dané lokalitě je poměrně dobře popsatelné Rayleighovým rozdělením jako speciálním případem rozdělení Weibullova. Jde o funkci

$f(v)= \frac {\beta}{\eta}\cdot(\frac {v}{\eta})^{\beta-1}\cdot e^{-(\frac {v}{\eta})^\beta}$ , kde v je náhodně proměnná rychlost větru, $β = 2$ je tvarový parametr rozložení a $η$ odpovídá střední hodnotě rychlosti větru

$\eta \approx \frac {\tilde{v}}{0.886}$

Je zřejmé, že maximum hustoty výskytu rychlostí bude vždy ležet vlevo od hustoty výskytu střední rychlosti větru. Pro reálné použití má smysl pracovat s pravděpodobností výskytu rozsahu rychlostí větru v intervalu (v₁,v₂), kterou lze určit jako

$P_{(v_1,v_2)}=\int_{v_1}^{v_2} f(v) \mathrm{d}v$

[editovat] Hlučnost větrných elektráren

Typická křivka závislosti hlučnosti větrného zdroje na vzdálenosti, vyznačena hygienická hranice 40 dbA pro noční dobu

Větrné elektrárny jsou zdrojem nežádoucího hluku ^[2]. Jeho hlavními původci (zde a dále jsou uvažovány zdroje, pracující s vrtulí na nabíhající vzdušný proud) jsou aerodynamické hluky obtékání listů vrtule, gondoly a dříku stavby, turbulence, vznikající obtékáním náběžné hrany listu, víry v okolí konců vrtulových listů, turbulence nad odtokovou hranou listu a hluk laminárního proudění. Dále je hluk produkován mechanickými částmi konstrukce (servomotory a jejich převody, čerpadla, chladicí ventilátory měničů a mechanismů) a generátorem. Mimo slyšitelnou oblast jsou větrné elektrárny významným zdrojem hluků v oblasti 2-31,5 Hz (infrazvuk).

[editovat] Šíření hluku větrného zdroje

V praxi je jako model šíření používána náhrada prostředí hemisférou s homogenními vlastnostmi. V tomto modelu lze určit hlasitost hluku s danou intenzitou a v dané vzdálenosti dle vzorce

$L_p=L_w-10\cdot log_{10}(2\pi\cdot R^2)-\alpha\cdot R$

kde R je vzdálenost od zdroje hluku a α je součinitel absorpce, přijímaný pro suchý vzduch α=0.005 dBm^-1, přičemž zdroj hluku je považován za bodový. Metodika měření je dána IEC 61400-11 ve druhém vydání. České hygienické normy připouštějí maximální úroveň hluku v obytné zástavbě 50 dBA ve dne a 40 dBA v noci, přípustná úroveň hluku ve volné přírodě není stanovena.

[editovat] Infrazvuky

Zdrojem infrazvuků jsou zejména mechanické části konstrukce větrných turbín. Pro stanovení jejich intenzity nelze používat hlukoměry s filtrem křivky A (ekvivalent citlivosti ucha), který infrazvuky potlačuje. Hluk větrných elektráren, emitovaný v infrazvukové oblasti vykazuje vysoké špičky, dosahující až 70 dB (Vestas V-52 70 dB na frekvenci 16 Hz, Vestas V-80 72 dB ve frekvenčním rozsahu 4-26 Hz). Infrazvukové vlnění se kromě vzdušné cesty šíří i konstrukcí dříku a základovou deskou do okolí.

[editovat] Hluky, typické pro větrný zdroj

Zdroj hluku	Frekvenční rozsah	Typická intenzita	Charakter hluku
Turbulence na koncích listu	500-1000 Hz	91,2 dBA	širokopásmové hučení, modulované otáčkami listu (wish-wish)
Hluk na náběžné hraně	750-2000 Hz	99,2 dBA	širokopásmové svištění
Hluk odtrhávání proudnic	typický tón	84,8 dBA	tón, měnící se dle rychlosti větru
Strojovna	směs hluků	97,4 dBA	směs hluků, měnících se s různou periodicitou (zapínání a vypínání servopohonů, čerpadel, ventilátorů)
Generátor	tón	87,2 dBA	tón, jehož výška se mění s otáčkami vrtule

[editovat] Debata o využití větrné energie v Česku

Větrná energie je propagována jako čistý obnovitelný zdroj energie a subvencemi je podporováno její využití. Téma je velmi kontroverzní a vede se o něm živá debata. V roce 2004 větrné elektrárny vyrobily pouze 0,01% procenta celkové energie v ČR.

Ekonomickým otázkám větrné energetiky se podrobně věnuje heslo Ekonomické aspekty větrné energetiky

[editovat] Argumenty zastánců větrné energie

Při využití energie větru se do atmosféry neuvolňují žádné skleníkové plyny, takže v průběhu svého provozu (nepočítaje v to produkci skleníkových plynů při výrobě/instalaci/demontáži VE) nepřispívají ke globálním změnám klimatu.

Vítr je narozdíl od fosilních paliv zdarma. Jeho přeměna na energii elektrickou je sice momentálně dražší, nicméně to je způsobeno uměle tím, že u energie z fosilních paliv cena nezahrnuje všechny vznikající negativní externality (není zohledněno zejména poškození životního prostředí a vyčerpávání klíčového průmyslového zdroje), navíc je podle zastánců VE historickým vývojem prokázáno, že to technologický pokrok změní. Podle zdroje (viz vývoj průměru rotorů a poměr ceny vůči roční výrobě -strana 92,93) však v poklesu cen VE nastala stagnace.

Provoz větrných elektráren je bezpečný v tom smyslu, že nehrozí riziko zamoření jako v případě havárie jaderné elektrárny.

Výstavba větrných elektráren představuje dekoncentraci velkých zdrojů elektřiny na více malých - tím se snižuje riziko velkoplošných výpadků v případě havárií rozvodné sítě nebo teroristických útoků.

Diverzifikací zdrojů se snižují nároky na potřebný přenášený výkon z jednotlivých VE a klesá nutnost přepravy energie na velké vzdálenosti ^[3]

Výkon VE lze v krátkodobém horizontu dobře předpovědět. Nepravidelnosti ve výkonu nenastávají u všech VE najednou. Výkon těchto zdrojů v součtu tolik nekolísá, proto není nutno zřizovat záložní zdroje schopné okamžitého náběhu viz ^[4] dále viz ^[5] a také ^[6].

Dle studie Royal Society for the Protection of Bird dojde ročně k jedné až dvěma kolizím ptáka s větrnou turbínou (přepočteno na jeden stroj). Oproti tomu je prý "10 000 000 ptáků ročně zabito auty ve Velké Británii". ^[7].

Moderní větrné elektrárny nové koncepce jsou schopny fungovat bez mechanické převodovky, která byla ve starších strojích zdrojem hluku. Obejdou se také bez dalšího zdroje hluku, kterým bylo nucené chlazení přídavnými ventilátory. Vystačí totiž s pasivním systémem vzduchového chlazení.^[8]. Základním zdrojem hluku tak zůstávají neodstranitelné aerodynamické hluky, způsobené obtékáním dříku konstrukce a gondoly v kombinaci se svistem rotorových listů.

Výkon moderních větrných elektráren je regulovatelný na základě vnějšího signálu ^[9] a umožňuje tak spolupráci i se slabými sítěmi (na úkor toho, že se část disponibilní větrné energie nepřemění na elektrickou).

Větrné elektrárny nahrazují (v poměru svých středních výkonů tedy pouze asi 0,03%) část kapacity tepelných elektráren, jejichž povrchové doly hyzdí a narušují krajinu.

Větrné elektrárny v krajině zviditelňují místa, kde si lidé uvědomují důležitost využívání obnovitelných zdrojů energie. Toto může mít svůj objektivně vyčíslitelný dopad ve formě zvýšení příjmů z turistiky. Jen do Jindřichovic pod Smrkem se na dvě 600 kW větrné elektrárny během prvního roku provozu přijelo podívat přes 12 tisíc lidí.[1][2] [[3]]

Vyvíjejí se nové technologie umožňující dostatečně efektivní ukládání elektrické energie z větrných elektráren, což by mělo snížit jejich nejzásadnější nevýhodu - nepravidelnost chodu (např. viz pokusná větrná farma na King Islandu).

[editovat] Argumenty odpůrců větrné energie

Starší větrná farma v Tehachapi (Kalifornie)

Větrné elektrárny lze stavět pouze v místech, kde má větrné proudění potřebné parametry.

VE sice neprodukují skleníkové plyny, produkce CO₂ za celý životní cyklus VE (počítaje v to jejich výrobu/instalaci/demontáž) je ale v přepočtu na jednotku vyrobené energie téměř stejná, jako např.: u elektráren jaderných.^[10] (Dle názoru příznivců VE při zanedbání externalit a produkce skleníkových plynů při dobývání a přepravě paliva a likvidaci produktů tepelných elektráren). Oproti tomu vodní a jaderné elektrárny jsou, co se týče externalit, s větrnými nejméně srovnatelné, čímž se zabývá kupříkladu tato švédská studie: [4]
Větrné elektrárny mají poměrně malý výkon (oproti jaderným, tepelným, či vodním) a proto by jich bylo třeba postavit velký počet, aby dodávaly potřebné množství energie pro pokrytí celé spotřeby ČR, jež činí cca 57,7 TWh/rok^[11] . Nejen z důvodu nedostatku vhodných lokalit nikdy nemohou být a nebudou jediným, ani hlavním zdrojem elektrické energie pro celou ČR.
Výkon větrných elektráren je velmi proměnlivý a z dlouhodobého výhledu řízení náhodný. Protože se elektrická energie velmi špatně skladuje (pouze pomocí přečerpávacích vodních elektráren (s účinností zhruba 90%) ^[12], které však také plní funkci krátkodobé výkonové rezervy systému), musí se výkon VE zálohovat výkonnostně ekvivalentním zdrojem schopným okamžité výroby. Pro potřeby ČR prozatím připadají, z důvodu rychlosti náběhu, v úvahu jen přečerpávací vodní elektrárny a vodní elektrárny. Dodávky elektrické energie do rozvodné sítě nemohou být závislé na rozmarech počasí. Vzhledem k legislativní regulaci v ČR tyto náklady neovlivní provozovatele elektrárny, ale zaplatí je zákazník, který si nemůže vybrat, zda chce drahou energii z VE odebírat.
Větrné elektrárny jsou při současné dostupnosti neobnovitelných a podstatně levnějších zdrojů energie (jádro) příliš nákladné. Vítr fouká dle Weibullova rozdělení ^[13], nominální parametry elektrárny je tedy nutno přizpůsobit průměrné rychlosti větru pro danou instalaci, aby bylo dosaženo maximálního zisku energie. Současné náklady na výrobu 1 kWh klesly z 30 centů na 7-9 centů (23 - 30 %), což je méně než u konvenčních tepelných elektráren.^[14] (citovaný odkaz bohužel nenabízí žádný důkaz o levnosti, jen ji konstatuje)

Měrné investiční náklady, vztažené na odvedenou práci, jsou pro VE neúměrně vysoké.

Odvedená práce pro farmu VE Jindřichovice, data roku 2005. Graf je v měřítku nominální práce, odpovídající instalovanému výkonu

Elektrárna	Investiční náklady [Kč/kW]	Koeficient ročního využití [%]	Měrné investiční náklady, vztažené k plánované životnosti zdroje [Kč/kWh]
VE Jindřichovice, Enercon E40	51000	19	1,50
VE Nová Ves, REpower MD70	33000	33	0,58
JE Temelín	50000	66 podle projektu, běžně 80	0,29

Výstavba větrných elektráren vede ke zvýšení nákladů na rozvod elektrické energie. Dochází ke zvýšení energetických ztrát. V důsledku většího zatížení sítí a současně nastává nutnost jejich posilování. To vše má za následek dodatečné náklady, které opět zaplatí zákazník.

Při masivním rozšíření větrných elektráren vede každá změna rychlosti proudění k prudkým změnám dodávaného výkonu, zhoršujícím stabilitu energosoustavy. Jako příklad lze uvést soustavu Německa, která je prostředky německých zdrojů neregulovatelná a na jejíž stabilizaci se významným způsobem podílí české zdroje. Dochází také ke zvýšení rizika havárií v elektrizační soustavě. (Uvedený příklad je prokazatelně zavádějící, jelikož energetický potenciál větru na našem území je nesrovnatelně menší než v Německu. Proto také žádné masivní rozšíření větrných elektráren nehrozí.)

Větrné elektrárny narušují životní prostředí ve svém okolí. Rotující vrtule zabíjejí ptáky a netopýry. Hluk (a v případě ptáků i samotná existence) větrných elektráren ruší živočichy, a tak zmenšuje jejich životní prostor a schopnost reprodukce. Rozsáhlé budování přístupových cest, elektrických kabelů a dalších sovisejících zařízení může vést ke zvýšení eroze a k ohrožení biotopů, otřesy z provozu se dříkem a základovou deskou roznášejí do okolí.

Větrné elektrárny jsou srovnatelně hlučné jako ostatní typy elektráren.

Větrné elektrárny, spatřováno ze subjektivního úhlu pohledu, hyzdí krajinu. Toto může mít svůj objektivně vyčíslitelný dopad ve formě zisku příjmů z turistiky. [5]

V procházejícím slunečním světle produkují otáčející se lopatky v krajině rušivé přebíhající stíny. V odraženém světle vzniká rušivý "diskotékový" efekt, potlačovaný u moderních strojů matovými nátěry. Odstranění tohoto jevu je sice možné realizovat vhodným tvarem rotoru^[15], ale za cenu výrazného nárůstu ceny za instalovaný výkon (například přes 100 000 Kč na instalovaný kW u rotorů Taawin).

Námraza odletující z větrných elektráren může ohrožovat život či majetek.

(Uvedené argumenty platí všeobecně, jejich váha se však v různých podmínkách liší. Nezpochybňují tedy, že stavba větrných elektráren může být v některých případech - zejména v přímořských oblastech a horských průsmycích - ekonomicky efektivní.)

[editovat] Podívejte se taky na

[editovat] Reference

[editovat] Externí odkazy

Wikimedia Commons nabízí multimediální obsah k tématu

Větrná energie

Citováno z „http://cs.wikipedia.org../../../v/%C4%9B/t/V%C4%9Btrn%C3%A1_energie.html“

Kategorie: Obnovitelné zdroje energie | Větry | Elektrárny | Zdroje energie