ENERGIE VĚTRU Vítr – nerovnoměrné ohřívání vzdušných mas při

ENERGIE VĚTRU
Vítr – nerovnoměrné ohřívání vzdušných mas při zemském povrchu (např. rozdílná
odrazivost povrchu Země) – rozdíly v tlaku – vítr (atm. :výše: ⇒ atm. níže), směr větru
tangenciálně k izobarám
Rychlost větru:
• Ve středních a vyšších vrstvách (mezikontimentální lety, Steve Fosset a let balónem
kolem světa)
• Při povrchu (místní rychlost) ⇒ rozhodující pro větrné elektrárny (cca 40-100 metrů nad
terénem)
Výhody:
• Všeobecná dostupnost
• Větší rychlosti v zimním období
Nevýhody
• Závislost na počasí, obtížná predikovatelnost
• Nízká hustota energie
• Nižší průměrné rychlosti, omezení v CHKO apod.
OZE Větrná energie
str. 1
Využití větrné energie:
• Přímá přeměna energie větru na elektřinu
• Přímá přeměna větru na mechanickou energii
Energie větru
• Úměrná 3. mocnině:
1
Pw = ρ ⋅ w3 ⋅ S
2
ρ
w
S
...
...
...
hustota vzduchu (kg/m3)
(okamžitá) rychlost vzduchu (m/s)
průtočná plocha
Plocha 1 m2
1.2 m/s
... 1W
12.1 m/s ... 1000 W
OZE Větrná energie
2.6 m/s
...
10 W
5.6 m/s
...
100 W
str. 2
•
•
•
•
Max. teoretická účinnost (ideální rotor, ∞ tenkých lopatek): 59.26% (vztlakový rotor)
běžné účinnosti: 42-45%
menší jednotky (<500 kW): 100-450 We/m2 plochy
vítr 10 m/s, 40% účinnost, jednotka 1 MW, ideální velikost lopatky cca 38 m
Rychlost větru ovlivněna drsností:
h
wh = wo ⋅  
 ho 
ho, wo
h ...
p ...
p
... výška ve které se měří rychlost wo
výška osy rotoru
koeficient drsnosti povrchu
koeficient p pro rovinatý terén:
• hladký povrch, voda, led: p=0.1-0.14
• rovina s trávou:
p=0.13-0.16
• obilní porost:
p=0.18-0.19
• nízký les:
p=0.21-0.25
• vysoký hustý les:
p=0.28-0.32
• vesnice, řídké osídlení: p=0.40-0.48
OZE Větrná energie
str. 3
Příklad: ho=16 metrů, h=60 metrů, smíšený nižší les p=0.25, naměřeno wo=6 m/s
w=wo x 1.4=8.4 m/s
Dále ovlivňuje tvar terénu i roční období
• Terénní překážky: vznik turbulencí, nutno respektovat při výběru lokality
Průměrná rychlost větru v lokalitě
• základní faktor, nedostačuje pro určení velikosti potenciální výroby
• distribuční charakteristika – rozložení rychlosti větru
• základní charakteristika pro určení ekonomiky VME
• aproximace Weibullovým rozdělením
Základní principy větrných elektráren
• odporový (větrný mlýn, plachetní kolo, Savoniův rotor) – malé účinnosti do 20%
• vztlakový (vrtule, Darierův rotor) – teoretická účinnost až 59%, reálně 40-45%
• lopatky s profilem podobným letecké vrtuli
OZE Větrná energie
str. 4
Vertikální osa rotace
• Savoniův a Darierův rotor – nezávislé na směru větru, konstrukčně jednoduché, Darierův
rotor nutno roztáčet
Horizontální osa rotace
• vrtulové rotory, zpravidla natáčeny proti směru větru
• natáčení vrtulí
• moderní typy – elektronická regulace, proměnná rychlost otáčení
Stožáry
• prefabrikované tubusy
Umístění
• lokalita s převládajícím směrem větru:
• vodorovné řady, rozestup respektující průměr rotoru D
• mezi řadami rozestup kx D (k=3 až 10)
• lokalita s proměnným směrem větru: vrcholy rovnostranných trojúhelníků
• vzdálenost od obydlí nejméně 10 x D
OZE Větrná energie
str. 5
OZE Větrná energie
str. 6
Roční produkce elektřiny
• průměrná rychlost větru
• rozdělení četností rychlosti větru
• výkonová křivka (charakteristika) elektrárny
EC = ∑ PVMi ⋅t i
i
Rozložení rychlosti větru - Klínovec
průměrná rychlost - 7 m/s
četn o st [h o d ]
1000.0
800.0
600.0
400.0
200.0
okamžitá rychlost [m/s]
OZE Větrná energie
str. 7
.0
24
.0
22
.0
20
.0
18
.0
16
.0
14
.0
12
0
8.
.0
0
6.
10
0
4.
0.0
Výkonová charakteristika elektrárny:
• typ
• především velikost instalovaného výkonu
Výkonové křivky NM54 Power Trim-950 kW v
závislosti na hustotě vzduchu
Výkonová křivka V52-850 KW
900.0
1000.0
800.0
900.0
1.070
Rychlost větru (m/s)
OZE Větrná energie
str. 8
24
24
7.
00
Rychlost větru v 10m (m /s)
22
20
18
16
14
12
8
10
6
4
0.0
2
100.0
0.0
0
100.0
22
200.0
20
1.225
18
200.0
300.0
16
1.210
14
1.180
300.0
12
400.0
1.070
400.0
8
1.150
500.0
10
1.120
500.0
6
600.0
600.0
4
1.090
Výkon (kW)
700.0
Výkon (kW)
700.0
1.060
2
800.0
Okamžitá rychlost větru
• 3-4 m/s najíždění (velké až od 5 m/s)
• Pjm:
malé 8-10 m/s
velké 12-15 m/s
do 20-25 Pjm
při silnějším větru nutno odstavit
Technicko-ekonomická mez využití
• 5-7 m/s
Off – shore větrná elektrárna HORNS Rev –
větrné podmínky a výkonová charakteristika
soustrojí 2 MW
OZE Větrná energie
str. 9
Roční využití instalovaného výkonu:
• technická spolehlivost zařízení
• způsob a potřeby údržby
• přírodní podmínky (námrazy, blesky apod.)
• roční výroba
Rozhodující jsou podmínky lokality:
• „stabilní“ vítr
• námrazy, přístup k lokalitě
Nové generace VME:
• radikální zvýšení spolehlivosti
• významné snížení nároků na údržbu
• automatické systémy řízení
• podstatné zvýšení ročního využití
OZE Větrná energie
str. 10
1. vlna instalace větrných elektráren
• 70. léta ⇒ reakce na 1. a 2. ropnou krizi (snaha o hledání energetických alternativ, nejen
VME)
• silná státní podpora (daňové úlevy)
• Kalifornie
• Tehachapi-Pass: náhorní planina 1524 m n.m., vítr trvale nejméně 9 m/s cca 5000
VME různých typů (cca 500-600 MW)
• Altamont-Pass: největší větrný park, cca 7000 WME (cca 800 MW), roční výroba cca
1 TWh
Stav 1990
Pinst [MW]
USA
Dánsko
SRN
Holandsko
Španělsko
1630
343
55
45
10
Pinst/1 VME
[MW/ks]
102
118
110
100
167
Pinst 1997
[MW]
1611
1116
2081
329
512
Svět celkem: 2200 MW, 7600 MW (1997), 25 000 MW (2002), výhled 60 000 MW (2007)
OZE Větrná energie
str. 11
2. vlna instalace větrných elektráren
• od poloviny 90. let
• snaha o plnění závazků z Kjóto, strategie EU
• posun v názorech veřejnosti
• technologický pokrok (zvýšení spolehlivosti)
• zvýšení podpor
Výhody větrných elektráren:
• vítr je zadarmo a je generálně dostupný
• nefosilní technologie, nulové emise
• „jednoduchá“ a ověřená technologie
• „pokles“ měrných investičních nákladů se vzrůstem velikosti jednotek (Pinst)
Nevýhody větrných elektráren
• nízká hustota energie
• různě vhodné podmínky (obecně nejlepší u moře a na horách)
• výroba má více či méně „náhodný“ charakter
• problémy s regulací soustavy
• nízké roční využití, nemohou nahradit „systémové“ elektrárny („není MW jako MW“)
OZE Větrná energie
str. 12
• hluk (z mechanických částí a z aerodynamických účinků větru), nebezpečí infrazvuku
• moderní VME mají významně sníženou hlučnost
• estetické aspekty
• míhání stínů a světelných odrazů (rušení zvířat – ptáků)
• estetické narušení krajiny (počet, lokalita, vzdálenost)
• kovové části rotorů: rušení elmag. polí (TV, rádio)
• velmi malé riziko ulomení lopatky (UK, lopatka 18 m dolétla 200 m, max. odhad 850 m)
Příklady projektů
Větrná elektrárna HORNS Rev (off shore, 17 km v Sev. moři od záp. části Jutského
poloostrova)
• 80 x 2 MW (Vestas), realizace 2002, řady s odstupem 560 m, trojúhelníkový vzor
• prům. rychlost větru: 9.7 m/s, unikátní podmínky – silné a stabilní větry
• výroba 600 GWh/rok (3750 hod/rok), !! nelze předpokládat v jiných lokalitách
• 268 mil. € investiční náklady (z toho 40 na připojení)
• garantovaná cena po 10 let (pro zajištění prosté návratnosti 0.044 ec/kWh)
OZE Větrná energie
str. 13
EHN – Španělsko
• v roce 2000 dosud největší objednávka VME (1800 ks) – 15% celkového Pinst v Evropě
• 1173 MW 2000-2002 v oblasti Castilla-La Mancha
PODMÍNKY V ČR PRO VYUŽITÍ VĚTRNÉ ENERGIE
• 4.8-4.9 m/s 4612 km2
• 5.0-5.9 m/s
4298 km2
•
více jak 6 m/s 1269 km2
Příklady výsledků dlouhodobých měření
• vrchol Sněžky: 11.1 m/s
• vrchol Pradědu: 9 m/s
• vrchol Milešovky: 8.6 m/s
• vrchol Lysé hory: 7.4
• Znojmo-Kuchařovice: 4.2 m/s
• Třeboň 2.3 m/s
Vhodné podmínky: především vrcholové a hřebenové partie hor
OZE Větrná energie
str. 14
• zákon 114/92 Sb. o ochraně přírody a krajiny (VME nelze realizovat v NP, přírodních
rezervacích, v 1. zóně CHKO a v blízkosti národních památek)
OZE Větrná energie
str. 15
HN 26.9.2002: „Výroba elektřiny z větru
začíná lákat podnikatele“
• záměr PROVENTI na 200 VME
• přetahování o pozemky (signál, že nastavené
podmínky jsou „výhodné“)
• do 10/2005 149 VME, 223.5 MW (lokalita
Krušné hory)
• Sasko (druhá strana hor): 541 VME, 448 MW
Měrné investiční náklady
• Cca 35-40 tis. Kč/MW
• Závisí na lokalitě (přístupové komunikace, přípojka, infarstruktura)
Provozní náklady
• Pronájem pozemků
• Pojištění
• Údržba (<1% Ni)
• Obsluha (občasná kontrola)
OZE Větrná energie
str. 16
OZE Větrná energie
str. 17