Pre samosprávy, ktoré vsadili na inteligentnú energetiku

Energia z vetra

 

Všeobecné informácie
Faktory ovplyvňujúce efektivitu veternej elektrárne
Konštrukcia veternej turbíny
Dva základné systémy veterných elektrární
Výber lokality a zásady dimenzovania

 

Všeobecné informácie

Energia vetra je len jedna z foriem slnečnej energie, ktorá vzniká pri nerovnomernom ohrievaní zemského povrchu. Asi 1 až 2 % energie, ktorú Slnko vyžiari na Zem, sa mení na energiu vetra. Je to 50 až 100-krát viac ako energia, ktorú premenia všetky rastliny na Zemi na živú biomasu. Aj keď vietor ako primárny zdroj energie je "zadarmo" a je takmer všadeprítomný, ekonomicky výhodne ho možno využiť iba obmedzene v lokalitách s vhodnými poveternostnými charakteristikami.

V minulosti sa energia vetra premieňala priamo na mechanickú prácu, napríklad na čerpanie vody alebo mletie obilia. Dnes sú funkčné zariadenia tohto typu skôr už len raritou.

Podstatne väčší význam nadobudlo využívanie energie vetra na výrobu elektriny. Tento spôsob využívania veternej energie má svoje výhody aj nevýhody. V porovnaní s klasickými elektrárňami je inštalácia veterných turbín jednoduchá a je možné ich v relatívne krátkej dobe postaviť a pripojiť do verejnej siete. Technicky jednoduchý spôsob priamej premeny energie vetra na elektrickú energiu je veľkou výhodou veternej energie na rozdiel napríklad od energie biomasy.

 

vyroba_el_turbina


Rentabilita a efektivita veterných elektrární však veľmi závisí od poveternostných podmienok a členitosti terénu. Na rozdiel od solárnych článkov, ktoré nemajú žiadne pohyblivé časti, mechanické časti veterných turbín kladú veľké nároky na ich konštrukciu a kvalitu použitých materiálov. Preto je výstavba veternej elektrárne kapitálovo pomerne náročná.

Potenciál veternej energie na Slovensku sa odhaduje na úrovni asi 4 000 GWh ročne, čo sú asi 4 % celkovej spotreby elektriny v SR (t.j. asi 1 % celkovej spotreby energie v SR). U nás sa však na rozdiel od iných krajín EÚ – najmä Rakúska, Dánska alebo Nemecka - veterná energia zatiaľ takmer nevyužíva. Časť verejnosti im vytýka hlučnosť a najmä naprimeraný zásah do vzhľadu krajiny.

 

Faktory ovplyvňujúce efektivitu veternej elektrárne

Najlepšie poveternostné podmienky pre výstavbu veterných turbín sú v blízkosti morských pobreží a na kopcoch. Dostatočná intenzita vetrov využiteľná veternými turbínami je však aj na iných miestach. Nevýhodou je, že vietor je menej predvídateľný ako napr. slnečná energia, avšak jeho dostupnosť počas dňa je obyčajne dlhšia ako v prípade slnečného žiarenia.

Do výšky asi 100 metrov ovplyvňuje intenzitu vetra najmä terén a prekážky na ňom. Veternú energiu teda viac ovplyvňuje charakter lokality ako slnečná energia. Napríklad dve rôzne lokality v kopcovitom teréne môžu mať rovnakú intenzitu dopadajúceho slnečného žiarenia, ale môžu sa veľmi líšiť z pohľadu intenzity vetra. Výber vhodných lokalít pre umiestnenie veterných turbín je preto náročnejší ako výber lokalít pre inštaláciu slnečných kolektorov alebo fotovoltaických článkov.

Intenzita veternej energia sa výrazne mení počas sezóny. Najväčšia je v zimných mesiacoch a najnižšia v lete. To je presne opačne ako v prípade slnečnej energie. Preto sa slnečné a veterné technológie môžu vhodne dopĺňať. Napríklad v Dánsku dosahuje v lete intenzita slnečného žiarenia 100 % a len 18 % v januári. Veterné elektrárne tu produkujú 100 % energie v januári a iba 55 % v júli.

Pre návrh energetických ziskov z veterných turbín je potrebné poznať niekoľko základných vzťahov: energia je priamo úmerná tretej mocnine rýchlosti vetra, ploche rotora, hustote vzduchu a výrazne ju ovplyvňuje aj charakter terénu.


Rýchlosť vetra

Rýchlosť vetra je najdôležitejší parameter. Keďže energia vetra rastie s treťou mocninou jeho rýchlosti, pri zdvojnásobení rýchlosti vetra vzrastie jeho energia osemkrát. Aj malá odchýlka rýchlosti vetra sa teda výrazne prejaví na množstve získanej elektriny.

Veterné turbíny sú konštruované na rýchlosť vetra od 3 do 30 m/s. Vyššia rýchlosť by mohla turbínu poškodiť. Preto sú väčšie turbíny vybavené brzdami, ktoré v prípade potreby zastavia otáčanie rotora. Menšie turbíny sú často stavané tak, aby boli schopné využiť aj rýchlosti vetra nižšie ako 3 m/s, pričom v prípade veľmi silného vetra ich možno natočiť do bezpečnej polohy.

Rýchlosť vetra
[m/s]
Energia vetra
[W/m2]
0 0
1 1
2 5
3 17
4 39
5 77
6 132
7 210
8 314
9 447
10 613
11 815


Plocha rotora

Rotor (vrtuľa) veternej turbíny "zachytáva" energiu vzduchu, ktorý na neho dopadá. Je zrejmé, že čím je plocha rotora väčšia, tým viac energie je schopný vyrobiť. Keďže plocha vytvorená rotorom rastie s druhou mocninou priemeru rotora, dvakrát väčšia turbína je schopná vyrobiť štyrikrát viac energie. Priemer rotora sa však nedá zväčšovať ľubovoľne. Rastúci priemer vrtule znamená väčší tlak na celý systém pri danej rýchlosti vetra. Aby turbína tento tlak vydržala, je potrebné použiť pevnejšie mechanické časti, čo celý systém predražuje.


Hustota vzduchu

Rotor turbíny sa krúti v dôsledku tlaku vzduchu na jeho listy. Čím viac vzduchu na ne tlačí, tým rýchlejšie sa rotor krúti a tým je produkcia energie väčšia. Kinetická energia vzduchu je priamo úmerná jeho hmotnosti. Z toho vyplýva, že energia vetra závisí od hustoty vzduchu. Hustota vyjadruje množstvo molekúl v jednotke objemu vzduchu. Pri normálnom atmosférickom tlaku a pri teplote 15 °C má 1 m3 vzduchu hmotnosť 1,225 kg. Keďže hustota vzduchu mierne rastie s rastúcou vlhkosťou, vzduch je hustejší v zime ako v lete. Preto je aj výroba energie pri rovnakej rýchlosti vetra v zime väčšia ako v lete. Hustota vzduchu je jediný parameter, ktorý sa nedá v daných podmienkach meniť.


Drsnosť terénu

Zemský povrch (terén), na ktorom je vegetácia a budovy, je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim rýchlosť vetra. Množstvo prekážok v teréne sa často označuje ako jeho drsnosť. So zvyšujúcou sa výškou nad terénom sa drsnosť znižuje a prúdenie vzduchu sa stáva laminárne, čo znamená aj vyššiu rýchlosť vetra. Vysoko nad zemou (vo výške okolo jedného kilometra) už rýchlosť vetra terén prakticky neovplyvňuje.

Čím je vyššia drsnosť terénu, tým viac sa vietor spomaľuje. Rýchlosť vetra najviac brzdia lesy a veľké mestá. Na rovinách alebo vodných plochách ho prakticky nič neovplyvňuje. Budovy, lesy a iné prekážky nielen spomaľujú rýchlosť vetra, ale často vytvárajú aj jeho turbulencie, ktoré nepriaznivo vplývajú na chod turbíny.

Trieda drsnosti Typ terénu
0   Vodná plocha.
0,5   Úplne otvorený terén s hladkým povrchom, napr. leticko.
1,0   Otvorená poľnohospodárska plocha bez plotov s veľmi riedko rozostavanými budovami.
  Mierne a zaoblené kopce.
1,5   Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 m a vzdialenosťou medzi nimi asi 1250 m.
2,0   Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 m a vzdialenosťou medzi nimi asi 500 m.
2,5   Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 m a vzdialenosťou medzi nimi asi 250 m.
3,0   Dediny, malé mestá, poľnohospodárske plochy s viacerými vyššími budovami, lesy a veľmi nerovný terén.
3,5   Veľké mestá.
4,0   Veľmi veľké mestá s vysokými budovami.

 

Konštrukcia veternej turbíny

Energia vetra sa mení na elektrickú energiu vo veterných turbínach. Veterná turbína je výrazne najväčšou položkou v projekte využitia veternej energie (tvorí až 65 - 82 % celkových nákladov). Veterná turbína sa zvyčajne skladá z týchto komponentov:

  • listy rotora
  • rez_veternou_turbinourotor
  • prevody
  • generátor
  • elektronika a regulačné zariadenie

Listy rotora zachytávajú energiu vetra. Ich tvar je výsledkom dlhého experimentovania a výskumov a umožňuje efektívne prenášať silu vetra na rotor. Listy sa vyrábajú z laminátov, polyesterov alebo iných plastických materiálov. Niektoré majú drevenú os. Vhodná kombinácia týchto materiálov dodáva listom veľkú pevnosť a pružnosť. Pri turbínach dosahuje priemer listov rotora až 25 - 50 metrov a každý list môže vážiť aj jednu tonu. Väčšina turbín má 3 listy.

Rotor tvoria listy a hlavná os, ku ktorej sú pripevnené. Os je pripojená na hlavný prevod systému. Veľké turbíny majú rotor najčastejšie s troma listami umiestnenými na vrchu stožiara, ale počet listov môže byť rôzny. (Listy rotora musia čo najviac zachytávať prúdiaci vzduch. Rotor s veľkým počtom listov pokrýva celú plochu zabranú rotorom aj pri malých otáčkach, kým rotor s menším počtom listom sa musí otáčať rýchlejšie, aby pokryl celú plochu. Teoreticky čím viac má rotor listov, tým by mal byť účinnejší. V skutočnosti sa však listy rotora vzájomne ovplyvňujú a veľký počet listov spomaľuje otáčky. Na druhej strane však väčší počet listov dáva vyšší počiatočný moment krútenia, čo využívajú malé agregáty štartujúce už pri malých rýchlostiach vetra.)

Prevody a ložiská sú dôležité z pohľadu účinnoho prenosu krútiaceho momentu na generátor elektrického prúdu. Veterný generátor má podobnú konštrukciu ako generátor v tradičnej elektrárni na fosílne palivá. Činnosť jednotlivých komponentov v turbíne je regulovaná elektronicky a môže byť riadená aj diaľkovo. Úlohou regulácie je udržať rovnaké napätie pri meniacich sa otáčkach generátora.

Najbežnejšie typy turbín sú turbíny s horizontálnou osou. Existujú však aj turbíny so zvislou osou otáčania. Ich výhodou je vyššia rýchlosť otáčania a tým aj vyššia účinnosť. Fungujú teda aj pri nižšej rýchlosti vetra a nie je potrebné ich natáčať podľa smeru vetra. Tento typ elektrární sa doteraz v praxi príliš nepoužíval kvôli vyššiemu dynamickému namáhaniu a kratšej životnosti. Tento problém sa však už podarilo do značnej miery konštrukčne vyriešiť a vďaka ich výhodám a menšej hlučnosti sa začínajú využívať aj v mestskej zástavbe. Stále ide však o menšie zariadenia s nižšími výkonmi.

turbtypes

Napriek rozdielnej konštrukcii turbín s horizontálnou a vertikálnou osou je ich mechanika prakticky rovnaká. Rýchlosť otáčania listov sa prenáša na generátor pomocou prevodov. Prevody sú potrebné na to, aby bolo možné účinne využiť meniacu sa rýchlosť vetra. V súčasnosti sa vyvíjajú turbíny bez prevodov, čo by znamenalo značné zníženie nárokov na ich konštrukciu, životnosť a tým aj cenu.

Niektoré turbíny sú konštruované tak, že sa natáčajú do smeru vetra. Obidva typy (natáčané aj nenatáčané) majú niekoľko výhod i nevýhod. Lepšie využitie sily vetra pri natáčaných turbínach si vyžaduje komplikovanejšie ložiská a ďalšie zariadenia, čo negatívne ovplyvňuje ich spoľahlivosť. Turbíny s pevne fixovaným rotorom sú jednoduchšie a nevyžadujú až takú údržbu, ale produkujú menej elektriny ako natáčacie systémy.

Na trhu je v súčasnosti veľa typov a veľkostí moderných turbín. Najmenšie s výkonom od  100 W sa používajú na čerpanie vody alebo dodávanie elektriny do batérií. Veľké turbíny s výkonom nad 50 kW zvyčajne dodávajú elektrinu do elektrickej siete. Väčšina dnešných turbín má horizontálnu os s troma listami s priemerom 15 - 50 metrov a ich elektrický výkon sa pohybuje od 50 kW do 1,5 MW. Takéto turbíny sa často stavajú v skupinách a vytvárajú tzv. veterné farmy. Napätie, ktoré turbína generuje, má zvyčajne 690 voltov a pomocou transformátorov sa pred pripojením na distribučnú sieť mení na vysoké napätie (zvyčajne 10 až 30 kV).


Dva základné systémy veterných elektrární


Ostrovné systémy

Systémy nezávislé od rozvodnej siete (tzv. grid off, autonómne alebo ostrovné) slúžia objektom, ktoré nemajú možnosť pripojiť sa k rozvodnej sieti. Na tento účel sa obyčajne používajú mikroelektrárne s výkonom od 0,1 do 5 kW. Súčasťou autonómneho systému sú aj akumulátory (batérie) a riadiaca elektronika. V objekte potom môže byť buď rozvod jednosmerného prúdu s nízkym napätím (12 alebo 24 V), alebo je v systéme zapojený ešte menič napätia na dodávku striedavého prúdu 230 V.

schema9_autonomny

Objekt s autonómnym systémom je potrebné vybaviť energeticky úspornými spotrebičmi. Autonómne systémy bývajú často doplnené fotovoltaickými panelmi počas letného obdobia, kedy je menej vetra, ale viacej slnka. Pre väčšie výkony sa používajú veterné elektrárne so synchrónnymi generátormi.

schema10_hybridny

Využívanie tohto systému na vykurovanie objektov je problematické. Objekty na bývanie alebo objekty s intenzívnou prevádzkou by totiž mali stáť na mieste chránenom pred vetrom (najmä kvôli tepelným stratám). Veterná elektráreň naopak potrebuje vetra čo najviac. Nízko nad zemou vzduch brzdí porast, stavby a ďalšie prekážky, takže je nutné umiestniť turbínu na čo najvyšší stožiar. Kábel medzi objektom a elektrárňou zvyšuje náklady; pokiaľ by mal viesť cez cudzie pozemky, môže ísť o neprekonateľnú prekážku.

Ďalší problém je dostatočná rýchlosť vetra. Malé stroje začínajú pracovať už pri rýchlostiach okolo 4 m/s (14,4 km/h), ale ich výkon je veľmi malý. Energia vetra totiž rastie s treťou mocninou rýchlosti, takže napr. vietor s rýchlosťou 5 m/s má dvakrát viac energie než vietor s rýchlosťou 4 m/s. Problém je aj príliš vysoká rýchlosť vetra – pri rýchlosti okolo 20 m/s je obvykle nutné elektráreň zastaviť (zabrzdiť vrtuľu), aby nedošlo k havárii. Plný (uvádzaný) výkon dosiahne elektráreň pri rýchlostiach vetra okolo 10 m/s, niekedy až 15 m/s podľa typu a výrobcu. Takto silný vietor fúka len zriedka, elektráreň teda väčšinu prevádzkovej doby pracuje s nižším výkonom.

Cena energie získaná z autonómneho systému je pomerne vysoká. Cena celej zostavy vrátane elektrárne, pripájacieho kábla a akumulátorov sa pohybuje v tisícoch eur. Problém je aj pomerne malá ponuka veterných elektrární s malým výkonom.


Systémy pripojené na sieť

veterna_elektrarenSystémy dodávajúce energiu do rozvodnej siete (grid on) sú v súčasnosti najrozšírenejšie a používajú sa v oblastiach s veľkým veterným potenciálom. Slúžia takmer výhradne pre komerčnú výrobu elektriny.

Trend je výstavba stále väčších strojov (priemer rotora 40 až 100 m a stožiar vysoký viac než 100 m) a ich skupinová inštalácia do tzv. veterných fariem. Dôvodom sú nižšie náklady na výrobu energie a maximálne využitie lokalít, ktorých je obmedzený počet. Vo vnútrozemí sa stavajú stroje s výkonom 100 až 2 000 kW. Na mori (pozdĺž pobrežia) sa využívajú turbíny s výkonom až 5 MW. Naopak staršie vnútrozemské elektrárne s výkonom do 200 kW sa postupne demontujú a nahradzujú výkonnejšími, aj keď sú pôvodné ešte schopné prevádzky.

Súčasťou veľkých veterných elektrární je asynchrónny generátor, ktorý dodáva striedavý prúd väčšinou s napätím 660 V, a teda nemôžu pracovať ako autonómne zdroje energie. Existujú tiež elektrárne so špeciálnym mnohopólovým generátorom, ktorý nevyžaduje rozvodnú skriňu. Väčšina elektrární má konštantné otáčky – s rastúcou rýchlosťou vetra sa zvyšuje záťaž generátora. Moderné veterné elektrárne majú rozbehovú rýchlosť vetra okolo 4 m/s. Pre zvýšenie účinnosti sú niektoré turbíny vybavené dvoma generátormi (alebo jedným generátorom s dvojitým ovinutím). Pri nízkej rýchlosti vetra je v prevádzke menší generátor, pri vyššej rýchlosti vetra sa zapne väčší generátor. Štartovacia rýchlosť pre znížený výkon je okolo 2,5 m/s.

 

Výber lokality a zásady dimenzovania

Na posúdenie vhodnosti konkrétnej lokality je potrebné poznať frekvenciu rýchlostí vetra zistenú kontinuálnym meraním rýchlosti vo výške osi rotoru. Ideálne je aspoň ročné meranie porovnané s dlhodobými údajmi na blízkych meteorologických staniciach. Jednotlivé roky sa od seba môžu značne líšiť.

Pred rozhodnutím o stavbe veternej elektrárne je potrebné poznať nasledujúce vstupné údaje:

  • merané priemerné rýchlosti vetra vrátane frekvencie smeru (ideálne ročné meranie)
  • množstvo a parametre prekážok, ktoré spôsobujú turbulenciu a bránia laminárnemu prúdeniu vetra (drsnosť terénu)
  • priebeh ročných vonkajších teplôt či iných nepriaznivých meteorologických javov (napríklad námrazy spôsobujú odstávky)
  • nadmorská výška (hustota vzduchu)
  • možnosť umiestnenia vhodnej technológie:
    • únosnosť podložia, kvalita podkladu a seizmická situácia, geologické podmienky pre základy elektrárne
    • dostupnosť lokality pre ťažké mechanizmy, možnosti vybudovania spevnenej komunikácie
    • vzdialenosť od prípojky VN alebo VVN s dostatočnou kapacitou
    • vzdialenosť od obydlí, ktorá by mala byť dostatočná kvôli minimalizácii možného rušenia obyvateľov hlukom (limit pre obytné územie cez deň je 50 dB, v noci 40 dB)
    • miera zásahu do okolitej prírody – záťaž pri výstavbe elektrárne a budovaní prípojky, zásah do charakteru krajiny (umiestnenie v rezervácii, chránenej oblasti alebo v oblasti NATURA 2000 komplikuje povoľovacie riadenie)
    • majetkoprávne vzťahy k pozemku, postoj miestnych úradov a občanov

Výstavba elektrárne si vyžaduje najprv územné rozhodnutie a následne stavebné povolenie. Niekedy je potrebné upraviť územný plán príslušnej obce či územia. Stavebný úrad bude v súlade so zákonom vyžadovať stanoviská rôznych dotknutých orgánov štátnej správy, najmä štátnej ochrany prírody, ale možno aj armády. Okrem toho je nutné vyriešiť aj ďalšie problémy:

  • Ak prípojka elektrárne k sieti nepovedie iba po pozemkoch investora, je potrebné získať súhlas majiteľov všetkých súkromných či verejných pozemkoch s inštaláciou a vedením (prípadne zriadiť vecné bremená k týmto pozemkom)
  • Posudzovanie vplyvov na životné prostredie (EIA) – zákon vyžaduje zisťovacie konanie pri plánovaných inštaláciách s výkonom nad 500 kW alebo so stožiarom vyšším než 35 m. Úrad rozhodne, či treba vykonať úplné posúdenie vplyvov (tzv. "veľká EIA") – vyžaduje sa predovšetkým pri projektoch viacerých elektrární. Posudzuje sa najmä vplyv na krajinný ráz, vtáctvo a hlučnosť. Takýto proces môže trvať aj dlhšie ako rok.

V prípade dodávky elektriny do siete je potrebné ešte:

  • Získať licenciu na výrobu elektriny (prípadne k prenosu) podľa platnej legislatívy
  • Splniť technické podmienky pre pripojenie k sieti a získať súhlas príslušného prevádzkovateľa distribučnej sústavy (verejnej siete).

Zabezpečovanie týchto podmienok je časovo aj administratívne pomerne náročné.

 

 
 

energoplan3