Úvod
Pomineme-li lodní plachty, pak větrnou energii využíváme především pro výrobu elektrické energie ve větrných elektrárnách. Ve větrných elektrárnách probíhá transformace části kinetické energie větru na práci větrné turbíny, která je pak v elektrickém generátoru transformována na energii elektrickou.
Tento článek je téměř výhradně zaměřen na využití větrné energie, neboli eoliky, pomocí větrných turbín s horizontální osou rotace (tzv. axiální turbíny), protože tento typ výrazně převažuje.
We have just installed the first floating turbines at Hywind Tampen 140m off coast of Norway Once all 11 SG 8.0-167 DD turbines are installed, it will be the world’s largest floating offshore wind plant. Great collaboration with @Equinor to bring this alive. pic.twitter.com/ceGDPztu7U
— Jochen Eickholt (@JochenEickholt) May 24, 2022
Větrné turbíny s horizontální osou rotace jsou umísťovány nad terénem nejčastěji na sloupu ve výšce, ve které je dostatečná rychlostí větru, viz Obrázek 1093, s. 1. Větrné elektrárny umisťované na pevnině se označují v angličtině slovem onshore a elektrárny budované na moři se anglicky označují slovem offshore. Sloupy offshore elektráren mohou být v betonovém základu zapuštěného do dna, přišroubované k příhradové konstrukci pevně stojící na dně, nebo mají plovoucí základ, který je ke dnu ukotven pouze lany (tato varianta umožňuje stavět elektrárny dále od pobřeží ve větších hloubkách [8]), viz Obrázek 243, s. 1.
V současnosti (2020) největší větrné elektrárny stavěné na souši dosahují výšky sloupu kolem 180 m, respektive špice lopatek dosahuje do výše kole 250 m – elektrárny instalované na moři jsou nižší, ale s větším průměrem rotorů při vyšších výkonech, protože nad oceánem jsou nižší turbulence a vyšší rychlosti větru.
Vítr a jeho energie
Vítr
Vítr (proud vzduchu) vzniká v atmosféře z rozdílů tlaků způsobených nerovnoměrným ohříváním povrchu Země. Také je ovlivněn rotací Země (Coriolisova síla, odstředivá síla). Další vliv má (v přízemních výškách) morfologie krajiny, druh rostlin a stavby.
Rychlost větru se v dané lokalitě mění i v průběhu dne podle slunečního svitu, který ohřívá vzduch, a tím ho uvádí do pohybu, proto k večeru vítr často ustává a dopoledne naopak zesiluje (viz záznamy denní rychlostí větrů z meteorologických stanic) – to samozřejmě platí pro případy, kdy výrazně nepřevažuje vliv kontinentálních tlakových níží a výší.
Některá místa na zemském povrchu mají horší větrné podmínky jiná lepší, jak ukazuje mapa rozložení rychlosti větru na Obrázku 589, která vznikla z měření prováděné v letech 1976 až 1995 po celém světě (rychlost v některých lokalitách byla dopočítána), a větrná mapa České republiky na Obrázku 1099.
Vztah mezi rychlostí větru a výkonem větrné turbíny
Proud vzduchu má měrnou kinetickou energii odpovídající polovině druhé mocniny jeho rychlosti (0,5c2). Sníží-li se jeho rychlost, znamená to, že část této energie se musela transformovat na jinou (například tlakovou, vnitřní tepelnou apod.) nebo na práci podle prvního zákona termodynamiky pro otevřený systém. Právě transformace kinetické energie vzduchu na práci může probíhat při průchodu vzduchu větrnou turbínou (přesný popis viz kapitola Základní rozdělení a princip činnosti).
Jestliže výkon proudu vzduchu, který by protékal plochou rotoru lokální rychlostí větru, nazveme referenční, pak je jasné, že skutečný výkon rotoru větrné turbíny bude menší než tento, viz Vzorec 217, s. 4. Jednak kvůli ztrátám a tomu, že nelze využít celou kinetickou energii vzduchu (to by se proud zastavil a tedy i průtok), a jednak také kvůli tomu, že rotorem protéká mnohem méně vzduchu než odpovídá součinu plochy rotoru a lokální rychlosti větru, více o tomto problému v podkapitole Ztráty ve větrných turbínách. Navíc lze dokázat, že za ideálních podmínek se může ve větrné turbíně transformovat na práci maximálně 8/9 kinetické energie vzduchu (úplný důkaz je proveden v kapitole Energetická bilance větrné turbíny), tato práce se nazývá měrnou optimální prací větrné turbíny. Výkon, který by vzduch procházející turbínou při takové práci konal se nazývá optimální výkon větrné turbíny. Podíl optimálního výkonu a referenčního výkonu se nazývá Betzův limit podle německého fyzika Alberta Betze, který tento limit definoval. Pomocí Betzova limitu lze tedy stanovit orientačně výkon větrné turbíny s tím, že skutečný výkon bude menší, viz Vzorec 217.
Betze, který tento limit definoval. Pomocí Betzova limitu lze tedy stanovit orientačně výkon větrné turbíny s tím, že skutečný výkon bude menší, viz Vzorec 217.
Vliv vybrané lokality na výkon větrné turbíny
Jestliže chceme předpovědět výkon větrné elektrárny, pak musíme znát rychlost větru ve vybrané lokalitě. V jakémkoliv místě se rychlost větru s výškou nad povrchem mění, a to přibližně exponenciálně (viz přibližný Vzorec 590). Tato změna v blízkosti povrchu souvisí s odpory (stavby, les apod), turbulencí a třením proudu vzduchu o povrch, ve vyšších vrstvách se projevuje i inverze.
| t.d. | charakter krajiny | a |
| 0 | otevřené pobřeží bez jakýkoliv překážek s větrem směřujícím k pobřeží | 0,12 |
| 1 | otevřená krajina s ojedinělými volně stojícími keři a stromy (pobřeží, prérie) | 0,15 |
| 2 | zemědělská krajina s rozptýlenými budovami a křovinami | 0,18 |
| 3 | uzavřená krajina s porostem stromů, mnoha křovinami a sousedícími budovami | 0,24 |
V každé lokalitě se navíc rychlost větru během jednoho roku mění, proto, pro přesnější predikci roční produkce elektřiny větrné turbíny, se na vytipovaném místě provádí dlouhodobé měření rychlosti větru (minimálně jeden rok). Poté se vypočítá předpokládané množství vyrobené elektřiny pomocí četnosti rychlosti větru a výkonové křivky vybrané větrné elektrárny (Obrázek 1100).
Křivka četnosti rychlosti větru je velmi blízká Rayleighovu rozdělení pravděpodobnosti, takže dokážeme-li odhadnout průměrnou hodnotu rychlosti větru, pak lze pomocí vzorců Rayleighova rozdělení odhadnout absolutní četnost rychlosti větru. Tento postup se aplikuje zejména v případech, kdy chybí podrobné dlouhodobé měření rychlosti větru v dané lokalitě, viz Úloha 592, s. 6.
Všimněte si, že v oblasti s průměrnou rychlostí 4,5 m·s-1 by elektrárna s instalovaným výkonem při rychlosti 15 m·s-1 dosahovala tohoto výkonu jen několik hodin za rok. Na druhou stranu, protože výkon turbíny roste s třetí mocninou rychlosti větru (Vzorec 217), může při mnohem větší rychlosti vyrobit za tuto kratší dobu stejné množství elektřiny jako za mnohem delší dobu při menší rychlosti. Z těchto důvodů se aerodynamický tvar lopatek navrhuje na rychlost větru, při které se vyrobí nejvíce elektrické energie, což je rychlost cE (kombinace výkonu elektrárny při dané rychlosti a četnosti této rychlosti větru). To je dáno tím, že nelze zkonstruovat generátor a rotor účinně a spolehlivě pracující v širokém rozsahu výkonů.
Většina typů větrných elektráren startuje až při rychlosti větru 4 až 5 m·s-1 a maximálního výkonu dosahují při 15 m·s-1 (při rychlostech vyšších, než je povolená rychlost větru, je větrná turbína zabržděna a lopatky jsou stočeny tak, aby kladly větru co nejmenší odpor).
turbína zabržděna a lopatky jsou stočeny tak, aby kladly větru co nejmenší odpor).
Výkon větrné turbíny také ovlivňuje roční stálost větru v požadované lokalitě. Obecně lze ale říci, že čím je větší výška sloupu, tím jsou i menší rozdíly v rychlosti větru v oblasti rotoru během roku. Takže s výškou sloupu roste i spolehlivost dodávek elektrické energie z větrné turbíny.
Větrná turbína ovlivňuje své okolí, jednak se kolem ní snižuje energie větru, a jednak vznikají turbulence. Proto má smysl další turbínu postavit až ve vzdálenosti, kde už bude proud vzduchu, který prošel rotorem turbíny, opět promíchán s okolním a získá zpět ztracenou kinetickou energii. Minimální vzájemné vzdálenosti větrných turbín doporučuje výrobce (obvykle odpovídá 7 průměrům rotoru [19]) a povolují příslušné úřady. Další větrné elektrárny směrem do stran se staví ve vzdálenosti odpovídající 4 průměrům rotoru [19].
Při výběru vhodné lokality by se, mimo její větrnosti, mělo přihlížet i na možnost tvorby námrazy (námraza svou tíhou narušuje vyváženost rotoru a při pádu z rotoru může ohrožovat okolí) a zohledňovat tahy velkých ptáků a ochrana přírody obecně, viz pokyny v [18].
Dalším omezením, tentokrát hygienickým, je stroboskopický efekt otáčejícího se rotoru a především hlučnost elektrárny, což je problém zejména v obydlených oblastech, například ve vzdálenosti 300 m od elektrárny Vestas V52, při výšce sloupu 49 m lze naměřit hlučnost na úrovni 45 až 40,8 dB [2]. Hlučnost lze snižovat natáčením lopatek (například v režimu den/noc), i když se sníží výkon elektrárny, viz Obrázek 1098.
Při výběru lokality je nutné také řešit přenos elektřiny do obydlených oblastí – jedná se o problém odlehlých lokalit v zahraničí. Dalšími faktory při výběru lokality je dopad vizuálního znečištění, infrastruktura dané oblasti potřebná pro stavbu apod.
Konstrukce větrné elektrárny
Větrná elektrárna obsahuje čtyři základní částí (Obrázek 1094), přičemž nejmohutnější je sloup a jeho masivní betonový základ. Na vrcholu sloupu je gondola obsahující elektrický generátor s příslušenstvím, ke kterému je připojena větrná turbína s lopatkami.
Gondola
Gondola obsahuje převodovku, spojku, el. generátor a hřídel turbíny. Gondola s celým svým vybavením je uložena na kluzném ložisku s plastickým mazivem, aby se mohla na sloupu natáčet proti větru. Mezi gondolou a sloupem bývá také nainstalováno tlumení, které zabraňuje přenosu vibrací.
Hřídel je uložena ve valivém obvykle dvouřadém kuželíkovém ložisku (vnější průměr tohoto ložiska může dosahovat i několika metrů [9-v článku je popsána funkce zkušebního zařízení na velká valivá ložiska pro větrné elektrárny], viz kapitola Valivá ložiska).
Mezi rotorem a generátorem bývá převodovka planetového provedení, aby hřídel generátoru a turbíny byly ve stejné ose. Převodovka může být s plynulou změnou převodového poměru [4], ale lze se setkat i s dvou až třírychlostními převodovkami nebo dokonce s větrnými elektrárnami bez možností změny otáček turbíny (regulace probíhá pouze natáčením lopatek). Za převodovkou je brzda, a až pak spojka a za ní generátor.
Pokud je použit vícepólový generátor s frekvenčním měničem (výstupem je elektřina nejen s proměnlivým proudem, ale i frekvencí a napětím), není převodovka potřeba, což zvyšuje účinnost. Nevýhodou je nutnost vysokofrekvenční elektřinu transformovat na stejnosměrný proud a poté opět na střídavý o frekvenci 50 Hz, viz Obrázek 1095, s. 8 – vysokofrekvenční generátor má i elektrárna Enercon na předchozím obrázku. Větrné elektrárny s vysokofrekvenčním generátorem se používají i u nejmenších větrných elektráren (výkony několik stovek Wattů) určené pro výrobu elektřiny v domácnostech např. [6, 7]. U klasických generátorů s převodovkou je přímo vyráběn proud o frekvenci 50 Hz.
nejmenších větrných elektráren (výkony několik stovek Wattů) určené pro výrobu elektřiny v domácnostech např. [6, 7]. U klasických generátorů s převodovkou je přímo vyráběn proud o frekvenci 50 Hz.
Napětí na svorkách generátoru větrné turbíny záleží na typu a výkonu. U velmi malých větrných elektráren pracující v ostrovním režimu (osamocené stavby, malé lodě apod.) se jedná většinou o stejnosměrné generátory o napětí 12 až 24 V. U větrných elektráren pro domácnosti to může být až 230 V/fázi. U velkých elektráren napětí často nepřesahuje 1000 V, ale dodávají se generátory pro větrné turbíny o jmenovitém napětí 6,3 kV až 11 kV [4]. Napětí generátoru je transformováno v objektu elektrárny na 22 kV nebo vyšší podle místního napětí přenosové soustavy.
Výkon generátoru musí odpovídat očekávanému výkonu větrné turbíny v požadované lokalitě, protože při jeho provozu mimo jeho optimální výkon se zhoršuje jeho účinnost.
Některé elektrárny mají i funkci regulace jalové elektřiny v přenosové soustavě [26] – funguje jako rotační kompenzátor jalového výkonu pomocí změn v buzení generátoru.
Sloup větrné elektrárny
Sloup větrné elektrárny musí být nejen požadovaně vysoký, ale i dostatečně pevný, aby odolal hmotnosti celého soustrojí a síle větru. Středem sloupu také vede servisní žebřík nebo schodiště a elektrické vedení do gondoly. Tvar sloupu by měl také splňovat i estetické požadavky v lokalitě [1, s. 444].
Konstrukce sloupu je nejčastěji tvořena ocelovým dutým kuželem (u malých turbín ocelovým sloupem) případně kombinován se železobetonovým tubusem. Při větších výškách se používají sloupy z příhradové konstrukce z krátkých nosníků. Společnost GE začala v roce 2014 používat kombinaci příhradové konstrukce nosníku potaženého sklolaminátovými pláty pro lepší ochranu konstrukce sloupu před větrem a deštěm a pro chránění přístupové cesty ke gondole [5].
ochranu konstrukce sloupu před větrem a deštěm a pro chránění přístupové cesty ke gondole [5].
Základy
Základy větrné elektrárny obvykle tvoří betonová deska. U větrné elektrárny s výškou sloupu 75 m se jedná přibližně o rozměry 10x10x5 m (větrný park Břežany). O základech elektráren typu offshore je stručně pojendnáno již v úvodu článku.
Lopatky větrných turbín
Nejčastěji se stavějí větrné turbíny se třemi lopatkami, ale mohou mít i více lopatek, nebo naopak lze zkonstruovat zcela funkční větrnou turbínu s jednou lopatkou. Počet lopatek má velký vliv na otáčky turbíny při dané rychlosti větru, přičemž nejvyšší otáčky musí mít turbíny s jednou lopatkou, více v podkapitole Ztráty ve větrných turbínách.
Lopatky větrných turbín (kromě malých) jsou natáčivé, aby se přizpůsobovaly proměnlivé rychlosti větru – což snižuje požadavky na převodové poměry převodovky. Existuje i natočení lopatky takové, při kterém dojde k zastavení otáčení rotoru.
V současnosti dosahují lopatky nějvětších větrných turbín již takových délek (50 m), že se při otáčení projevuje rozdíl rychlosti větru mezi nejvyšší a nejnižší polohou lopatek, který způsobuje nerovnoměrné zatížení turbíny během jedné otáčky. Tato nerovnoměrnost může způsobit rozkmitání celé turbíny a následně i elektrárny a její poškození či destrukci – tomu zabraňuje diagnostika rotorové soustavy v reálném čase a natáčení lopatek.
U velkých větrných turbín se konce lopatek pohybují velmi vysokou rychlostí, při kterých vznikají různé doprovodné zvukové efekty, což stěžuje výběr lokality pro umístění větrné elektrárny.
Lopatky malých turbín se vyrábí buď z plných profilů (dřevo, laminát, hliníkový plech), nebo ze dřevěné či hliníkové kostry s potahem. Lopatky velkých turbín jsou duté vyrobené ze sklolaminátu (Obrázek 911), aby byly co nejlehčí, ale i tak, hmotnost velkých lopatek dosahuje několika tun, při délce kolem 50 m už jejich hmotnost přesahuje 10 tun. Jelikož výplň dutiny lopatky tvoří vzduch, tak občas dochází uvnitř lopatky ke kondenzaci vzdušné vlhkosti, která může vytvářet nevyváženosti rotoru, což vede k dočasnému zastavení elektrárny.
hmotnost velkých lopatek dosahuje několika tun, při délce kolem 50 m už jejich hmotnost přesahuje 10 tun. Jelikož výplň dutiny lopatky tvoří vzduch, tak občas dochází uvnitř lopatky ke kondenzaci vzdušné vlhkosti, která může vytvářet nevyváženosti rotoru, což vede k dočasnému zastavení elektrárny.
Lopatky se testují na vysoko-cyklovou únavu a musí být odolné podmínkám venkovní instalace, tj. vůči extrémům počasí, včetně úderů bleskem, námrazám a pod. (Obrázek 218). Lopatky jsou proto podle potřeby vybaveny bleskosvodem, čidly teplot, odmrazovacím zařízením, čidly na měření vibrací a dalšími doplňky, které přímo nesouvisí s jejich funkcí. Lopatky se projektují přibližně na dobu životnosti 20 let. Po tuto dobu musí být plně funkční bez nutností nátěru.
Zařízení určené pro zátěžový test sestavy rotoru. https://t.co/77D4phBM9a
— Jiří Škorpík (@jiri_skorpik) September 10, 2022
Multirotorová větrná elektrárna
Mimo klasickou konstrukci s jednou gondolou na jednom sloupu se vážně experimentuje i s více menšími rotory na jednom sloupu, viz Obrázek 1225. S výkonem klasických jednorotorových elektráren totiž rostou i jejich rozměry a hmotnosti součástek. To jednak klade vysoké požadavky na konstrukci (vysoké měrné zatížení, které zvyšuje opotřebení pohyblivých dílů), a jednak na dopravní infrastrukturu (o tomto problému více v následující kapitole). Kdežto v případě vícerotorové elektrárny se použije sice více, ale menších součástek (zavádí se sériovost) a dokonce lze uvažovat i menších základech sloupu, na který působí menší páka od axiálních sil rotoru.
Uvedené očekávané výhody multirotových větrných elektráren (snížení měrných nákladů, požadavků na dopravní infrastrukturu při stavbě i oprav a zvýšení spolehlivosti) jsou předmětem výzkumu, stejně tak, jako vliv sloupu u níže položené dvojice na proudění, kde se ukazuje, že je při nízkých rychlostech větru pozitivní [25].
výzkumu, stejně tak, jako vliv sloupu u níže položené dvojice na proudění, kde se ukazuje, že je při nízkých rychlostech větru pozitivní [25].
Stavba větrné elektrárny
K místu stavby je obvykle nutné přivést elektrické vedení s dostatečnou kapacitou a vybudovat obslužnou komunikaci. Komunikace musí být budována tak, aby po ni mohl projet tahač s lopatkou (délky cca 30 m), jeřáb a betonářské vozy.
Pro stavbu se vybírá nejméně větrné období v roce, protože mobilní jeřábové komplexy, které jsou pro stavbu nezbytné (Obrázek 1102, s. 12), lze provozovat pouze do určité rychlosti větru. Toto omezení často prodražuje opravy na větrné elektrárně (taxa za prostoje jeřábu, který je již na místě a nemůže pracovat, blokování dopravy při převozu jeřábu atd.) a prodlužuje jejich dobu.
Při opravě nebo výměně jedné lopatky se musí demontovat celý rotor turbíny v jednom kuse. Takový úkon je opět velmi citlivý na rychlost větru (rozměrná turbína a nutná přesnost při montáži). Proto v roce 2012 představila společnost AREVA Wind GmbH nový systém (Single blade insttalation-SBI) umožňující montáž rotoru ve výšce po jedné lopatce, viz Obrázek 892. Konstruktéři společnosti vyřešili především problém se šikmým zavěšením jedné lopatky během montáže.
rotoru ve výšce po jedné lopatce, viz Obrázek 892. Konstruktéři společnosti vyřešili především problém se šikmým zavěšením jedné lopatky během montáže.
Velmi dlouhé lopatky mohou být složeny dokonce ze dvou kusů (pro snadnější přepravu a manipulaci ve vnitrozemí), přičemž ta patní část (blíže k ose) je obvykle kovová, viz Obrázek 892.
Problém představují i hmotné komponenty sloupu (ten se převáží dělený). V některých případech se přistupuje k odlehčení sloupů za cenu nutnosti jejich "zavětrování" pomocí kotevních lan.
Větrná energetika
Významný rozvoj větrné energetiky v ČR nastal až po roce 2001 především díky dotacím na výkup vyrobené elektřiny z větrných elektráren. Od té doby rostl prudce instalovaný výkon větrných turbín, který se výrazně zpomalil až v sezóně 2011 (kombinace vyčerpání lokalit s povolením stavby větrné elektrárny a snížení výkupních cen elektřiny). V současnosti (2019) jsou v ČR v provozu větrné elektrárny s celkovým instalovaným výkonem 339,4 MW, které v témže roce dodaly do sítě 691 GW elektrické energie [15].
Využitelný celosvětový větrný potenciál je přibližně 250 TW [17].
Parametrem informující o "větrné kvalitě" lokality je roční využití instalovaného výkonu větrné elektrárny tj. poměr dodané elektrické energie do sítě za rok ku množství elektrické energie, které by elektrárna za rok vyrobila, kdyby pracovala neustále na maximální instalovaný výkon. Nutno ale dodat, že v některých oblastech nemusí mít výroba elektřiny z větrných turbín přednost a tak, mohou být během roku odstavovány nejen z důvodu větrných podmínek, ale i z důvodů nadbytku elektřiny v síti. Využití instalovaného výkonu v ČR roce 2015 bylo přibližně 23 %. Nejvyšších hodnot ročního využití instalovaného výkonu mají větrné elektrárny při pobřeží moře. Tyto elektrárny dosahují ročního využití instalovaného výkonu od 20 do 30 %.
V 2013 se začaly testovat větrné elektrárny s řídícím systémem schopným komunikace s dalšími větrnými elektrárnami vzdálenými i několik stovek km a opatřenými akumulací elektrické energie. Tento systém umožňuje predikci výkonu na základě údajů předpovědi počasí a výkonu vzdálených elektráren, od kterých postupuje zesilující/oslabující vítr. Tyto predikce v kombinaci s možnosti krátkodobé akumulace elektrické energie umožňují zvýšit využití instalovaného výkonu větrné elektrárny až na 45 % [16].