Energie větru

Vítr patří k nevyčerpatelným (obnovitelným) zdrojům energie.Energie větru patří k historicky nejstarším využívaným zdrojům energie. V České republice jsou možnosti využití energie větru, vzhledem k přírodním podmínkám (vnitrozemské klima s nepravidelným prouděním vzduchu), dosti omezené. Vhodné lokality pro využití větrné energie jsou většinou ve vyšších nadmořských výškách, kde vítr dosahuje vyšších rychlostí (nad 5m/s). Při využití všech lokalit s rychlostí větru vyšší než 4,8m/s by bylo možné v České republice vyrobit až 5 TWh elektrické energie, tj. 8,5% současné spotřeby el. energie.
Využití energie větru

Energie větru se využívá zejména k výrobě elektrické energie. Ta může být použita k vlastní spotřebě výrobce např. k osvětlení, vytápění objektů, k ohřevu vody nebo může být využívána lokálně více odběrateli (v případě zařízení s větším výkonem). U větších zařízení je možné i dodávat vyrobenou elektrickou energii do veřejné rozvodné sítě na základě smluvního vztahu s distribuční společností (majitelem rozvodné sítě elektřiny např. JME, a.s., SME,a.s., ČEZ, a.s., atd.). Výhodné je použití malých větrných elektráren pro výrobu el. energie v místech bez přípojky elektrického energie z rozvodné sítě (např. rekreační zařízení). Malé domovní větrné elektrárny mohou sloužit např. k čerpání vody.

Příklady využití větrných elektráren podle výkonových rozsahů

Výkon (kW) Možnosti využití
Do 5 Dobíjení akumulátorů, vlastní spotřeba
5 - 20 Dodávka elektrické energie do sítě, nebo ohřev vody v rodinných domcích, zemědělství
Nad 20 Dodávka elektrické energie do sítě

Princip

Vítr vzniká prouděním vzduchu, které je způsobeno nerovnoměrným ohříváním vzduchu a Země (teplejší ohřátý vzduch je lehčí a stoupá vzhůru, chladnější těžší klesá k povrchu Země).
Pohybová energie větru otáčí listy či lopatkami rotoru, tím vzniká mechanická energie. Ta je přenášena přes převodovku do generátoru, kde se mění na elektrickou energii.
Charakteristiky a základní termíny

Vítr je určen dvěma veličinami, a to rychlostí a směrem.
Směr větru

– udává, ze které světové strany vítr vane. Sledováním směru větru a grafickým zaznamenáním výsledků získáme tzv. větrnou růžici, v níž je příslušnému směru přiřazena také rychlost a procentuální četnost větru vanoucího určitým směrem.
Rychlost větru

– se sleduje pomocí anemometru. Rozložení rychlosti větru se vyjadřuje sloupovým grafem, kde je každé rychlosti větru přiřazeno číslo, vyjadřující její procentuální podíl na celkové době, po kterou byl vítr sledován. Odhadem je možné rychlost větru stanovit vizuálně a výsledky srovnat s Beaufortovou stupnicí síly větru.

Beaufortovou stupnice síly větru
Beaufortovo číslo Rychlost větru (m/s) Výška vln (m) Označení Popis
0 0,0 – 0,4 - Klid Kouř stoupá kolmo vzhůru
1 0,5 – 1,5 - Lehký větřík Směr větru vychyluje kouř
2 2,0 – 3,0 0,15 – 0,30 Lehký vítr Je cítit ve tváři, listí stromů šelestí
3 3,5 – 5,0 0,60 – 1,0 Mírný vítr Vítr napíná praporky, čeří hladinu vody
4 5,5 – 8,0 1,0 – 1,50 Střední vítr Zvedá prach a útržky papíru, pohybuje slabšími větvemi stromů
5 8,1 – 10,9 1,8 – 2,5 Čerstvý vítr Keře se hýbou
6 11,4 – 13,9 3,0 – 4,0 Silný vítr Pohybuje tlustými větvemi, dráty sviští, obrací deštník
7 14,1 – 16,9 4,0 – 6,0 Téměř bouře Pohybuje celými stromy, nesnadná chůze
8 17,4 – 20,4 5,5 – 7,5 Bouře Ulamuje větve, znemožňuje chůzi
9 20,5 – 23,9 7,0 – 9,75 Silná bouře Menší škody na stavbách, strhává střešní krytinu
10 24,4 – 28,0 9,0 – 12,5 vichřice Vyvrací stromy, škody na obydlích
11 28,4 – 32,5 11,3 – 16,0 Prudká vichřice Rozsáhlé škody
12 32,6 – 35,9 13,7 hurikán Odnáší střechy, demoluje těžké předměty
13 36,9 – 40,4
14 40,1 – 45,4
15 45,1 – 50,0
16 50,1 – 54,0
17 54,1 – 60,0
Rychlostní profil proudění
 průběh místních rychlostí proudění v závislosti na vzdálenosti od povrchu Země.
Rychloběžnost
  poměr obvodové rychlosti špiček rotoru a rychlosti větru.
Rotor
Existují čtyři typy rotorů podle osy rotace.

Horizontální osa rotace:
a) Vrtule – má nejvyšší možnou dosažitelnou účinnost, max. 45%. Vrtule je rychloběžný typ větrného motoru. Rychloběžnost může dosahovat hodnoty kolem 10. Maximální účinnosti vrtule dosahuje při rychloběžnosti 6. Počet listů vrtule bývá 1 až 4. Používá se pro výrobu třífázového elektrického proudu.
Výkon lze jednoduše stanovit pomocí rovnice:
P = 0,2 x V3 x D2
P – výkon zařízení
V – rychlost větru
D – průměr vrtule
b) Lopatkové kolo – je pomaloběžný větrný motor. Počet lopatek bývá 12 a 24, běžný průměr lopatkového kola je 5 až 8m. Maximální účinnosti je dosahováno při rychloběžnosti 1. Účinnost 20 – 43%. Používá se pro výrobu elektrického proudu pro vlastní spotřebu, čerpání vody.
Výkon lze jednoduše stanovit pomocí rovnice:
P = 0,15 x V3 x D2
P – výkon zařízení
V – rychlost větru
D – průměr vrtule
c) Darrieův rotor – skládá se ze dvou či více křídel, které rotují kolem vertikální osy. Účinnost je až 38%. Používá se pro výrobu stejnosměrného i střídavého proudu.
d) Savoniův rotor – je tvořen dvěma plochami ve tvaru půlválců, které jsou vzájemně přesazeny. Maximální účinnosti je dosahováno při rychloběžnosti 0,9 až 1. Účinnost až 23%. Používá se pro výrobu stejnosměrného proudu, čerpání vody.
Převodovka
Používá se tam, kde je velký rozdíl mezi jmenovitými otáčkami rotoru a generátoru.
Generátor
Slouží k přeměně mechanické energie větru na elektrickou energii. Používají se tyto skupiny generátorů.
a) Stejnosměrné generátory – jsou vhodné pro malé větrné elektrárny.
b) Synchronní – jsou vhodné pro střední a velké větrné elektrárny. Mají velkou účinnost, jsou schopny pracovat s velkým rozsahem rychlostí větru. Elektrárny vybavené synchronními generátory mohou pracovat i nezávisle na elektrické energii dodávané z rozvodné sítě. Používají se jako záložní zdroje elektrické energie v případě přerušení dodávky elektrické energie z rozvodné sítě.
c) Asynchronní – jsou připojené k síti. Nevyžadují složitý připojovací systém, ten pouze sleduje otáčky a rozhoduje o okamžiku připojení k síti.
Systém natáčení do směru větru
Používá se několik způsobů.
a) Ocasní plocha
b) Boční pomocné rotory
c) Natáčení pomocnými motory
Regulace
Závisí na velikosti a stupni vybavení větrné elektrárny.
Pro větrné elektrárny, které dodávají elektrickou energii do elektrizační soustavy se regulační systém skládá z těchto částí: ovládací a kontrolní prvky, systém řízení a brždění vrtule, kontrolní systém jednotlivých částí elektrárny, systém natáčení strojovny do směru větru, systém připojení k síti.
Stožár a rám strojovny – jsou nosnými systémy větrné elektrárny. Jejich konstrukce je závislá na typu a velikosti větrné elektrárny.
Rozdělení větrných elektráren
Třídit větrné elektrárny můžeme z různých hledisek.
Podle výkonu
Typ Výkon VE (kW)
Malé do 20
Střední nad 20 do 50
Velké nad 50
Podle koncepce větrné elektrárny
 Zařízení s vertikální osou rotace.
 Zařízení s horizontální osou rotace.
Podle řešení větrné elektrárny
 Větrné elektrárny s vrtulí.
 Větrné elektrárny s lopatkovými koly.
Průměrná roční výroba elektrické energie z malé větrné elektrárny
Průměr rotoru (m) Výkon při 10m/s (W) Očekávaný přínos (kWh/rok)
4m/s 5m/s 6m/s 7m/s 8m/s
1,5 150 274 476 576 710 820
1,7 250 305 527 747 944 1 107
2,2 500 581 977 1 421 1 854 2 240
2,4 700 670 1 420 2 290 3 110 3 800
3,0 900 1 430 2 048 2 597 3 040 3 387
Přípravné práce před realizací větrné elektrárny
Postup závisí na typu a výkonu elektrárny.
Výběr lokality by měl probíhat na základě jejího předběžného hodnocení. Zejména větrných podmínek (síla a pravidelnost proudění, rychlost větru). Orientační údaje je možné za poplatek získat z Ústavu fyziky atmosféry AVČR. Přesnější je provést místní roční měření, nebo aspoň minimálně po dobu 6 měsíců.
Je nutné získat informace o majetkoprávních vztazích v prostoru lokality pro stavbu elektrárny i pro zajištění přístupu k elektrárně a vyvedení jejího výkonu.
Na obecním úřadě je nutné zjistit zda v případě výstavby větrné elektrárny nedojde ke konfliktu ze strany ochrany přírody nebo k odporu ze strany obyvatel.
Pro stavbu větší větrné elektrárny je nutné zjistit geologické podmínky na dané lokalitě.
Ke stavbě větrné elektrárny je nutné získat stavební povolení podle Stavebního zákona č. 50/76 Sb., novelizace č. 103/90 Sb.
Větrná elektrárna musí být vybavena atestem, dokumentem, který potvrzuje, že zařízení splňuje příslušné předpisy a je možné ho provozovat na území ČR.
Základní podmínky úspěšné instalace větrné elektrárny
 správná volba lokality (topografické, morfologické, geologické poměry).
 dostatečná síla větru 3 – 26m/s.
 pravidelnost větrného proudění.
 správná volba dispozičního řešení větrné elektrárny.
 správná volba typu zařízení.
 vlastní spotřeba vyrobené elektrické energie nebo její dodávka do veřejné sítě.
 zpracování důkladné ekonomické rozvahy, která vychází ze zjištění reálné potřeby a spotřeby elektrické energie pro daný objekt, investičních a provozních nákladů, návratnosti vložených finančních prostředků.
 v případě prodeje elektrické energie je nutné zažádat Ministerstvo průmyslu a obchodu o udělení Státní autorizace na prodej elektrické energie. Uzavřít smlouvu o odběru elektrické energie s distribuční společností např. JME, a.s. (SME, a.s., STE, a.s., JČE, a.s.,atd.).
Výhody využití větrných elektráren
 větrná energie je obnovitelným nevyčerpatelným zdrojem energie.
 při vlastní spotřebě elektrické energie se vyhneme přenosovým ztrátám.
 při výrobě nejsou produkovány žádné škodlivé emise (SO2, CO2, NOx, popel).
 přebytky vyrobené elektrické energie může výrobce prodávat do veřejné rozvodné sítě na základě smluvního vztahu s distribuční společností (majitelem rozvodné sítě elektřiny) a tím může výrazně ovlivnit návratnost vložených finančních prostředků.
Nevýhody využití větrných elektráren
 poměrně vysoká hlučnost (nutné snížit hlučnost na úroveň, která je požadována hygienickými předpisy , pod 45 dB).
 nestabilní zdroj.
 poměrně časově a finančně náročná předrealizační fáze.
 při stavbě větrné elektrárny o vyšších výkonech je nutné vynaložit poměrně vysoké investiční náklady.
 návratnost vložených finančních prostředků je závislá na využití vyrobené elektrické energie.