Veterná energia
Veterná energia
Energia vetra má svoj pôvod v slnečnej aktivite. Povrch zeme je ohrievaný nerovnomerne s rôznou
intenzitou, v dôsledku čoho dochádza k teplotným a tlakovým rozdielom okolitého vzduchu. Od zemského povrchu ohriaty okolitý vzduch stúpa
nahor, resp. chladnejší ťažší vzduch sa tlačí k zemskému povrchu, čím dochádza k prúdeniu vzdušnej masy okolo Zeme – vzniku vetra.
Asi 2 % z celkovej slnečnej energie dopadajúcej na povrch Zeme sa trvale premieňa (akumuluje) na kinetickú energiu vetra, čo predstavuje cca
1020 J. Z tejto energie je možné každú sekundu využiť asi 1015 J.
Teoreticky vietor veje z oblastí s vyšším tlakom do oblastí
nižšieho tlaku. V blízkosti rovníka sa jeho smer mení vplyvom zemskej rotácie. Vietor je definovaný dvoma veličinami – smerom
a rýchlosťou.
Smer vetra je daný svetovou stranou, z ktorej vietor veje.
Rýchlosť vetra sa udáva v m.s-1
resp. v km.hod-1. Minimálna rýchlosť vetra pre jeho energetické využitie (rozkrútenie obežného kolesa) je 3 m.s-1. Pre hospodársky
zmysluplné využitie veternej energie na výrobu elektrickej energie je potrebná priemerná rýchlosť vetra vo výške 10 m väčšia ako 4 m.s-1.
Pritom platí, že pri nadmorskej výške do 650 m n.m. je jeho priemerná rýchlosť malá (okolo 2,5 m.s-1). Optimálna rýchlosť vetra pre jeho
energetické využitie je 12 m.s-1. Pri prekročení tejto hranice musí byť vetrom poskytovaný príkon obmedzovaný a časť energie zostáva
nevyužitá. Ak je rýchlosť vetra väčšia ako 25 m.s-1 musí sa elektráreň odstaviť, aby sa zabránilo jej zničeniu.
Energia získaná
z vetra je priamo úmerná tretej mocnine rýchlosti vetra (napr. pri dvojnásobnej rýchlosti vetra môžeme získať 8-násobné množstvo
energie).
Vietor môže teda konať prácu. Túto skutočnosť ľudia využívali už v starovekej Číne na čerpanie vody zo studní
(veterné čerpadlá). V minulých storočiach sa vietor využíval najmä na pohon veterných mlynov, lodí, čerpanie vody, zavlažovanie, rezanie
dreva a pod. V súčasnosti tieto spôsoby využitia energie vetra ustupujú a vietor sa začal využívať aj na výrobu elektrickej energie.
Vietor je vlastne pohybová energia vzduchu, ktorú ak dokážeme efektívne zachytiť, vieme veľmi spoľahlivo a racionálne premeniť na
elektrickú energiu v klasických zariadeniach – veterných elektrárniach.
Princíp výroby elektriny je veľmi jednoduchý. Energia
prúdenia vetra roztáča obežné koleso veterného zariadenia a takto vytvorená kinetická energia sa prenáša cez hnací mechanizmus do
generátora, kde sa transformuje na elektrickú energiu. Veterné turbíny môžu pracovať buď na odporovom alebo vztlakovom princípe. Turbíny
pracujúce na odporovom princípe využívajú tlak vetra na lopatky rotora, pričom vyvinutá sila poháňa rotor. Takto pracujú najjednoduchšie
zariadenia. V turbínach pracujúcich na vztlakovom princípe sú lopatky tvarované tak, aby vznikla potrebná vztlaková sila uvádzajúca rotor do
pohybu. Na tomto princípe pracuje dnes väčšina komerčných veterných turbín na svete.
Výhody a nevýhody
Vietor ako energetický zdroj má však dve vážne nevýhody a to:
- koncentrácia veternej energie je
veľmi malá (v dôsledku relatívne difuznej povahy veternej energie je potrebne inštalovať veľký počet turbín rozmiestnených na veľkom
priestore, aby bolo možné zabezpečiť dostatočné množstvo energie. Každá turbína je z hľadiska výkonu veľmi malá v porovnaní
s typickou elektrárňou na fosílne palivo. Aj tie najváčšie turbíny dosahujú len tisícinu výkonu modernej uholnej alebo atómovej
elektrárni)
- výrazná premennosť veternej energie v závislosti od času. ( vietor nefúka stále konštantnou rýchlosťou, čo
znemožňuje využívať veterné elektrárne ako výlučný zdroj energie bez nutnosti zalohovania)
- veternú elektráreň nie je možné
umiestniť tam, kde by to bolo najviac potrebné, ale len tam , kde sú na to vhodné poveternostné podmienky.
Pretože tieto nevýhody
veternej energie zatiaľ nevieme racionálne odstrániť, potrebujú veterné elektrárne iné doplňujúce zdroje. A tak môžu byť významným,
ale len doplnkovým zdrojom elektrickej energie.
Energetické zhodnotenie veternej energie má v porovnaní s využívaním iných
energetických zdrojov (fosílne palivá, jadrová energia, slnečná energia ..) niekoľko zásadných výhod:
- Je to
trvalý, nevyčerpateľný, stále sa i keď nepravidelne obnovujúci zdroj.
- Je to jeden z ekologicky najčistejších zdrojov dodávajúci
ekologicky čistú elektrickú energiu.
- pri výrobe nie sú produkované žiadne škodlivé emisie (SO2, CO2, NOx, popolček),
-
Prevádzkové náklady veterných elektrární sú takmer zanedbateľné pri minimálnom zábere pôdy na ich výstavbu.
- Nízka hlučnosť,
potenciálne výkyvy v hlučnosti pri nízkej rýchlosti vetra sú odstrániteľné úpravou prevádzkového režimu.
- Veterné elektrárne
produkujú elektrinu i v noci, najlepšie veterné podmienky sú v zime. Tieto skutočnosti ich robia vhodnými doplňujúcimi zdrojmi energie
v kombinácii so slnečnými zdrojmi energie.
Základné časti veterných elektrární:
ROTOR
Získateľný výkon veternej elektrárne je priamo úmerný druhej mocnine priemeru rotora, ktorý je ohraničený
materiálovými možnosťami na konštruovanie a stavbu samotných rotorov, ako aj rotorových veží. Pre materiály, ktoré sa používajú
v súčasnosti, je maximálny priemer rotora 100 až 150 metrov. V praxi sa používajú štyri základné druhy rotorov a to vrtule, lopatkové
koleso, Darrieusov rotor a Savoniusov rotor.
PREVODOVÉ ZARIADENIE
Zabezpečuje zosúladenie otáčok
veterného zariadenia so synchrónnymi otáčkami generátora
GENERÁTOR ELEKTRICKEJ ENERGIE
V ňom sa
transformuje kinetická energia veternej turbíny na elektrickú energiu. Vo veterných elektrárniach sa využívajú štyri druhy generátorov:
- jednosmerné generátory,
- synchrónne generátory (alternátory),
- asynchrónne generátory,
- generátory s permanentnými
magnetmi.
Jednosmerné generátory používajú sa väčšinou v malých veterných elektrárniach, sú vhodné na
dobíjanie akumulátorov.
Synchrónne generátory uplatňujú sa vo veterných elektrárniach stredných a veľkých
výkonov. Ich výhodou je veľká účinnosť a schopnosť pracovať aj s premenlivými otáčkami. Sú preto použiteľné pre široký rozsah
rýchlostí vetra
Asynchrónne generátory sa používajú vo veterných elektrárniach stredných a veľkých
výkonov. Ich výhodou v porovnaní so synchrónnymi generátormi je lacnejšia konštrukcia, žiadne rotujúce kontakty a jednoduché pripojenie na
sieť.
VEŽA
V súčasnosti sa pri veterných zariadeniach používajú tri typy konštrukcií veže:
-
konštrukcia z klasických oceľových nosných prvkov (stožiarová),
- rúrková konštrukcia,
- železobetónová konštrukcia.
Najčastejšie sa používa stožiarová konštrukcia. Je najlacnejšia, s malým odporom vzduchu. Často ale narúša celkový vzhľad krajiny.
SYSTÉM NATÁČANIA DO SMERU VETRA
Vietor ako prírodná energia je médium nestále, ťažko predvídateľné,
meniace sa v rozsiahlej škále smerov
Pri zohľadnení tejto skutočnosti ako aj požiadavky na efektívne využitie energie vetra je
nevyhnutné natáčanie rotora veternej elektrárne do smeru vetra. Túto funkciu v moderných veterných elektrárniach vykonáva regulačný
systém so snímačom smeru vetra.
REGULAČNÉ ZARIADENIE
Jednou z nevýhod energie vetra je jeho časová
premenlivosť v rozsiahlej škále rýchlostí a smerov. Podmienkou dodávky elektrickej energie do siete je, aby sa zhodovala s parametrami energie
siete a aby parametre zodpovedali požiadavkám spotrebiteľa. Na splnenie týchto podmienok sa v praxi používajú regulačné systémy, ktoré
spravidla majú tieto časti:
- systém regulácie vrtule (udržiava požadované otáčky rotora )
- systém bezpečnosti prevádzky
- kontrolný systém jednotlivých častí elektrárne,
- systém natáčania rotora do smeru vetra,
- systém pripojenia
k sieti.
Systém regulácie vrtule má za úlohu udržiavať požadované otáčky rotora.
Systém bezpečnosti
prevádzky má za úlohu zabezpečovať bezpečnú prevádzku veternej elektrárne so zameraním na mimoriadne prevádzkové stavy (veľké
rýchlosti vetra, ochrana proti námraze, ochrana proti blesku).
Ochrana pred „pretočením“ vrtule. Pri rýchlostiach vetra
vyšších ako je prípustná hodnota (cca 25 m.s-1) sa vrtuľa zabrzdí a nastaví súbežne so smerom vetra. Pre tento účel sa používajú dve
nezávislé brzdy a to na rýchlej strane prevodovky a na konci lopatiek výklopné segmenty.
Predmetnú operáciu vykonáva počítač. Keď
nastanú vhodné prevádzkové podmienky, počítač uvedie turbínu opäť do prevádzky. Ochrana proti námraze. Všetky čidlá musia byť
námrazy – vzdorné (priamy ohrev), lopatky vrtule sú opatrené chemickým povlakom proti námraze. Ochrana proti blesku. Uplatňuje sa
v najnovších veterných elektrárniach a to zabudovaním uzemnených vodičov do lopatiek a udržovaním na rovnakom potenciáli všetky vodivé
súčasti.
PRINCÍP VZNIKU ENERGIE
Vietor je vlastne pohybová energia vzduchu, ktorú ak dokážeme efektívne
zachytiť, vieme veľmi spoľahlivo a racionálne premeniť na elektrickú energiu v klasických zariadeniach – veterných elektrárniach.
Princíp výroby elektriny je veľmi jednoduchý. Energia prúdenia vetra roztáča obežné koleso veterného zariadenia a takto vytvorená
kinetická energia sa prenáša cez hnací mechanizmus do generátora, kde sa transformuje na elektrickú energiu. Veterné turbíny môžu pracovať
buď na odporovom alebo vztlakovom princípe. Turbíny pracujúce na odporovom princípe využívajú tlak vetra na lopatky rotora, pričom vyvinutá
sila poháňa rotor. Takto pracujú najjednoduchšie zariadenia. V turbínach pracujúcich na vztlakovom princípe sú lopatky tvarované tak, aby
vznikla potrebná vztlaková sila uvádzajúca rotor do pohybu. Na tomto princípe pracuje dnes väčšina komerčných veterných turbín na
svete.
Možnosti využitia veternej energie na Slovensku
Slovensko ako vnútrozemská krajina má v porovnaní
s prímorskými štátmi zákonite obmedzené podmienky pre využívanie energie vetra. Je to dané skutočnosťou, že vnútrozemská klíma je
charakteristická nepravidelným a podstatne menej výrazným prúdením vzduchu v prízemných vrstvách atmosféry. Všeobecne platí, že vo
vnútrozemí je rýchlosť a pravidelnosť vzdušného prúdu silne ovplyvňovaná celkovým rázom krajiny.
V súčasnosti na Slovensku
vo verejnej sieti nepracuje žiadna veterná elektráreň. Prevádzkuje sa ale viacero svojpomocne postavených veterných agregátov vďaka
nadšencom, hlavne pri horských chatách a osídlach.
Základnej podmienke vhodnosti lokality pre využívanie veternej energie –
dostatočná veternosť, na Slovensku vyhovuje cca 4 300 km2. Miesta na inštaláciu veterných elektrární sa nachádzajú vo vyšších polohách,
v nadmorskej výške nad 500 metrov v hornatom, obtiažne prístupnom teréne (nechránené pahorkatiny a horské oblasti). Priemerné dlhodobé
rýchlosti v týchto lokalitách vo výške 50 až 60 metrov, teda vo výške agregátov turbín sú od 5,5 do 6,5 m.s-1 (slabé lokality).
Veternoenergetický potenciál Slovenska je teda veľmi malý, asi 0,4 TWh ročne.
Zones.sk – Zóny pre každého študenta