Jste zde

El. energie z větrných elektráren - 1.díl - problematika řízení

Antonín Vojáček, 30. Prosinec 2009 - 21:45

O větrných elektrárnách, o jejich funkci, o ekologické stránce apod. již bylo napsáno mnohé. V následujícím dvoudílném článku jsem se pokusil stručně a nezaujatě shrnout a popsat současnou problematiku výroby elektrické energie právě pomocí větrných elektráren, problematiku okolo regulace, co se okamžitou přebytečnou el. energií, jak pokrýt dobu bezvětří a jaké máme možnosti skladování el. energie z větru.

O problematice větrných elektráren již bylo napsáno mnohé a mnohé. A některé články i diskuze bývají často velmi vyostřené v názorech na to, zda větrné elektrárny ano či ne, zda jsou výhodné či nevýhodné, zda jsou vzhledově hezké či nikoliv nebo zda je jimi možné opravdu nahradit elektrickou energii dodávanou v současné době převážně uhelnými a atomovými elektrárnami. A jak to obvykle pravda je vždy někde uprostřed a nezávislý a do teorie i praxe tzv. větrníků zasvěcený člověk, musí někdy dát za pravdu a někdy oponovat obou stranám. Prostě neustále platí přísloví, že všeho moc škodí. Prostě problematiku výstavby každé větrné elektrárny je nutné posuzovat velmi citlivě a nutné je vzít v úvahu všechny aspekty s tím spojené a vytvořit pro všechny „snesitelný“ kompromisy i s ohledem na naše budoucí generace.

Mimo otázky vzhledu a hlučnosti, které jsou samozřejmě také velmi důležité, protože každý mi musí dát za pravdu, že například nelze postavit větrník vedle hradu či kostela a tvrdit, že nové panorama vypadá lépe, pak ostatní problematika více či méně vzdáleně souvisí s problematickou možného řízení větrných elektráren a jimi generované elektrické energie.

Tuto problematiku jsem se pokusil "naťuknout" a alespoň obecně ozřejmit následujícím článku, který jsem pro lepší čtení na obrazovce PC rozdělil na 2 díly. V upravené a zkrácené podobě pak článek vyšel i tištěné podobě v 6. čísle letošního ročníku 2009 časopisu "Alternativní energie", vydaný 14.12.2009 (bližší informace k časopisu na webu www.alen.cz).

Problematika řízení větrných elektráren

Hlavním problémem je zároveň to, co se nám lidem líbí. Totiž, že je větrná energie je přírodní zdroj. Ta pak dělá čest svému jménu a nenechá se lidmi řídit. Prakticky si dělá co chce. A tak i elektřina jí generovaná se vyznačuje značnou proměnlivostí a často je jí buď moc nebo naopak málo. Prostě buď fouká hodně nebo ne. To je prostě fakt a s ohledem na časté extrémní výkyvy počasí v posledním desetiletí nelze počítat s tím, že to bude lepší. I když dnešní moderní rychloběžné větrníky se synchronními nebo asynchronními generátory s měniči frekvence, proměnnými převodovkami a plně automatickou regulaci natáčení lopatek i celé gondoly umožňují částečně umožňují změny větru vyrovnat a minimalizovat tak jeho vliv na elektrickou síť, stále velmi proměnná generovaná energie dělá vrásky na čele provozovatelům distribučních sítí. Jejichž cílem je totiž zajistit maximální stabilitu napětí i množství činného a jalového výkonu.

Navíc v cestě k účinnějšímu využití větru nám stojí sama fyzika. Ta říká, že jím generovaná energie je úměrná 3. mocnině rychlosti. Tedy při malých rychlostech okolo do 5 m/s, které jsou například v naší české kotlině obvyklé, je generovaný výkon i výtěžnost dost malá. Při vyšších rychlostech se to sice rychle zlepšuje, ale taková místa se v ČR moc nevyskytují a když ano, je tento vítr již dosti nestabilní a jím generovaný výkon také dost proměnný. Nejlepší využitelnost větrných elektráren je při rychlosti vzduchu cca 7 až 12 m/s. V tomto směru mají jasnou výhodu země s přímořskými oblastmi, jako Dánsko, Norsko, Polsko, Benelux, Anglie, Řecko a země s horami nebo rovnými planinami (Francie, Německo, Rakousko). Při hodně vysokých rychlostech větru nad 20 m/s (typu bouřka) již nelze větrník využívat s ohledem na jeho možné poškození a musí se odstavit a zabrzdit.

Popis typické větrné elektrárny: 1 - rotor s rotorovou hlavicí; 2 - brzda rotoru; 3 - planetová převodovka; 4 - spojka a brzda generátorového hřídele; 5 - generátor; 6 - pohon natáčení strojovny; 7 - brzda točny strojovny (gondoly); 8 - ložisko točny strojovny; 9 - hydraulický agregát brzdy rotoru a generátorového hřídele; 10 – hydraulický agregát změny geometrie lopatek rotoru (převzato od Bosch Rexroth s.r.o.).

Již současné technologie umožňují na základě mnoha snímačů a výkonného řídícího počítače každého větrníku plně automatickou regulací natáčení lopatek, celé gondoly nebo řízení převodu proměnné převodovky. Řídící systém tvořený výkonným průmyslovým počítačem (IPC) a speciálními programovatelnými automaty (PLC) s napojenými snímači mnohokrát za sekundu vyhodnocuje výstupní výkon generátoru i parametry větru a pokud hodnoty začínají překračovat limitní stavy, okamžitě zasáhne. Tím umožňuje vyrovnávat a stabilizovat výkon přenášený na hřídel generátoru při malých výkyvech. Při poklesu poryvů větru opět regulátor nastaví parametry zpět. Neustále tak udržuje optimální geometrii lopatky v průběhu jedné otáčky, tedy maximální dosažitelný výkon elektrárny pro různé rychlosti proudění větru v odlišných nadzemních výškách nezávisle na teplotě a hustotě vzduchu. Toto je dosud nejpokrokovější způsob regulace výkonu, která však vyžaduje progresivní řídicí techniku a dynamické regulační pohony (tj. pohony lopatek, natáčení gondole, brždění hřídele vrtule apod.). Například lze zmínit systémem OptiSpeed označovaný také jako VCS (Vestas Converter System), který zajišťuje stabilní výrobu elektrické energie větrné elektrárny na základě schopnosti rotoru pracovat s variabilním počtem otáček (8,2 – 14,9). V každém okamžiku provádí nastavení listů tak, aby byly vždy optimálně přizpůsobeny příslušným větrným podmínkám. Tento systém například využívá větrný park elektráren VESTAS V90-2,0 MW u obce Slavkov.

Systém vyrovnávání kolísání rychlosti větru větrných elektráren se synchronním generátorem - vyrovnávání proměnných otáček vrtule na konstantní otáčky rotoru generátoru prostřednictvím proměnného převodu planetové převodovky (bližší informace v článku „Hydrostatické systémy a převodovky větrných elektráren“).

Z pohledu samotných regulačních pohonů se jeví jako ideální hydraulické systémy, pro které proti elektrickým verzím hovoří snadná rozpojitelnost řídicích prvků v případě nouzového vypnutí zařízení a také vysoká rychlost restartu systému již za několik sekund po odstranění poruchy či mezní situace. Navíc dovolují lépe vhodnou změnou otáček vrtule eliminovat vlivy nárazového větru či v zimě vznikající námrazy, které se projevují jako zvýšení zatížení či vibrace listů snímané čidly (bližší podrobnosti najdete v českém pěkném pdf článku pana Luďka Němce: „Hydrostatické systémy a převodovky větrných elektráren“).

Nad automatikou větrných elektráren pak dohlíží obsluha z dispečinku, která funkci monitoruje a je připravena zasáhnout v extrémních případech, se kterou si automatické systémy již sami neporadí. Provozní data se přenáší z řídicích počítačů větrníků prostřednictvím ethernetové LAN komunikace nebo bezdrátového přenosu prostřednictvím technologie WiFi nebo GSM/GPRS. Vzdáleně tak lze nejen generátor větrníku připojit či odpojit prostřednictvím elektronický řízených tyristorových spouštěčů (softstartéry), ale i upravovat funkci, či záměrně plynule zvyšovat či snižovat jeho výkon frekvenčními měniči. Toho se například využívá v nočních hodinách, kdy záměrným omezením výkonu správným natočením listů vrtule lze snížit hlučnost elektrárny pod zákonem požadovanou hranici 40 dB, aniž by bylo nutné elektrárnu odstavit. Stále je lepší vyrábět menší výkon, než žádný.

Blokové schéma jednodušší, ale tím i složitěji regulovatelné větrné elektrárny s regulací výkonu pouze natáčením listů a připojováním generátoru k síti pomocí softstartéru.

Blokové schéma modernější větrné elektrárny s plynulým řízením výkonu natáčením listů i regulací generátoru frekvenčním měničem.

Problematika přebytku a nedostatku větrné energie

Klíčovým problémem el. energie z větrných elektráren je její akumulace, když je jí nadbytek a naopak její poskytování v době bezvětří. V případě malých mikrovětrníků, které poskytují pouze několik desítek či stovek Watů, lze přebytek elektřiny snadno jímat do akumulátorů (baterií). V případě megawatových elektráren, to již samozřejmě není možné.

Ale kam pak s přebytečnou elektřinou? Bohužel na tuto otázku zatím lidstvo nemá zcela univerzálně vhodné řešení. Celá doposud vystavěná struktura elektrifikace a distribučních sítí je optimalizována na stejnoměrnou a trvalou dodávku elektřiny z uhelných či atomových elektráren, kterým tento režim provozu také vyhovuje. Např. současná regulace v ČR probíhá tak, že na každou hodinu je nasmlouvána přibližná spotřeba a produkce a podle toho se řídí funkce současných fosilních (plynových, uhelných) a atomových elektráren. Odchylky od ideálního stavu jsou regulovány vyčleněnými regulačními zdroji a větší neočekávané odchylky nebo výpadky jsou pak na základě požadavku dispečinku zajištěni tzv. terciální regulací vodními a záložními fosilními elektrárnami. Bohužel u OZE je jen velmi obtížné předem nasmlouvat výkony vzhledem k proměnlivosti zdrojů (větru či slunce), které zatím často nejsme schopni přesně předpovědět ani několik hodin dopředu. Musí se tedy vždy nepřetržitě regulovat celá dodávka, nikoliv jen odchylka od definovaných hodnot. Tím dochází k nadměrnému zatěžování přenosových sítí, zálohovacích i záložních zdrojů, snižování kvality sítě i neočekávaným výkyvům ceny elektřiny na trzích.

Jediným v současné době masivně využívaným systémem jímání velké nadbytečné elektřiny jsou přečerpávací vodní elektrárny. Tohoto tzv. hydroenergetického potenciálu využívá hlavně Norsko, Švédsko a Rakousko a k nim blízké země, které tyto prostředky nemají. Markantní je to například v případě Dánska, které má masivní zastoupení větrných elektráren, ale prakticky žádnou vlastní regulaci. Využívá tak přečerpávacích elektráren Norska. V našem případě máme na našem území jen tři k tomu to účelu vhodné hydroelektrárny, což pro nějaké masivnější jímání energie nestačí a s ohledem na devastaci přírody spojenou s jejich výstavbou, nelze vznik dalších již očekávat.

Přehled velkých větrných elektráren (větrných parků) na území ČR - situace v roce 2008 (klikněte na obrázek pro zvětšení)

Proto ostatní země, například v rámci EU, využívají k regulaci spalování pevných nebo plynných paliv, jako jsou zemní plyn (např. Nizozemí a Belgie) nebo uhlí a biomasa (např. Polsko, Česká Republika). Tyto zdroje totiž umožňují spojitou regulaci a relativně rychlé omezení výkonu či spuštění záložních zdrojů pro rychlé pokrytí výpadků (do 30 minut). Energetičtí giganti v podobě Německa a Francie pak využívají kombinace více zdrojů. Zatímco Francie reguluje pomocí atomových elektráren a hydroelektrárny v poměru cca 1:3, Německo se mimo plynu a uhlí spoléhá i na pomoc celoevropské sítě a hydroelektráren v Rakousku. Atomové elektrárny jsou sice určeny pro ustálenou dodávku, ale v určitém rozsahu mají možnost regulace. To v případě jejich velkého počtu, jako je tomu právě ve Francii, poskytuje v tomto směru značné možnosti. I např. náš Temelín má certifikaci na tzv. primární a sekundární regulaci, ale zatím nebyla využita s ohledem na přítomnost snadněji řiditelných uhelných elektráren. Toho se může začít využívat v budoucnu, protože v rámci našeho území patrně nastane problém s řízením již při souhrnném instalovaném výkonu větrných elektráren nad 1200 MW.

Dalším možným řešením problému přebytku nejen větrné energie, byť silně omezeným, je dálkové nebo automatické lokální omezení vlivu větru na větrník prostřednictvím natáčení listů, celé gondoly či změny převodu převodovky (viz obrázek níže). Tímto způsobem lze však vyrovnávat jen drobné kolísání rychlosti. V případě extrémních výkyvů pak lze z dispečinku jen provést rychlé odpojení větrníků od sítě nebo jejich případné úplné zastavení vestavěnou brzdou. Tím však drahocennou energii „vyhazujeme z okna“ a hlavně každé připojování a odpojování elektrárny od sítě může vytvářet nežádoucí rušení. Snižuje se tak kvalita dodávané elektřiny, což vadí provozovatelům distribuční soustavy i nám odběratelům. Proto je každé připojení nebo odpojení větrné elektrárny náročná záležitost, i když nám dnes pomáhá elektronika (softstartéry, frekvenční měniče). Ta vhodnou změnou aktuálně generovaného výkonu, frekvence a fáze střídavého generovaného napětí umožňuje stále snadnější připojování do vysokonapěťové distribuční sítě. Z pohledu konstrukce větrníků se také začíná přecházet z doposud hojně využívaných asynchronních generátorů na rychloběžné synchronní typy, které jsou v tomto směru méně problémové.

Pokračování příště ...

V 2. díle se pak dočtete o některých možných principech jímání a uložení přebytečné větrné elektrické energie, např. co je CAES nebo jakým způsobem chce Dánsko zajistit kompletní výrobu el. energie jen z obnovitelných zdrojů (větrných elektráren).

V upravené a zkrácené podobě si pak i 2. díl můžete přečíst hned v tištěné podobě v 6. čísle letošního ročníku 2009 časopisu "Alternativní energie", vydaný 14.12.2009 (bližší informace k časopisu na webu www.alen.cz).

Autor: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

Anonymous (neověřeno) - 12. Leden 2010 - 20:16

Proč je v článku tolik pravopisných chyb? Čte to po autorovi někdo? Pokud autor není schopen rozpoznat měkké a tvrdé "i"/"y", nechť požádá někoho o korekturu.