Vedle solárních článků pro potřeby výroby el. energie, jsou k dispozici i další možnosti. Jednou jsou i větrné elektrárny. Pro účely malých výkonů slouží malé a mikroelektrárny malých rozměrů, jednoduché konstrukce a výkony do několika desítek kW. Tento článek stručně popisuje funkci, konstrukci, regulaci malých i velkých elektráren.

K místní výrobě elektrické energie, tzn. elektřiny, která není dodána z "centrální" napájecí sítě, mohou sloužit nejen všeobecně známé sluneční články a panely, ale také malé větrné elektrárny. Většina lidí si pod pojmem větrná elektrárna většinou představí často diskutované velké "sloupy" s velkými vrtulemi a s výkony mnoha stovek nebo i tisíců kilowatů. Ty jsou samozřejmě důležité pro globální ekologickou výrobu elektřiny dodávané do elektrické sítě, ale pro malé firmy a lidi jednotlivce až tak zajímavé nejsou. V jejich stínu pak na trhu nalezneme i tzv. větrné mikroelektrárny, které se vyznačují malý rozměry (několik m) a jsou tedy vhodné jako alternativa nebo doplněk solárních panelů pro napájení mobilních nebo v přírodě a krajině osamocených zařízení, jako jsou například měřící stanice či reklamní panely a poutače. O něco větší verze pak mohou v klidu zásobovat elektřinou osamělé sruby, chaty či chalupy, příp. i rodinné domky. Právě hlavně o těchto malých větrných elektrárnách je tento článek.

Výhody a nevýhody napájení větrnou elektrárnou

Výhody:

• napájení ve špatně dostupných místech - hory
• relativně velký výkon na rozměry (např. proti solárním článků)
• při zálohování energie je nutná jen omezená doba větru
• jen málo zatěžuje životní prostředí

Nevýhody:

• složitá instalace i v případě mikroelektráren
• použití je na místech s optimálními větrnými podmínkami
• velké elektrárny vzhledem narušují krajinu
• bohužel dost vysoká investice - cena

Princip větrných elektráren

Větrná energie je jedna z forem, do níž se transformuje sluneční záření, neustále dopadající na naši planetu. Vítr je proudění vzduchu, které vzniká tlakovými rozdíly mezi různě zahřátými oblastmi vzduchu v zemské atmosféře. Pokud není uvedeno jinak, rozumí se (i v odborné literatuře) pod pojmem vítr pouze horizontální složka proudění vzduchu. Působením aerodynamických sil na listy vrtule se převádí kinetická energii větru na rotační mechanickou energii rotoru. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie (na podobném principu turbogenerátoru např. vodní elektrárny). Prouděním vznikají podél listů velké aerodynamické síly, a proto listy musejí mít speciálně tvarovaný profil, velmi podobný profilu křídel letadla.

Se vzrůstající rychlostí vzdušného proudu rostou vztlakové síly s druhou mocninou rychlosti větru a energie vyprodukovaná generátorem s třetí mocninou. Odhad produkovaného výkonu tedy stanovit pomocí rovnice:

P = 0.2 x v³ x D²,

kde P = výkon zařízení, v = rychlost větru, D = průměr vrtule. V praxi však samozřejmě nemůže růst výkon do nekonečna. Existuje vždy konkrétní "výkonový strop", na kterém se již s rostoucí rychlostí proudění výkon neroste. To je zajištěno rychlou automatickou regulaci výkonu rotoru tak, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému přetížení věrné elektrárny. Bez ní by lehce mohlo dojít k poškození nebo zničení generátoru a mechanických částí elektrárny.

Vrtule je rychloběžný typ větrné elektrárny a má nejvyšší možnou dosažitelnou účinnost ze všech ostatních typů, max. 45%. Listy vrtule ("křídla" elektrárny), kterých zpravidla bývá 1 až 4, jsou vyrobená ze sklolaminátu podle přesně propočítaných profilů. Jejich délka se pohybuje od 30 do 40 metrů, průměr rotoru je tedy 60 až 80 metrů, v poslední době i větší. Při 25 otáčkách/min tak dosahují za provozu konce křídel rychlosti přes 300 km/h! Jejich natáčení kolem vlastní podélné osy je jedním z prvků regulace chodu elektrárny. Fouká-li příliš silný vítr nebo je-li nutné elektrárnu odstavit z jiného důvodu, listy křídel se natočí kolem své osy tak, že vítr rotorem neotočí. Rotor je pak zajištěn brzdou.

Druhy a rozdělení běžných větrných elektráren

Jak již bylo předznamenáno v úvodu, podle velikosti lze větrné elektrárny rozdělit na:

 

• mikroelektrárny - pro napájení jednotlivých zařízení - nedodávají energii do sítě - výkon do cca 1 kW
• malé elektrárny - pro napájení velkých zařízení nebo stavení - obvykle nedodávají energii do sítě - výkon do cca 15 kW
• středně velké elektrárny - pro napájení několik stavení - obvykle dodávají energii do el. sítě - výkon do cca 100 kW
• velké elektrárny - pro napájení vesnic a měst - vždy dodávají energii do sítě - výkon stovky kW až jednotky MW

Zatímco mikroelektrárny na svém výstupu dávají napětí 12V nebo 24 V a výkon v rozsahu 1 W až cca 1kW a malé elektrárny napětí 230 V (příp. 400 V), s výkonem do cca 15 kW, střední a velké elektrárny již poskytují vyšší napětí, někdy v až řádu kV a výkony až 3 MW na jednu větrnou elektrárnu.

Využitelný potenciál energie větru velmi ovlivňuje typ navržené větrné elektrárny a její výkon. Větrné elektrárny se od sebe liší výtěžností pro určité parametry větru, což vyplývá z konstrukce vrtule/rotoru, typu generátoru a regulace.

Podle aerodynamického principu dělíme větrné elektrárny na:

• Vztlakové s vodorovnou osou otáčení - vítr obtéká lopatky s profilem podobným letecké vrtuli. Na podobném principu pracovaly již historické větrné mlýny, nebo tak pracují větrná kola vodních čerpadel (tzv. americký větrný motor). Při stejném průměru rotoru v zásadě platí nepřímá závislost počtu listů a frekvence otáčení. Moderní elektrárny mají obvykle tři listy, byly však vyvinuty i typy s jediným nebo se dvěma listy.
• Odporové - pracují na vztlakovém principu, kdy existují také elektrárny se svislou osou otáčení, některé pracují na odporovém principu (typ Savonius, jako misky anemometru) nebo na vztlakovém principu (typ Darrieus). Výhodou elektráren se svislou osou pracujících na vztlakovém principu je, že mohou dosahovat vyšší rychlosti otáčení a tím i vyšší účinnosti; není je třeba natáčet do směru převládajícího větru. Elektrárny se svislou osou otáčení se v praxi příliš neuplatnily, neboť u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, které značně snižuje jejich životnost. Nevýhodou je malá výška rotoru nad terénem, tj. i menši rychlost větru. V praxi se téměř nepoužívají.

Systém natáčení do směru větru používá se několik způsobů:

• Ocasní plocha - hlavně u mikroelektráren, příp. malých elektráren - jednoduché mechanické řešení
• Boční pomocné rotory - malé a střední elektrárny
• Natáčení pomocnými motory - střední a velké elektrárny

K přeměně kinetické energie větru na elektrickou energii slouží generátory. Používají se tyto druhy:

• Stejnosměrné – jsou vhodné pouze pro mikroelektrárny, které produkují stejnosměrné napětí 12 nebo 24 V.
• Asynchronní – produkují střídavý proud a napětí => jsou připojitelné k síti. Nevyžadují složitý připojovací systém - pouze se sledují otáčky a rozhoduje o okamžiku připojení k síti.
• Synchronní – jsou vhodné pro malé, střední i velké větrné elektrárny - mají velkou účinnost. Mnohapólové generátory jsou schopny pracovat s velkým rozsahem rychlostí větru i bez převodovky.

V současné době převládají dva typy regulace výkonu v závislosti na rychlosti větru:

• Regulace Stali (pasivní) - rotor elektrárny má pevné listy a pro regulaci využívá odtržení proudnice vzduchu od listu rotoru při určité rychlosti větru. Po odtrženi dojde ke snížení výkonu. Výhody jsou o něco vyšší výroba elektrické energie při vyšších rychlostech větru s větrnými nárazy a nižší pořizovací náklady. V současné době se používá i aktivní varianta regulace typu Stali, která spočívá v mírném pomalém aktivním natáčení listů v závislosti na okamžitých klimatických podmínkách, např. hustotě vzduchu.
• Regulace Pitch (aktivní) - využívá natáčení celého listu rotoru podle okamžité rychlosti větru tak, aby byl celkový náběh větrného proudu v daném okamžiku optimální (dosažení nejvyšší výroby). Výhodou je vyšší výroba elektrické energie zejména při nižších rychlostech větru, kdy se optimalizace projeví nejvíce. Nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady.

 

Provedení a funkce jednotlivých typů

Větrná mikroelektrárna a malá elektrárna

Tyto typy větrných elektráren jsou pro osobní použití nebo malé firmy velmi vhodné. Jsou takovou alternativou k slunečním článkům v místech, kde je dost větrno a naopak méně svítí slunce. Mikroelektrárny s malými výkony (cca 100 W) tak mohou například napájet osvětlení reklamních panelů podél dálnic, aktivní inteligentní dopravní značky, měřiče teploty a hodiny apod. Jejich skládací verze mohou sloužit v přírodě jako mobilní nabíječe akumulátoru, napájení světlení, vařiče, malého topení, vysílačky, počítače nebo televizoru.

Mikroelektrárny, které dosahují výkonů až několik jednotek kW, již mají pevnou instalaci a mohou v klidu napájet chaty. Proč tedy toho nevyužít, když dům stojí na kopci, kde je často stabilní rychlost větru ? Jediným protiargumentem je stále vysoká cena, která se však s rostoucí životností moderních větrných elektráren vrátí. To je lákavá představa, ale co dělat, když zrovna nefouká ? Samozřejmostí je, že se el. energie větrné elektrárny akumuluje do akumulátorů, které pokrývají spotřebu při špičkových zatíženích nebo když nefouká. Navíc je možné ji doplnit o solární články/panely a vhodným řídícím systémem, který přerozdělování výroby el. energie automaticky inteligentně řídí. Tato kombinace je zdá se ideální, protože když nefouká, tak často svítí slunce a obráceně. Na překážku takovému řešení je pak opět hlavně cena, protože tato kombinace je již opravdu dost nákladná. To platí však v současné době, ale s větším rozšířením se dle zákonitostí ekonomiky cena bude automaticky snižovat. Až se ekologie stane módou a módním stylem hlavně u bohatých lidí, nebude k rozšíření kombinace sluneční a větrné elektrárny na úrovně jednotlivých domácností již nic stát v cestě.

Celosvětově lze již nalézt na poli mikroelektráren docela slušnou nabídku. Český trh však stále trošku pokulhává. Prostě jsme malá republika a síťové napájecí kabely 230 V jsou nataženy prakticky až na výjimky do všech koutů naší vlasti. Proto zde není ani motivace daná nutností, jako je tomu na zapadlých samotách, například amerického venkova. Generátor mikroelektrárny obvykle poskytuje výkon mezi 1 W až cca 1 kW a bateriová napětí 12, případně 24 V.

Tzv. větrná mikroelektrárna je složená z následujících mechanických částí:

• rotor s listy
• generátor nebo alternátor zamontované v rámu (frame)
• stabilizačního a natáčecího ocasu (tail)
• upevňovacího podstavce/tyče (tower)

A elektrických částí - regulačního systému:

• řídící jednotka (controller)
• invertory (inverters)
• akumulátory/baterie (batteries)

Dnešní mikroelektrárny jsou obvykle v horizontálním provedení s rotorem se dvěma až čtyřmi listy z kompozitového materiálu (skleněná vlákna). Průměr rotoru definuje tzv. "zametací oblast (swept area)" nebo množství zachyceného vzduchu (the quantity of wind intercepted by the turbine). Ocal (tail) provádí natáčení a stabilizaci rotoru ve větru.

Malé elektrárny

Malé větrné elektrárny již poskytují výkony i mnoho jednotek kW, což již na spotřebu  velké chaty nebo běžného rodinného, dobře zatepleného domku stačí. Například výkon od 1 kW již plně postačuje na čerpání vody ze studně a její rozvod do kohoutků v objektu. Tyto elektrárny často vyrábí elektřinu pomocí synchronních generátorů buzených permanentními magnety s výstupním napětím 24 V nebo klasických 230 V, příp. 400V.

Pro správnou volbu je nutné správně spočítat spotřebu a zvolit výkon elektrárny, resp. jejího generátoru/turbíny. Takový typický domek má roční spotřebu cca 9400 kWh za rok, čemuž odpovídá cca 780 kW za měsíc. V závislosti na průměrné rychlosti větru je vhodné volit výkon elektrárny 5 až 10 kW. Výkon 1.5 kW v místě s průměrnou rychlostí větru cca 6 m/s pak za měsíc vygeneruje cca 300 kWh.

Z pohledu konstrukce mohou vypadat různě. Zatímco malé elektrárny s výkonem okolo 1 až 5 kW mohou ještě vypadat jako "větší" mikroelektrárny - viz. obrázek 6., konstrukce pro výkony na 10 kW již někdy vypadají jako zmenšeniny těch středních a velkých, tzn. mají již gondolu vybavenou převodovkou (Gear-Box), brzdou (Brake) a generátorem (Generator) připojené přes hřídel (Main Shaft) na rotor vrtule s listy (Blades). Vše je pak připevněno na sloupu (Tower), kterým vedou výkonové a signálové kabely - viz obrázek 8.

Obr. 8. Detail gondoly/strojovny střední větrné elektrárny

Střední a velké elektrárny

Elektrárny velkých výkonů (300 až 3000 kW) jsou určeny k dodávce energie do veřejné rozvodné sítě. Mají asynchronní nebo synchronní generátor, který dodává střídavý proud o napětí 660 V a vyšších, a tudíž nemohou pracovat jako autonomní zdroje energie. Existují i elektrárny se speciálním mnohapólovým generátorem, který nevyžaduje převodovou skříň. Většina elektráren má konstantní otáčky regulované natáčením listů a proměnným převodovým poměrem převodovky. Některé typy mají i dvě rychlosti otáčení. Některé střední elektrárny mohou však mít i proměnné otáčky podle okamžité rychlostí větru. V praxi se používají většinou větrné elektrárny s horizontální osou rotace a u velké elektrárny mají průměr rotoru až 80 m a věž o výšce více než 80 metrů. Trendem poslední doby je zvětšování výkonu větrných elektráren a zvyšování stožárů. Nejnovější zařízení instalovaná ve světě pracují s generátorem o výkonu až 3 MW, který je na tubusu dosahujícím výšky kolem 100 metrů. Důvodem jsou nižší měrné náklady na výrobu energie a optimální využití lokalit, kterých je omezený počet. K zefektivnění provozu a snížení nákladů na projektování a výstavbu se velké elektrárny sdružují do skupin (obvykle 5 až 30 elektráren) tzv. větrných farem.

Struktura střední a velké větrné elektrárny je velmi podobná a skládá se z níže uvedených částí. Rozdíl je často jen ve velikosti a dimenzování  mechanických částí a pak v provedení gondoly/strojovny a samotné věže. Velké elektrárny mají dutý tubus věže se schody či výtahem a velkou strojovnu - viz obrázek 9. Popis částí velké větrné elektrárny: 1 - rotor (main shaft) s rotorovou hlavicí (hub) a listy (blades) 2 - brzda rotoru (brake) 3 - planetová převodovka (Gear-Box Transmision) 4 - spojka (cluth) 5 - generátor (Generator) 6 - servo-pohon natáčení strojovny 7 - brzda točny strojovny (Housing) 8 - ložisko točny strojovny 9 - čidla rychlosti a směru větru 10 - několikadílná věž elektrárny (Tower) 11 - betonový armovaný základ elektrárny 12 - elektrorozvaděče silnoproudého a řídícího obvodu 13 - elektrická přípojka

Obr. 9. Struktura velké větrné elektrárny

V dnešních moderních velkých elektrárnách se využívá vyspělé automatické regulace, například sestávající se ze systému individuální regulace natáčení listů rotoru (Individual Pitch Control – IPC) v kombinaci s převodovkou s integrovaným systémem proměnlivého převodového poměru (Super Position Gear – SPG - viz obrázek 10). Toto řešení poskytuje úplnou kontrolu nad přenosem energie získávané z vysoce proměnného prostředí větru a umožňuje výrobu elektrické energie pomocí standardního synchronního generátoru s konstantními otáčkami. Individuální regulace natáčení listů rotoru (IPC) zajišťuje dynamické nastavení optimálního úhlu jednotlivých listů pro maximální účinost získávání větrné energie v samém počátku. Další fáze regulace je prováděna převodovkou s integrovaným systémem proměnlivého převodového poměru (SPG), která umožňuje plynulou změnou převodového poměru udržovat konstantní otáčky synchronního generátoru v celém rozsahu pracovních otáček rotoru větrné elektrárny. Regulace SPG umožňuje provozovat větrnou elektrárnu při otáčkách rotoru určovaných rychlostí větru a zároveň udržovat konstantní výstupní otáčky pro pohon generátoru. Funkce je zajištěna nastavitelným zdvihem hydraulické jednotky poháněné hřídelí generátoru. V případě, že poryvy větru způsobí nárůst přenášeného kroutícího momentu ve vztahu k daným otáčkám, potom automaticky dojde ke snížení převodového poměru a tím je umožněno rychlejší otáčení rotoru elektrárny v závislosti na síle a rychlosti větru. Toto umožňuje pohlcovat náhlé výkyvy větrné energie akcelerací rotoru na vyšší otáčky a zároveň tak dochází k ochraně celého pohonného soustrojí před destruktivními výkyvy přenášeného kroutícího momentu.

Příklad reálných vlastností - Větrná elektrárna AIRCON 10

Technická data:

• Jmenovitý výkon: 10 kW
• Průměr rotoru: 7,40 m
• Plocha rotoru: 40 m2
• Spouštěcí rychlost: 2.5 m/s
• Nominální rychlost větru: 11 m/s
• Vypínací rychlost větru: 37 m/s
• Kritická rychlost větru: 58 m/s
• Otáčky: 70-160 ot/min
• Regulace otáček: Pitch 1
• Brzdný systém: Regulace přetížení generátoru, 2. brzdný systém: Hydraulická kotoučová brzda
• Alternativní přestavění listů
• Regulace větru: Aktivní řízení počítačem
• Monitorování regulace větru: Mikropočítač
• Generátor: Permanentně nabuzený synchronní měnič IGBT, čtyřkvadrantový s signálovým procesorem DSP
• Nominální výkon: 12.5 kVA
• Nominální napětí: 400 V
• Účiník (power factor - cos q): 0.98
• Minimální harmonické zkreslení
• Dálková regulace výkonu, rozsahu otáček, dálkové monitorování přes telefonní / rádiovou / internetovou síť přes počítačové rozhraní RS232 nebo RS485

Galerie větrných elektráren v přírodě

Závěr

Cílem tohoto článku bylo obecně přiblížit oblast výroby el. energie prostřednictvím větrných elektráren a ukázat, že mimo v médiích probíraných velkých elektráren, existuje i skupina těch malých. Myslím si, že pro potřeby ekologického nezávislého napájení přístrojů a zařízení, je použití malých elektráren na některých místech docela výhodné. Navíc při kombinaci se solárními články je možné zajistit vcelku spolehlivý zdroj. V současné době sice jde o finančně náročný zdroj (400W mikroelektrárna stojí cca 30 000 Kč), ale patrně v budoucnosti by mohlo jít o více rozšířený způsob výroby elektřiny. V oblasti výstavby velkých větrných elektráren se často vedou diskuse o vlivu na přírodu, kde mohou kvůli vysokému stožáru a velkému průměru rotoru negativně narušit optický reliéf krajiny a hlukem plašit zvěř. U nových typů je však již konstrukce podřízena velmi přísným požadavkům omezení hlučnosti, a to jak mechanické (převodová skříň, generátor) tak aerodynamické (rotor). Téma větrných elektráren tak bude jistě velmi aktivní i v budoucnu. Pro více zajímavých informací odkazuji na články uvedené níže.

DOWNLOAD & Odkazy

• Články a servery týkající se větrných elektráren:
  • www.alter-eko.cz/index.php?page=vetrne-elektrarny/vetrne-informace
  • www.maturita.cz/referaty/referat.asp?id=2379
  • www.energetika.cz/index.php?id=89
  • www.alter-eko.cz/p_menu_vee.php
  • www.alter-eko.cz/p_menu_vee.php
  • www.i-ekis.cz/?page=vitr
  • www.energy.iastate.edu/renewable/wind/wem/wem-06_tech_overview.html
    
    
• Výrobce malých a středních větrných elektráren AIRCON - www.aircon-international.de
• Prodejce větrných mikroelektráren - firma Alter-eco s.r.o - www.alter-eko.cz
• Český výrobce velkých větrných elektráren - firmy Wikov Wind a.s. - www.wikov.com
• Český výrobce velkých větrných elektráren - firmy ČKD Nové Energo - www.ckdnoveenergo.cz/new/index.php?m=4&ms=117
  

 

• Články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz