V oblastech s vysokou rychlostí větru, v pobřežních zónách a na místech, kde solární elektrárna „nezvládne“ zimu, se pro autonomní napájení využívají větrné elektrárny – „větrné generátory“ (zkráceně VG). Ale na většině území naší země je průměrná rychlost větru pouze 4-5 m/s, zatímco větrný generátor potřebuje k výrobě „jmenovitého výkonu“ 10-12 m/s. Proto není pochyb o důležitosti správného a promyšleného instalace zařízení až do bodu , kde bude jeho vrtule v zóně s maximální rychlostí větru.
Výkon větrného generátoru a závislost na rychlosti větru a výšce stožáru
Proč je tak důležité „neztratit“ ani metr za sekundu? Stanovme závislost výkonu větrného generátoru na rychlosti větru.
1. Kinetická energie vzduchu pohybujícího se laminárně (bez turbulence) W=1/2mV2, kde m je hmotnost vzduchu, V je jeho rychlost.
2. Hmotnost vzduchu procházejícího za čas t a plochu S lze vyjádřit následovně: m=VtSρ, kde: S je plocha popsaná šroubem VG, ρ je hustota vzduchu.
3. Pro určení výkonu (P) vydělte energii časem, dosaďte výraz za hmotnost, dostaneme: P=1/2V3Sρ.
4. Pokud nyní výraz vynásobíme účinností zařízení jako celku, který zahrnuje převodní koeficient lopatek vrtule, účinnost převodovky a generátoru (ƞ), získáme skutečný výkon „větrného mlýna“: P=1/2V3Sρ ƞ. V praxi se hodnota ƞ obvykle pohybuje v rozmezí 0,4-0,5.
Jak je vidět z výpočtu, výkon VG je úměrný třetí mocnině rychlosti větru, to znamená, že zvýšení rychlosti o 2 krát způsobí zvýšení výkonu o 8 krát!
Při výběru místa pro instalaci větrného generátoru by tedy měla být rozhodující rychlost větru a absence turbulencí (vírů). Z těchto důvodů jsou ideální následující:
- břeh velké vodní plochy;
- vrchol hory nebo kopce;
- střed rozšířeného pole.
Bohužel, v reálném životě má moře, pole a hory na svém pozemku jen málokdo. Proto platí pouze jedna zásada – čím vyšší nastavení, tím lépe. V ideálním případě by Větrný generátor měl být alespoň o 6 (šest) metrů výše než okolní objekty (domy, stromy, budovy, kopce), aby byl v zóně laminárního pohybu vzduchu.
Uveďme si jednoduchý příklad, který lze snadno zkontrolovat v on-line kalkulačce pro výpočet na našem webu. Uvažujme model pětilistého větrného generátoru HY-1000, stojícího v „nekonečném“ poli poblíž Petrohradu:
- Při výšce stožáru 5 metrů je maximálního výkonu dosaženo v září a je 1,38 kWh/den;
- Zvýšíme-li výšku stožáru na 10 metrů, dostaneme 2,43 kWh/den;
- Zvětšeme výšku na 20 metrů a dostaneme 3,12 kWh/den.
Závěr se napovídá – často místo zvýšení výkonu větrného generátoru stačí zvýšit výšku stožáru.
Rozhodující role umístění větrné turbíny v účinnosti energetického systému
Je velmi lákavé připevnit k domu stožár větrného generátoru, aby se zvýšila výška celé konstrukce. Navzdory zjevným výhodám má tento přístup řadu nevýhod:
Jednak instalace vydává zvuky a tyto zvuky lze po stožáru perfektně přenést na konstrukci domu, což bude časem dráždit jeho obyvatele. Za druhé, pokud se budova nachází na území města, mohou být vyžadovány další souhlasy dozorových orgánů.
Za pozornost také stojí provedení samotného stožáru. Pokud jsou horizontální lineární rozměry stožáru srovnatelné nebo přesahují rozměry VG, pak ve skutečnosti může být samotný stožár zdrojem turbulencí.
Velmi názorný příklad, kdy stožár v podstatě překáží chodu systému a navíc částečně stíní solární panely, je na fotografii.
Zvláštní pozornost by měla být věnována výběru průřezu kabelu. Vzhledem k tomu, že VG je umístěn na stožáru a regulátor nabíjení je někde v domě, může být délka vedení značná, stejně jako pokles napětí. To může snížit účinnost nabíjení baterií. Z těchto důvodů musí být plocha průřezu kabelu dostatečně velká, aby tento efekt byl zanedbatelný. Chcete-li vypočítat plochu průřezu kabelu, měli byste se řídit pravidly popsanými v článku Výpočet průřezu vodiče.
Na rozdíl od instalace solárních panelů, instalace větrné turbíny často vyžaduje velké stavební práce, jako je betonování základny, instalace kotevních pilot a svařování. Správná instalace však zajistí spolehlivý a efektivní provoz systému a maximální produkci energie po celou dobu jeho životnosti.
Moderní větrná energie je energie velkých kapacit a obřích strojů. Větrné turbíny jsou stále větší a větší. Takhle:
Když se podíváte na změnu ve vnitrozemské flotile větrných turbín v průběhu času, například v Německu, je zřejmý nárůst jejich průměrné velikosti.
Vše roste. Zvětšují se jak věže, které dnes na největších strojích dosahují 140 metrů, zvětšují se lopatky, dosahující délky téměř 90 m, a průměry rotorů dosahující téměř 190 m.
Dnes jsou největší sériové větrné turbíny 8megawattové stroje od společností Vestas (MHI Vestas V164), Adwen (AD-180) a Siemens (SWT-8.0-154 8MW), používané v pobřežní větrné energii, a také 7,5 MW Enercon E Model -126 je největší kontinentální větrný generátor (na obrázku na začátku článku).
Jedná se o produkční modely v provozu. Ještě větší jednotky existují v prototypové podobě.
Existuje omezení velikosti větrných turbín? Čím je to způsobeno?
Je jasné, že velikost větrných turbín se zvyšuje ne z rozmaru, ale na základě ekonomických úvah – ve snaze snížit náklady na elektřinu. Vysoké věže poskytují přístup ke kvalitnějším zdrojům větru (jak říkají odborníci: „ve výšce 100 metrů je vždy komerční vítr“). Zvětšení průměru rotoru umožňuje „zachytit“ více těchto zdrojů a také využít potenciál větru nižší kvality. Zvětšení velikosti může vést ke snížení měrných (na jednotku výkonu) kapitálových a provozních nákladů, což přímo ovlivňuje náklady na elektřinu.
Rostoucí velikost větrných turbín zároveň čelí omezením souvisejícím jak s vlastnostmi použitých materiálů, tak s technologiemi dopravy a instalace. Kromě toho existují fyzikální limity nárůstu velikosti popsaného zákonem čtvercové krychle: objem (respektive hmotnost a cena) použitých materiálů může růst rychleji, než je návratnost tohoto nárůstu.
Omezení dopravy, logistiky a instalace se týkají především pevninské větrné energie. Přeprava sekcí věže o velkém průměru a dlouhých lopatek po zemi je vážnou technologickou výzvou. Průměr přepravovaných trubek/kuželů věží větrných turbín je v současnosti omezen na 4,3 metru, ojediněle je možná přeprava průměrů 4,6 metru. Přeprava takových jednotek na velké vzdálenosti je samozřejmě nesmírně obtížná. Jedním z kompromisních řešení je kombinovaná ocel/železobetonová věž, ve které jsou spodní železobetonové sekce s největším průměrem vyrobeny na místě. Navíc je třeba vzít v úvahu, že přepravní a instalační technika (např. velké jeřáby) má své limity.
Omezení uvedená v předchozím odstavci se v menší míře vztahují na větrnou energii na moři, která využívá výrobní technologie/kapacity stavby lodí, stavby na moři a námořní nákladní dopravu.
Studie provedená letos ve Spojených státech, která zahrnovala průzkum mezi 163 předními odborníky z oboru, ukázala, že velikost větrných turbín bude nadále růst. Zároveň je zřejmé, že růstový potenciál offshore větrných generátorů výrazně převyšuje potenciál onshore větrné energie.
Výsledky studie jsou uvedeny v následujících grafech.
Do roku 2030 se průměrná výška věže větrných turbín v kontinentálním větrném průmyslu přiblíží 120 metrům v Evropě i v USA, průměrný průměr rotoru bude v rozmezí 130–140 metrů a průměrný instalovaný výkon na generátor v Evropě se vyšší než 3,5 MW.
V offshore větrné energii jsou plánované změny mnohem významnější. Průměrný výkon větrných turbín na evropském trhu dosáhne 11 MW, s věžemi vysokými přes 220 metrů. Rozšíří se plovoucí větrné elektrárny. Někteří odborníci předpokládají, že do roku 2030 Maximální výkon pobřežních větrných turbín na pevném základu může dosáhnout 18 MW, tedy více než dvojnásobek dnešních rekordních úrovní.
Je přitom jasné, že větrné elektrárny nebudou růst donekonečna. Pravděpodobně brzy zjistíme optimum, jehož překročení bude náročné především z logistického hlediska a nebude ekonomicky opodstatněné.
