Energie větru

Větrná energie je jen jedna z forem sluneční energie. Vzniká díky tomu, že Slunce zahřívá Zemi nerovnoměrně. Mezi různě zahřátými oblastmi vzduchu v zemské atmosféře vznikají tlakové rozdíly, které se vyrovnávají prouděním vzduchu. Pod pojmem vítr rozumíme pouze horizontální složku proudění vzduchu, ve vrstvě několika desítek metrů nad zemí jsou stoupavé vzdušné proudy nevýznamné.

Výhodou větrné energie je, že ji, na rozdíl třeba od energie biomasy, dokážeme poměrně snadno přeměnit na žádanou elektřinu. Využívání větru tak může napomoci splnění národního cíle - produkovat v roce 2010 z obnovitelných zdrojů 8 % celkové spotřeby elektřiny.

Potenciál větrné energie v ČR se odhaduje na 4 000 GWh ročně. To je asi 4 % naší celkové spotřeby elektřiny. V bilanci celkové energetické spotřeby jde asi o jedno procento.

V poslední době u nás větrných elektráren přibývá. Důvodů je více: zejména poměrně příznivé výkupní ceny a hlavně zákonem daná garance, že tyto ceny budou pevné po dobu 20 let od spuštění. Dalším důvodem může být možnost získání dotace, i když většina velkých větrných elektráren se u nás staví i bez dotace. Obcím navíc provozovatelé obvykle nabízejí roční příspěvky ve výši několika desítek tisíc Kč za jednu elektrárnu.

Instalovaný výkon větrných elektráren koncem roku 2006 v evropských zemích. Zdroj: EWEA

Instalovaný výkon větrných elektráren v ČR. Zdroj: EkoWATT

Přírodní podmínky

Česká republika je vnitrozemský stát s typicky kontinentálním klimatem, které se projevuje významným sezónním kolísáním rychlostí větru. Příčinou je zejména globální vzdušné proudění typické pro severní a střední Evropu.

Rychlost větru je nejdůležitějším údajem při využívání energie větru, udává se převážně v m/s. Poblíž zemského povrchu je proudění vzduchu ovlivňováno členitostí terénu - vítr je zpomalován terénními překážkami - stavbami, kopci, a také druhem povrchu (tráva, les, vodní hladina, sníh apod.). S rostoucí výškou se rychlost větru logaritmicky zvyšuje. Je tedy velký rozdíl mezi rychlostí větru ve výšce 10 m a 100 m nad terénem.

Proudění vzduchu je vždy turbulentní, což se projevuje kolísáním rychlosti a směru větru. Výsledky měření směru a rychlosti větru jsou proto průměrované za určitý časový interval, tzv. vzorkovací dobu. Měření rychlosti větru se provádí anemometry (mechanické či elektronické).

V nejjednodušším přiblížení je možno vertikální profil rychlosti větru přiblížit následujícím příkladem.

Schématizované vertikální profily rychlosti větru v přízemní vrstvě při různých parametrech drsnosti. Zdroj: časopis Větrná energie

Pro měření rychlosti větru existují mezinárodní standardy. Pro rychlost a směr větru je to výška 10 m nad zemským povrchem (pokud ji není možno dodržet, jsou údaje dohodnutým způsobem přepočítávány na tuto výšku).

Pro velmi hrubou představu o rychlosti větru lze použít běžně dostupná měření meteorologických stanic. Měření rychlostí a směru větru se spolu s jinými klimatickými údaji provádí v ČR sítí cca 200 meteorologických stanicích ČHMÚ, včetně stanic synoptických a klimatologických. Výsledky měření jsou odborně kontrolovány, archivovány a jsou k dispozici za úhradu buď ve formě nezpracovaných dat, nebo ve formě výsledků analýzy těchto dat prováděných pro různé účely.

Pro základní výpočet průměrných ročních rychlostí větru vznikl v Ústavu fyziky atmosféry AV ČR (ÚFA) počítačový program VAS. Umožňuje výpočet rychlosti větru na libovolném místě v ČR, který je prováděn interpolací údajů meteorologických stanic a z numerického modelu proudění nad naším územím. Umožňuje teoretické rozlišení pro oblast velikosti 2 x 2 km.

V praxi se pro základní odborné posouzení lokalita hodnotí třemi různými počítačovými modely: modelem VAS, dánským modelem WAsP a modelem PIAP. S těmito modely pracují ÚFA i ČHMÚ. Toto posouzení může sloužit pro rozhodování o podnikatelském záměru a při rozhodování o umístění větrné elektrárny.

Větrný atlas České republiky. Zdroj: ÚFA AV ČR

Jsou-li nepřímo získané údaje o rychlosti větru příznivé, je nutné provést měření rychlosti větru přímo v dané lokalitě. Měření by mělo trvat alespoň rok, měřící přístroj by měl být v ideálním případě umístěn ve výšce osy budoucího rotoru elektrárny (vrtule).

Možnosti využití

Dnes se z větru získává zejména elektřina. Velká zařízení dodávají elektřinu do sítě. Drobná zařízení mohou sloužit i pro zásobování odlehlých objektů nepřipojených k síti - horských chat, lodí apod. Historicky se energie větru převáděla přímo na mechanickou práci. Dnes jsou funkční větrné mlýny spíše jen kuriozitou. Občas se můžeme setkat s větrnými čerpadly na vodu, např. na pastvinách.

Větrné elektrárny jsou i lákavým turistickým cílem, např. poblíž Vídně můžeme navštívit elektrárnu, která má pod vrtulí i vyhlídkovou plošinu. Setkat se můžeme i s využitím větrné elektrárny jako reklamního poutače.

Elektrárna s vyhlídkovou gondolou láká turisty (Rakousko). Foto: EkoWATT

Autonomní systémy

Systémy nezávislé na rozvodné síti (grid-off), tedy autonomní systémy, slouží objektům, které nemají možnost se připojit k rozvodné síti. Zde se obvykle používají mikroelektrárny s výkonem od 0,1 do 5 kW. Součástí autonomního systému jsou i akumulátory a řídící elektronika. V objektu pak může být buď rozvod stejnosměrného proudu s nízkým napětím (12 nebo 24 V), nebo je v systému zapojen ještě střídač pro dodávku střídavého proudu 230 V. Podle toho je nutno objekt vybavit energeticky úspornými spotřebiči. Autonomní systémy bývají často doplněny fotovoltaickými panely pro letní období, kdy je méně větru, ale více sluníčka.

Malá elektrárna pro osvětlení reklamy (jižní Morava). Foto: EkoWATT

Pro větší výkony se používají větrné elektrárny se synchronními generátory.

Můžeme se také setkat s myšlenkou využít větrnou energii k vytápění rodinného domu nebo chaty. Toto využití je trochu problematické. Dům pro bydlení by měl stát na místě chráněném před větrem. Větrná elektrárna naopak potřebuje větru co nejvíce. Nízko nad zemí je vzduch brzděn stromy, domy a dalšími překážkami, takže je nutno umístit turbínu na co nejvyšší stožár. Kabel mezi domem a elektrárnou zvyšuje náklady; pokud by měl vést přes cizí pozemky, může jít o nepřekonatelnou překážku.

Dalším problémem je dostatečná rychlost větru. Malé stroje začínají pracovat již při rychlostech okolo 4 m/s (14,4 km/h), ale jejich výkon je velmi malý. Energie větru totiž roste se třetí mocninou rychlosti, takže např. vítr o rychlosti 5 m/s má dvakrát více energie než při rychlosti 4 m/s. Problémem je ale i příliš vysoká rychlost větru - při rychlosti kolem 20 m/s je obvykle nutno elektrárnu zastavit (zabrzdit vrtuli), aby nedošlo k havárii. Plného (jmenovitého) výkonu dosahuje elektrárna při rychlostech větru kolem 10, někdy až 15 m/s - podle typu a výrobce. Takto silný vítr fouká jen zřídka, elektrárna tedy většinu provozní doby poběží na nižší výkon.

Cena energie získané z autonomního systému je dost vysoká, obvykle vyšší než je cena elektřiny ze sítě. Elektrárna, připojovací kabel a akumulátory pro teplo (event. elektřinu) představují investici v řádu stovek tisíc Kč. Jistou překážkou je i malá nabídka elektráren s výkonem od 5 do 50 kW.

Elektrárny zásobující českou polární stanici v Antarktidě. Foto: Kamil Láska

Systémy připojené k síti

Systémy dodávající energii do rozvodné sítě (grid-on) jsou nejrozšířenější a používají se v oblastech s velkým větrným potenciálem. Slouží téměř výhradně pro komerční výrobu elektřiny.

Výkupní ceny za elektřinu z větrných elektráren pro r. 2008. Zdroj: ERÚ

Montáž rotoru elektrárny v Jindřichovicích pod Smrkem. Foto: EkoWATT

Trendem je výstavba stále větších strojů (průměr rotoru 40 až 100 m a stožár o výšce více než 100 m). Důvodem jsou nižší měrné náklady na výrobu energie a maximální využití lokalit, kterých je omezený počet. Ve vnitrozemí se staví stroje s výkonem 100 až 2000 kW. Na moři (poblíž pobřeží) se využívají turbíny s výkonem až 5 MW. Naopak starší vnitrozemské elektrárny s výkony do 200 kW se demontují a nahrazují silnějšími, i když jsou ještě provozuschopné. Nabízí se pak k vývozu i do ČR. Pozor: garantované výkupní ceny platí pouze pro zařízení, která nejsou starší než 2 roky.

Velké větrné elektrárny mají asynchronní generátor, který dodává střídavý proud většinou o napětí 660 V, a tudíž nemohou pracovat jako autonomní zdroje energie. Existují i elektrárny se speciálním mnohapólovým generátorem, který nevyžaduje převodovou skříň. Většina elektráren má konstantní otáčky - s rostoucí rychlostí větru se zvyšuje zátěž generátoru.

Moderní větrné elektrárny mají rozběhovou rychlost větru kolem 4 m/s. Pro zvýšení výroby jsou některé turbíny vybaveny dvěma generátory (nebo jedním generátorem s dvojím vinutím). Při nízké rychlosti větru běží menší generátor, při vyšší rychlosti větru se přepne na větší generátor. Startovací rychlost pro snížený výkon je potom kolem 2,5 m/s.

K zefektivnění provozu a snížení nákladů na projektování a výstavbu se velké elektrárny sdružují do skupin (obvykle 5 až 30 elektráren), tzv. větrných farem.

Farma větrných elektráren u Znojma. Foto: EkoWATT

Technické řešení

Podle aerodynamického principu dělíme větrné motory na vztlakové a odporové. Nejrozšířenějším typem jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení, pracující na vztlakovém principu, kde 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). Po experimentech s jedno-, dvou- i čtyřlistými rotory již všechny velké moderní elektrárny používají rotory třílisté, které mají nejlepší parametry.

Existují také elektrárny se svislou osou otáčení, které pracující na odporovém principu (typ Savonius) nebo na vztlakovém principu (typ Darrieus). Výhodou vztlakových elektráren se svislou osou je, že mohou dosahovat vyšší rychlosti otáčení, a tím i vyšší účinnosti. Pracují tedy i při nižší rychlosti větru a není třeba je natáčet podle směru větru. Elektrárny se svislou osou otáčení se donedávna v praxi příliš nepoužívaly. Důvodem bylo jejich mnohem vyšší dynamické namáhání, a tedy i nižší životnost. Tento problém se však podařilo do určité míry konstrukčně vyřešit. Pro výše uvedené výhody a také menší hlučnost se začínají v Británii a USA využívat přímo v městské zástavbě. Stále jde však o menší zařízení s nižšími výkony.

Schéma větrné elektrárny. © EkoWATT

Základní části zařízení:

1 - rotor s rotorovou hlavicí, 2 - brzda rotoru, 3 - planetová převodovka, 4 - spojka, 5 - generátor, 6 - servo-pohon natáčení strojovny, 7 - brzda točny strojovny, 8 - ložisko točny strojovny, 9 - čidla rychlosti a směru větru, 10 - několikadílná věž elektrárny, 11 - betonový armovaný základ elektrárny, 12 - elektrorozvaděče silnoproudého a řídícího obvodu, 13 - elektrická přípojka.

Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování

V případě vnitrozemských oblastí, tedy i v ČR, jsou příhodné lokality převážně ve vyšších nadmořských výškách, obvykle nad 500 m n. m. V nižších nadmořských výškách je roční průměrná rychlost větru nízká (kolem 2 až 4 m/s). Rychlost větru je naprosto zásadní parametr, neboť energie větru roste se třetí mocninou jeho rychlosti. Při zdvojnásobení rychlosti větru (např. ze 4 m/s na 8 m/s) vzroste jeho energie osmkrát. I malá odchylka v rychlosti větru se tedy výrazně projeví na množství získané elektřiny.

Výkonová charakteristika větrné elektrárny s výkonem 500 kW. Zdroj: EkoWATT

K ohodnocení konkrétní lokality je nejvhodnější stanovení distribuční charakteristiky, což je rozdělení četnosti rychlostí větru zjištěné kontinuálním měřením rychlosti ve výšce osy rotoru. Ideální je alespoň roční měření porovnané s dlouhodobými údaji na blízkých meteorologických stanicích. Jednotlivé roky se od sebe mohou značně lišit. Před rozhodnutím o stavbě elektrárny je tedy třeba znát následující vstupní údaje:

• měřené průměrné rychlosti větru včetně četnosti směru, ideálně roční měření,
• množství a parametry překážek, které způsobují turbulenci a brání laminárnímu proudění větru (porosty, stromy, stavby, budovy),
• chod ročních venkovních teplot či jiných nepříznivých meteorologických jevů (např. námrazy způsobují odstávky),
• nadmořská výška (hustota vzduchu),
• možnost umístění vhodné technologie:
  • únosnost podloží, kvalita podkladu a seismická situace, geologické podmínky pro základy elektrárny,
  • dostupnost lokality pro těžké mechanismy, možnosti pro vybudování potřebné zpevněné komunikace,
  • vzdálenost od přípojky VN nebo VVN s dostatečnou kapacitou,
  • vzdálenost od obydlí, která by měla být dostatečná kvůli minimalizaci možného rušení obyvatel hlukem (nejvyšší přípustná hladina hluku ve venkovním prostoru na obytném území je ve dne 50 dB a v noci 40 dB),
  • míra zásahu do okolní přírody - zátěž při výstavbě elektrárny a budování přípojky, zásah do vzhledu krajiny (umístění v CHKO nebo v oblasti NATURA 2000 velmi komplikuje povolovací řízení),
  • majetkoprávní vztahy k pozemku, postoj místních úřadů a občanů.

Pro vlastní stavbu elektrárny je nutno získat v první řadě územní rozhodnutí a následně stavební povolení. Často je nutno změnit také územní plán příslušné obce či území. Stavební úřad bude v souladu se zákonem vyžadovat stanoviska různých dotčených orgánů státní správy, zejména státní ochrany přírody, ale třeba i Armády ČR. Mimoto je nutno vyřešit i jiné problémy:

• Pokud přípojka elektrárny k síti nepovede pouze po pozemcích investora, je třeba získat svolení pro instalaci a vedení po všech soukromých či veřejných pozemcích (ev. zřídit věcná břemena k těmto pozemkům).
• Posouzení vlivu na životní prostředí (EIA) - zjišťovací řízení je zákonem vyžadováno u plánovaných instalací s výkonem nad 500 kW nebo se stožárem vyšším než 35 m. Úřad rozhodne, zda uloží provést úplné posouzení (tzv. "velká EIA") - vyžadováno je především u projektu více elektráren. Hodnocen je především vliv na krajinný ráz, ptactvo a hlučnost. Plné posouzení EIA může trvat rok i déle.

Chceme-li dodávat elektřinu do sítě, je třeba mimo jiné:

• Získat licenci k výrobě elektřiny (případně k přenosu) podle energetického zákona 458/2000 Sb.
• Splnit technické podmínky pro připojení k síti a získat souhlas příslušného provozovatele distribuční soustavy (veřejné sítě).

Řešení většiny těchto problémů je časově a administrativně náročné.

Větrné elektrárny a životní prostředí

I když jsou větrné elektrárny často symbolem ekologické výroby elektřiny, jsou jim vytýkána i některá negativa. Obvykle neprávem - současné elektrárny jsou mnohem modernější, než byly před deseti lety.

Hlučnost současných strojů je poměrně nízká. Elektrárny jsou navíc stavěny v dostatečné vzdálenosti od obydlí. Hluková studie bývá součástí dokumentace nutné ke stavebnímu povolení. U existujících instalací lze provést měření a na jeho základě případně omezit jejich provoz. Nevhodně umístěná elektrárna přesto může působit nepříjemnosti. Malé větrné elektrárny jsou rychloběžné, a proto jsou poměrně hlučné. Jejich umístění přímo v zástavbě může narušit dobré sousedské vztahy.

Stroboskopický efekt (vrhání pohyblivých stínů, je-li Slunce nízko nad obzorem) není v praxi závažný, zejména právě kvůli vzdálenosti instalací od lidských obydlí. Podobně i odraz slunce na lopatkách je díky matným nátěrům již minulostí.

Rušení zvěře podle praktických zkušeností nenastává. Dokladem jsou ovce a krávy, ale i divoká zvěř pasoucí se v těsné blízkosti elektráren. Podle některých studií se v okolí elektráren zvýšil i počet hnízdících ptáků. Vysvětluje se to jednak tím, že elektrárny jsou dobrým orientačním bodem v krajině, a jednak tím, že rotory mohou rušit dravé ptáky. Podobně se nepotvrdilo ani to, že by rotující listy zabíjely proletující ptáky. Ke kolizím dochází poměrně vzácně, zejména v noci a za mlhy. Výjimkou byly případy, kdy elektrárna stála v místě migračního tahu ptáků. Těmto oblastem se však dá vyhnout.

Rušení televizního signálu může nastat. Závisí na pozici televizního vysílače, elektrárny a domů, které mají anténu. Týká se opět jen blízkého okolí elektrárny. V ČR je většina lokalit dále od osídlení.

Odstup elektráren od zástavby je někdy překvapivě malý (Rakousko). Foto: EkoWATT

Narušení krajinného rázu je nejspíše nejproblematičtější. Někomu se elektrárny líbí, někomu ne. V české krajině lze jen s obtížemi najít panorama nerušené stožáry elektrického vedení či vysílači . Větrné elektrárny představují další, zatím nezvyklý prvek. Paradoxně se zde někdy dostává do konfliktu požadavek státní ochrany přírody na "nenápadnost" elektrárny s požadavkem bezpečnosti leteckého provozu na její dobrou viditelnost (zábleskové zařízení). Trend stavět stále větší stroje vede k tomu, že elektráren může být méně, ale současně budou více vidět. Elektrárny ale mohou také pomoci snížit počet stožárů v krajině. Na stožár elektrárny lze umístit několik různých telekomunikačních zařízení, které bohužel často mají každý svůj vlastní stožár. Díky umístění ve větší výšce mohou pak vysílače pokrýt větší území. Vzhledem k ekonomické životnosti elektrárny 20 let může jít jen o dočasnou stavbu, která snadno zmizí.

Replika Halladayovy turbíny z počátku 20. století (Morava). Foto: EkoWATT

Použitá a doporučená literatura

[1] Beranovský, J., Truxa, J.: Alternativní energie pro váš dům. ERA, Brno, 2004.

[2] Bednář, J., Zikmunda, O.: Fyzika mezní vrstvy atmosféry. Academia, Praha, 1985.

[3] Crome, H.: Technika využití energie větru - svépomocná stavba větrných zařízení. HEL, Ostrava 2002.

[4] Hallenga, U.: Malá větrná elektrárna. HEL, Ostrava, 1999.

[5] Koč, B.: Šance pro vítr. Ekocentrum, Brno, 1996.

[6] Kol. autorů: Energie - kde ji vzít? Příručka. EkoWATT, Praha, 1993.

[7] Rychetník, V., Pavelka, J., Janoušek, J.: Větrné motory a elektrárny. ČVUT, Praha, 1997.

[8] Sládek, I., Rychetník, V.: Větrná situace v ČR. Praha, 1989.

[9] Schulz, H.: Savoniův rotor - návod na stavbu. HEL, Ostrava, 2002.

SOUVISEJÍCÍ INFORMACE

Energie slunce - výroba elektřiny

Možnosti využití slunečního záření k výrobě elektřiny.

Energie vody

Malé vodní eletrárny - možnosti a podmínky výroby energie.

Energie biomasy

Využití biomasy pro výrobu tepla a elektřiny - spalování biomasy, bioplyn, biopaliva.

Kombinovaná výroba elektřiny a tepla

Kogenerace zvyšuje účinnost výroby energie, lze ji využít i pro malé, decentralizované zdroje.

další informace >>

SOUVISEJÍCÍ PUBLIKACE

Technologie vhodné pro decentralizovanou energetiku

Karel Srdečný, Jiří Beranovský

Publikace se zabývá technologiemi, které se již dnes dají využít pro decentralizovanou výrobu elektřiny i tepla. Studie byla zpracována jako podkladová analýzy pro publikaci Energie nadosah, která byla vydána Zeleným kruhem v edici APEL.

další publikace >>