Větrná energetika I

Větrná energetika IVětrná energetika I

HistorieHistorieVítrVítr

Větrné motoryVětrné motoryVyužívání větrných motorůVyužívání větrných motorů

Historie větrné energetikyHistorie větrné energetiky• první zmínka o větrném motoru s vodorovnou osou je ze první zmínka o větrném motoru s vodorovnou osou je ze

3. století před Kristem z Egypta3. století před Kristem z Egypta• od 13. století se větrné mlýny začaly používat v Evropěod 13. století se větrné mlýny začaly používat v Evropě• ve 14. století se zaujalo vedoucí pozici ve využívání ve 14. století se zaujalo vedoucí pozici ve využívání

větrné energie Holandskovětrné energie Holandsko• v 19. století dochází k rozvoji i v USAv 19. století dochází k rozvoji i v USA

– bylo postaveno více než 6 miliónů malých mnoholopatkových větrných bylo postaveno více než 6 miliónů malých mnoholopatkových větrných motorů motorů

• úpadek větrných motorů souvisí s rozšířením parního úpadek větrných motorů souvisí s rozšířením parního strojestroje

• v 60. letech minulého století došlo k výraznému útlumu v 60. letech minulého století došlo k výraznému útlumu ve vývoji větrných motorůve vývoji větrných motorů

Historie větrné energetikyHistorie větrné energetiky• současný boom v oblasti větrné energetiky se odvíjí současný boom v oblasti větrné energetiky se odvíjí

hlavně z ekologického hlediskahlavně z ekologického hlediska• omezení následků spalování uhlíomezení následků spalování uhlí

» odsiřováníodsiřování» likvidace následků kyselých dešťůlikvidace následků kyselých dešťů» ukládání popílkuukládání popílku

• snížení produkce oxidu uhličitého má globální důsledkysnížení produkce oxidu uhličitého má globální důsledky

Vítr – vznik větruVítr – vznik větru• vítr je pohyb vzduchu způsobený rozdíly atmosférického vítr je pohyb vzduchu způsobený rozdíly atmosférického

tlakutlaku• rychlost vzduchu závisí na velikosti rozdílu atmosférického rychlost vzduchu závisí na velikosti rozdílu atmosférického

tlakutlaku• v blízkosti zemského povrchu (výška 30 – 60 m) je vítr v blízkosti zemského povrchu (výška 30 – 60 m) je vítr

ovlivňován především:ovlivňován především:• topografií oblastitopografií oblasti• kvalitou zemského povrchukvalitou zemského povrchu

• nejdůležitějším údajem při využívání energie větru je jeho nejdůležitějším údajem při využívání energie větru je jeho rychlostrychlost

Vítr – měření rychlosti větruVítr – měření rychlosti větru• měření směru a rychlosti větru se běžně provádí na měření směru a rychlosti větru se běžně provádí na

meteorologických stanicíchmeteorologických stanicích• standardní výška pro měření směru a rychlosti větru je standardní výška pro měření směru a rychlosti větru je

10 m10 m• měření směru větru se provádí směrovkou, která je měření směru větru se provádí směrovkou, která je

součástí rychloměrusoučástí rychloměru• pro měření rychlosti se nejčastěji používá pro měření rychlosti se nejčastěji používá

anemometr (měří od rychlosti 1 až 2 m.sanemometr (měří od rychlosti 1 až 2 m.s-1-1))

Vítr – měření rychlosti větruVítr – měření rychlosti větru

Charakteristiky větruCharakteristiky větru• rychlost větru je ovlivňována zemským povrchem a směrem k němu klesárychlost větru je ovlivňována zemským povrchem a směrem k němu klesá• v rovinném terénu pro rychlost větru platí:v rovinném terénu pro rychlost větru platí:

kde kde v*v* – průměrná rychlost větru ve výšce – průměrná rychlost větru ve výšce hh nad zemským povrchem nad zemským povrchem v*v*00 – průměrná rychlost větru ve výšce – průměrná rychlost větru ve výšce hh00

exponent exponent nn závisí na drsnosti povrchu závisí na drsnosti povrchu

n

hh

vv

0*0

*

Charakteristiky větruCharakteristiky větru• pro snadnější výpočet jsou výše uvedené exponenty poměrné pro snadnější výpočet jsou výše uvedené exponenty poměrné

hodnoty rychlosti vyjádřeny korekčním součinitelem hodnoty rychlosti vyjádřeny korekčním součinitelem kkh h při odchylce při odchylce údaje v referenční výšce 10 m údaje v referenční výšce 10 m

*10

* vkv hh

Energie a výkon větruEnergie a výkon větru• energie pohybující se hmoty vzduchu se vyjadřuje energie pohybující se hmoty vzduchu se vyjadřuje

vztahemvztahem2

21 vmE

kde kde vv je rychlost vzduchu a je rychlost vzduchu a mm hmota. hmota.

• pro pro mm platí vztah platí vztah

sAVm

kdekdeAA – plocha, kterou daný objem protéká – plocha, kterou daný objem protékáss – dráha, kterou urazí pohybující se vzduch – dráha, kterou urazí pohybující se vzduch

Energie a výkon větruEnergie a výkon větru• výkon protékající jednotkovou plochou lze vyjádřit jakovýkon protékající jednotkovou plochou lze vyjádřit jako

2

21 v

tAsA

tAEPv

kdekdev

ts

• výkon protékající jednotkovou plochou 1 mvýkon protékající jednotkovou plochou 1 m22 je přímo je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině rychlosti větruúměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině rychlosti větru

23

21 mWvPv

Energie a výkon větruEnergie a výkon větru• hustota vzduchu lze určit z barometrického tlaku a hustota vzduchu lze určit z barometrického tlaku a

termodynamické teploty vzduchutermodynamické teploty vzduchu

Trpb

kde r je plynová konstanta, pro vzduch asi 287 J.kgkde r je plynová konstanta, pro vzduch asi 287 J.kg-1-1.K.K-1-1

• barometrický tlak závisí na nadmořské výšcebarometrický tlak závisí na nadmořské výšce• se stoupající výškou barometrický tlak klesá přibližně dle se stoupající výškou barometrický tlak klesá přibližně dle

závislostizávislosti

)105291,010118358,01( 283)0()( hhpp bhb

Energie a výkon větruEnergie a výkon větru• rychlost i výkon větru se na čase mění, proto pro energii rychlost i výkon větru se na čase mění, proto pro energii

větru protékající za dané období jednotkovou plochou větru protékající za dané období jednotkovou plochou platí vztahplatí vztah

t

tvv dtpE

0

• pokud se v daném časovém intervalu teplota a hustota pokud se v daném časovém intervalu teplota a hustota vzduchu nemění, platívzduchu nemění, platí

t

tv dtvE

0

3

2

Energie a výkon větruEnergie a výkon větru

závislost výkonu větru závislost výkonu větru PPvv protékajícího plochou 1 mprotékajícího plochou 1 m22 na na

jeho rychlosti jeho rychlosti vv

přibližná závislost roční energie větru přibližná závislost roční energie větru EE11 protékajícího plochou 1 m protékajícího plochou 1 m22 na jeho na jeho

průměrné rychlosti vprůměrné rychlosti v**

EE22 – pro průměrnou rychlost větru po – pro průměrnou rychlost větru po celý rokcelý rok

Větrné motoryVětrné motoryZákladní typy a jejich rozděleníZákladní typy a jejich rozdělení

• větrné motory se dělí z mnoha hledisekvětrné motory se dělí z mnoha hledisek• základní dělení je podle aerodynamického principuzákladní dělení je podle aerodynamického principu

• motory odporovémotory odporové » patří mezi nejstaršípatří mezi nejstarší » mohou mít vodorovnou i svislou osu otáčenímohou mít vodorovnou i svislou osu otáčení

• motory vztlakovémotory vztlakové» vrtule a větrná kola s vodorovnou osouvrtule a větrná kola s vodorovnou osou» rovinou otáčení jsou orientovány kolmo ke směru větrurovinou otáčení jsou orientovány kolmo ke směru větru

Větrné motory odporovéVětrné motory odporové• plocha nastavená proti větru mu klade aerodynamický plocha nastavená proti větru mu klade aerodynamický

odpor, proud vzduchu zpomaluje a na plochu je odpor, proud vzduchu zpomaluje a na plochu je vyvozována síla, která je mechanicky přeměňována na vyvozována síla, která je mechanicky přeměňována na rotační pohybrotační pohyb

rotor Savoniusrotor Savonius rotor s krycím štítemrotor s krycím štítem

Větrné motory vztlakovéVětrné motory vztlakové• vrtule se nejčastěji vyskytují ve dvou nebo třílistém vrtule se nejčastěji vyskytují ve dvou nebo třílistém

provedeníprovedení• čtyřlisté vrtule se využívají spíše z technologických čtyřlisté vrtule se využívají spíše z technologických

důvodů v souvislosti s výrobou hlavy rotorudůvodů v souvislosti s výrobou hlavy rotoru

Větrné motory vztlakovéVětrné motory vztlakové

Princip funkce větrných motorůPrincip funkce větrných motorů• větrné motory se využívají k přeměně kinetické energie větrné motory se využívají k přeměně kinetické energie

větru na mechanickou prácivětru na mechanickou práci• zpomalují proud vzduchu, který protéká jejich pracovní zpomalují proud vzduchu, který protéká jejich pracovní

plochou a tím odnímají část jeho energieplochou a tím odnímají část jeho energie

Princip funkce větrných motorůPrincip funkce větrných motorů• v prostoru omezeném proudovými plochami (viz. v prostoru omezeném proudovými plochami (viz.

předešlý obrázek) se nepřenáší hmota ani energie a platí předešlý obrázek) se nepřenáší hmota ani energie a platí rovnice kontinuityrovnice kontinuity

2211 AvAvAv • ze zákona o zachování hybnosti lze odvodit axiální sílu ze zákona o zachování hybnosti lze odvodit axiální sílu

působící na rotorpůsobící na rotor

21 vvvAFa • pro výkon větru pak platípro výkon větru pak platí

avvvAvFP a 212

Princip funkce větrných motorůPrincip funkce větrných motorů• výkon určený ze změny kinetické energie proudu výkon určený ze změny kinetické energie proudu

proteklého za sekundu kontrolní plochou jeproteklého za sekundu kontrolní plochou je

bvvvAtEP k 2

2212

1

• srovnáním rovnic pro výkon (a, b) vyplývá pro rychlost vztahsrovnáním rovnic pro výkon (a, b) vyplývá pro rychlost vztah

221 vvv

Princip funkce větrných motorůPrincip funkce větrných motorů• pro axiální sílu působící na rotor pak můžeme psátpro axiální sílu působící na rotor pak můžeme psát

22212

1 vvAFa

• pro výkon rotoru pak platípro výkon rotoru pak platí

2122

214

1 vvvvAP

Princip funkce větrných motorůPrincip funkce větrných motorů• ideální účinnost dostaneme z poměru výkonu rotoru k ideální účinnost dostaneme z poměru výkonu rotoru k

výkonu větru (platí pro ideální rotor s nekonečným výkonu větru (platí pro ideální rotor s nekonečným počtem lopatek pracujících bez aerodynamického počtem lopatek pracujících bez aerodynamického odporu)odporu)

31

2122

21

2 vvvvv

i

Princip funkce větrných motorůPrincip funkce větrných motorů

výkonová výkonová charakteristika větrné charakteristika větrné

elektrárnyelektrárny příklad výpočtu množství vyrobené energiepříklad výpočtu množství vyrobené energie

Využití větrných motorůVyužití větrných motorů• Výroba elektrické energieVýroba elektrické energie

• větrné motory pohánějí elektrické generátoryvětrné motory pohánějí elektrické generátory• malé větrné elektrárny se využívají na nabíjení baterií, čerpání nebo malé větrné elektrárny se využívají na nabíjení baterií, čerpání nebo

ohřev vody – pracují samostatně, jako jediný zdrojohřev vody – pracují samostatně, jako jediný zdroj• větrné elektrárny od výkonu nad 50 kW jsou převážně začleněny do větrné elektrárny od výkonu nad 50 kW jsou převážně začleněny do

elektrické rozvodné sítěelektrické rozvodné sítě

• Čerpání vodyČerpání vody• běžné využití pro potřeby zavlažováníběžné využití pro potřeby zavlažování• mimo vody se čerpají i jiné látky (chladiva v soustavách pro mimo vody se čerpají i jiné látky (chladiva v soustavách pro

chlazení...)chlazení...)

• Mechanické pohonyMechanické pohony• dřívější použitídřívější použití• mletí obilí, pohon pil a dalších pracovních strojůmletí obilí, pohon pil a dalších pracovních strojů

Větrné elektrárnyVětrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektrárenElektrická zařízení větrných elektráren

• pro výrobu elektrické energie se ve větrných pro výrobu elektrické energie se ve větrných elektrárnách využívají asynchronní a synchronní elektrárnách využívají asynchronní a synchronní třífázové generátorytřífázové generátory

• rotory větrných elektráren jsou ve většině případů rotory větrných elektráren jsou ve většině případů navrhovány s vodorovnou osou jako rychloběžné třílisté navrhovány s vodorovnou osou jako rychloběžné třílisté vrtule umístěné před stožáremvrtule umístěné před stožárem

• natáčení rotoru proti větru se provádí pomocí natáčení rotoru proti větru se provádí pomocí elektrických nebo hydraulických motorůelektrických nebo hydraulických motorů


• omezení výkonu větrného motoru při vysoké rychlosti větru se dosahuje omezení výkonu větrného motoru při vysoké rychlosti větru se dosahuje • natáčením listů rotoru okolo jejich podélné osynatáčením listů rotoru okolo jejich podélné osy• pevnými listy s regulací na odtržení proudu vzduchupevnými listy s regulací na odtržení proudu vzduchu

• rychlost větru 3 až 5,5 m.srychlost větru 3 až 5,5 m.s-1-1 je minimální pro dodávání elektrické energie do sítě je minimální pro dodávání elektrické energie do sítě• jmenovitý výkon se obvykle dosahuje při rychlostech větru 13 až 15 m.sjmenovitý výkon se obvykle dosahuje při rychlostech větru 13 až 15 m.s -1-1

• při rychlosti větru nad 25 m.spři rychlosti větru nad 25 m.s-1-1 se větrné motory odstavují se větrné motory odstavují


• větrné elektrárny jsou vybaveny mechanickou brzdou větrné elektrárny jsou vybaveny mechanickou brzdou umístěnou za převodovkou na straně generátoruumístěnou za převodovkou na straně generátoru

• brzda je disková a spouští se pružinou při poklesu hydraulického brzda je disková a spouští se pružinou při poklesu hydraulického tlakutlaku

• při nárůstu otáček vlivem velké rychlosti větru se při nárůstu otáček vlivem velké rychlosti větru se používají aerodynamické brzdypoužívají aerodynamické brzdy

• neubrzdí větrný motor do úplného zastaveníneubrzdí větrný motor do úplného zastavení• zabraňují mechanickému přetížení rotoruzabraňují mechanickému přetížení rotoru• stojící větrná elektrárna musí odolat větru o rychlosti 60 m.sstojící větrná elektrárna musí odolat větru o rychlosti 60 m.s-1-1


• malé větrné elektrárny o výkonech do 10 kW jsou malé větrné elektrárny o výkonech do 10 kW jsou dostatečně rychloběžné – používají se vícepólové dostatečně rychloběžné – používají se vícepólové synchronní generátory s permanentními magnetysynchronní generátory s permanentními magnety

• součástí je usměrňovač pro napájení akumulátorové baterie součástí je usměrňovač pro napájení akumulátorové baterie nebo autonomní stejnosměrné sítě o jmenovitém napětí 12, nebo autonomní stejnosměrné sítě o jmenovitém napětí 12, 24 nebo 120 V24 nebo 120 V

• mohou být doplněny polovodičovým střídačem, umožňujícím mohou být doplněny polovodičovým střídačem, umožňujícím napájení malých jednofázových spotřebičůnapájení malých jednofázových spotřebičů


• ve větrných elektrárnách středních a velkých výkonů se ve větrných elektrárnách středních a velkých výkonů se k výrobě elektrické energie nejčastěji používají k výrobě elektrické energie nejčastěji používají asynchronní motory s kotvou nakrátko, pracující v asynchronní motory s kotvou nakrátko, pracující v generátorickém chodugenerátorickém chodu

• výhodou jevýhodou je • vysoká provozní spolehlivostvysoká provozní spolehlivost• nenáročná údržbanenáročná údržba• nízké pořizovací náklady dané jejich jednoduchostínízké pořizovací náklady dané jejich jednoduchostí

• pro elektrárny velkých výkonů nebo speciálního pro elektrárny velkých výkonů nebo speciálního provedení se používají synchronní generátory s budícím provedení se používají synchronní generátory s budícím vinutím na rotoruvinutím na rotoru



• větrné elektrárny pracující větrné elektrárny pracující při konstantních nebo při konstantních nebo skoro konstantních skoro konstantních otáčkách využívají otáčkách využívají maximálního výkonu maximálního výkonu větru pouze při jeho jedné větru pouze při jeho jedné rychlostirychlosti


• změnu otáček potřebnou pro využití maximálního výkonu změnu otáček potřebnou pro využití maximálního výkonu větru při všech jeho rychlostech umožňuje vložení větru při všech jeho rychlostech umožňuje vložení měniče kmitočtu mezi svorky generátoru a síťměniče kmitočtu mezi svorky generátoru a síť

Připojení elektrického generátoru k sítia) příméb) přes měnič kmitočtu

Documents

Větrná energetika I