turbomachinery.education
11.

VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY

Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz
Úvod   11.3
Vítr   11.5
Výkon větrné elektrárny   11.6
Konstrukce větrné elektrárny   11.10
Stavba větrné elektrárny   11.13
Životní cyklus větrné elektrárny   11.15
Život s větrnou energetikou   11.17
Odkazy   11.18
Přílohy   11.20
Článek v PDF
turbomachinery.education
11.2
Author:
Jiří, Škorpík (first name, surname)
Issue date:
April, 2023
Title:
Větrné elektrárny
Journal:
Transformační technologie (on-line journal at transformacni-technolgie.cz; turbomachinery.education; stirling-engine.education)
ISSN:
1804-8293

Copyright©Jiří Škorpík, 2023
All rights reserved.

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.3

Úvod

Plachta

Větrný mlýn

Nejstarší zmínka využití větru (lodní plachta) pochází přibližně z 1000 let př. n. l. [Janoška, 2003]. Větrné mlýny (Obrázek 1) se v Evropě objevují poprvé na přelomu 1. a 2. tisíciletí n. l. V 19. století se větrné turbíny používaly i pro čerpání vody ze studní, a v druhé polovině 20. století se začaly používat i pro výrobu elektřiny způsobem jaký známe dnes, viz Obrázek 2.

1:
Větrný mlýn u Ruprechtova s Halladayvou turbínou
Větrný mlýn u Ruprechtova s Halladayvou turbínou
2:
Skupina větrných elektráren v Břežanech u Znojma
Skupina větrných elektráren v Břežanech u Znojma: Jedná se o 5 jednotek Vestas V52 každá s instalovaným výkonem 850 kW, výškou sloupu 74 m a průměrem rotoru 52 m. Zdroj parametrů.

James Blyth

Elektrický akumulátor

Pravděpodobně první vážně míněný pokus vyrábět elektřinu z větru učinil v roce 1887 Skotský profesor James Blyth (1839-1906), když na své zahradě postavil větrnou turbínu pohánějící elektrické dynamo pro dobíjení akumulátoru. Účelem byl výzkum elektřiny a elektrických akumulátorů. Větrná turbína byla konstruována jako klasické mlýnské kolo s plátěnými lopatkami.

Charles Francis Brush

První větrnou elektrárnu určenou pro pohon elektrických zařízení postavil a provozoval od roku 1888 americký vynálezce Charles Francis Brush (1849-1929). Tato elektrárna už byla plně automatizována a s dynamem o výkonu 12 kW. Vyrobená

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.4

elektřina byla využívána pro pohon elektrických strojů ve vynálezcově laboratoři, Obrázek 3.

3:
Větrná elektrárna Ch. Brushe
Průměr rotoru: 18 m, počet lopatek: 144 při hmotnosti rotoru 4 tuny.

Poul La Cour

Regulace

Prvnímu systematickému výzkumu možností výroby elektřiny pomocí větru se věnoval Dánský profesor Poul La Cour (1846-1908) v letech 1885-1908. La Cour postavil několik experimentálních elektráren a především regulátor výkonu. Vyrobená elektřina sloužila sice k výrobě vodíku pro plynové lampy, ale právě jeho práce byla základem pro formulování teorie větrných turbín [Hau, 2006]. Další vývoj větrných turbín byl spjat s výzkumem jejich aerodynamiky, viz článek Aerodynamika větrných turbín.

Palmer Putnam

Theodore von Kármán

Větrná elektrárna Smith-Putnam

Za přímou předchůdkyni dnešních velkých moderních větrných elektráren lze považovat větrnou elektrárnu Američana Palmera Putnama (1900-1984) vyrobenou společností S. Morgan Smith Company (výrobce vodních turbín) a spuštěnou v roce 1941 v USA. Tato větrná elektrárna byla již plně automatizována a obsahovala i zařízení pro práci v elektrické síti (automatické odpojení od sítě i přifázování), regulaci pomocí natáčení lopatek a otáčení gondoly proti větru [Hau, 2006]. Putnam tak komplexní a přelomovou konstrukci netvořil sám, ale přemluvil ke spolupráci i vědce a techniky z Massachusetts Institute of Technology, mezi nimiž byl skvělý termodynamik Theodore von Kármán (1881-1963), který provedl aerodynamický návrh rotoru.

Onshore

Offshore

Současné větrné elektrárny, v drtivé většině případů s horizontální osou rotace, jsou složeny ze sloupu, na kterém je umístěna gondola s turbínou, převodovkou i generátorem, viz Obrázek 2. Větrné elektrárny umisťované na pevnině se označují v angličtině slovem onshore a elektrárny budované na moři se anglicky označují slovem offshore. Sloupy offshore elektráren mohou být v betonovém základu zapuštěného do dna, přišroubované k příhradové konstrukci pevně stojící na dně, nebo mají plovoucí základ, který je ke dnu ukotven pouze lany (tato

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.5

varianta umožňuje stavět elektrárny dále od pobřeží ve větších hloubkách [Cejnarová, 2010]), viz Obrázek 4.

4:
Plovoucí větrná elektrárna Hywind Tampen
Plovoucí větrná elektrárna Hywind Tampen: Průměr rotoru tohoto typu elektrárny je 167 m při instalovaném výkonu 8 MW. Svislý plovák, ke kterému je sloup připevněn, je ke dnu ukotven lany. Elektrické vedení je vedeno podél jednoho kotevního lana. Zdroj parametrů [Anon., 2020]. Autor obrázku: Kværner

Offshore

Onshore

V současnosti (2020) největší větrné elektrárny stavěné na souši dosahují výšky sloupu kolem 180 m, respektive špice lopatek dosahuje do výše kolem 250 m – elektrárny instalované na moři jsou nižší, ale s větším průměrem rotorů při vyšších výkonech, protože nad oceánem jsou nižší turbulence a vyšší rychlosti větru. Na druhou stranu jsou elektrárny typu offshore daleko od konzumentů elektřiny, proto jsou větrné farmy vybavovány transformátorovou plošinou pro převod vyrobené elektřiny na velmi vysoké napětí, nebo dokonce usměrňovači na stejnosměrný proud (HVDC), který má při vyšším napětí menší ztráty než střídavý.

Obecně je větrná energetika v současné době nejrychleji rostoucí odvětví energetiky.

Vítr

Vítr

Vítr (proud vzduchu) vzniká v atmosféře z rozdílů tlaků způsobených nerovnoměrným ohříváním povrchu Země. Také je ovlivněn rotací Země (Coriolisova síla, odstředivá síla). Další vliv má (v přízemních výškách) morfologie krajiny, druh rostlin a stavby.

Rychlost větru se v dané lokalitě mění i v průběhu dne podle slunečního svitu, který ohřívá vzduch a tím ho uvádí do pohybu, proto k večeru vítr často ustává a dopoledne naopak zesiluje (viz záznamy denní rychlostí větrů z meteorologických stanic) – to

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.6

Kinetická energie větru

samozřejmě platí pro případy, kdy výrazně nepřevažuje vliv kontinentálních tlakových níží a výší. Obecně je více kinetické energie ve větru v létě než v zimě.

Některá místa na zemském povrchu mají horší větrné podmínky jiná lepší, jak ukazuje mapa rozložení rychlosti větru na Obrázku 5, která vznikla z měření prováděné v letech 1976 až 1995 po celém světě (rychlost v některých lokalitách byla dopočítána), a větrná mapa České republiky na Obrázku 6.

5:
Větrná mapa Země ve výšce 10 m nad povrchem
Větrná mapa Země ve výšce 10 m nad povrchem. Údaje jsou v m·s-1 a jedná se o roční průměrné rychlosti větru. Zdroj [Anon., 2010].
6:
Větrná mapa ČR ve výšce 10 m nad povrchem (2005)
Větrná mapa ČR ve výšce 10 m nad povrchem (2005). V– [m·s-1] průměrná hodnota rychlosti větru za rok. Zdroj [Ústav fyziky atmosféry AV ČR].

Výkon větrné elektrárny

Výkon větrné elektrárny

Rychlost větru ve vybrané lokalitě není jediný parametr, na kterém závisí výkon větrné elektrárny, ten je podstatně závislý i na průměru rotoru turbíny. Jestliže chceme předpovědět výkon

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.7

Roční výroba elektřiny

větrné elektrárny a její roční výroba elektřiny v dané lokalitě, pak musíme nutně umět předpovědět rychlost větru, přesněji rychlostní profil v daném místě a parametry větrné turbíny.

Výkon větrné elektrárny

Rychlost větru

Třída drsnosti

Inverze proudu vzduchu

Výkon větrné elektrárny se počítá z rychlosti větru v ose turbíny, tj. ve výšce této osy. Nejpřesnějším řešením stanovení rychlosti větru v dané lokalitě je měření rychlosti větru v dané výšce (minimálně jeden rok). Pokud je k dispozici měření rychlosti větru na stejném místě ale pro jinou výšku než osa turbíny, pak bude zcela jistě tato rychlost ve výšce osy turbíny jiná. To je dáno tím, že mezi hlavním proudem vzduchu a povrchem země se vytváří mezní vrstva s rychlostním profilem, který lze přibližně vypočítat podle Rovnice 7 tříd drsnosti zemského povrchu, a který je funkcí reliéfu okolní krajiny, viz Tabulka 8. Ve vyšších vrstvách může docházet dokonce i k inverzi proudu vzduchu, tj. může se podstatně téměř skokově změnit směr i rychlost větru.

7:
Vzorec pro výpočet rychlosti větru v požadované výšce nad povrchem
a [SI] exponent jehož velikost se odvozuje od reliéfu krajiny – odvozeno od třídy drsnosti zemského povrchu, viz Tabulka 8; z1 [m] výška měření rychlosti Vz1; z2 [m·s-1] požadovaná výška, ve které je rychlost větru Vz2; Vz1 [m·s-1] rychlost větru ve výšce, ve které byla hodnota rychlosti měřena; Vz2 [m·s-1] rychlost větru v požadované výšce. Zdroj [Crome, 2002].
8:
t.d.   charakter krajiny   a
0   otevřené pobřeží bez jakýkoliv překážek s větrem směřujícím k pobřeží  0,12
1   otevřená krajina s ojedinělými volně stojícími keři a stromy (pobřeží, prérie)   0,15
2   zemědělská krajina s rozptýlenými budovami a křovinami   0,18
3   uzavřená krajina s porostem stromů, mnoha křovinami a sousedícími budovami   0,24
t.d.-třída drsnosti krajiny. a [SI]. Zdroj [Crome, 2002].

Četnost rychlostí větru

V každé lokalitě se navíc rychlost větru během jednoho roku mění, proto je výsledkem měření rychlosti větru četnost rychlostí větru, která je na Obrázku 9. Konstrukce křivky četnosti na základě naměřených dat je uvedena například v [Ibler et al.,

9:
Stanovovaní průměrné roční rychlosti větru a potenciál výroby elektřiny za rok
n [dny] četnost; V^ [m·s-1] modus, což je nejčastěji naměřená hodnota rychlosti větru; V0 [m·s-1] okamžitá hodnota rychlosti větru.
 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.8

2002, s. 43]. Z křivek četnosti rychlosti větru se pak vychází při stanovování výkonu větrné turbíny v dané lokalitě.

Rayleighovo rozdělení pravděpodobnosti

Křivka četnosti rychlosti větru je velmi blízká Rayleighovu rozdělení pravděpodobnosti, takže dokážeme-li odhadnout průměrnou hodnotu rychlosti větru, pak lze pomocí vzorců Rayleighova rozdělení odhadnout absolutní četnost rychlosti větru. Tento postup se aplikuje zejména v případech, kdy chybí podrobné dlouhodobé měření rychlosti větru v dané lokalitě, viz Úloha 1.

Optimální výkon

Jmenovitý výkon

Instalovaný výkon

Rozlišujeme výkon větrné elektrárny optimální a jmenovitý neboli instalovaný. Optimální výkon větrné elektrárny odpovídá výkonu, při kterém dosahuje její turbína maximální hodnoty výkonového koeficientu. Jmenovitý výkon větrné turbíny je dán především výkonem elektrického generátoru v elektrárně, který je vyšší než je optimální výkon.

Ekonomická rychlost

Jestli-je větrná turbína optimální pro danou lokalitu poznáme tak, že z výkonové charakteristiky větrné elektrárny a četnosti větru v dané lokalitě vypočítáme produkci elektrické energie pro danou rychlost větru, viz Obrázek 10. Rychlost větru, při které očekáváme, že elektrárna vyrobí za rok souhrnně nejvíce elektrické energie lze přitom označit za ekonomickou rychlost VE. Čím bližší jsou si ekonomická rychlost větru VE a optimální rychlosti větru turbíny Vopt, tím vhodnější je, z ekonomického pohledu, tato turbína pro danou lokalitu, viz Úloha 1.

10:
Stanovovaní průměrné roční rychlosti větru a potenciál výroby elektřiny za rok
e [kWh] očekávané množství vyrobené energie při dané rychlosti větru za rok; P [W] výkon generátoru při dané rychlosti větru; VE [m·s-1] ekonomická rychlost větru (rychlost větru, která má největší podíl na výrobě elektřiny za rok); Vinst [m·s-1] rychlost větru, při které elektrárna dosahuje instalovaného výkonu Pinst; Vstart [m·s-1] startovací rychlost větru; Vbreakdown [m·s-1] odstavovací rychlost větru.

Roční využití instalovaného výkonu

Množství vyrobené elektřiny za rok získáme sečtením množství elektřiny vyrobené pro jednotlivé rychlosti větru na Obrázku 10, viz také Úloha 1. Poměr dodané elektrické energie do sítě za rok ku množství elektrické energie, které by elektrárna za rok vyrobila při maximálním instalovaný výkonu, je parametrem informující o kvalitě výběru větrné turbíny pro tuto lokalitu a nazývá se roční využití instalovaného výkonu větrné elektrárny (capacity factor Cf).

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.9

Využití instalovaného výkonu v ČR roce 2015 bylo přibližně 23 %. Přičemž v rámci jednoho roku je využití instalovaného výkonu v zimních měsících poloviční oproti letním měsícům. Nejvyšších hodnot ročního využití instalovaného výkonu mají větrné elektrárny při pobřeží moře, tam lze dosáhnout hodnot přesahujících 50 %.

Roční využití instalovaného výkonu

Rychlost větru

Sloup

Roční využití instalovaného výkonu je ovlivněno i četnosti větru, respektive čím je velikost rychlosti větru stálejší, tím lze lépe výkon elektrárny optimalizovat na tuto rychlost. To lze ovlivnit výškou sloupu turbíny, protože obecně platí, že čím je větší výška sloupu, tím jsou i menší rozdíly v rychlosti větru v oblasti rotoru během roku.

Management elektrárny

Roční využití instalovaného výkonu lze zvýšit i kvalitním managementem elektrárny a akumulací elektřiny. V 2013 se začaly testovat větrné elektrárny s řídícím systémem schopným komunikace s dalšími větrnými elektrárnami vzdálenými i několik stovek km a opatřenými akumulací elektrické energie. Tento systém umožňuje predikci výkonu na základě údajů předpovědi počasí a výkonu vzdálených elektráren, od kterých postupuje zesilující/oslabující vítr. Tyto predikce v kombinaci s možnosti krátkodobé akumulace elektrické energie umožňují zvýšit využití instalovaného výkonu větrné elektrárny až o jednotky procent [Anon., 2013]. Díky předpovědím lze dopředu nalézt odbyt vyrobené elektřiny, v opačném případě by se musel výkon větrné elektrárny omezovat.

Úloha 1:

Ekonomická rychlost větru

Roční využití instalovaného výkonu

Rayleighovo rozdělení pravděpodobnosti

Spočítejte ekonomickou rychlost větru VE a roční využití instalovaného výkonu Cf pro větrnou elektrárnu Vestas V52 s průměrem turbíny 52 m navržený pro optimální rychlost větru přibližně 10,749 m·s-1. Turbína je provozována v lokalitě Znojmo-východ, ve které je průměrná rychlost větru ve výšce 10 m 4 m·s-1, ale výška osy turbíny je 74 m. K výpočtu četnosti rychlostí větru použíjte Rayleighovo rozdělení pravděpodobnosti. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1.
Energie vyrobená při určité rychlosti větru
e [MWh]; V [m·s-1]
 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.10
Postup řešení Úlohy 1
1.   zadání:   Vopt; z1; Vz1; d; z2 4.   výpočet:   n-V0
2.   odečet:   P-V0 5.   výpočet:   e-V0; VE
3.   výpočet:   Vz2 6.   výpočet:   Cf

Konstrukce větrné elektrárny

Konstrukce větrné elektrárny

Nejmohutnější součást větrné turbíny je sloup a jeho masivní betonový základ. Na vrcholu sloupu je gondola obsahující turbínu, ložisko turbíny, převodovku a elektrický generátor s příslušenstvím, viz Obrázek 11. Skladba větrné turbíny je popsána v článku Aerodynamika větrných turbín.

11:
Dispozice hlavních částí moderní větrné elektrárny
Dispozice hlavních částí moderní větrné elektrárny: a-gondola; b-turbína; c-sloup; d-základ; e-hlavní ložisko (přírubové); f-převodovka; g-brzda; h-generátor; i-kluzné ložisko kondoly; j-ozubení nátačecího mechanismu gondoly. Čísla na obrázku vpravo jsou v metrech pro ilustraci poměrů jednotlivých rozměrů větrné turbíny.

Sloup

Sloup větrné elektrárny musí být nejen požadovaně vysoký, ale i dostatečně pevný, aby odolal hmotnosti celého soustrojí a síle větru. Středem sloupu také vede servisní žebřík, schodiště nebo výtah a elektrické vedení do gondoly. Tvar sloupu by měl také splňovat i estetické požadavky v lokalitě.

Konstrukce sloupu je nejčastěji tvořena ocelovým dutým kuželem (u malých turbín ocelovým sloupem) případně kombinován se železobetonovým tubusem. Při větších výškách se používají sloupy z příhradové konstrukce z krátkých nosníků. Společnost GE začala v roce 2014 používat kombinaci příhradové konstrukce nosníku potaženého sklolaminátovými pláty pro lepší ochranu konstrukce sloupu před větrem a deštěm

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.11

a pro chránění přístupové cesty ke gondole [Anon., 2014]. Jednotlivé konstrukce sloupů se od sebe odlišují dobou stavby a její logistikou a také cenou [Hau, 2006, s. 444].

Multirotorová větrná elektrárna

Životnost

Logistika

Mimo klasickou konstrukci s jednou gondolou na jednom sloupu se vážně experimentuje i s více menšími rotory na jednom sloupu – tzv. multirotorové větrné elektrárny. S výkonem klasických jednorotorových elektráren totiž rostou i jejich rozměry a hmotnosti součástek. To jednak klade vysoké požadavky na konstrukci (vysoké měrné zatížení, které zvyšuje opotřebení pohyblivých dílů), a jednak na dopravní infrastrukturu, respektive logistika výstavby. Kdežto v případě multirotorové elektrárny se použije sice více, ale menších součástek (zavádí se sériovost) a dokonce lze uvažovat i menších základech sloupu, na který působí menší páka od axiálních sil rotoru.

Na Obrázku 12 je prototyp čtyřrotorové větrné elektrárny Vestas. Větrná elektrárna obsahuje čtyři gondoly s vlastním příslušenství a rotorem. Ramena gondol na stejné výškové úrovni jsou propojena a mají společná axiální a radiální ložiska pomocí kterých se mohou otáčet kolem sloupu. Výška sloupu je 60 m, gondoly jsou převzaty z elektráren Vestas V29 s průměrem rotoru 29 m. Celkově instalovaný výkon elektrárny je 4x225 kW, tedy srovnatelný výkon jako jedné ale větší elektrárny na Obrázku 2.

12:
Prototyp čtyřrotorové větrné elektrárny
Obrázek [ANON., 2016]

Multirotorová větrná elektrárna

Uvedené očekávané výhody multirotových větrných elektráren (snížení měrných nákladů, požadavků na dopravní infrastrukturu při stavbě i oprav a zvýšení spolehlivosti) jsou

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.12

předmětem výzkumu, stejně tak, jako vliv sloupu u níže položené dvojice na proudění, kde se ukazuje, že je při nízkých rychlostech větru pozitivní [Laan at al., 2019].

Offshore

Multirotorvé se vyrábí i některé plovoucí větrné elektrárny. Většina typů plovoucích elektráren totiž pro stabilizaci používá více jak jeden plovák, obvykle alespoň tři. Některé společnosti tedy místo jedné velké turbíny na takovou plovoucí plošinu instalují více menších turbín.

Základy

Základy větrné elektrárny obvykle tvoří betonová deska. U větrné elektrárny s výškou sloupu 75 m se jedná přibližně o rozměry 10x10x5 m (větrný park Břežany). O základech elektráren typu offshore je stručně pojednáno již v úvodu článku.

Gondola

Gondola obsahuje převodovku, spojku, el. generátor a hřídele mezi turbínou a generátorem a další podpůrné vybavení jako jeřáb, chladiče oleje a meteorologická měření. Gondola s celým svým vybavením je uložena na kluzném ložisku s plastickým mazivem, aby se mohla na sloupu natáčet proti větru. Mezi gondolou a sloupem bývá také nainstalováno tlumení, které zabraňuje přenosu vibrací.

Generátor

Pokud elektrárna neobsahuje převodovku, pak se generátor připevňuje často i mezi turbínu a gondolu, takže gondola je výrazně menší. Navic lze pouzdro generátoru lépe zabezpečit proti výměně vzduchu s okolím a zmírnit tak opotřebení generátoru.

Hlavní ložisko

Hlavní ložisko turbíny, které tvoří spojovací článek mezi rotorem (jeho nábojem) přírubou hřídele převodovky je klíčovou součástí větrné elektrárny. Spolehlivost tohoto ložiska určuje životnost elektrárny. Na Obrázku 13 je typ ložiska pro větrné turbíny společnosti Schaeffler Technologies AG & Co. KG přírubového typu s řádově metrovými průměry. Otvory v ložisku slouží pro

13:
Přírubové ložisko pro větrné turbíny typu FAG společnosti Schaeffler
 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.13

umístěný senzorů teploty, kvality maziva, kontroly předpětí šroubů, kontrola vůlí v ložisku a měření vibrací. Predikce spolehlivosti a trvanlivosti těchto ložisek je jeden z podkladů, pomocí kterých se zákazník rozhoduje o koupi turbíny. Dodávky těchto ložisek představují pro výrobce prestižní záležitost. Investuje se nejen do vývoje, ale i testování ložisek [Anon., 2012a] a to testování, které má co nejlépe predikovat trvanlivost nových typů, u kterých není ještě dostatečné množství dat z provozu. To je velmi důležité při zavádění nových větrných elektráren s většími průměry, aby bylo možné tyto turbíny ihned nasazovat ve větších množství s jistou garancí trvanlivosti.

Elektrický generátor

Napětí na svorkách generátoru větrné turbíny záleží na typu a výkonu. U velmi malých větrných elektráren pracující v ostrovním režimu se jedná většinou o stejnosměrné generátory o napětí 12 až 24 V. U větrných elektráren pro domácnosti to může být až 230 V/fázi. U velkých elektráren napětí často nepřesahuje 1000 V, ale dodávají se generátory pro větrné turbíny o jmenovitém napětí 6,3 kV až 11 kV. Napětí generátoru je transformováno v objektu elektrárny (ve sloupu) na 22 kV nebo vyšší podle místního napětí přenosové soustavy.

Výkon generátoru musí odpovídat očekávanému výkonu větrné turbíny v požadované lokalitě, protože při jeho provozu mimo jeho optimální výkon se zhoršuje jeho účinnost.

Jalový výkon

Některé elektrárny mají i funkci regulace jalové elektřiny v přenosové soustavě [Šantín, 2012] – funguje jako rotační kompenzátor jalového výkonu pomocí změn v buzení generátoru.

Stavba větrné elektrárny

Stavba

K místu stavby je obvykle nutné přivést elektrické vedení s dostatečnou kapacitou a vybudovat obslužnou komunikaci. Komunikace musí být budována tak, aby po ni mohl projet tahač s lopatkou, jeřáb a betonářské vozy.

Pro stavbu se vybírá nejméně větrné období v roce, protože mobilní jeřábové komplexy, které jsou pro stavbu nezbytné (Obrázek 14), lze provozovat pouze do určité rychlosti větru. Toto omezení často prodražuje opravy na větrné elektrárně (taxa za prostoje jeřábu, který je již na místě a nemůže pracovat, blokování dopravy při převozu jeřábu atd.) a prodlužuje jejich dobu.

Při opravě nebo výměně jedné lopatky se musí demontovat celý rotor turbíny v jednom kuse. Takový úkon je opět velmi

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.14

Montáž lopatek

citlivý na rychlost větru (rozměrná turbína a nutná přesnost při montáži). Proto v roce 2012 představila společnost AREVA Wind GmbH nový systém (Single blade insttalation-SBI) umožňující montáž rotoru ve výšce po jedné lopatce, viz Obrázek 15. Uvedený systém umožňuje montáž lopatky přímo na hřídel gondoly ve výšce v náklonu lopatky až do 330 ° při rychlosti větru do 12 m·s-1 [Sharpley, 2012]. Konstruktéři společnosti vyřešili především problém se šikmým zavěšením jedné lopatky během montáže.

14:
Stavba větrné elektrárny Enercon
Stavba větrné elektrárny Enercon. Zdroje enercon.de.
15:
Zařízení na montáž/demontáž větrné turbíny po jedné lopatce

Dělená lopatka

Velmi dlouhé lopatky mohou být složeny dokonce ze dvou kusů a více kusů (pro snadnější přepravu a manipulaci ve vnitrozemí), přičemž ta patní část (blíže k ose) je obvykle kovová. Na Obrázku 16 je montáž rotoru větrné turbíny Enercon

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.15

e-126 s dělenými lopatkami – Patní části lopatek rotoru se kompletují k hřídeli na zemi a výsledný rotor se zvedá společně. K patní částí lopatek se připevňují druhé poloviny lopatek pomocí šroubů až ve výšce. Průměr rotoru s dělenými lopatkami dosahují až 126 m při instalovaném výkonu 7,58 MW.

16:
Montáž rotoru větrné turbíny Enercon e-126 s dělenými lopatkami

Sloup

Problém představují i hmotné komponenty sloupu (ten se převáží dělený). V některých případech se přistupuje k odlehčení sloupů za cenu nutnosti jejich "zavětrování" pomocí kotevních lan.

Doba stavby

Přibližný harmonogram prací od myšlenky k realizaci stavby větrné elektrárny v ČR je v dokumentu Od myšlenky k výstavbě a provozu větrné elektrárny [Anon., 2012b].

Životní cyklus větrné elektrárny

Životní cyklus

Aktivní doba produkce elektřiny ve větrné elektrárně je omezena její projektovanou životností a v mnoha případech i dobou platnosti povolení k provozu. Jestliže pomineme problémy s povolením, lze na konci této aktivní doby elektrárnu renovovat a prodloužit její aktivní dobu produkce nebo recyklovat. Nová legislativa EÚ umožňuje navíc i tzv. repowering dané lokality.

Renovace

Lopatka

V drtivé většině případů lze na konci projektované životnosti elektrárny provést její renovaci. Ta spočívá v regeneraci povrchu lopatek, které jsou po 20 letech provozu značně poškozené. Povrch lopatek lze renovovat na pozici, protože jej lze renovovat za studena očištěním stávajících povrchů a nalepením nové vrstvy. Pokud lopatky neobsahovaly turbolizátory, pak jej lze lopatku tímto zařízením dovybavit.

Renovaci lze provádět za účelem dalšího fungování elektrárny v dané lokalitě nebo i za účelem prodeje do nové lokality. Takto se v současné době prodávají po renovacích větrné elektrárny budované v západní Evropě v devadesátých

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.16

letech do východních částí evropy, kde se s větrnou energetikou teprve začíná.

Repowering

Jestliže se vymění použité části větrné elektrárny s prošlou životností za výkonnější, pak mluvíme o tzv. repoweringu. Repowering využívá pokroku v dostupných typech větrných elektráren, který nastal během aktivní doby produkce původního typu větrné elektrárny. To znamená například, že v lokalitě, kde doposud bylo pět větrných elektráren, které před dvaceti lety představovali špičku nabídky pro dané parametry lokality, tak dnes lze těchto pět větrných elektráren nahradit pouze jednou nebo dvěma se souhrnně stejným výkonem.

Stavební povolení

Repowering je i legislativním pojmem. Pod pojmem repowering se rozumí automatické získání prodloužení povoleních potřebných pro stavbu a provoz větrné elektrárny. Takže repowering by měl být časově méně náročný na legislativní proces než stavba větrné elektrárny v nové lokalitě.

Recyklace

Recyklace větrných elektráren je zcela nový obor, respektive služba, který vznikl z potřeby jednak návratu stanoviště větrných elektráren do původního stavu a jednak likvidace s minimálními odpady. Větrná elektrárna obsahuje velké množství materiálů, viz Tabulka 17 (jedná se o elektrárnu typu onshore, el. offshore obsahují více vzácných prvků kvůli potřebě zvýšené odolnosti konstrukce v agresivním prostředí oceánu), ale ne pro každý lze nalézt nové využití nebo ho z částí elektrárny efektivně získat. To pro výrobce představuje výzvu, protože mnoho států legislativně vyžaduje, aby určité procento hmotnosti větrné elektrárny bylo recyklovatelné nebo znovuvyužitelné.

17:
materiál   hm. podíl materiál   hm. podíl
beton   65-65 % ocel   30-35 %
kompozitní materiály   2-3 % elektro komponenty   1 %
měď   1 % hliník   1 %
PVC   1 % provozní tekutiny   1 %
Zdroj [Anon., 2015]

Beton

Ocel

Gondola

Sklolaminát

Uhlíkové vlákno

Betonový základ se drtí a drť se dále využívá ve stavebnictví, zejména při stavbě silnic. V případě turbín na moři se základem do dna se uvažuje pouze o odstranění ocelových částí, cca do dvou metrů pod povrch, zbytek v oceánu zůstane. Sloup je běžný ocelový šrot, který se pouze rozřeže na menší díly. Vybavení gondoly se demontuje na původní komponenty, které se recyklují v závodech specializujících se na tyto komponenty. Sklolaminátové lopatky se rozdělí výbuchy na několik dílů na místě, které lze v současnosti spálit

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.17

v cementárenských pecí a popel se přidává do cementové směsi. Uhlíková vlákna z lopatek se zatím nerecyklují, respektive není pro ně nové využití.

Recyklace

Lopatka

Největší problém představuje recyklace lopatek. Zde se provádí vývoj nových rozpustných pryskyřic [Herreros, 2023] a dokonce společnost Vestas v roce 2023 oznámila, že vynalezla proces rozložení lopatek vyrobených ze stávajících pryskyřic [Anon., 2023]. Nicméně jiní výrobci se snaží lopatky vyrobit z lépe recyklovatelných materiálů než je sklolaminát s pryskyřicí, například kovů. To jsou ale postupy obvykle technologicky náročnější než výroba lopatek ze sklolaminátu za studena.

Život s větrnou energetikou

Větrné elektrárny

Větrné elektrárny musí být z principu součásti krajiny a způsobem využití se dokonce stávají součástí životního stylu.

Rozestup větrných elektráren

Fyzická přítomnost větrné elektrárny ovlivňuje své okolí, jednak se kolem ní snižuje energie větru, a jednak vznikají turbulence. Proto má smysl další turbínu v rámci větrné farmy postavit až ve vzdálenosti, kde už bude proud vzduchu, který prošel rotorem turbíny, opět promíchán s okolním a získá zpět ztracenou kinetickou energii. Minimální vzájemné vzdálenosti větrných turbín doporučuje výrobce (obvykle odpovídá 7 průměrům rotoru [Al-Shemmeri, T., 2010]) a povolují příslušné úřady. Další větrné elektrárny směrem do stran se staví ve vzdálenosti odpovídající 4 průměrům rotoru [Al-Shemmeri, T., 2010]. Ale tento technický parametr je nutné brát jen jako nejmenší možnou vzdálenost, protože je nutno brát v úvahu i narušení krajinného rázu, čemuž velká hustota větrných elektráren nemusí vždy vyhovovat.

Stroboskopický efekt

Hlučnost

Dalším omezením větrné elektrárny v krajině, tentokrát hygienickým, je stroboskopický efekt otáčejícího se rotoru a především hlučnost elektrárny, což je problém zejména v obydlených oblastech, například ve vzdálenosti 300 m od elektrárny Vestas V52, při výšce sloupu 49 m lze naměřit hlučnost na úrovni 45 až 40,8 dB, tedy podobná hlučnost jako od větru v korunách stromů ale při mnohem menších vzdálenostech. Hlučnost lze snižovat natáčením lopatek (například v režimu den/noc), i když se sníží výkon elektrárny.

Námraza

Při výběru vhodné lokality by se, mimo její větrnosti, mělo přihlížet i na možnost tvorby námrazy (námraza svou tíhou narušuje vyváženost rotoru a při pádu z rotoru může ohrožovat okolí) a zohledňovat tahy velkých ptáků a ochrana přírody obecně, viz pokyny v [Anon., 2011].

 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.18

Zemědělství

Rybolov

V okolí větrné elektrárny může být zaznamenán pokles jiného hospodářského využití krajiny, například zemědělství lesnictví a nebo rybolovu v případě off-shore turbín. Dokonce se chystá v tomto směru i několik zákonů na automatické odškodnění uživatelům okolní krajiny.

Energetická infrastruktura

HVDC

S rozmístěním větrných elektráren v krajině se přebudovává i energetická infrastruktura. To znamená budování hustších sítí klasického vedení, tak i dálkových jednosměrných vedení HVDC (High-voltage direct current). Posledním případě se jedná například o dálkové vedení mezi hustou sítí větrných elektráren v severním moři na jih Německa. Bude se jistě rozvíjet i možnosti akumulace elektřiny vyrobené tímto způsobem, protože jejich výrobu lze jen těžko ovlivnit. Je to tedy i výzva pro způsob konzumace elektřiny.

Mimo energetické infrastruktury se změny týkají i dalších typů infrastruktur. Již zmíněné cesta pro transport dílu větrných elektráren, které pak dále slouží k obsluze a i příjezdu techniky záchranného systému v případě havárií a požárů.

Větrná energetika nepředstavuje pouze relativně nový způsob výroby elektřiny ale také mnoho nových oborových příležitostí. Vznikají nové postupy, technologie a společnosti pro stavbu, údržbu, monitoring, řízení i recyklaci větrných elektráren.

Odkazy

AL-SHEMMERI, T., 2010, Wind turbines, Bookboon.com, ISBN 978-87-7681-692-6.
ANON., 2010, The World of Wind Atlases – Wind Atlases of the World, http://www.windatlas.dk.
ANON., 2011, Metodický pokyn k vybraným aspektům postupu orgánů ochrany přírody při vydávání souhlasu podle § 12 a případných dalších rozhodnutí dle zákona č. 114/1992 Sb., které souvisí s umísťováním staveb vysokých větrných elektráren, Ministerstvo životního prostředí ČR, Praha.
ANON., 2012a, Významný mezník ve vývoji větrných elektráren, Technický týdeník, 13/2012, Business Media CZ, Praha, ISSN 0040-1064.
ANON., 2012b, Od myšlenky k výstavbě a provozu větrné elektrárny, Česká společnost pro větrnou energii, Praha.
ANON., 2013, Obří inteligentní elektrárna, Technický týdeník, 7/2013, Business Media CZ, Praha, ISSN 0040-1064.
ANON., 2014. Stožár s unikátním prostorovým rámem, Technický týdeník, 8/2014, Business Media CZ, Praha, ISSN 0040-1064.
ANON., 2015, Byznys budoucnosti: recyklace větrných turbín, Technický týdeník, 6/2015, Business Media CZ, Praha, ISSN 0040-1064.
ANON., 2016, Vestas multi-rotor konceptmølle går ind i den afgørende testfase, https://www.vindenergi.dtu.dk.
ANON., 2020, Hywind Tampen: the world’s first renewable power for offshore oil and gas, https://www.equinor.com.
ANON., 2023, Vestas unveils circularity solution to end landfill for turbine blades, Vestas Wind Systems A/S.
CEJNAROVÁ, A., 2010, Jak zkrotit vítr z moře, Technický týdeník, 11/2010, Business Media CZ, Praha, ISSN 0040-1064.
CROME, Horst, 2002, Technika využití energie větru, HEL, Ostrava, ISBN 80-86167-19-4.
 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
11.19
HAU, Erich, 2006, Wind Turbines – fundamentals, technologies, Applications, Economics, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, ISBN-10-3-540-24240-6.
HERREROS, Esther, 2023, Behind the scenes of the onshore RecyclableBlade project, Siemens Gamesa Renewable Energy, Madrid.
IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml., 2002, Technický průvodce energetika-1. díl, BEN-technická literatura, Praha, ISBN 80-7300-026-1.
JANOŠKA, Martin, 2003, Větrné mlýny v Čechách, na Moravě a ve Slezku, Libri, Praha, ISBN 80-7277-153-1.
Maarten van der LAAN, M. P., ANDERSEN, S. J., Ramos GARCÍA, N., ANGELOU, N., PIRRUNG, G. R., OTT, S., SJÖHOLM, M., SØRENSEN, K. H., Vianna NETO, J. X., KELLY, M., MIKKELSEN, T. K., LARSEN, G. C., 2019, Power curve and wake analyses of the Vestas multi-rotor demonstrator, Wind Energy Science, 4, 251–271, https://doi.org/10.5194/wes-4-251-2019.
ŠANTÍN, Vlastimil, 2012, Simulace jevů způsobených připojováním a provozem větrných elektráren a farem, Západočeská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická, Disertační práce.
SHARPLEY, Nic, 2012, Single blade installation equipment showcased at Husum, Windpower Engineering, http://www.windpowerengineering.com.

Bibliografická citace

Author:
Jiří, Škorpík (first name, surname)
Issue date:
April, 2023
Title:
Větrné elektrárny
Journal:
Transformační technologie (on-line journal at transformacni-technolgie.cz; turbomachinery.education; stirling-engine.education)
ISSN:
1804-8293

Copyright©Jiří Škorpík, 2023
All rights reserved.

©Jiří Škorpík, LICENCE