Větrná energetika I

1. Větrná energetika I Historie Vítr Větrné motory Využívání větrných motorů

2. Historie větrné energetiky • první zmínka o větrném motoru s vodorovnou osou je ze 3. století před Kristem z Egypta • od 13. století se větrné mlýny začaly používat v Evropě • ve 14. století se zaujalo vedoucí pozici ve využívání větrné energie Holandsko • v 19. století dochází k rozvoji i v USA • bylo postaveno více než 6 miliónů malých mnoholopatkových větrných motorů • úpadek větrných motorů souvisí s rozšířením parního stroje • v 60. letech minulého století došlo k výraznému útlumu ve vývoji větrných motorů

3. Historie větrné energetiky • současný boom v oblasti větrné energetiky se odvíjí hlavně z ekologického hlediska • omezení následků spalování uhlí • odsiřování • likvidace následků kyselých dešťů • ukládání popílku • snížení produkce oxidu uhličitého má globální důsledky

4. Vítr – vznik větru • vítr je pohyb vzduchu způsobený rozdíly atmosférického tlaku • rychlost vzduchu závisí na velikosti rozdílu atmosférického tlaku • v blízkosti zemského povrchu (výška 30 – 60 m) je vítr ovlivňován především: • topografií oblasti • kvalitou zemského povrchu • nejdůležitějším údajem při využívání energie větru je jeho rychlost

5. Vítr – měření rychlosti větru • měření směru a rychlosti větru se běžně provádí na meteorologických stanicích • standardní výška pro měření směru a rychlosti větru je 10 m • měření směru větru se provádí směrovkou, která je součástí rychloměru • pro měření rychlosti se nejčastěji používá anemometr (měří od rychlosti 1 až 2 m.s-1)

6. Vítr – měření rychlosti větru

7. Charakteristiky větru • rychlost větru je ovlivňována zemským povrchem a směrem k němu klesá • v rovinném terénu pro rychlost větru platí: kde v* –průměrná rychlost větru ve výšce h nad zemským povrchem v*0 – průměrná rychlost větru ve výšce h0 exponent n závisí na drsnosti povrchu

8. Charakteristiky větru • pro snadnější výpočet jsou výše uvedené exponenty poměrné hodnoty rychlosti vyjádřeny korekčním součinitelem kh při odchylce údaje v referenční výšce 10 m

9. Energie a výkon větru • energie pohybující se hmoty vzduchu se vyjadřuje vztahem kde v je rychlost vzduchu a m hmota. • pro m platí vztah kde A – plocha, kterou daný objem protéká s – dráha, kterou urazí pohybující se vzduch

10. Energie a výkon větru • výkon protékající jednotkovou plochou lze vyjádřit jako kde  • výkon protékající jednotkovou plochou 1 m2 je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině rychlosti větru

11. Energie a výkon větru • hustota vzduchu lze určit z barometrického tlaku a termodynamické teploty vzduchu kde r je plynová konstanta, pro vzduch asi 287 J.kg-1.K-1 • barometrický tlak závisí na nadmořské výšce • se stoupající výškou barometrický tlak klesá přibližně dle závislosti

12. Energie a výkon větru • rychlost i výkon větru se na čase mění, proto pro energii větru protékající za dané období jednotkovou plochou platí vztah • pokud se v daném časovém intervalu teplota a hustota vzduchu nemění, platí

13. Energie a výkon větru závislost výkonu větru Pvprotékajícího plochou 1 m2 na jeho rychlosti v přibližná závislost roční energie větru E1 protékajícího plochou 1 m2 na jeho průměrné rychlosti v* E2 – pro průměrnou rychlost větru po celý rok

14. Větrné motoryZákladní typy a jejich rozdělení • větrné motory se dělí z mnoha hledisek • základní dělení je podle aerodynamického principu • motory odporové • patří mezi nejstarší • mohou mít vodorovnou i svislou osu otáčení • motory vztlakové • vrtule a větrná kola s vodorovnou osou • rovinou otáčení jsou orientovány kolmo ke směru větru

15. rotor Savonius rotor s krycím štítem Větrné motory odporové • plocha nastavená proti větru mu klade aerodynamický odpor, proud vzduchu zpomaluje a na plochu je vyvozována síla, která je mechanicky přeměňována na rotační pohyb

16. Větrné motory vztlakové • vrtule se nejčastěji vyskytují ve dvou nebo třílistém provedení • čtyřlisté vrtule se využívají spíše z technologických důvodů v souvislosti s výrobou hlavy rotoru

17. Větrné motory vztlakové

18. Princip funkce větrných motorů • větrné motory se využívají k přeměně kinetické energie větru na mechanickou práci • zpomalují proud vzduchu, který protéká jejich pracovní plochou a tím odnímají část jeho energie

19. Princip funkce větrných motorů • v prostoru omezeném proudovými plochami (viz. předešlý obrázek) se nepřenáší hmota ani energie a platí rovnice kontinuity • ze zákona o zachování hybnosti lze odvodit axiální sílu působící na rotor • pro výkon větru pak platí

20. Princip funkce větrných motorů • výkon určený ze změny kinetické energie proudu proteklého za sekundu kontrolní plochou je • srovnáním rovnic pro výkon (a, b) vyplývá pro rychlost vztah

21. Princip funkce větrných motorů • pro axiální sílu působící na rotor pak můžeme psát • pro výkon rotoru pak platí

22. Princip funkce větrných motorů • ideální účinnost dostaneme z poměru výkonu rotoru k výkonu větru (platí pro ideální rotor s nekonečným počtem lopatek pracujících bez aerodynamického odporu)

23. Princip funkce větrných motorů výkonová charakteristika větrné elektrárny příklad výpočtu množství vyrobené energie

24. Využití větrných motorů • Výroba elektrické energie • větrné motory pohánějí elektrické generátory • malé větrné elektrárny se využívají na nabíjení baterií, čerpání nebo ohřev vody – pracují samostatně, jako jediný zdroj • větrné elektrárny od výkonu nad 50 kW jsou převážně začleněny do elektrické rozvodné sítě • Čerpání vody • běžné využití pro potřeby zavlažování • mimo vody se čerpají i jiné látky (chladiva v soustavách pro chlazení...) • Mechanické pohony • dřívější použití • mletí obilí, pohon pil a dalších pracovních strojů

25. Větrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektráren • pro výrobu elektrické energie se ve větrných elektrárnách využívají asynchronní a synchronní třífázové generátory • rotory větrných elektráren jsou ve většině případů navrhovány s vodorovnou osou jako rychloběžné třílisté vrtule umístěné před stožárem • natáčení rotoru proti větru se provádí pomocí elektrických nebo hydraulických motorů

26. Větrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektráren • omezení výkonu větrného motoru při vysoké rychlosti větru se dosahuje • natáčením listů rotoru okolo jejich podélné osy • pevnými listy s regulací na odtržení proudu vzduchu • rychlost větru 3 až 5,5 m.s-1 je minimální pro dodávání elektrické energie do sítě • jmenovitý výkon se obvykle dosahuje při rychlostech větru 13 až 15 m.s-1 • při rychlosti větru nad 25 m.s-1 se větrné motory odstavují

27. Větrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektráren • větrné elektrárny jsou vybaveny mechanickou brzdou umístěnou za převodovkou na straně generátoru • brzda je disková a spouští se pružinou při poklesu hydraulického tlaku • při nárůstu otáček vlivem velké rychlosti větru se používají aerodynamické brzdy • neubrzdí větrný motor do úplného zastavení • zabraňují mechanickému přetížení rotoru • stojící větrná elektrárna musí odolat větru o rychlosti 60 m.s-1

28. Větrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektráren • malé větrné elektrárny o výkonech do 10 kW jsou dostatečně rychloběžné – používají se vícepólové synchronní generátory s permanentními magnety • součástí je usměrňovač pro napájení akumulátorové baterie nebo autonomní stejnosměrné sítě o jmenovitém napětí 12, 24 nebo 120 V • mohou být doplněny polovodičovým střídačem, umožňujícím napájení malých jednofázových spotřebičů

29. Větrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektráren • ve větrných elektrárnách středních a velkých výkonů se k výrobě elektrické energie nejčastěji používají asynchronní motory s kotvou nakrátko, pracující v generátorickém chodu • výhodou je • vysoká provozní spolehlivost • nenáročná údržba • nízké pořizovací náklady dané jejich jednoduchostí • pro elektrárny velkých výkonů nebo speciálního provedení se používají synchronní generátory s budícím vinutím na rotoru

30. Větrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektráren

31. Větrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektráren • větrné elektrárny pracující při konstantních nebo skoro konstantních otáčkách využívají maximálního výkonu větru pouze při jeho jedné rychlosti

32. Připojení elektrického generátoru k síti • přímé • přes měnič kmitočtu Větrné elektrárnyElektrická zařízení větrných elektráren • změnu otáček potřebnou pro využití maximálního výkonu větru při všech jeho rychlostech umožňuje vložení měniče kmitočtu mezi svorky generátoru a síť