Větrná energie

Větrná energie je jedna z forem, do níž se transformuje sluneční záření, neustále dopadající na naši planetu. Vítr je proudění vzduchu, které vzniká tlakovými rozdíly mezi různě zahřátými oblastmi vzduchu v zemské atmosféře. Pokud není uvedeno jinak, rozumí se (i v odborné literatuře) pod pojmem vítr pouze horizontální složka proudění vzduchu.

Větrná energie je v centru pozornosti hlavně proto, že se dá snadno transformovat na cennou a žádanou elektřinu - na rozdíl třeba od energie biomasy. Využívání větru tak může napomoci splnění národního cíle - produkovat v roce 2010 z obnovitelných zdrojů 8 % spotřeby elektřiny.

Instalovaný výkon větrných elektráren koncem roku 2004 v evropských zemích (zdroj: EWEA).

Přírodní podmínky

Česká republika je vnitrozemský stát s typicky kontinentálním klimatem, který 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 drsností povrchu, ale s rostoucí výškou se rychlost větru logaritmicky zvyšuje. Je tedy velký rozdíl mezi rychlostí větru ve výšce 10 m a 100 m nad terénem. Vítr je nad terénem různě zpomalován, zejména terénními překážkami - stavbami, kopci, dále také druhem povrchu (tráva, les, vodní hladina, sníh...).

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, elektronické).

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).

Bohužel jednotlivé metody nejsou plně srovnatelné, na některých stanovištích jsou mezi naměřenými hodnotami kontinuálním měřením a vypočtenými průměrnými rychlostmi při měření v klimatických termínech rozdíly 10 - 20 %.

Pro velmi hrubou představu jsou běžně dostupná měření na meteorologických stanicích. Měření rychlostí a směru větru se spolu s jinými klimatickými faktory 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.

Větrný atlas České republiky (zdroj: Ústav fyziky atmosféry 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

Dříve využívaná přímá přeměna energie větru na mechanickou práci (větrné mlýny) se dnes už téměř v Evropě nevyužívá. V rozvojových zemích a na pastvinách v USA se vítr používá pro čerpání vody.

Dnes se z větru získává zejména elektřina. Velká zařízení dodávají elektřinu do sítě, drobná zařízení slouží pro zásobování odlehlých objektů nepřipojených k síti, malé VE se používají na lodích pro dobíjení baterií apod.

Autonomní systémy

Systémy nezávislé na rozvodné síti (grid-off), 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 220 V. Podle toho je nutno objekt vybavit energeticky úspornými spotřebiči. Autonomní systémy bývají doplněny fotovoltaickými panely pro léto, kdy je méně větru, ale více sluníčka.

Pro větší výkony se používají větrné elektrárny se synchronními generátory.

Náklady na větrnou elektrárnu a další prvky systému jsou poměrně vysoké, takže v místech, kde je dostupná relativně levná elektřina ze sítě, ztrácí jejich využití obvykle opodstatnění.

Některé vlastníky rodinných domů či rekreačních objektů, kteří uvažují o energetické soběstačnosti pro osvětlení, vaření i vytápění, láká myšlenka vlastní elektrárny s výkonem do 50 kW. Ve skutečnosti je však využití těchto elektráren ekonomicky nevýhodné, neboť investiční náklady jsou poměrně vysoké. Obytné objekty obvykle stojí v místech, kde jsou velmi špatné větrné podmínky a kvůli hluku zde nelze postavit VE.

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.

Trendem je výstavba stále větších strojů (průměr rotoru 40 až80 m a věž o výšce více než 80 metrů). Důvodem jsou nižší měrné náklady na výrobu energie a maximální využití lokalit, kterých je omezený počet. Ve vnitrozemí se staví stroje s výkonem 300 až 2 000 kW. Na moři (poblíž pobřeží) se však staví stroje s výkonem až 5 MW. Naopak starší vnitrozemské elektrárny s výkony do 200kW se demontují a nahrazují silnějšími stroji, i když jsou ještě provozuschopné. Nabízí se pak k vývozu i do ČR.

Tyto velké 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.

Moderní větrné elektrárny mají rozběhovou rychlost větrukolem 4 m/s. Pro zvýšení výroby jsou některé elektrárny vybaveny dvěma generátory (nebo jedním 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.

Technické řešení

Podle aerodynamického principu dělíme větrné motory navztlakové a odporové. Nejrozšířenějším typem jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení, pracující na vztlakovém principu, kde vítr obtéká lopatky s profilem podobným letecké vrtuli. Napodobném 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 třílisté rotory.

Existují také elektrárny se svislou osou otáčení, některé pracující na odporovém principu (typ Savonius, jako miskyanemometru) nebo na vztlakovém principu (typ Darrieus). Výhodou elektráren se svislou osou pracujících na vztlakovém principu je, že mohou dosahovat vyšší rychlosti otáčení a tím i vyšší účinnosti; není je třeba natáčet do směru převládajícího směru větru. Elektrárny se svislou osou otáčení se v praxi příliš neuplatnily, neboť u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, které značně snižuje jejich životnost. Nevýhodou je malá výška rotoru nad terénem, tj. i menší rychlost větru.

Schéma větrné elektrárny.

Popis: 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 v podmínkách 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 větruje naprosto zásadní parametr, neboť energie větru roste se třetí mocninou rychlosti. Při zdvojnásobení rychlosti větru (např. ze 4m/s na 8 m/s) vzroste jeho energie osmkrát. Je zřejmé, že i malá odchylka v rychlosti větru se výrazně projeví na množství získané elektřiny.

Výkonová charakteristika větrné elektrárny s výkonem 500 kW.

K ohodnocení konkrétní lokality je nejvhodnější stanovenídistribuční charakteristiky, což je rozdělení četnosti rychlostí větru zjištěné kontinuálním měřením rychlosti ve výšce osyrotoru. Ideální je alespoň roční měření porovnané s dlouhodobými údaji na blízkých meteorologických stanicích. Jednotlivé roky se od sebe mohou značně lišit. Předrozhodnutím 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, zátěž budováním elektrické přípojky, zásah do vzhledu krajiny (umístění lokality v CHKO velmi komplikuje povolovací řízení).
• majetkoprávní vztahy k pozemku, postoj místních úřadů, občanů, vlastnictví či dlouhodobý pronájem pozemků.

Pro vlastní stavbu elektrárny je nutno získat v první řadě územní rozhodnutí a následně stavební povolení. Někdy je kvůlitomu nutno změnit 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).
• Zpracování studie vlivu na životní prostředí (EIA). Elektrárna nesmí mít negativní dopad na své okolí. Jako každé strojní zařízení vydává i větrná elektrárna mechanický (převodovka) a aerodynamický hluk způsobený obtékáním listů elektrárny. Přestože je snížení hluku věnována v konstrukci moderních elektráren velká pozornost, může nevhodně umístěná elektrárna působit nepříjemnosti.

Malé větrné elektrárny jsou rychloběžné (mají vysoké otáčky rotoru) a proto jsou poměrně hlučné. Umístění této elektrárny přímo na zahradě může narušit dobré sousedské vztahy.

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

• Získat licenci k výrobě elektřiny (případně k přenosu) podle energetického zákona č. 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 někdy vytýkána i negativa. Obvykle neprávem; současné elektrárny jsou mnohem modernější, než byly před deseti lety.

Hluk současných strojů je poměrně nízký, navíc jsou elektrárny stavěny v dostatečné vzdálenosti od obydlí. Hluková studie bývá součástí dokumentace nutné ke stavebnímu povolení. U existujících strojů lze provést měření a na jeho základě případně omezit jejich provoz.

Malá elektrárna pro osvětlení reklamy (jižní Morava).

Stroboskopický efekt (vrhání pohyblivých stínů, je-li Slunce nízko nad obzorem) není v praxi závažný, zejména právě kvůli vzdálenosti strojů 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, ale poměrně vzácně, zejména v noci a za mlhy. Výjimkou byly případy, kdy elektrárna stála např. v místě tahu migrujících ptáků.

Rušení televizního signálu může nastat. Závisí na pozici televizního vysílače, elektrárny a domů, které mají anténu. Týká se opět jen blízkého okolí elektrárny. Díky tomu, že v ČR je většina lokalit daleko od osídlení, jde o problém spíše teoretický.

Montáž rotoru elektrárny 600 kW v Jeseníkách.

Narušení krajinného rázu je nejspíše nejproblematičtější. Někomu se elektrárny líbí, někomu ne. V české krajině, kde lze jens obtížemi najít panorama nerušené stožáry elektrického vedení, představují větrné elektrárny další, nezvyklý prvek. Paradoxně seu nich někdy dostává do konfliktu požadavek státní ochranypřírody na "nenápadnost" elektrárny s požadavkem bezpečnosti leteckého provozu na umístění zábleskového zařízení na vrcholstožáru kvůli viditelnosti. Trend stavět stále větší stroje vedek tomu, že elektráren může být méně, ale současně budou více vidět. Elektrárny však mohou také pomoci snížit počet různých stožárů v krajině. Na stožár jedné elektrárny lze umístit několikrůzných telekomunikačních zařízení (zejména vysílače mobilníchtelefonů), které bohužel často mají každý svůj vlastní stožár. Díky umístění ve větší výšce mohou pak vysílače pokrýt větší území.

Obrázek 32: větrná elektrárna může zohyzdit krajinu (Olomouc, replika historické elektrárny)

Obrázek 33: malá větrná elektrárna svépomocné výroby