Větrné podmínky pro malé větrné elektrárny

1. Úvod

Obr. 1: Větrná elektrárna na střeše centrály T-mobile v Praze u stanice metra Roztyly

Po letech nízkého zájmu o využití malých větrných elektráren (dále malých VTE) lze v současné době pozorovat opětovné zvyšování pozornosti věnované této technologii, zejména v souvislosti s koncepcí lokálního zásobování energií a energetické soběstačnosti budov. Největší ekonomický přínos má využití malých VTE v odlehlých lokalitách bez možnosti odběru energie z elektrické sítě, a to ideálně v kombinaci s využitím solárních článků, které se s výrobou energie z větru vhodně doplňují. Zájem o výstavbu malých VTE však není omezený na tyto případy a nezřídka se lze setkat se záměry těchto zdrojů i v místech s připojením k elektrické síti, a to i v rámci obytné zástavby. V takových případech, nemá-li využití malé VTE převážně experimentální či reklamní efekt (obr. 1), je potřeba přistupovat k jejich využití se značnou obezřetností. Problematickými okolnostmi jsou zejména:

1. větrné podmínky v místě instalace malé VTE
2. ne vždy ideální kvalita a trvanlivost těchto zařízení a ne vždy solidní přístup jejich výrobců či prodejců
3. hlukové emise při umístění malé VTE v obytné zástavbě

Vynikajícím článkem, který se věnuje této problematice, je [1]. Přes sugestivní název se nejedná o dílo odpůrců technologie malých VTE, ale o souhrn praktických doporučení, která vycházejí z (často bohužel negativních) zkušeností amerického prodejce těchto zařízení. Jako další nezávislý zdroj informací (nejen) o malých VTE mohou sloužit též stránky http://www.wind-works.org. Dle informací z domácího prostředí je většina poznatků uvedených v těchto zdrojích přenositelných i do středoevropských reálií. V České republice se touto problematikou v minulosti zabývala výzkumná zpráva [2].

Základní skutečností, která předurčuje smysluplnost investice do malé VTE, je množství energie, které může elektrárna během svého života vyrobit. Cílem předkládaného článku je umožnit čtenáři alespoň přibližně vyhodnotit efektivitu investice do tohoto zdroje, nezávisle na informacích výrobce či prodejce zařízení, které nemusejí být objektivní. Článek je rozdělen do dvou částí. Tato první část je zaměřená na shrnutí základních skutečností, které mají vliv na výrobu elektrické energie malými VTE. Cílem druhé části bude poskytnout praktický návod pro získání orientační představy o očekávatelné výrobě energie.

2. Definice základních pojmů

Větrné elektrárny jsou zařízení, ve kterých je kinetická energie větru přeměňována na energii elektrickou. Základní fyzikální zákonitosti u malých VTE fungují podobně jako v případě velkých větrných zdrojů a jsou následující:

Turbína větrné elektrárny snižuje rychlost vzdušného proudění, pro jehož kinetickou energii E_k platí:

kde m je hmotnost, ρ hustota vzduchu, V objem vzduchu a u rychlost větru. Výkon, který by bylo možno získat stoprocentním využitím kinetické energie větru, proudícího jednotkovou plochou kolmou na směr proudění se označuje jako hustota výkonu větru. Udává se v jednotkách W/m² a platí pro ni:

Pro výkon větrné turbíny, který se udává ve wattech, platí:

kde S je plocha opisovaná rotorem a c_p součinitel výkonu (tj. účinnost přeměny energie proudění na elektrickou energii). Teoretická maximální hodnota součinitele výkonu c_p max je 0,593, reálně se však pohybuje v hodnotách do 0,5.

Pro konkrétní větrnou elektrárnu bývá definován její jmenovitý (nominální) výkon, který přibližně odpovídá maximální výrobě energie za optimálních podmínek (tedy zpravidla při vysokých rychlostech větru).

Výroba elektrické energie udávaná v kWh, MWh či GWh se zpravidla vztahuje k období jednoho roku (potom jsou jednotky MWh/rok apod.). Poměr mezi množstvím skutečně vyrobené energie a teoretickou výrobou elektrické energie v hypotetickém případě, kdy by elektrárna vyráběla nepřetržitě na úrovni jmenovitého výkonu, se nazývá kapacitní faktor (někdy též využitelnost).

3. Faktory určující výrobu elektřiny malou větrnou elektrárnou

V praxi závisí výroba elektrické energie větrnou elektrárnou na třech základních faktorech, kterými jsou:

1. výkonová křivka větrné elektrárny
2. větrné podmínky v úrovni rotoru větrné elektrárny
3. spolehlivost provozu větrné elektrárny a velikost energetických ztrát daných technologií větrné elektrárny a vedením a transformací vyrobené elektřiny

3.1 Výkonová křivka malých VtE

Výkonová křivka definuje závislost okamžité výroby elektrické energie větrnou elektrárnou na okamžité rychlosti větru v ose jejího rotoru. Typická elektrárna začíná vyrábět při rychlostech větru kolem 3–4 m/s, pak výkon prudce roste až do dosažení jmenovitého výkonu, zpravidla mezi 10 a 15 m/s. Při extrémně vysokých rychlostech větru by větrná elektrárna měla být odstavena, aby nedošlo k jejímu poškození. Výkonová křivka je proto ukončena nejčastěji mezi 20 a 25 m/s, v případě malých VTE i níže.

Relativní průběh výkonové křivky je u většiny větrných elektráren podobný a v rozmezí „středních“ rychlostí větru (cca mezi 4 a 9 m/s) velmi zhruba sleduje kubickou závislost výkonu elektrárny na rychlosti proudění. Při přiblížení se jmenovitému výkonu již aktuální výkon s rostoucí rychlostí větru roste pomaleji a po dosažení této úrovně již dále neroste, případně klesá. Určitou výjimku mohou tvořit typy větrných elektráren umožňující výrobu energie při nejnižších rychlostech větru, jako jsou Savoniovy turbíny či mnoholisté vrtule. Výkon těchto elektráren s rostoucí rychlostí větru roste pomaleji a jejich celková efektivita je nižší než v případě klasické konstrukce či při použití principu Darreiovy turbíny.

Obr. 2: Ukázka výkonové křivky malé větrné elektrárny

Příklad výkonové křivky malé VTE ukazuje obr. 2. Jedná se o větrnou elektrárnu klasické konstrukce (třílistá vrtule), která se velikostně blíží spíše horní hranici kategorie malých VTE. K nastartování výroby elektřiny dochází při rychlosti větru kolem 4 m/s a přibližně jmenovitého výkonu je dosaženo při rychlostech mezi 12 a 16 m/s. Ve 14 m/s větrná elektrárna dosahuje maximální výroby a při vyšších rychlostech větru její výkon zvolna klesá. Mírný pokles výkonu při vysokých rychlostech větru je důsledkem konstantního nastavení listů vrtule – tzv. typ regulace stall. Velké větrné elektrárny dnes standardně umožňují natáčení listů a výkon při vyšších rychlostech je přibližně konstantní. Z hlediska celkové výroby elektrické energie je ovšem průběh horního konce výkonové křivky celkem nepodstatný, neboť rychlosti přes 10 m/s se v běžných výškách malých VTE vyskytují jen zřídka.

Přestože se jedná o zcela zásadní informaci, není dostupnost výkonové křivky malé VTE samozřejmostí. Jediný údaj, který výrobci malých VTE při specifikaci svých produktů bez výjimky uvádějí, je jejich jmenovitý výkon. Tato hodnota se však obvykle vztahuje k vysokým rychlostem větru, jaké se v místě malé VTE vyskytují jen velmi zřídka. Výše jmenovitého výkonu má proto význam zejména z hlediska nároků na elektroinstalaci, pro odhad budoucí výroby elektrické energie je to však prakticky bezcenný údaj. Při běžných rychlostech větru závisí aktuální výkon větrné elektrárny především na rozměru a konstrukci větrné turbíny. Vyšší jmenovitý výkon proto u jinak stejné malé VTE v běžné (tedy méně větrné) lokalitě povede především k vyšším nárokům na elektroinstalaci a k nižšímu kapacitnímu faktoru elektrárny, ale celkové množství vyrobené energie zvýší jen nepatrně.

Vyhráno není ani v případě, kdy výrobce malé VTE výkonovou křivku svého výrobku skutečně poskytne. V prvé řadě by tato výkonová křivka měla být k dispozici nejen v podobě ilustrativního grafu, ale taktéž v přesné, tedy číselné podobě. I v takovém případě však není jisté, že se na uvedené údaje lze spolehnout. Výkonové křivky jsou nezřídka odvozovány pouze teoreticky a je spíše pravidlem než výjimkou, že malé VTE vůbec nejsou řádně testovány za reálných podmínek, jako tomu standardně bývá u velkých větrných elektráren a inzerované výkony mohou být nadhodnoceny (např. [1], [3] – v souladu s novějšími výsledky). Nakupující by proto měl ve svém zájmu po výrobci žádat záruku za dodržení výkonové křivky větrné elektrárny.

3.2 Větrné podmínky v místě malé VTE

Větrné podmínky pro provoz malé větrné elektrárny je potřeba sledovat na dvou různých úrovních, kterými jsou:

1. všeobecné větrné poměry v lokalitě výstavby malé VTE
2. lokální ovlivnění větrných podmínek v pozici rotoru větrné elektrárny

3.2.1 Větrné poměry lokality

Obr. 3a: Typické četnostní rozdělení rychlostí větru

Větrné poměry (větrné klima) jsou statistickým souhrnem větrných podmínek v určitém místě za klimatologicky dostatečně dlouhé období. Zpravidla se vztahují k ose rotoru větrné elektrárny. Jsou dány četnostním rozdělením rychlostí větru v prostoru rotoru a větrnou růžicí směrů větru (obr. 3a a 3b). Reálné (naměřené) četnostní rozdělení rychlostí větru bývá pro potřeby větrné energetiky často nahrazováno teoretickým Weibullovým rozdělením.

Obr. 3b: Ukázka větrné růžice

Větrné podmínky ve výškách instalace malých VTE jsou obecně mnohem horší než ve výškách velkých větrných elektráren, což je jeden z hlavních důvodů, proč se jejich technologie dosud ve větší míře nerozšiřuje. Tato skutečnost vyplývá ze základních vlastností atmosférického proudění, které je poháněno silami vznikajícími v celém objemu atmosféry, zatímco nejintenzivnější brzdící silou je tření o zemský povrch. V důsledku toho se vytváří typický vertikální profil větru, kdy jeho rychlost s výškou nad zemským v průměru narůstá. Tento nárůst může dosti výrazný, a to zvláště v místech s vysokou drsností povrchu, kde se nejvíce uplatňuje tření o zemský povrch, a tedy snížení rychlosti větru v malých výškách. Zvláště pro malé VTE jsou tedy nepříznivé lokality, okolo kterých se vyskytují překážky proudění (viz následující kapitolu) nebo v jejichž okolí jsou hodně zastoupeny lesní porosty či urbanizovaná území (plochy sídel).

Podrobnější diskuze toho, jaké větrné podmínky lze očekávat ve výšce malých VTE, bude součástí navazujícího článku.

3.2.2 Lokální ovlivnění větrných podmínek

Všeobecné větrné poměry lokality mohou být ve výšce malých větrných elektráren dramaticky pozměněny vlivem okolních objektů. Tento vliv může být teoreticky i pozitivní v důsledku zesílení proudění při obtékání překážek, ve většině případů se však bude jednat o dopady negativní, a to dvojího druhu.

Obr. 4: Malá větrná elektrárna s rotorem přibližně ve výšce okolních překážek

V prvé řadě stínění nedalekými objekty, jako jsou například stromy nebo budovy, povede ke snížení rychlosti větru. Pokud se větrná elektrárna nachází pod úrovní okolních překážek a tyto překážky se nacházejí ve směru převládajícího proudění, potom může být toto zeslabení větru skutečně masivní a zcela znehodnotit smysl výstavby malé VTE. Nezanedbatelné zeslabení větru však lze očekávat i v případě, že se malá VTE nachází v úrovni vrcholu okolních překážek nebo mírně nad ním (obr. 4).

Druhou okolností je změna vlastností proudění blízkými překážkami. Jedná se například o zvýšení turbulence, výskyt střihu větru (tj. změny vektoru proudění v rámci rozsahu větrné turbíny) či proudění se šikmou složkou (odkloněnou od horizontální roviny). Ve všech těchto případech dojde nejspíše ke snížení výkonu větrné elektrárny pod úroveň její výkonové křivky a nadto mohou nepříznivé vlastnosti proudění negativně ovlivnit životnost tohoto zařízení.

Obecně je tedy vhodné malou větrnou elektrárnu umístit na pokud možno vyvýšené místo na otevřeném prostranství či vysoko nad okolní překážky a do největší výšky nad zemí, jaká je z praktických a ekonomických důvodů reálná. V některých případech, zvláště u nejmenších typů malých VTE může být výhodné umístění elektrárny na střeše budovy. To platí zvláště v případě výškových budov, kde lze očekávat vyšší rychlosti větru, či na jiném objektu, například na telekomunikačním stožáru. Instalace malé VTE na střeše budovy ale ve většině případů nevede k dobrým výsledkům [4], přestože výsledky teoretických simulací naznačují, že zejména nad rovnou střechou může být při promyšleném umístění malé VTE tato poloha výhodou [5], zvláště v případě výškových budov [6].

3.3 Další okolnosti ovlivňující výrobu energie malou VTE

Výrobu elektrické energie větrnou elektrárnou přesně na úrovni vyplývající z rychlostí větru a výkonové křivky VTE označujeme jako teoretickou. Ve srovnání s ní je reálná výroba elektrické energie z řady důvodů nižší. V prvé řadě může být výroba energie negativně ovlivněna již zmíněnými negativními vlastnostmi proudění jako je vysoká turbulence nebo střih větru. Dále je nutno počítat s energetickými ztrátami ve výrobním řetězci, například při vedení a transformaci elektřiny. A v neposlední řadě lze očekávat, že dostupnost větrné elektrárny pro výrobu energie nemusí být stoprocentní. Příčinami mohou být například poruchy zařízení, problémy s vyvedením výkonu či z jiných důvodů specifických pro danou instalaci (například tvorba námrazy při instalaci malé VTE v námrazové oblasti).

Poděkování

Tento článek vznikl díky finanční podpoře Grantové agentury AV ČR pro řešení grantu KJB300420905.

Literatura

• [1] Anonymous (Solacity, Inc.): The Truth About Small Wind Turbines. staženo dne 7.3.2012, dostupné z: http://www.solacity.com/SmallWindTruth.htm
• [2] Štekl J, Hošek J. a kol., 2002: Výzkum a vývoj systémů využívajících obnovitelné zdroje energie pro typové a rodinné domy. Závěrečná zpráva projektu VaV 320/6/00.
• [3] Gipe P., 2000: Testing the Power Curves of Small Wind Turbines. staženo dne 7.3.2012, dostupné z: http://www.wind-works.org/articles/PowerCurves.html
• [4] Gipe P., 2006: Urban Turbines: what are they and what makes sense. staženo dne 7.3.2012, dostupné z: http://www.wind-works.org/articles/UrbanWindTurbines.html
• [5] Ledo L, Kosasih P.B., Cooper P., 2011: Roof mounting site analysis for micro-wind turbines. Renewable energy, 36, 1379–1391. doi:10.1016/j.renene.2010.10.030
• [6] Lu L., Ka, Y.I., 2009: Investigation on the feasibility and enhancement methods of wind power utilization in high-rise buildings of Hong Kong. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, 450–461. doi:10.1016/j.rser.2007.11.013