TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH

Transcript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Veterná energetika v Slovenskej republike a vo svete Ján VOZÁR BAKALÁRSKA PRÁCA 2009

2 TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Katedra elektroenergetiky Veterná energetika v Slovenskej republike a vo svete BAKALÁRSKA PRÁCA Ján Vozár Vedúci bakalárskej práce: prof. Ing. Michal Kolcun, PhD. Košice 2009

3 Analytický list Autor: Ján Vozár Názov práce: Veterná energetika v Slovenskej republike a vo svete Jazyk práce: slovenský Typ práce: bakalárska práca Počet strán: 73 Akademický titul: bakalár Univerzita: Technická univerzita v Košiciach Fakulta: Fakulta elektrotechniky a informatiky (FEI) Katedra: Katedra elektroenergetiky () Študijný odbor: Elektrotechnika Študijný program: Elektroenergetika Mesto: Košice Vedúci BP: prof. Ing. Michal Kolcun, PhD. Dátum odovzdania: 1. jún 2009 Dátum obhajoby: 15. jún Kľúčové slová: energia, veterná energetika, veterné elektrárne, vietor,veterná turbína, EIA, obnoviteľný zdroj, veterný park Kategória Konspekt: Technika, technológia, inžinierstvo; Energetika Citovanie práce: Vozár, Ján: Veterná energetika v Slovenskej republike a vo svete. bakalárska práca. Košice: Technická univerzita v Košiciach, Fakulta elektrotechniky a informatiky, s. Názov práce v AJ: Wind Power Engineering in Slovak Republic and in the World Kľúčové slová v AJ: energy, wind power energy, wind power stations, wind, wind turbine,eia,renewable energy, wind park

4 Abstrakt v SJ Prezentovaná bakalárska práca sa zaoberá problematikou veternej energetiky ako alternatívneho zdroja výroby elektrickej energie. Hlavnou náplňou práce okrem sumarizácie súčasného stavu a vývoja veternej energetiky u nás a vo svete bolo aj určiť kritéria pre výstavbu veterných elektrárni a parkov. V závere práce je dôraz na ekonomické aspekty a odporúčania pre prax. Abstrakt v AJ Presented bachelor-work concerns on wind power engineering as alternative electric energy source. The main topic of this work, except summarization of present stage and development of home and world s wind power engineering, was also criteria determination of wind power plants and wind parks constructions. There are accented economic aspects and practical recommendations in the work conclusion.

5 Zadanie práce

6 Poďakovanie Ďakujem vedúcemu bakalárskej práce prof. Ing. Michalovi Kolcunovi PhD. za jeho cenné rady, taktiež Ing. Mariánovi Mešterovi PhD za poskytnutie materiálov, ktoré mi pomohli pri vypracovaní tejto práce a Martinovi Valentovičovi za všestrannú pomoc pri vypracovaní tejto bakalárskej práce.

7 Predhovor Hlavný dôvod, ktorý ma viedol k výberu témy bol aktuálnosť potreby využívania alternatívnych zdrojov energie ako jedného z možných riešení nastávajúcej energetickej krízy. Pri nestabilnosti dodávky zemného plynu a zatiaľ monopolnnych dodávok jadrového paliva je jedno z riešení diverzifikácia zdrojov energie. Slovensko nie je bohaté na energetické zdroje. Riešením je diverzifikácia zdrojov nie z pohľadu dodávateľa, ale z pohľadu dovozu a lokálneho využitia uprednostňovanie domácich zdrojov pred importom zo zahraničia. Výroba elektrickej energie pomocou vetra má možnosť sa stať pevnou súčasťou energetického mixu Slovenska. Treba však brať do úvahy kritéria pre výstavbu veterných zdrojov a vplyv veterných turbín na stabilitu ES. Táto práca si kladie za účel vytvoriť kompiláciu poznatkov o veternej energetike, zmapovať vývoj a súčasný stav v Slovenskej republike a vo svete a definovať kritéria pre výstavbu veterných energetických zdrojov. Chce ponúknuť riešenie eliminácie negatívnych vplyvov veternej energetiky na ES a vhodné možnosti využitia tohto alternatívneho zdroja. Ďalej sa zaoberá ekonomickým hľadiskom veternej energetiky a ponúka príklad ekonomickej kalkulácie výstavby a prevádzky veternej elektrárne.

8 Obsah Zoznam obrázkov... 9 Zoznam tabuliek Zoznam symbolov a skratiek Slovník termínov Energia vetra Vietor Veterná energia Technológia História Elektrická energia z morského vetra Veterná farma na mori vo Vindeby (Dánsko) Veterná farma na mori Tuno Knob (Dánsko) Súčasný stav využívania veternej energetiky v Slovenskej republike a vo svete Využitie veternej energie Situácia vo svete USA Situácia v Európe Dánsko Nemecko Španielsko Česko Situácia v SR Veterný park Cerová Rozbehy Veterný park Myjava Ostrý vrch Veterný park Skalité Poľana (Kysuce) Obr Veterné elektrárne Pripojiteľnosť do ES Pripojenie veternej elektrárne k distribučnej sústave Podmienky pripojenia Kritéria výstavby veterných elektrárni a veterných parkov... 38

9 3.2.1 Environmentálne kritéria Parametre vetra Prekážky a drsnosť terénu Turbína Typy turbín Turbíny s horizontálnou osou Turbíny s vertikálnou osou Tienenie turbínou Umiestnenie turbín Určenie výkonu turbíny Výška stožiara Plocha rotora Ekonomické aspekty veterných elektrárni Spotreba primárnych energetických zdrojov Rozdelenie veterných elektrárni z hľadiska výkonu a ceny Ekonomická efektívnosť veternej elektrárne Ekonomická kalkulácia veternej elektrárne Podpora veterných elektrárni EU fondy Štátna podpora a legislatíva Súkromný investor Záver a odporúčania pre prax Odporúčania pre prax Možnosti využitia energie vetra Postup pri výstavbe veternej elektrárne Záver Zoznam použitej literatúry Prílohy Curriculum vitae... 71

10 Zoznam obrázkov Obr. 1 Anemometer Obr. 2 Veterný mlyn v Bielych Karpatoch Obr. 3 Veterná farma Windeby Obr. 4 Veterná farma Tuno Knob Obr. 5 Celková inštalovaná kapacita Obr. 6 Veterná farma v Kalifornii Obr. 7 Celkový inštalovaný výkon veternej energie v Európe Obr. 8 Veterný park Brorup Obr. 9 Veterný park v krajine Schleswig Holstein Obr. 10 Veterný park Dom Obr. 11 Nová Ves v Horách Obr. 12 Hora svätého Šebestiána Obr. 13 Krištofovy Hámry Obr. 14 Veterný park Cerová Obr. 15 Veterný park Myjava Obr. 16 Skalité Obr. 17 Pripojenie VE Obr. 18 Závislosť úrovní hluku od vzdialenosti od turbíny Obr. 19 Vizuálny efekt VE Obr. 20 Mapa rýchlosti a smeru vetra v SR Obr. 21 Meteostanica TFA Obr. 22 Prúdenie vetra okolo prekážky Obr. 23 Prierez veterným agregátom Obr. 24 Typy veterných turbín Obr. 25 Vývoj spotreby primárnych energetických zdrojov Obr. 26 Využitie veternej energie pre vlastnú spotrebu Obr. 27 Čerpanie vody pomocou veternej energie Obr. 28 Schéma samostatného elektrického systému s malou veternou turbínou

11 Zoznam tabuliek Tab. 1Inštalovaný výkon veterných elektrárni vo svete Tab. 2 Hluky typické pre veterný zdroj Tab. 3 Rýchlosť vetra Tab. 4 Drsnosť povrchu terénu Tab. 5 Percentuálne rozloženie nákladov na výstavbu VE Tab. 6 Typy veterných elektrárni podľa výkonu P a ceny

12 Zoznam symbolov a skratiek EIA ES db DKK DS JE kwh MH SR environmental impact assessment stanovenie environmentálneho dopadu, posudzovanie vplyvov na životné prostredie. Je považovaná za jeden z hlavných nástrojov medzinárodnej environmentálnej politiky na uskutočňovanie trvalo udržateľného rozvoja elektrizačná sústava decibel, jednotka hlasitosti zvuku dansk krone - dánska koruna, 1 EUR = 7,4504 DKK (kurz ECB k ) distribučná sústava jadrová energia kilowatthodina je jednotka energie používaná najmä v energetike. Zodpovedá 3,6 MJ. Jednotkou energie v sústave SI je joule, ktorý zodpovedá jednej wattsekunde Ministerstvo hospodárstva Slovenskej republiky MVRR SR Ministerstvo výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky OZE PDS PS RPM SI obnoviteľné zdroje energie prevádzkovateľ distribučnej sústavy prenosová sústava revolutions per minute otáčky za minútu système international (d'unités) - Medzinárodná sústava jednotiek. SKK slovenská koruna, oficiálny konverzný kurz od EUR = 30,1260 SKK TUR SR TÚV tzv USD V trvalo udržateľný rozvoj v Slovenskej republike teplá úžitková voda takzvane united states dollar - americký dolár, 1 EUR = 1,3908 USD (kurz ECB k ) volt, jednotka elektrického napätia, odvodená jednotka v sústave SI, 1 V = kg m 2 s 3 A 11

13 VVE W veľké vodné elektrárne watt, jednotka činného elektrického výkonu, odvodená jednotka v sústave SI, W = kg m 2 s -3 = J s -1 = V A 12

14 Slovník termínov Diskuefekt - za slnečných dní sa môže vyskytnúť v blízkosti veterných turbín diskoefekt, svetelné záblesky na listoch rotora. Tieto svetelné záblesky sú náhodne. Toto zaťaženie nie je dlhšie ako niekoľko hodín denne. Tento efekt spôsobujú zvyčajne zrkadľujúce sa povrchy. Riešením tohto problému je nanášanie matnej farby alebo vypínanie turbíny v danom čase. Hlukové emisie pri prevádzke veternej elektrárne vznikajú dva druhy hluku mechanický a aerodynamický. Zdrojom mechanického hluku je pohyb mechanických časti strojovne, čo je hlavne prevodovka a elektrických časti strojovne, čo je generátor vrátene ventilátora. Aerodynamickź hluk vzniká pri obtekaní vzduchu okolo listov rotora. Tento hluk má typický charakter svišťania. Infrazvuk označenie pre nízkofrekvenčný zvuk pod hladinou vnímania ľudského ucha (<20 Hz). Infrazvuk sa meria od 70. rokov. Typické zdroje v životnom prostredí človeka poznamenaného technikou sú všetky druhy strojov: autá, lietadlá výrobné stroje. V prírode sa infrazvuk vytvára búrkami a vodopádmi. Ohrozenie zdravia vzniká pri trvalej hladine tlaku vzduchu nad 130 db. NATURA 2000 názov sústavy chránených území členských krajín Európskej únie. Hlavným cieľom jej vytvorenia je zachovanie prírodného dedičstva, ktoré je má charakter celoeurópskeho významu. Táto sústava chránených území má zabezpečiť ochranu najvzácnejších a najviac ohrozených druhov voľne rastúcich rastlín, voľne žijúcich živočíchov a prírodných biotopov vyskytujúcich sa na území štátov Európskej únie a prostredníctvom ochrany týchto druhov a biotopov zabezpečiť zachovanie biologickej rôznorodosti v celej Európskej únii. Coriolisova sila zotrvačná sila pôsobiaca na telesá, ktoré sa pohybujú v rotujúcej neinerciálnej vzťažnej sústave tak, že sa mení ich vzdialenosť od osi otáčania. Coriolisova sila ma smer kolmí ku dotyčnice telesa osa otáčania a spôsobuje zakrivenie trajektórie telesa proti smeru otáčania sústavy. Patrí medzi fiktívne sily. Je pomenovaná po Gustavu Gaspardu de Coriolisovi, ktorý skúmal sily v rotujúcich sústavách. 13

15 Beaufortova stupnica - vytvorená začiatkom 19. storočia Francisem Beaufortem. Slúži k odhadu rýchlosti vetra podľa jeho ľahko pozorovaných prejavov na mori a na súši. Beaufortova stupnica má 12 stupňov. Drsnosť povrchu terénu - množstvo prekážok v teréne. 14

16 1 Energia vetra 1.1 Vietor Hnacou silou veterných generátorov je vietor. Vietor, vzniká ako dôsledok pôsobenia slnečnej energie. Vietor vanie z oblasti vyššieho tlaku do oblasti nižšieho tlaku vzduchu. Najviac na rovníku pôsobí na tieto masy Corriolisova sila, ktorá spôsobuje výchylku vzdušných prúdov. Vietor možno charakterizovať pomocou 2 základných veličín smeru a rýchlosti. Smer vetra je daný svetovou stranou odkiaľ vanie (určuje sa pomocou veterneého vreca, os veterného vreca určuje smer vetra, veterná ružica). Rýchlosť vetra možno určiť pomocou anemometra Obr. 1, alebo vizuálne s následným porovnaním s Beafortovou stupnicou. Rotačný anemometer tvoria štyri rotujúce ramená zakončené dutými polguľami. Tlakový anemometer využíva dynamický tlak prúdiaceho vzduchu. Tepelný anemometer využíva fakt, že rýchlosť ochladzovania horúceho vlákna je úmerná rýchlosti prúdenia. Obr. 1 Anemometer Z hľadiska využitia veternej energie si treba uvedomiť, že zatiaľ dokážeme využívať na energetické účely iba vrstvy vzduchu celkom pri zemi. Pretože Zem nie je úplne rovnou doskou a vetru stoja v ceste rôzne prekážky, musíme pri pohybe vzduchu uvažovať aj fyzikálne zákony o prúdení tekutín (napr. obtekanie prekážok). [1] 15

17 1.2 Veterná energia Energia vetra má svoj pôvod v slnečnej aktivite. Zohrievaním vzduchu a jeho následným stúpaním do výšky totiž dochádza k prúdeniu vzdušnej masy okolo Zeme. Vzniká pri nerovnomernom ohrievaní zemského povrchu. Slnko vyžaruje smerom k Zemi energiu rovnajúcu sa 100,000,000,000,000 kwh. [2] Z tejto hodnoty sa približne 1 až 2 % mení na energiu vetra. Slnko svojimi lúčmi zohrieva nerovnakou mierou pevninu, vodu a masy vzduchu vždy podľa zemepisnej polohy, ročného obdobia a poveternostných podmienok. V oblasti rovníka, kde sa dostáva najväčšia časť slnečnej energie, sa vzduch ohrieva najviac (jeho hustota klesá), stáva sa ľahším a stúpa nahor. Na póloch sa vzduch ohrieva najmenej, tu je najchladnejší (má väčšiu hustotu je ťažší ako teplý vzduch). Stúpajúci teplý vzduch na rovníku vytvára oblasť zriedeného vzduchu, ktorá nasáva studený vzduch z oblastí zemských pólov (hustejší vzduch, vyšší tlak). Studený vzduch sa pozdĺž povrchu Zeme dostáva opäť k rovníku. Energiu tvorí kinetická energia más vzduchu. 1.3 Technológia Energia prúdenia vetra roztáča listy rotora a takto vytvorenú mechanickú energiu využíva generátor na výrobu elektrického prúdu. Veterné turbíny môžu pracovať buď na odporovom alebo vztlakovom princípe. Turbíny pracujúce na odporovom princípe využívajú tlak vetra na listy rotora, ktoré môžu mať tvar napr. rovinnej dosky, pričom vyvinutá sila poháňa rotor. Takto pracujú najjednoduchšie zariadenia. V turbínach pracujúcich na vztlakovom princípe vietor obteká listy, ktoré majú profil podobný leteckej vrtuli. Listy sú tvarované tak, aby vznikla potrebná vztlaková sila uvádzajúca rotor do pohybu. Na tomto princípe pracuje dnes väčšina veterných turbín vo svete. Rotor má zvyčajne dva alebo tri listy. Trojlistový rotor má o niečo vyššiu účinnosť a jeho chod je hladší, na druhej strane je drahší ako dvojlistový. Listy rotora sa bežne krútia vo výške metrov nad zemou. Najväčšie zariadenia (s výkonom až 4 MW), ktoré boli postavené len nedávno, majú listy rotujúce vo výške až 90 metrov. Na ich výrobu sa používa drevo alebo sklolaminát - materiály, ktoré sa vyznačujú potrebnou pevnosťou a flexibilnosťou. Ďalšou výhodou týchto materiálov je, že 16

18 neobsahujú žiadne kovové časti, a tým nerušia televízny signál. Výkon turbín používaných na výrobu elektriny sa v súčasnosti bežne pohybuje od 300 do 1000 kw. Množstvo elektrickej energie, ktoré je možné v danej lokalite turbínou vyrobiť závisí okrem rýchlosti vetra aj na veľkosti rotora. Turbíny s väčšími priemermi rotora a s výkonom nad 500 kw sú vhodné hlavne pre oblasti s vysokými rýchlosťami vetra, ktoré sa vyskytujú hlavne na pobrežiach morí a oceánov. 1.4 História Využívanie sily vetra siaha niekoľko tisíc rokov do minulosti a sú s ním spájané počiatky ľudskej civilizácie, kedy sa človek rozhodol využiť túto energiu na pohon plavidiel. Jednoduché plachetnice, ktoré sa zachovali do dnešnej doby sú staré viac ako 5000 rokov a pochádzajú z Egypta. Najstaršie mlyny poháňané vetrom pochádzajú z dnešného Afganistanu a sú staré viac ako 2700 rokov. Tieto zariadenia sa bežne využívali na mletie obilia aj v iných častiach sveta. Príklad: mlyn na mletie obilia v Bielych Karpatoch. Obr. 2 Obr. 2 Veterný mlyn v Bielych Karpatoch Okrem toho sa tiež používali na zavlažovanie polí na viacerých ostrovoch Stredozemného mora. Na Kréte sú takto využívané dodnes. Prvé vetrom poháňané vodné čerpadlo sa objavilo v USA v roku Bola to jednoduchá veterná ružica s 17

19 viacerými malými plachtami a dreveným chvostom, ktorý natáčal celé zariadenie v smere prúdenia vetra. V roku 1940 pracovalo v USA viac ako 6 miliónov takýchto veterných čerpadiel. Okrem čerpania vody sa využívali aj na výrobu elektrickej energie. Udáva sa, že zápas o osídlenie Divokého západu bol zvládnutý aj vďaka vetreným čerpadlám, ktoré napájali vodou obrovské stáda dobytka. 20. storočie však znamenalo nástup nových energetických zdrojov - elektriny, ropy a zemného plynu, ktoré veterné čerpadlá postupne zatlačili do pozadia. Tento stav trval až do ropnej krízy v 70. rokoch, kedy sa záujem o veternú energiu znovu oživil. Štátna podpora vývoja a výskumu dala v mnohých krajinách podnet pre rozvoj nových technológií. Veterné agregáty sú budované po celom svete. Sú tiež ideálnou technológiou pre rozvojové krajiny, kde je momentálne veľký dopyt po nových výrobných kapacitách v oblasti energetiky. Výhodou veterných elektrární je, že v porovnaní s klasickými elektrárňami je ich možné jednoducho, lacno a v relatívne veľmi krátkej dobe postaviť a pripojiť. Rozvinuté krajiny dnes teda prejavujú o veterné turbíny záujem nielen z hľadiska ochrany životného prostredia, ale tiež aj z ekonomických dôvodov. 1.5 Elektrická energia z morského vetra Úspešný rozvoj veterných turbín, hlavne na pobrežiach morí, viedol postupne k snahe umiestňovať turbíny na otvorenom mori. Súviselo to s tým, že na mori dosahuje rýchlosť vetra vyššie úrovne ako na súši. Na otvorom mori sú vhodne podmienky pre výstavbu hlavne na miestach s plytčinami, ktoré nie sú veľmi vzdialene od pobrežia. Za vhodne miesto je považovaná hĺbka morského dna až do 30 metrov a vzdialenosť od pobrežia do 30 km. Takýchto miest je veľmi veľa predovšetkým v Severnom mori. Nárast rýchlosti vetra o 10 % znamená až o 30 % viac vyrobenej energie ako na súši. Predpokladá sa, že v budúcnosti bude možné isť do ešte väčších hĺbok a umiestňovať turbíny na plávajúce plošiny, čím by bolo možné efektívne využívať aj Stredozemne more a iné miesta mimo Európy. S umiestňovaním veterných turbín na otvorenom mori sa začalo na začiatku 90. rokov. V tomto období bola aj preukázaná spoľahlivosť použitých technológii a ekonomickosť výroby. Nevýhodou je, že elektrárne na mori sa vyznačujú vyššími nákladmi na výstavbu, avšak tie sú vykompenzovane vyššou výrobou elektrickej energie. 18

20 1.5.1 Veterná farma na mori vo Vindeby (Dánsko) Prvou veternou farmou na mori sa stali turbíny inštalované severne od ostrova Lolland v južnej časti Dánska neďaleko obce Vindeby. Farma vo Vindeby Obr. 3 v Baltickom mori bola vybudovaná v roku Pozostáva z jedenástich 450 kw turbín vzdialených 1,5 až 3 kilometrov od pobrežia. Turbíny boli upravene tak, aby v nich bolo možné umiestniť vysokonapäťové transformátory. Veterná farma pracuje bez problémov a ročné vyrobí približné o 20 % energie viac ako porovnateľná farma na súši. Obr. 3 Veterná farma Windeby Veterná farma na mori Tuno Knob (Dánsko) Druha veterná farma na mori bola vybudovaná medzi polostrovom Jutland a malým ostrovom Tuno v Dánsku. Tuno Knob Obr. 4, ako sa farma nazýva, pracuje od roku Je umiestnená na mori s hĺbkou 3-5 m a je dôležitá hlavne z pohľadu sledovania vplyvu turbín na životné prostredie. Tuno Knob je totiž miestom, kde sídlia veľké množstva vtákov. Farma pozostáva z desiatich 500 kw-ových turbín. Turbíny sú ukotvene na morskom dne a pripojené na elektrickú sieť na pevnine 6 km dlhým podmorským káblom. Každá turbína je kontrolovaná diaľkovo a zodpovedný pracovník môže kontinuálne sledovať jej prevádzku z operačného centra v obci Hasle. Údržba 19

21 turbín sa vykonáva dva krát do roka. Hluk pochádzajúci z veternej farmy meraný na pobreží najbližšieho ostrova je na nižšej úrovni ako je hladina šepotu (15 db). Na pevnine je hluk nemerateľný. Cela veterná farma funguje veľmi spoľahlivo a každá turbína ročné vyrobí viac ako 1,3 milióna kwh. Cena vyrobenej elektriny je na úrovni 0,49 DKK/kWh. Náklady na výstavbu dosiahli 78 milióna DKK. [2] Obr. 4 Veterná farma Tuno Knob 20

22 2 Súčasný stav využívania veternej energetiky v Slovenskej republike a vo svete 2.1 Využitie veternej energie V praxi je nutné rozlišovať predovšetkým medzi veternými elektrárňami so zámerom dodávať elektrinu do siete a medzi malými zdrojmi určenými predovšetkým pre vlastnú potrebu majiteľa. Malé a stredné elektrárne môžu byť úplne iným prípadom. Možnosťou je svojpomocne zo zakúpených súčiastok zostaviť vlastnú elektráreň alebo môže dodávateľ dodať celú technológiu a vykonať aj montážne práce. Najčastejším spôsobom fungovania je systém kedy veterný motor dodáva energiu na priamu spotrebu v rodinnom dome, s tým, že ak je energie momentálne nedostatok odoberá energiu zo siete a naopak vyrobené prebytky zasa do siete odvádza. Výhodami tohto riešenia je maximálna flexibilita a rýchlejšia návratnosť investícií a nevýhodou zasa je väčšia náročnosť technickej realizácie a nutnosť dojednania a uzavretia zmlúv s prevádzkovateľom verejnej siete a pri samotnej konštrukcii je teda nutné pamätať na rôzne normy. Inou možnosťou je či už svojpomocne alebo z pomocou firmy zostrojiť elektrárničku a energiu vyrobenú z nej spotrebúvať priamo na mieste. Je možné ňou ohrievať vodu alebo zabezpečiť vykurovanie. Nevýhodou je že ostatným spotrebičom by vadil nepravidelný výkon. Je však možné energiu ukladať do akumulátora. 2.2 Situácia vo svete Na Obr. 5 je znázornený vývoj a predikcia celkového inštalovaného výkonu veterných elektrárni vo svete. Je teda predpoklad rozvoja veternej energetiky v najbližšom období. 21

23 2009 Obr. 5 Celková inštalovaná kapacita Zdroj: Svetová veterná energetická asociácia: Správa o veternej energii vo svete 22

24 Na Tab. 1 vidieť líderstvo USA a Nemecka v oblasti budovania veterných zdrojov (ako hodnotiace kritérium je braný inštalovaný výkon veterných elektrárni): Tab. 1Inštalovaný výkon veterných elektrárni vo svete Celkový Celkový Celkový Pozícia 2008 Krajina inštalova ný výkon ku koncu roka Navýšenie inštalovanéh o výkonu v roku 2008 Rast v roku 2008 Pozícia v roku 2007 inštalova ný výkon ku koncu roka inštalovan ý výkon ku koncu roka [MW] [MW] [%] [MW] [MW] 1 USA 25170,0 8351,2 49, , ,0 2 Nemecko 23902,8 1655,4 7, , ,0 3 Španielsko 16740,3 1595,2 10, , ,0 4 Čína 12210,0 6298,0 106, ,0 2599,0 5 India 9587,0 1737,0 22, ,0 6270,0 6 Taliansko 3736,0 1009,9 37, ,1 2123,4 7 Francúzsko 3404,0 949,0 38, ,0 1567,0 8 UK 3287,9 898,9 37, ,0 1962,9 9 Dánsko 3160,0 35,0 1, ,0 3136,0 10 Portugalsko 2862,0 732,0 34, ,0 1716,0 17 Rakúsko 994,9 13,4 1, ,5 964,5 19 Poľsko 472,0 196,0 71, ,0 153,0 29 Česká republika 150,0 34,0 29, ,0 56,5 31 Maďarsko 127,0 62,0 95, ,0 60,9 33 Ukrajina 90,0 1,0 1, ,0 85,6 58 Slovensko 5,1 0,1 2,8 56 5,0 5,0 76 Bolívia 0,01 0,0 0,0 74 0,01 0,01 Prameň: Svetová veterná enegettická asociácia: Svetová veterná energetická správa

25 Podľa správy Svetovej veternej energetickej asociácie z roku 2008 Slovensko v porovnaní s jeho susedmi zaostáva v budovaní energetických zdrojov na báze vetra USA V USA bol z hľadiska rozvoja veternej energie rozhodujúci rok 1973 a prudký rast cien energie ako dôsledok začiatku ropnej krízy. Cena ropy sa v tomto období vyšplhala až na 60 USD za barel. V tom čase vyvinul Westinghouse Electric prvú generáciu 200 kw-vých veterných turbín, ktorých výkon postupne vzrastal. Najväčšia turbína tohto výrobcu bola inštalovaná v Oahu na Hawaii má výkon 3,2 MW. Vďaka daňovým úľavám (25%) pre investorov a zákonu, ktorý umožňoval nezávislým výrobcom vyrábať a predávať elektrickú energiu bolo v období rokov len v Kalifornii Obr. 6 inštalovaných 6870 turbín. Obr. 6 Veterná farma v Kalifornii 2.3 Situácia v Európe V Európe nastal rozmach veternej energetiky podobne ako v USA tiež po ropnej kríze v 70. rokoch. Lídrami sú Nemecko a Španielsko Obr

26 Obr. 7 Celkový inštalovaný výkon veternej energie v Európe Dánsko Dánsky priemysel výroby veterných turbín je príkladom obrovského obchodného úspechu veternej energetiky. Toto odvetvie sa prakticky z nuly v roku 1980 dopracovalo až k obratu 1 miliardy dolárov v roku Dánske turbíny dnes dominujú na svetových trhoch a ich výrobcovia zamestnávajú 15 tisíc ľudí. Obchodný obrat je dva krát väčší ako dánsky obrat z ťažby zemného plynu v Severnom mori. Tento úspešný vývoj je dôsledkom počiatočnej vládnej podpory pre obnoviteľné energetické zdroje, z ktorej bolo hradených až 30% investičných nákladov na výstavbu týchto technológii. Taktiež znamenali rozvoj technológie spaľovania slamy, výroby bioplynu aj solárnych kolektorov. Vláda vytvorila osobitnú výskumno-vývojovu základňu National Wind Turbine Test Centre v Riso, ktorá poskytovala výrobcom odbornú pomoc. Štátna podpora krytia investičných nákladov bola po úspešnom 25

27 začiatku znížená v roku 1986 na 15 % a po tom, čo sa toto priemyselne odvetvie definitívne stabilizovalo bola úplne zrušená v roku Uvedená podpora bola čiastočne nahradená daňovými úľavami pre majiteľov veterných turbín, ktorým sa časť príjmu z predaja elektriny nezdaňuje. Pozoruhodne na tomto vývoji je, že okrem vládnej podpory a angažovanosti malých výrobcov bol založený na komunálnej aktivite ľudí, ktorí sa združovali do družstiev vlastníkov veterných elektrárni. Jeden z typických príkladov aktivity ľudí na miestnej úrovni sa odohral v obci Brorup (Jutland) Obr. 8 vzdialenej 110 km od západného a 50 km od východného pobrežia. Obyvatelia tu založili družstvo so 70-timi členmi vlastniacimi tri veterne turbíny (inštalované v rokoch 1986 až 1989), z ktorých jedna s výkonom 95 kw ročne vyrabala kwh a ďalšie dve, každá s výkonom 150 kw, produkujú po kwh. Celková ročná výroba bola asi kwh. Cena turbín vrátane inštalácie a pripojenia na sieť dosiahla 2,5 milión DKK, pričom tato suma bola rozdelená na 734 "podielov", každý odpovedajúci ročnej výrobe 1000 kwh, a predaný v cene 3400 DKK. Každý z podielnikov si mohol nakúpiť podiely v počte úmernom jeho ročnej spotrebe elektriny plus 30%. Napríklad pri ročnej spotrebe kwh si mohol spolu s dodatočnými 3000 kwh kúpiť maximálne 13 "podielov". Toto obmedzenie bolo uplatnené pretože zisk družstevných spoločníkov nie je v Dánsku zdaňovaný. Podielnici si nakúpili podiely v pocte 1 až 28, pričom každý z nich ma právo len jedného hlasu. Ekonomika celého projektu je veľmi dobrá aj po tom, čo zo zarobených peňazí za predaj elektriny elektrárenskej spoločnosti je odkladaná istá čiastka na údržbu. Čistý zisk za rok činí asi 15% z vloženej sumy, čo je oveľa viac ako poskytuje akákoľvek banka na úrokoch z vkladov. 26

28 Obr. 8 Veterný park Brorup Hoci v roku 1999 cena takýchto podielov v Dánskych družstvách vzrástla asi na 4000 DKK a čistý zisk klesol na 12,75% ešte stále je tato forma investovania výhodnejšia ako napr. klasické sporenie. Keďže takéto družstva sú poistene pre prípad nehody a poškodenia veterných agregátov s následným výpadkom výroby elektriny a tým aj príjmu, nenesú prakticky žiadne riziko. Družstevné spoločenstva a investovanie peňazí do veterných turbín, na rozdiel od ich ukladania do bank, sa tak stali hybnou silou rozvoja veternej energie v Dánsku, ktorý priniesol zisk nielen "družstevníkom", ale v konečnom dôsledku aj celej spoločnosti Nemecko Spolková vláda iniciovala podporné programy až v roku Počas prvých siedmych rokov bolo v tejto krajine inštalovaných len asi 250 MW výkonu vo veterných elektrárňach. Avšak po prijatí zákona, podľa ktorého sú elektrárenské spoločnosti vykupujúce elektrinu od nezávislých výrobcov im povinne platiť nastal výrazný obrat. V súčasnosti je Nemecko na prvom mieste na Európe v celkovom inštalovanom výkone veterných elektrárni. Až polovica výkonu veterných elektrárni EU sa nachádza v Nemecku. Len v roku 1999 bolo v tejto krajine inštalovaných 1568 MW, čo je dvojnásobok inštalovaného výkonu v predošlom roku. Priemerná veľkosť turbín taktiež vzrástla a dosiahla 937 kw. V roku 1998 bola 785 kw a v roku 1995 len 457 kw. Od roku 1993 predstavuje priemerný ročný prírastok výkonu veterných agregátov v Nemecku 53 % a 7879 turbín ročne vyrobí 8,5 miliárd kwh elektrickej energie, čo sú 2 27

29 % spotreby v krajine. V spolkovej krajine Schleswig-Holstein Obr. 9 však tento podiel predstavuje až 20 %. Veterný priemysel zamestnával v Nemecku až 25 tisíc ľudí. [2] Obr. 9 Veterný park v krajine Schleswig Holstein Španielsko 16.júna 2008 bol otvorený veterný park Dom v Galícii. Obr. 10 Veterný park sa nachádza v meste Lugo, medzi mestami Vilalba a Guitiriz. Park poskytuje celkový inštalovaný výkon v hodnote 300 MW, do ktorého bolo investované 450 miliónov eur. Na konci roku 2007 bolo vyprodukovaných 1100 MW celkového inštalovaného výkonu, rozdeleného medzi veterné parky, malé vodné elektrárne a tepelné elektrárne. Výstavba parku sa začala v januári 2007, bol uvedený do prevádzky v decembri toho istého roku. Má k dispozícii 13 veterných turbín modelu Siemens SWT, z ktorých každá vyrába 2,3 MW a ktoré sú prostredníctvom 66 kv vedenia dlhého približne 27 km pripojené na stanicu v Sidegasa. Dokončenie elektrární spolu s ďalšími 145 MW sa predpokladá počas roka 2008.Cieľ je dosiahnuť výkon v hodnote 1800 MW do roku

30 V Španielsku sa veterná energia teší z privilegovanej pozície, nakoľko dosiahla vysokú úroveň rozvoja a veľký význam z hľadiska národnej energetickej bilancie [3] Obr. 10 Veterný park Dom Česko Nová Ves v Horách III Obr. 11 Poloha:: centrálna časť Krušných hôr, severovýchodne od obce Nová Ves v Horách, cca 5 km východne od Litvínova Nadmorská výška: 730 m Počet elektrárni: 4 Typ elektrárni: Repower MM92 Priemer rotoru: 92 m Výška osi rotoru: 80 m Inštalovaný výkon: 2000 kw x 4 = kw Spustenie: 2008 Prevádzkovateľ: Větrné elektrárny Strážný Vrch, a.s. 29

31 Obr. 11 Nová Ves v Horách Hora Svatého Šebestiána Obr. 12 Poloha:: centrálna časť Krušných hôr, južne od obce Hora Svatého Šebestiána, 10 km severozápadne od Chomutova Nadmorská výška: 840m Počet elektrárni: 3 Typ elektrárni: Nordex S 70 Priemer rotoru: 70 m Výška osi rotoru: 65 m Inštalovaný výkon: 1500 kw x 3 = kw Spustenie: 2008 Prevádzkovateľ: Drobil - energo s.r.o 30

32 Obr. 12 Hora svätého Šebestiána Kryštofovy Hamry Obr. 13 Poloha:: strednej časti Krušných hôr, v blízkosti vodnej nádrže Přísečnice Nadmorská výška: 880m Počet elektrárni: 21 Typ elektrárni: Enercon E - 82 Priemer rotoru: 82 m Výška osi rotoru: 85 m Inštalovaný výkon: kw x 21 = 42 MW Spustenie: 2007 Prevádzkovateľ: Ecoenerg Windkraft GmbH & Co. KG [8] 31

33 Obr. 13 Krištofovy Hámry 2.4 Situácia v SR Slovensko svojou vnútrozemskou polohou nespĺňa podmienky ideálnej veternej krajiny, to však neznamená, že energia z vetra je u nás nevyužiteľná. Teoretický odhad maximálneho veterného potenciálu Slovenska pohybuje okolo 3 mld. KWh/rok, z čoho sa reálne dá využiť asi jedna tretina čiže 1 mld. kwh/rok. Na Slovensku máme približne 4300 km2 oblastí vhodných pre stavbu veterných elektrární, to znamená že priemerná rýchlosť vetra je vyššia než 4 m.s -1 (necelých 14,4 km.h -1 ). Sú to zväčša horské oblasti (nadmorská výška nad 600 m), a tak pri väčších elektrárňach by bolo nutné počítať nielen so stavbou samotnej veternej elektrárne ale aj s vybudovaním pripojenia buď ku miestu spotreby alebo ku verejnej sieti. Mnohé vhodné lokality sa nachádzajú aj v Podunajskej nížine, kde je prúdenie vzduchu pravidelnejšie než v kopcovitom teréne.. Na Slovensku máme tri veterné parky. Jeden je na Záhorí a druhý na Myjave. Tretií na Kysuciach je momentálne mimo prevádzky. Veterná energia sa u nás nevyužíva dlho. Ako prvú v roku 2003 dali do prevádzky elektráreň v obci Cérová na 32

34 Záhorí. Veternú elektráreň na Záhorí zmontovala dánska spoločnosť, ktorá do nej dodala aj technológiu, pričom stavebné práce zabezpečovala obec. Ďalšiu elektráreň na Myjave vybudovala bratislavská firma. Veterné elektrárne sa monitorujú aj po ich spustení, z dôvodu možnosti negatívneho neovplyvňovania preletov vtáctva.[4] Veterný park Cerová Rozbehy Prvý veterný park na Slovensku bol postavený v auguste 2003.Celkové náklady na elektráreň boli 4,1492 miliónov eúr. Veterný park, ktorý je vyrobený v Dánsku patrí obci Cérová a prevádzkuje ho súkromná spoločnosť. Green Energy.Slovakia Nachádza na Vápenkovej skale, v miestnej časti obce Cerová - Rozbehy Obr. 14 Obr. 14 Veterný park Cerová Parametre veternej elektrárne: Typ (výrobca) : VESTAS - V 47/660 kw (Dánsko) Počet agregátov: 4 Celkový výkon elektrárne: 4 x 660 kw = 2,64 MW Uvedenie do prevádzky: október 2003 Výška stožiara: 76 metrov Priemer vrtule: 47 metrov [6] (predpoklad 16,4 % využiteľnosť teoretického maxima, doteraz max. využiteľnosť 18 %) 33

35 2.4.2 Veterný park Myjava Ostrý vrch Veterná elektráreň na Ostrom vrchu (Myjava) s výkonom 500 kw, ktorá bola daná do skúšobnej prevádzky v júli Obr. 15. Ostrý vrh je jedno z najveternejších miest na Slovensku. Obr. 15 Veterný park Myjava Parametre veternej elektrárne: Typ (výrobca) : VESTAS - V 39/500 kw Počet agregátov: 1 Celkový výkon elektrárne: 1 x 500 kw = 500 kw Uvedenie do prevádzky: júl 2004 [7] Veterný park Skalité Poľana (Kysuce) Obr. 16 Parametre veternej elektrárne: Typ (výrobca) : VESTAS - V 39/500 kw Počet agregátov: 4 Celkový výkon elektrárne: 4 x 500 kw = 2000 kw Uvedenie do prevádzky: september etapa bola uvedená do prevádzky v septembri Demontáž v apríli Modernizácia veternej elektrárne inštalovaním novších turbín. Plán je inštalovať ešte 6 turbín. Celkový inštalovaný výkon po realizácii oboch etáp bude 5 MW. [13] 34

36 Obr. 16 Skalité 35

37 3 Veterné elektrárne 3.1 Pripojiteľnosť do ES Pripojenie veternej elektrárne k distribučnej sústave Obr. 17 Pripojenie VE Veterná elektráreň môže byť pripojená do siete nn (elektrárne malých výkonov), vn alebo sústavy vvn kv (väčší počet turbín pripojených ako veterná farma). Obr. 17 Celé plánovanie a zriaďovanie pripojenia elektrárne je nutné robiť v súčinnosti s PDS, do ktorej má elektráreň pracovať. Zriaďovateľ je povinný poskytnúť PDS tieto podklady pre posúdenie pripojiteľnosti elektrárne k sieti: súhlas obce, stavebného úradu a dotknutých vlastníkov nehnuteľností s realizáciou výstavby nutnú projektovú dokumentáciu (situačný plán výrobne, výkon dodávaný do siete, spôsob pripojenia k sieti spolu s prierezmi pripojovacích vedení a parametrami transformátorov, návrhy ochrán, meracích zariadení prípadne diaľkového ovládania elektrárne) PDS určí miesto pripojenia elektrárne a prejedná so zriaďovateľom spôsob merania vyrábanej elektrickej energie priamy, polopriamy a nepriamy (výber závisí od napäťovej hladiny meraného bodu a výkonu) a spôsob merania vlastnej spotreby. Elektráreň musí mať možnosť odpojenia od siete. Spínacie zariadenie so spínacou schopnosťou aspoň do nominálneho výkonu generátora môže byť pred alebo za transformátorom, prípadne ním môže byť generátorový vypínač (stráca sa tým však možnosť ostrovnej prevádzky). Ďalej je nutná inštalácia ochrán pred nebezpečným dotykom, pred preťažením a pred skratom (pri paralelnej prevádzke so sieťou aj pri prípadnej ostrovnej prevádzke). Zriaďovateľ musí zabezpečiť skratovú odolnosť celého 36

38 zariadenia podľa príspevku ekvivalentného otepľovacieho prúdu a rázového skratového prúdu siete (dodá PDS). Zároveň však nemôže byť spôsobené zvýšenie skratového prúdu v sieti nad dovolenú hranicu (stanoví PDS). Z hľadiska nebezpečných prevádzkových stavov ES je potrebné výrobňu vybaviť aj ochranami pred prepätím / podpätím (vybavovací čas pri je t = 0, 1 s pri U 20% ) a podfrekvenciou / nadfrekvenciou (vybavovací čas pri je t = 0, 1 s pri f 0, 5 Hz ). Počas samotnej výroby sa vyžaduje udržiavanie účinníka generátora v zadanom rozmedzí, čo pre veterné elektrárne so silným kolísaním výkonu znamená rýchlu automatickú kompenzáciu reaktančného výkonu Podmienky pripojenia Je nutné zabezpečiť, aby pripojenie elektrárne bolo možné len ak má sieť na všetkých fázach napätie vyššie, než je vybavovacia hodnota podpäťových ochrán. Po pripojení výrobňa nesmie v bode pripojenia prekročiť tieto dovolené limity sledovaných veličín: zvýšenie napätia: V sieti nn nemôže prísť k zvýšeniu napätia o viac ako 3 %, v sieťach vn a 110 kv nie viac ako 2 %. Toto je splnené ak pomer skratového výkonu siete v bode pripojenia S kv ku maximálnemu zdanlivému výkonu výrobne S Amax je (1), SkV S kv k k1nn = 33 alebo k k1vn = 50 (1), S S A max A max pričom S Amax je súčtom zdanlivých výkonov jednotlivých zariadení (napr. veternej farmy), ktoré pre veterné elektrárne vypočítame nasledovne(2), S E max PnG = S E max10 min = P10 min (2), λ kde P ng je nominálny výkon generátora, λ je účinník a P 10min je maximálny stredný výkon v intervale 10 minút (zadá výrobca zariadenia). Pri silno induktívnych sieťach je posudzovanie podľa k k1 viac obmedzujúce, než je potrebné, preto sa vychádza z komplexnej hodnoty impedancie siete a pre maximálny pripojiteľný zdanlivý výkon výrobne dostávame (3), S A S kv nn max 33 cos alebo ( ψ + ϕ) kv S kv S A vn max 50 cos (3), ( ψ + ϕ) kv 37

39 pričom ψ kv je fázový uhol impedancie siete a φ je fázový posun medzi napätím a prúdom výrobne pri jej maximálnom zdanlivom výkone (s ohľadom na neistoty sa za kosínus nedosadzujú hodnoty menšie ako 0,1). zmeny napätia pri spínaní: Povolené zmeny napätia v sieti pri pripájaní a odpájaní jednotlivých generátorov sú 3 % v sieti nn (ak sa nespína častejšie ako raz za 1,5 minúty) a 2 % v sieťach vn a 110 kv (nie viac ako 10-krát za hodinu, ináč povolená zmena len 1,5 %). Pre veterné elektrárne sa určuje fiktívna zmena napätia u ers, pretože zahŕňa aj veľmi krátke prechodné poklesy napätia, ktoré vznikajú pri pripájaní asynchrónneho stroja na sieť. Vypočíta sa zo vzťahu(4), S ne uers = kiψ (4), S kv Pričom k iψ je činiteľ spínania závislý od siete (uvádza výrobca), ktorý zahŕňa veľkosť a priebeh prúdu pri daných prechodných dejoch, udáva sa ako funkcia fázového uhlu impedancie siete, S nf je zdanlivý výkon jednotlivého zariadenia veternej farmy a S kv je skratový výkon siete v bode pripojenia. Veterné elektrárne s asynchrónnymi generátormi priamo pripojenými na sieť sa pripájajú bez napätia pri otáčkach 95 % až 105 % hodnoty synchrónnych otáčok stroja. Pri výrobňach s frekvenčnými meničmi sa pripojenie na sieť realizuje v stave bez napätia na sieťovej strane meniča. Pri ostrovnej prevádzke je pri fázovaní na distribučnú sieť nutné dodržať podmienky synchronizácie (maximálny rozdiel napätí ± 10 %, maximálna odchýlka frekvencie ± 0,5 Hz, maximálny rozdiel fázy ± 10 ).[9] 3.2 Kritéria výstavby veterných elektrárni a veterných parkov Všeobecne platí, že dobrá lokalita na stavbu veternej elektrárne je taká kde priemerná rýchlosť vo výške 10 m nad zemou je 4 m.s -1, za ideálnu lokalitu sa pokladá taká kde sa táto hodnota pohybuje okolo 6 m.s -1. V našich zemepisných šírkach obecne platia takéto hodnoty pre územia z nadmorskou výškou nad 600 m. Tieto hodnoty však môžu byť aj značne zavádzajúce. Ak vezmeme do úvahy fakt že výkon veternej elektrárne rastie treťou mocninou rýchlosti vetra (čo v praxi to znamená že ak sa rýchlosť vetra zdvojnásobí výkon elektrárne narastie osemnásobne a samozrejme že to platí aj naopak.) môžu sa ako výhodné ukázať aj lokality z častými silnými vetrami striedajúce obdobiami bezvetria. Ďalšie údaje o vhodnosti podmienok sa môžu výrazne líšiť podľa toho na aké účely bude elektráreň používaná. Je dôležité si uvedomiť v 38

40 akých obdobiach a ako často bude energiu využívaná a tiež aké veľké nároky z hľadiska výkonu budú na elektráreň kladené.[10] Environmentálne kritéria Hluk Hluk, ktorý vytvárajú veterne turbíny, vzniká ako dôsledok turbulencie vzduchu pri prechode vrcholu listu rotora okolo stožiara turbíny a tiež ako dôsledok chodu prevodovky. Jednotlivé typy hluku typické pre veternú elektráreň sú nižšie v Tab. 2 Tab. 2 Hluky typické pre veterný zdroj Zdroj hluku Frekvenčný rozsah [Hz] Typická intenzita [db] Charakter hluku Turbulencia na koncoch listu ,2 širokopásmové hučanie, modulované otáčkami listu (wish wish) Hluk na nábežnej hrane Hluk odtrhávania prúdnic ,2 širokopásmové svišťanie typický tón 84,8 tón, mení sa podľa rýchlosti vetra Strojovňa zmes zvukov 97,4 Generátor tón 87,2 zmes hlukov, meniacich sa s rôznou periodicitou (zapínanie a vypínanie servomotorov, ventilátorov) tón, ktorého výška sa mení s otáčkami vrtule Za kritickú hladinu hluku je považovaných 40 db, čo je úroveň pri ktorej je možné späť. Tato úroveň sa zvyčajné dosahuje vo vzdialenosti menšej ako 250 metrov od veľkej veternej turbíny. Úroveň akceptovateľnej hladiny hluku je však veľmi individuálna. Vo viacerých krajinách existujú legislatívne normy pre umiestňovanie väčších turbín v blízkosti ľudských obydlí. 39

41 Na Obr. 18 nižšie sú znázornené výsledky merania hluku v Dánsku v závislosti od vzdialenosti pre turbínu o menovitom výkone 500 kw Obr. 18 Závislosť úrovní hluku od vzdialenosti od turbíny Kolízia s vtákmi Podľa dánskeho ministerstva životného prostredia je vysokonapäťové elektrické vedenie väčším rizikom pre vtáky ako samotne turbíny. Hoci niektoré vtáky si na turbíny zvyknú skôr a iné neskôr býva zvykom, že pred výstavbou veterných parkov sa posudzuje ich vplyv na migráciu vtákov v danom mieste. Výsledkom trojročnej štúdie vykonanej v dánskej veternej farme Tuno Knob je, že turbíny stavané na otvorenom mori nemajú negatívny vplyv na vtákov Vizuálny efekt Veterné turbíny sú viditeľné z veľkej vzdialenosti a niektorými skupinami obyvateľstva sú považované za rušivé momenty v reliéfe krajiny. Projektovanie a umiestňovanie veľkých turbín predstavuje tiež nové problémy. Hlavne umiestňovanie v oblastiach, kde už stoja menšie turbíny (dobré veterné miesta), býva komplikované z hľadiska vizuálnej harmonizácie s okolím. Obr. 19 V Dánsku bolo pripravených viacero odborných štúdií, ktoré sa zaoberajú práve problémom umiestňovania veterných turbín do krajiny. Výsledky týchto štúdií ukazujú, 40

42 že hlavne v prístavoch a priemyselných oblastiach existuje veľký potenciál pre ich výstavbu. Obr. 19 Vizuálny efekt VE Parametre vetra Hustota vzduchu Rotor turbíny sa krutí v dôsledku tlaku vzduchu na jeho listy. Čím viac vzduchu, tým rýchlejšie sa krutí a tým je výroba energie väčšia. Z fyzikálnych zákonov vyplýva, že kinetická energia vzduchu je priamo úmerná jeho hmotnosti, z čoho vyplýva že energia vetra závisí na hustote vzduchu. Hustota vyjadruje množstvo molekúl v jednotke objemu vzduchu. Pri normálnom atmosférickom tlaku a pri teplote 15 C, jeden m 3 vzduchu váži 1,225 kg. Hustota mierne rastie s narastajúcou vlhkosťou, čím sa vzduch stáva hustejší v zime ako v lete a preto je aj výroba energie pri rovnakej rýchlosti vetra v zime väčšia ako v lete. Hustota vzduchu je jediný parameter, ktorý nie je v daných podmienkach možné meniť 41

43 Rýchlosť vetra Na Obr. 20 je znázornená veterná mapa Slovenskej republiky Obr. 20 Mapa rýchlosti a smeru vetra v SR Zdroj: Slovenská agentúra životného prostredia 42

44 Rýchlosť vetra je najdôležitejším parametrom ovplyvňujúcim množstvo energie, ktoré je turbína schopná vyrobiť. Narastajúca intenzita vetra znamená vyššiu rýchlosť rotora a teda väčšiu produkciu energie. Z nasledujúcej Tab. 3 je možné zistiť energiu vetra vo W/m2 na základe jeho rýchlosti pri štandardných podmienkach (suchý vzduch s hustotou 1,225 kg/m 3 ) Tab. 3 Rýchlosť vetra v[m/s] E[W/m 2 ] v[m/s] E[W/m 2 ] Prameň: Danish Wind Turbine Manufacturers Association: Energia vetra je učená podľa vzťahu (5) E energia vetra v rýchlosť vetra 3 E = 0,5*1,225* v (5) Príroda nám poskytuje rozdielne poveternostne podmienky, pričom rýchlosť vetra sa neustále mení. Veterne turbíny sú špeciálne stavané tak, aby boli schopné využiť rýchlosti vetra od 3 do 30 m/s. Vyššia rýchlosť by mohla turbínu poškodiť, a preto sú väčšie turbíny vybavene brzdami, ktoré v prípade potreby zastavia otáčanie rotora. 43

45 Menšie turbíny sú často stavané tak, aby boli schopne využiť aj rýchlosti vetra nižšie ako 3 m/s, pričom niektoré z nich sú riešené tak, že v prípade veľmi silného vetra sa natočia do bezpečnej polohy. Na Obr. 21 je pohľad na meteostanicu, ktorá meria rýchlosť vetra. Obr. 21 Meteostanica TFA Prekážky a drsnosť terénu Prekážky Vzdialenosť medzi prekážkami v teréne a turbínou je veľmi dôležitá s ohľadom na vytvorenie závetria, ktoré ovplyvňuje výrobu energie. Schéma pôsobenia prekážky je na Obr. 22 Vo všeobecnosti sa tienenie znižuje, keď sa zväčšuje vzdialenosť medzi prekážkou a turbínou. Aj na otvorenom mori dochádza k ovplyvňovaniu rýchlosti vetra a to až do vzdialenosti 20 km od prekážok, ktorým môže byť napr. ostrov. Vo všeobecnosti platí, že ak je turbína umiestnená bližšie ako je 5-násobok výšky prekážky, je výsledná situácia veľmi neistá a závisí na presnej geometrii prekážky. 44

46 Obr. 22 Prúdenie vetra okolo prekážky Drsnosť povrchu terénu Drsnosť terénu medzi prekážkou a turbínou má tiež vplyv na tieniaci efekt. Terén s nízkou drsnosťou dovoľuje vetru prechádzať okolo prekážok bez toho, aby dochádzalo k jeho ovplyvňovaniu za prekážkou. Zemský povrch (terén) so svojou vegetáciou a budovami je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim rýchlosť vetra. So zvyšujúcou sa výškou nad terénom sa drsnosť znižuje a prúdenie vzduchu sa stáva laminárne, čo znamená aj vyššiu rýchlosť vetra. Vysoko nad zemou (vo výške okolo jedného kilometra) rýchlosť vetra prakticky nie je ovplyvňovaná terénom. Naproti tomu v nižších výškach je ovplyvňovaná veľmi silno. Pozri Tab. 4 Pre využívanie veternej energie je podstatné, že čím je drsnosť terénu vyššia, tým je vietor viac spomaľovaný. Rýchlosť vetra je najviac spomaľovaná lesmi a veľkými mestami, kým na rovinách alebo vodných plochách prakticky nie je ovplyvňovaná. Budovy, lesy a iné prekážky nielen spomaľujú rýchlosť vetra, ale často vytvárajú aj jeho turbulencie, ktoré nepriaznivo vplývajú na chod turbíny. Pri určovaní charakteru terénu je často jeho drsnosť rozdeľovaná do tried. Čím vyššia je trieda drsnosti, tým väčšie sú prekážky a tým väčšie spomalenie rýchlosti vetra. Morská hladina je braná za základ a ma triedu drsnosti 0. 45

47 Tab. 4 Drsnosť povrchu terénu. Trieda drsnosti Typ terénu 0 Vodná plocha. 0,5 Úplne otvorený terén s hladkým povrchom ako je napr. na letiskách. 1 1,5 2 2,5 3 Otvorená poľnohospodárska plocha bez plotov s veľmi riedko rozostavanými malými budovami. Mierne a zaoblené kopce. Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 metrov a vzdialenosťou medzi nimi asi 1250 metrov. Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 metrov a vzdialenosťou medzi nimi asi 500 metrov. Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 metrov a vzdialenosťou medzi nimi asi 250 metrov. Dediny, malé mesta, poľnohospodárske plochy s viacerými vyššími budovami, lesy a veľmi nerovný terén. 3,5 Veľké mesta. 4 Veľmi veľké mesta s vysokými budovami 3.3 Turbína Na obrázku Obr. 23 je znázornený podrobný prierez veterným agregátom. Obr. 23 Prierez veterným agregátom 46

48 3.3.1 Typy turbín Veterná elektráreň môže mať jeden z dvoch typov vyhotovenia turbín. Pozri Obr. 24. V nasledujúcej časti si popíšeme každý typ, jeho výhody a nevýhody a použitie každého typu pre, čo najoptimalnejšie využitie. Obr. 24 Typy veterných turbín Turbíny s horizontálnou osou Turbíny s horizontálnou osou sú najbežnejším typom turbín. Pozri Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. Veľké turbíny majú rotor s dvoma alebo troma listami umiestnenými na vrchu stožiara. Rotor môže mať aj viac listov. Takéto agregáty s viacerými listami sa najčastejšie využívajú napríklad na čerpanie vody malé agregáty. Snaha o zužitkovanie energie vetra, čo najúčinnejšie znamená, že listy rotora musia, čo najviac zachytávať prúdiaci vzduch. Rotor s veľkým počtom listov pokrýva celú plochu zabranú rotorom pri veľmi malých otáčkach, kým rotor s menším počtom listom sa musí otáčať rýchlejšie aby pokryl celu plochu. Teoreticky, čím viac by mal rotor listov tým by mal byt účinnejší. V skutočnosti sa však listy rotora vzájomne ovplyvňujú a veľký počet listov spomaľuje otáčky. Na druhej strane však väčší počet listov dáva vyšší počiatočný moment krútenia, čo využívajú malé agregáty štartujúce už pri nízkych rýchlostiach vetra.[2] Turbíny s vertikálnou osou Darrieov rotor sa skladá z 2 a viac krídel rotujúcich okolo vertikálnej osi. Turbíny s vertikálnou osou majú vertikálne umiestnenú rotujúcu os. Listy rotora sú dlhé, 47

49 zaoblene a pripevnene k veži na oboch koncoch - hore aj dole. Vo svete neexistuje veľa výrobcov takýchto turbín a ich dizajn vychádza z návrhu francúzskeho konštruktéra G. Darrieusa, po ktorom sa takáto konštrukcia tiež nazýva. Výhody: vysoká účinnosť možnosť umiestnenia generátoru do spodnej časti stožiaru jednoduchá konštrukcia Nevýhody: zlá schopnosť rozbehu (potrebný je nútený rozbeh) [11] Savoniov rotor je tvorený dvoma polvalcami a maximálnu účinnosť dosahuje pri rýchlobežnosti 0,9 až 1. Výhody: veľmi jednoduchá konštrukcia nízka cena Nevýhody: z tvaru vyplývajúca existencia dvoch mŕtvych uhlov, kde nevzniká praktický žiadny točivý moment pomerne malá účinnosť [11] Napriek rozdielnej konštrukcii turbín s horizontálnou a vertikálnou osou je ich mechanika prakticky rovnaká. Rýchlosť otáčania listov je prenášaná na generátor pomocou prevodov. Prevody sú potrebné na to, aby bolo možné účinne využiť meniacu sa rýchlosť vetra. V súčasnosti však prebieha vývoj turbín bez prevodov, čo by znamenalo zníženie nárokov na ich konštrukciu i cenu. Niektoré turbíny sú konštruované tak, že sa natáčajú do smeru vetra. Obidva typy (natáčané i nenatáčané) majú však niekoľko výhod i nevýhod. Lepšie využitie sily vetra 48

50 pri natáčaných turbínach si vyžaduje komplikovanejšie ložiská i ďalšie zariadenia, čo v konečnom dôsledku vedie k nižšej spoľahlivosti. Turbíny s pevne fixovaným rotorom sú jednoduchšie a nevyžadujú až takú údržbu ako natáčané systémy. Na druhej strane však výroba energie je o niečo nižšia ako v porovnateľnej natáčanej turbíne.[2] Pri veterných elektrárňach s vertikálnou pracovnou osou otáčania kombináciou spomínaných dvoch typov turbín je možné vytvoriť efektívny typ veterného rotora, kde Savoniov rotor zabezpečuje jednoduchý rozbeh aj pri nízkych rýchlostiach vetra a pri dosiahnutí vyšších otáčok nastupuje Darrieov rotor s omnoho vyššou účinnosťou [11] Tienenie turbínou Keďže veterná turbína vyrába energiu z vetra musí mať vietor za turbínou menšiu energiu ako pred turbínou. Táto skutočnosť priamo vyplýva z pravidla, že energia sa nemôže ani vytvárať ani spotrebovávať - môže byť len premieňaná z jednej formy na druhú. Veterná turbína bude vždy predstavovať prekážku pre iné turbíny umiestnené za ňou resp. v jej blízkosti. Za jej chrbtom sa vytvára dlhy prúd turbulentného a spomaleného vetra. Turbíny vo veterných parkoch sú z tohto dôvodu rozmiestňované vo vzdialenosti min. trojnásobku priemeru rotora, aby sa vplyv turbulencii obmedzil na minimum. V smere prevládajúceho vetra sú turbíny rozmiestňované v ešte väčších vzdialenostiach..turbulencie nielen obmedzujú výrobu energie turbínou, ale znamenajú pre ňu aj väčšiu mechanickú záťaž a rýchlejšie opotrebovanie niektorých jej častí Umiestnenie turbín Bežne sa veterné turbíny umiestňujú na kopcoch a miestach vyčnievajúcich nad okolitým terénom. Býva výhodné, keď je turbína umiestnená v smere prevládajúcich vetrov s minimom prekážok v jej okolí. Na kopcoch je síce rýchlosť vetra najvyššia avšak často tu dochádza k tomu, že vietor sa stáča kým dosiahne vrchol kopca. Vietor tu tiež býva dosť nepravidelný, keď prechádza turbínou. V prípade strmých kopcov alebo nerovných povrchov môže dochádzať k značným turbulenciám, ktoré môžu znížiť pozitívny efekt z vyššej rýchlosti vetra Určenie výkonu turbíny Pri výbere turbíny nebýva vhodne porovnávanie na základe ich menovitého výkonu. Súvisí to s tým, že výrobcovia majú možnosť sami si zvoliť rýchlosť vetra, pre 49