PROBLEMATIKA VETERNÝCH ELEKTRÁNI

Transcript

1 PROBLEMATIKA VETERNÝCH ELEKTRÁNI Marek Baňas Katedra výkonových elektrotechnických systémov, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita v Žiline, Univerzitná 1, 01026, Žilina, SR, gmarek.banas@gmail.com Abstrakt: Úlohou tohto článku je informovať o problematike konštrukcie, výstavby veterných elektrárni, spätného dopadu na životné prostredie, a na ich aplikáciu v Slovenských podmienkach. Kľúčové slová: veterná elektráreň, gondola, lopatky, generátor, vietor 1. ÚVOD Vietor je ekologický zdroj energie bez akýchkoľvek odpadov. Energiu vetra je možné obnoviť, je nevyčerpateľná a celkom zadarmo. Nepodlieha teda inflácii. Technológiu je možné ľahko vybudovať a po skončení prevádzky ľahko zlikvidovať bez stôp v krajine. Energetická náročnosť na jej výrobu je v porovnaní s ostatnými technológiami veľmi nízka. Umožňuje polyfunkčné využitie pozemku. Veterné elektrárne neznečisťujú vodu ani ovzdušie. Výroba elektrickej energie je bezpečná. 2. PROBLEMATIKA V súčasnosti dochádza k zmenšovaniu množstva zásob fosilných palív, ktoré sú potrebné pre výrobu elektrickej energie (tepelných elektrárňach a v elektrárňach s plynovou spaľovacou turbínou). Tieto sú taktiež najväčšími výrobcami CO a ďalších plynov, ktoré narúšajú ozónovú vrstvu, teda zväčšujú ozónovú dieru. V posledných desaťročiach 20. storočia bolo úsilie hľadať alternatívne zdroje pre výrobu elektrickej energie a jedným z možných zdrojov sú aj veterné elektrárne (VTE). Európske spoločnosti vyrábajú viac ako 80 % celosvetovej produkcie veterných turbín (VT). To sa prejavuje aj vo vysokej miere inštalácií (približne 85 % všetkých inštalácií sa nachádza v Európe). Z energie vetra sa každoročne vyrobí 2 % európskej elektriny. V Nemecku sa toto číslo blíži ku 5 % a v Dánsku až ku 20 %. Obr. 1. Celosvetové rozmiestnenie VTE [6] 1

2 2.1. Výkon Problematika veterných elektrárni je trošička rozsiahlejšia a obšírnejšia ako by sa na prvý pohľad zdalo. V dnešnej dobe nie je problém vyrobiť elektráreň s výkonom prevyšujúcim aj 3,5 MW. Výkon VT vychádza z kinetickej energie, ktorej veľkosť je úmerná tretej mocniny rýchlosti vetra. Prúdiaci vietor o danej rýchlosti sa opiera o lopatky VT, tým že sú konštruované ako krídlo dochádza vzniku rozdielnych rýchlosti pred a za lopatkami VT. Takto vznikajúci vztlak je hnacou silou pre otáčanie rotora generátora. Po ďalších matematických úpravách dostávame matematický vzťah (1) pre výkon VT, v ktorom jednoznačne vyplýva, že rozhodujúcimi parametrami sú priemer rotora d, s ktorým výkon rastie s druhou mocninou a s tretou mocninou rýchlosti vetra v. P 2 3 max = 0,233 ρ D v, (1) kde je: ρ - merná hustota vzduchu (kg.m -3 ), D - priemer rotora/vrtule (m), v - rýchlosť vetra (m.s -1 ). Rýchlosť je taktiež rozhodujúcim faktorom, lenže tento ako jediný faktor nevieme ovplyvniť a ani s dostatočnou presnosťou predpovedať. Nepredvídateľnosť rýchlosti prúdenia vetra sú hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi výstavbu VTE. V tab. 1. sú uvedené jednotlivé priemery rotorov a k ním prislúchajúce výkony. Tab. 1. Výkonová tabuľka priemer (m) výkon (kw) DRUHY VETERNÝCH TURBÍN Veterné turbíny môžeme rozdeliť podľa umiestnenia rotora na veterné turbíny s horizontálnou a vertikálnou Turbíny s horizontálnou osou Veľké turbíny majú rotor s dvoma alebo troma listami umiestnenými na vrchu stožiara. Rotor môže mať aj viac listov. Teoreticky čím viac by mal rotor listov tým by mal byť účinnejší. V skutočnosti sa však listy rotora vzájomne ovplyvňujú a veľký počet listov spomaľuje otáčky. 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, však 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 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. 2

3 3.2. Turbíny s vertikálnou osou Listy rotora sú dlhé, zaoblené a pripevnené k veži na oboch koncoch hore aj dole. 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. Na obrázku obr. 1. vidíme oba typy turbín. Konštrukčne sú najbežnejšie trojlistové typy s vertikálnou osou. Väčšina turbín je schopná meniť orientáciu listovej časti v závislosti od smeru vetra. Veľké veterné turbíny (s výkonom 100 kw a viac) zvyčajne generujú trojfázový striedavý prúd, ktorý prechádza transformátorom, umiestneným pri alebo priamo vo veži turbíny, a zvyšuje napätie na hodnoty okolo 22 kv (v závislosti od potrieb siete). Odtiaľ je elektrická energia prenášaná v sieti rovnakým spôsobom ako z iných zdrojov. Obr. 2. Turbíny s rôznou osou [3] 3.3. Základné konštrukčné častí veterných turbín listy rotora, rotor, prevody, generátor, elektronika a regulačné zariadenie (brzdy, prípadne systém natáčania za vetrom). Listy rotora sú časťou turbíny, ktoré zachytávajú energiu vetra. Tvar týchto listov je veľmi prepracovaný a umožňuje mimoriadne efektívne prenášať silu vetra na rotor. Listy sú vyrábané z laminátov, polyesterov alebo iných plastických materiálov. Niektoré z nich majú drevenú os. Všetky tieto materiály sa vyznačujú kombináciou pevnosti a ohybnosti. Navyše plasty ani drevo nerušia televízny signál v ich okolí. Priemer listov rotora sa pre veľké turbíny pohybuje od 25 do viac ako 50 metrov a každý list môže vážiť aj jednu tonu. 3

4 Rotor predstavujú listy a centrálna os, ku ktorej sú pripevnené. Os je pripojená na hlavný prevod systému. Prevody a ložiská sú dôležité z hľadiska efektívneho prenosu krútiaceho momentu na generátor elektrického prúdu. Generátor má podobnú konštrukciu ako generátor v tradičnej elektrárni na fosílne palivá. V mnohých turbínach je činnosť jednotlivých komponentov regulovaná elektronicky a tiež môže byť riadená diaľkovo. Použitá elektronika má za úlohu udržať rovnaké napätie pri meniacich sa otáčkach generátora. Hoci rôznorodosť veterných turbín je veľká väčšina moderných turbín sa dodáva v dvoch konfiguráciách s horizontálnou alebo vertikálnou osou. Jednotlivé konštrukčné časti sú zobrazené na obr. 2. Obr. 3. Rez gondolou VTE [3] 4. PRAVIDLÁ PRI VÝSTAVBE TURBÍN umiestňovanie elektrárni, priemerná rýchlosť vetra, meranie rýchlosti vetra, určenie výkonu turbíny, výška turbíny. 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. 4

5 Obr. 4. Umiestňovanie VTE [6] 5. ZÁVER Vytváranie veterných parkov je dobrou alternatívou výroby elektrickej energie za predpokladu dobrej predikcie prúdenia vetra a tým aj vytvárania denného diagramu zaťaženia alebo dalo by sa povedať diagramu nasadzovania veterných elektrárni. Pripájanie VTE k elektrickej sieti je automatické, ale čo so zdrojmi, ktoré sú v prevádzke ako sú atómové a tepelné elektrárne kde zmena výkonu nie je sekundová. Túto vzniká otázka predaja v rámci štátov pripojených k UCTE (Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity) v prípade ich vlastného nedostatku elektrickej energie. 6. LITERATÚRA [1] [2] Šooš, Ľ.: Veterná energia, [3] [4] [5]