Jít na vyhledávání

Vítr a jeho využití

Výklad

Jak vzniká vítr

Vítr patří mezi obnovitelné zdroje energie a jeho energetické využití je možné téměř v každé lokalitě. Větrné elektrárny a parky produkují čistou energii bez emisí a odpadů a umožňují její výrobu jak ve velkých centralizovaných, tak i v menších decentralizovaných systémech.

Důležitou charakteristikou větru je jeho rychlost. Pro její zjištění se používají přístroje zvané anemometry (Zdroj: © by-studio / stock.adobe.com)

Důležitou charakteristikou větru je jeho rychlost. Pro její zjištění se používají přístroje zvané anemometry

Větrný rukáv slouží na letištích a cestách k přibližnému určení směru a síly větru (Zdroj: © Steffen Eichner / stock.adobe.com)

Větrný rukáv slouží na letištích a cestách k přibližnému určení směru a síly větru

Původ větrné energie je třeba hledat v nerovnoměrném ohřevu zemského povrchu dopadajícím slunečním zářením. Vrstvy vzduchu, ohřívané teplejším povrchem, stoupají na základě nižší měrné hmotnosti vzhůru a na jejich místo se nasouvají masy chladnějšího vzduchu z míst s chladnějším povrchem. Vytvářejí se tlakové výše a tlakové níže a vyrovnáváním tlakových rozdílů dochází k proudění vzdušných mas nad zemským povrchem.

Charles Francis Brush (Zdroj: Wikipedia.org)

Charles Francis Brush

Historie využití energie větru

Využívání energie větru sahá až do starověku. Před 3 700 lety využívali v Mezopotámii energii větru k pohonu zavlažovacích zařízení. Dalším klasickým využitím větrné energie jsou mlýny na mletí obilí.

V Číně a Persii se stavěli větrné mlýny s vertikální osou, později v Evropě se prosadily spíše konstrukce s horizontální osou a natáčením mlýnu proti větru. K rozvoji větrných turbín přispěl americký vynálezce a průkopník elektrického osvětlení Charles Francis Brush (1849–1929). V roce 1888 postavil první automaticky pracující větrnou turbínu na světě, která poháněla 12 kW dynamo. Turbína s dynamem byla 18,3 m vysoká s průměrem 17 metrů a sloužila k dobíjení 12 akumulátorů v jeho velkém obytném domě.

Větrné mlýny na skalnatém řeckém ostrově Mykény sloužili ke mletí obilí již od 16. století (Zdroj: © PixAchi / stock.adobe.com)

Větrné mlýny na skalnatém řeckém ostrově Mykény sloužili ke mletí obilí již od 16. století

Nejpoužívanější druhy větrných strojů pracují na odporovém nebo vztlakovém principu

Nejpoužívanější druhy větrných strojů pracují na odporovém nebo vztlakovém principu

Rozdělení větrných elektráren

Základní dělení větrných elektráren je podle principu využití kinetické energie vzdušné masy. Z uvedeného hlediska mohou větrné stroje využívat odporový nebo vztlakový princip. Odporový princip, založený na aerodynamickém odporu plochy nastavené proti větru, je charakteristický pro starší stroje malých výkonů. Do kategorie odporových větrných strojů s maximální účinností kolem 15 až 20 % patří prakticky všechny větrné mlýny, větrná mnohalistá čerpadla a Savoniova větrná turbína s vertikální osou otáčení. K výrobě elektřiny se větrné odporové stroje používají spíše výjimečně, když je potřebná jednoduchá instalace a relativně malý výkon.

Vznik vztlaku na obtékaném listu rotoru

Vznik vztlaku na obtékaném listu rotoru

Větší a modernější turbíny vrtulového typu pracují na vztlakovém principu. Listy rotoru mají tvar aerodynamického křídla a jsou obtékány proudícím vzduchem. Při správném nastavení listu vzniká na jedné jeho straně podtlak a na druhé přetlak v důsledku různých rychlostí proudění vzduchu. Působením těchto tlaků vzniká vztlaková síla orientovaná kolmo vůči směru proudění vzduchu a otáčející celou vrtulí větrného motoru. Účinnost vztlakových větrných turbín (využití kinetické energie vzduchu proudícího skrze turbínu) je kolem 40 až 50 %.

Další dělení větrných elektráren je na stroje s horizontální anebo s vertikální osou hlavního hřídele. Horizontální osa je typická pro moderní třílisté vztlakové větrné motory. Celá strojovna s generátorem je umístěna na vysokém tubusu, co znesnadňuje údržbu, a musí být natáčena proti větru. Elektrárny s vertikální osou mají generátor umístěn na zemi, nepotřebují natáčení ve směru větru, no ke spuštění je někdy nutný pomocný elektromotor.

Montáž hlavního hřídele s předním ložiskem a převodovkou do rámu gondoly větrné elektrárny (Zdroj: © TimSiegert-batcam / stock.adobe.com)

Montáž hlavního hřídele s předním ložiskem a převodovkou do rámu gondoly větrné elektrárny

Darrieova turbína s vertikální osou (vlevo) a větrná turbína s horizontální osou (vpravo) rotoru (Zdroj: (© martinlisner a ookawaphoto / stock.adobe.com)

Darrieova turbína s vertikální osou (vlevo) a větrná turbína s horizontální osou (vpravo) rotoru

Koeficient rychloběžnosti λ (lambda) je poměr obvodové rychlosti konce listu vrtule k rychlosti větru. Z hlediska rychloběžnosti se větrné turbíny dělí na pomaloběžné (λ < 6) a na rychloběžné (λ ≧ 6). Platí pravidlo, že čím je počet listů rotoru větší, tím nižší je koeficient rychloběžnosti, a rotor se otáčí pomaleji s větším točivým momentem.

Porovnání výšky moderní větrné elektrárny s budovou obsluhy (Zdroj: © VRD / stock.adobe.com)

Porovnání výšky moderní větrné elektrárny s budovou obsluhy.

Výběr lokality pro stavbu větrné elektrárny

Nejdůležitějším faktorem, ovlivňujícím výběr vhodné lokality pro stavbu větrné elektrárny nebo větrného parku, je odhad místních povětrnostních podmínek. Kromě převládajícího směru větru je potřebné přesně určit hlavně jeho rychlost. Může se vycházet z obecných meteorologických dat, nebo z podrobného statistického měření v dané lokalitě. Protože je výkon turbíny úměrný třetí mocnině rychlosti větru jsou kladeny vyšší nároky na přesnost měření. Pro větší projekty by mělo být měření registračními anemometry alespoň v délce půl roku. Podle zhotovené větrné mapy pak odborníci určí počet a výkon jednotlivých větrných turbín v parku.

Při výběru lokality pro stavbu větrného parku je třeba počítat i s řadou dalších parametrů. Pevnost podloží určuje typ bezpečného ukotvení stožárů. Dopravní dostupnost je důležitá nejen pro samotnou stavbu větrných elektráren pomocí těžkých jeřábů, no i pro jejich údržbu až do konce životnosti. Musí se brát ohled i na dostupnost a kapacitu energetické přenosové soustavy, aby náklady na připojení elektráren byly co nejnižší. Určitá omezení může přinášet taky profil terénu v lokalitě výstavby, přítomnost obydlí, nebo lokální omezení např. vzdálenosti nebo výšky staveb.

Povětrnostní podmínky jsou při výběru lokality pro výstavbu větrné elektrárny stejně důležité jako pevnost podloží a dopravní a energetická obslužnost (Zdroj: © Perytskyy / stock.adobe.com)

Povětrnostní podmínky jsou při výběru lokality pro výstavbu větrné elektrárny stejně důležité jako pevnost podloží a dopravní a energetická obslužnost

V neposlední řadě se musí při výběru lokality brát v úvahu vliv výstavby a provozu větrné elektrárny na životní prostředí. Větrná farma dosahující výkon 1 000 MW se rozprostírá na ploše přes 100 km2, jaderná nebo uhelná elektrárna o stejném výkonu zabírá plochu jen několik km2.

Nejvýhodnější umístění větrných parků je v odlehlejších, jinak nevyužitelných, vyprahlých oblastech (Zdroj: © Valerie Garner / stock.adobe.com)

Nejvýhodnější umístění větrných parků je v odlehlejších, jinak nevyužitelných, vyprahlých oblastech.

Vliv větrné elektrárny na životní prostředí

Větrná elektrárna vyrábí čistou elektrickou energii bez tuhých nebo plynných emisí, odpadů a odpadního tepla. Na druhou stranu má i své nevýhody a negativní vlivy. Mezi hlavní nevýhody patří nestálost proudění větru a relativně malá koncentrace energie – pro získání větších výkonů je nutné stavět rozlehlé větrné parky.

Vliv větrných elektráren na obyvatelstvo se projevuje hlavně ve zvýšené hladině hluku a stroboskopickém jevu. Hluk způsobuje především strojovna elektrárny a obtékání vzduchu kolem listů vrtule. Moderní odhlučněné konstrukce spolu s ovládacími programy elektráren snižují hladinu hluku na bezpečnou úroveň nepřekračující povolené normy.

Větrné elektrárny mohou mít určitý negativní vliv na obyvatelstvo žijící v jejich bezprostředním okolí (Zdroj: © Kara / stock.adobe.com)

Větrné elektrárny mohou mít určitý negativní vliv na obyvatelstvo žijící v jejich bezprostředním okolí.

Výzkumy prokázaly, že větrné elektrárny nemají žádný vliv na rušení zvěře (Zdroj: © Kruwt / stock.adobe.com)

Výzkumy prokázaly, že větrné elektrárny nemají žádný vliv na rušení zvěře.

Stroboskopický jev se projevuje v důsledku otáčení vrtule za slunečního počasí, kdy je slunce nízko nad obzorem. V blízkých obydlených oblastech přitom vzniká nepříjemný efekt pohyblivých stínů. V tomto případě je nutné na nezbytnou dobu elektrárnu odstavit.

Vliv větrných elektráren na ptáky je různý. Některé druhy se jim vyhýbají, jiné je berou jako součást prostředí, ve kterém žijí. Základní podmínkou je, aby elektrárny nebyly stavěny v místech s větší koncentrací ptactva, nebo v jejich letových koridorech. Výzkumy ekologů ve větrných parcích taky prokázaly, že elektrárny nemají žádný vliv na rušení zvěře.

Vrátit se nahoru
detail