Veterné turbíny v súčasnosti
Kategorie: Biológia (celkem: 966 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 01. července 2007
- Zobrazeno: 12550×
Příbuzná témata
Veterné turbíny v súčasnosti
Veterné elektrárne – inovačný prvok budúcnostiÚvod
Jedným z hlavných smerov, ktorým bude musieť technická akademická a odborná spoločnosť v blízkej budúcnosti venovať väčšiu pozornosť je otázka, ako zabezpečiť rastúci dopyt po elektrickej energii vo svete a tiež hľadať pri tom čisté formy jej získavania. Popri súčasných trendoch v orientácii na ekologicky zamerané projekty a s tým súvisiacej stále sa zvyšujúcej potrebe hľadať nové nápady, v posledných rokoch nadobudol spôsob získavania energie z vetra výrazne na dôležitosti. V tejto práci chcem hlavne poukázať na to, že v každom smere technického využitia je možné stále vylepšovať už používané technológie. Tým sa riešia dôležité problémy súčasnosti a zároveň posúvajú hranice našich možností ďalej. To je vlastne aj úloha vedy a to, čo nás inšpiruje pokračovať v tomto zámere.
V oblasti energetiky sa takto posunula napríklad úloha veterných elektrárni ako doplňujúceho zdroja energie značne dopredu a ja som sa pokúsil pozrieť sa na to trochu viac zblízka.
Ako to začalo
Podobne ako vodu aj vietor dokázali ľudia využívať už veľmi dávno. Ešte pred začiatkom nášho letopočtu, v starej Číne, Perzii, či Egypte, vtedajšie civilizácie využívali vietor na pohon veterných motorov slúžiacich na čerpanie vody do zavlažovacích systémov. Na území dnešného Iránu už v 7. storočí čerpali takto vodu z riek a neskôr mlelo zrno. V stredoveku sa prvé veterné motory objavili aj v Európe, prevažne vo forme veterných mlynov. Začiatkom 19. storočia bola postavená aj prvá rýchlobežná veterná turbína vo Francúzsku, čím sa začala prvá etapa využívania vetra na výrobu elektrickej energie. Neskôr bol v Dánsku, pred 2. svetovou vojnou, sprevádzkovaný systém veterných elektrárni na morskom pobreží. Dôležitým medzníkom v oblasti veterných elektrárni bola ropná kríza, ktorá bola hlavným podnetom pre intenzívnejší rozvoj a výskum využívania vetra na energetické účely.
Rýchlosť vetra, prúdenie vzduchu
Veterná energia je pohybová energia vzduchu. Je nepriamou formou slnečnej energie. Zemský povrch ohrievajú slnečné lúče od regiónu po región s rôznou intenzitou, v dôsledku čoho dochádza k teplotným a tlakovým rozdielom. Na hospodársky zmysluplné využitie veternej energie na výrobu elektrickej energie je potrebná priemerná rýchlosť vetra väčšia ako 4 - 5 m.s-1 (vo výške 10 m). Energia získaná z vetra zodpovedá tretej mocnine násobku rýchlosti vetra.
Ak teda postavíme veternú elektráreň na mieste, kde je priemerná rýchlosť vetra 6 m.s-1 namiesto 3 m.s-1 (teda 2-násobná), môžeme získať 8-násobné množstvo energie. Z toho dôvodu má miesto, kde toto zariadenie postavíme, rozhodujúci vplyv na účinnosť celého zariadenia. Skôr ako investujeme čas a peniaze do výstavby veternej elektrárne, je potrebné sa zamyslieť, či táto lokalita spĺňa nasledovné kritériá:
• ročná priemerná rýchlosť musí byť aspoň 4 m.s-1 vo výške 10 m,
• umiestnenie lokality (stavba v chránenom území komplikuje schvaľovacie riadenie)
• vhodné geologické podmienky pre základy (nebezpečná seizmicita),
• prístupnosť lokality stavebným mechanizmom,
• vzdialenosť elektrického vedenia vysokého a nízkeho napätia (min. do 1 km)
• bezpečnosť prevádzky (teda dostatočná vzdialenosť od obydlí – hluk, možnosť rušenia telekomunikácií). Prednosti veternej elektrárne sú:
• obnoviteľný zdroj bez škodlivých odpadov
• dostatočne známa a vyvinutá technológia (i keď výskum ešte nie je ukončený ) a sľubuje ďalší výrazný pokrok
• relatívne jednoduchá konštrukcia, vhodná na lokálne využitie
• Pozemky použité pri veterných farmách sa môžu stále využívať na pestovanie obilia a ako pasienky
• Vytvárajú pracovné príležitosti a priemyselnú základňu aj v odľahlých oblastiach
• Výhoda veterných elektrární z hľadiska elektrizačnej sústavy spočíva v tom, že väčšinu elektrickej práce dodávajú v zimných mesiacoch a prevažne cez deň, kedy sú obyčajne lepšie veterné podmienky
• Väčšina väčších veterných a slnečných elektrární by bola pravdepodobne umiestnená vo vzdialených oblastiach, ako sú napr. púšte, čím by sa dosiaľ nevyužité pustatiny stali zdrojom čistej energie.
Vhodne umiestnená turbína s výkonom nad 500 kW je schopná vyrobiť viac ako 2 milióny kWh za rok, čo postačuje na zásobovanie približne tisíc domácností elektrickou energiou alebo na prejdenie 30 miliónov km elektrickými automobilmi. Jedna turbína by takto mohla zásobovať energiou asi 3000 vozidiel , ktoré by ročne mohli najazdiť po 10 tisíc km.
Aj keď má veterná elektráreň veľa výhod, má však aj svoje nevýhody:
• veľké počiatočné náklady
• celkovo obmedzený energetický potenciál
• rozptýlený zdroj energie vyžadujúci výstavbu mnoho jednotiek
• časovo premenlivý zdroj závislý na ročnej dobe a na počasí, nízke využitie zdroja (asi 59%) – zapríčinený prerušovanou prevádzkou za bezvetria
• geograficky závislý zdroj
- Miesto na ktorom majú byť veterné farmy postavené musí mať aspoň 300 veterných dní do roka.
• lokálne negatívne vplyvy na živočíchy (vtáky)
- Obavy ochranárov prírody z kolízie rotorových listov s vtákmi sa ukázali ako neopodstatnené. Výskumy preukázali, že vtáctvo si rýchlo zvyká na tieto prekážky a trend znižovania otáčok turbín ešte znižuje výskyt kolízií. Sú prípady, keď vtáky hniezdia priamo na gondole veternej turbíny. Pri návrhu veterných parkov sa samozrejme rešpektujú známe koridory sťahovavých vtákov, najmä tých, ktoré lietajú aj v noci. • najlepšie lokality sa často nachádzajú v chránených horských oblastiach,
• nepríjemný pocit spôsobený mihajúcim sa tieňom listov rotora. - Preto, keď sa v tieňom zasiahnutej oblasti nachádza obytný objekt, turbína sa na programuje tak, aby sa za slnečného počasia vždy automaticky odstavila na príslušnú dobu. Hlučnosť
Pre predstavu, aká je vlastne hlučnosť v okolí gondoly, uvádzam tabuľku hlučnosti v závislosti od vzdialenosti (40 – 60 dB odpovedá obvyklej vrave či živej ulici):
Tab. 1 Miera hlučnosti v závislosti od vzdialenosti rotora
Vzdialenosť[m] 150 160 200 300 400
Hluk [dB] 45,3 44,7 42,9 39,4 36,9
Frekvenčné charakteristiky zvukového smogu veternej elektrárne okrem počuteľnej oblasti presahujú aj do vysoko- a nízkofrekvenčnej oblasti, ktoré vyvolávajú nepriaznivé psychické pocity u ľudí.
Na zamedzenie negatívneho pôsobenia hluku platia v niektorých štátoch predpisy, ktoré limitujú min. vzdialenosť turbín od obytných budov (napr.300 m).
Technická vyspelosť súčasných veterných turbín, súčasné trendy inovácií
Nové veterné turbíny už nie sú kuriózne staré veterné mlyny, ale elegantné high-tech modely zo sklolaminátu a ocele s prenosom rôznych rýchlostí a vyspelou elektronikou. Na rozdiel od klasických veľkých elektrární vstupujú na trh nové modely veterných elektrární asi tak často, ako nové modely osobných počítačov. Súčasné veterné turbíny už zväčša zodpovedajú požiadavkám životného prostredia. Sú ovládané mikroprocesorom a sú naprogramovateľné na rôzne režimy podľa potreby okolitého sveta. Vo večerných hodinách môžu napr. automaticky prejsť na tzv. „nočný režim“ s nižšími otáčkami a so zníženou hladinou hluku. Gondola moderných turbín je odhlučnená tak, že hluk od prevodovky, resp. generátora, je minimálny. Niektorí výrobcovia už vylúčili aj prevodovku a rotor tu priamo poháňa mnohopólový generátor. Systém tu teda funguje na tom istom princípe ako dynamo ( nevýhoda - veľká hmotnosť magnetov )
Rotor, ktorý je vyrobený z epoxidovej živice, vystuženej sklenenými vláknami, je určujúcim prvkom z hľadiska produkcie elektriny, ako i hluku.
Konce listov rotora sú tvarované tak, aby nedochádzalo k svišťaniu lopát. Znižovaním prevádzkových otáčok turbín na 15 až 25 otáčok za minútu bola docielená tiež účinná redukcia hlučnosti zariadení.
Väčšina turbín sa rozbieha pri vánku o rýchlosti 3 - 4 m.s-1, menovitý výkon dosiahne pri rýchlosti vetra 12-14 m.s-1 a pri rýchlosti 25 m.s-1 sa listy rotora automaticky vytočia zo záberu vetra (vlajková poloha) a zariadenie sa odstaví, aby nedošlo k poškodeniu zariadenia napr. k odtrhnutiu vrtule. K tomuto účelu sú vybavené aj brzdami. Nosný systém veternej elektrárne je tvorený prevažne tubusovým stožiarom s oceľovým rámom strojovne, aby sa v maximálnej miere zabránilo akémukoľvek rozkývaniu konštrukcie.
Na to, aby veterná elektráreň dokázala využiť maximálne množstvo veternej energie aj premenlivého vetra, sa využíva systém natáčania veterného motora do smeru vetra.
Nové projekty
Väčšina prímorských štátov preto pripravuje veľkolepé projekty veterných parkov jednak na brehu, ale najmä v morských vodách, kde sú turbíny umiestnené vo vzdialenosti 10 až 30 km od brehu. V súčasnosti najväčší projekt tohto typu sa realizuje v mori 2 km pred kodanským prístavom, kde sa postaví 20 veterných turbín s výkonom po 2 MW. Najväčšia veterná farma na svete sa nachádza v USA- (Kalifornii, Altmon Pas, 16 000 veľkých veterných generátorov), v Európe je to Veľká Británia (Stredný Wales) – 103 generátorov.
Zo súčasného pohľadu považujú odborníci za hraničný výkon jednotky okolo 5 MW s priemerom rotora do 150 m - predovšetkým pre veterné parky, umiestnené v morských vodách. V súčasnej dobe majú najväčšie sériovo vyrábané turbíny vo svete výkon 2,5 MW a priemer rotora 80 m. Výška oceľového, resp. betónového stožiaru turbín sa pohybuje medzi 50 až 100 m. Európa je momentálne najhorúcejším regiónom pre rozvoj využitia veternej energie. Jej veterný boom vedie Nemecko, v ktorom tisíce lesklých bielych veterných turbín rotuje v rovinatom poľnohospodárskom kraji Dolného Saska a na ďalších pobrežných územiach.
Situácia na Slovensku
Slovensko ako vnútrozemská krajina disponuje oproti krajinám západnej Európy podstatne nižším potenciálom veternej energie. Ročná priemerná rýchlosť vetra, meraná vo výške 10 m nad terénom je základným kritériom pre odhad potenciálu. Z iniciatívy SE, a. s., sa pripravuje realizácia prvého veterného parku na Slovensku v oblasti Malých Karpát u obce Cerová. Lokalita bola vybraná z „Veternej mapy SR“, s dobrými veternými podmienkami.
Na základe rok trvajúceho merania bola zistená ročná priemerná rýchlosť vetra vo výške 50 m nad terénom 5,9 m.s-1, čo je v našich podmienkach celkom prijateľná hodnota a vytvára predpoklady pre úspešnú výstavbu veterných elektrární. Podľa návrhu budú veterný park tvoriť štyri turbíny, každá s výkonom 600 kW a s trojlistovým rotorom o priemere 44 m. Gondoly budú umiestnené na oceľových stožiaroch vysokých 65 m. Prevádzka celého veterného parku bude automatická, s možnosťou diaľkovej kontroly. Účelom demonštračného projektu Cerová je predovšetkým propagácia veternej energetiky, ktorá sa pravdepodobne zakrátko stane realitou aj na Slovensku.
Technické vlastnosti veterných elektrární
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 20 - 40 metrov nad zemou. Najväčšie zariadenia, ktoré boli postavené len nedávno, však majú listy rotujúce vo výške až 90 metrov. Množstvo elektrickej energie, ktoré je možné v danej lokalite turbínou vyrobiť závisí okrem rýchlosti vetra aj na jej veľkosti. 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. V dôsledku veľmi rýchleho technologického rozvoja sú niektoré veľké turbíny vhodné aj pre vnútrozemské oblasti vyznačujúce sa nižšími rýchlosťami vetra.
Veterné elektrárne môžeme rozdeliť podľa výkonu P na:
1. malé veterné elektrárne
P do 200 kW
2. stredné veterné elektrárne
200 kW < P < 500 kW
3. veľké veterné elektrárne
P > 500kW
Malé veterné elektrárne s výkonom P do 200 kW sa využívajú zvyčajne na dobíjanie akumulátorov. Veterné elektrárne s výkonom väčším ako 200 kW už môžu byť dodávateľmi elektrickej energie pre verejnej siete.
Záver
Keďže vietor nefúka na objednávku, potrebujú veterné elektrárne aj iné doplňujúce zdroje. Veterné elektrárne môžu síce usporiť palivo, ale ťažko môžu nahradiť iné zdroje energie. Aj tak sa však môžu stať významným, ale len doplnkovým zdrojom. V spolupráci so solárnymi článkami môžu pokryť najnutnejšie energetické potreby.