Energie větru Síla větru

Transkript

1 Energie větru Vítr je vzduc proudící v přírodě, jeož směr a ryclost se obvykle neustále mění. Příčinou energie větru je rotace Země a sluneční energie. Například nad zemským povrcem ořátým sluncem vzrůstá teplota vzducu a tím se vzduc roztauje. Nad sousedícím mořem zůstává vzduc cladnější. Kolísání ustoty vzducu, které tak vzniká, má za následek rozdíly tlaku vzducu, které zase způsobují proudění vzducu. Nad povrcem země tak začíná vát vítr z moře na pevninu. V noci se směr větru mění na opačný, protože voda je teplejší než povrc země, který se oclazuje rycleji. Vzduc neustále proudí z míst s vysokým tlakem do míst s nízkým tlakem vzducu. Proudění vzducu také ovlivňuje otáčení Země, které se jen částečně přenáší na vzducový obal, což ukazují větry zvané pasáty. Dalším působícím faktorem je struktura zemskéo povrcu. Síla větru Síla větru je mírou ryclosti větru., která má rozodující vliv na výkonnost větru. Ryclost větru se nejčastěji odnotí podle stupnice síly větru zavedené britským admirálem Sirem Francisem Baufortem v roce Původně byla založena na účincíc pozorovatelnýc na moři, později doplněna o události pozorovatelné na zemi. Ryclost větru se měří pomocí tzv. anemometru s miskovým křížem ve výšce 10 m nad zemí. Otáčky rotoru se převádějí analogově na napětí nebo digitálně na počet impulsů za časový interval. Průměrné ryclosti větru se registrují v 10minutovýc nebo odinovýc intervalec. Pro posouzení možnéo výnosu energie jsou důležité měsíční průměrné odnoty. Ryclost větru závisí na carakteru krajiny a zástavbě. S rostoucím počtem a výškou překážek stoupají čáry stejné ryclosti (isoventy) do většíc výšek. Pro rovný terén, kde je závislost mezi ryclostí a výškou ovlivňována pouze drsností povrcu, lze použít následující závislost mezi ryclostí větru a výškou:

2 v = v 0 0 p kde: v v 0 0 p je střední ryclost větru ve výšce 0 [m/s] je vypočítaná ryclost větru [m/s] je výška, ve které se provádí měření [m] je výška umístění osy rotoru [m] je exponent závisející na drsnosti povrcu, vertikálním profilu teplot a výšce nad zemským povrcem; vyjadřuje vliv atmosférické turbulence a nabývá odnot 0 až 1. Při použití průměrnýc ryclostí větru lze orientačně předpokládat pro vrstvu 0-2 m odnotu p = 0,25, pro vrstvu 2 16 m odnotu p = 0,22 a pro vrstvu m odnotu p = 0,25. Dru povrcu p Hladký povrc, písek, vodní ladina, led, bláto 0,10 0,14 Rovinatý terén s nízkým travnatým porostem, 0,13 0,16 ornice, zasněžený terén Vysoký travnatý porost, nízké obilné porosty 0,18 0,19 Porosty vysokýc kulturníc plodin, nízké lesní 0,21 0,25 porosty Vysoké usté lesy 0,28 0,32 Předměstí, vesnice, malá města 0,40 0,48 Orientační koeficienty pro extrapolaci ryclosti větru Pozor na rozdíl mezi výškou nad zemským povrcem a výškou nad terénem. Je potřeba si uvědomit, že koeficienty v tomto přiblížení platí pro rovinatý terén a tedy odrážejí vliv drsnosti podloží vzdušnéo proudu, ale nikoliv vliv členité ortografie. Koeficienty se mění i s výškou vegetace, sněu atd. Průměrné roční ryclosti větru na našem území udává tzv. větrná mapa. Z ní lze vyčíst, že pouze 1,6 % území je vodné pro stavbu větrnýc elektráren. Většinou se jedná o výše položené oblasti, které patří často mezi cráněné krajinné oblasti, což může komplikovat povolení ke stavbě.

3 Větrná mapa ČR Laminární a turbulentní proudění vzducu Existují dva základní druy proudění: laminární, turbulentní. U laminárnío proudění se vrstvy s rozdílnou ryclostí proudění vzájemně paralelně posouvají bez tvoření vírů. Ryclost větru bez tvoření vírů narůstá s výškou. Rozdělení ryclostí nad zemí pak závisí na samotné ryclosti větru, na ustotě vzducu, na carakteru povrcu a v malé míře také na teplotě. U turbulentnío proudění se přidává také různě silné víření, vzniká turbulentní proudové pole, kde se molekuly vzducu nepoybují jen souběžně. V tomto proudění jsou i složky směřující napříč nebo i proti směru lavnío proudění. Turbulentní složky nelze měřit běžným anemometrem.

4 Větrná turbína pracující na aerodynamickém vztlaku má být co nejméně vystavena turbulentnímu proudění. Proto má být v lavním směru větru ve vzdálenosti od překážky, která je dvacetinásobkem výšky překážky. Čím vyšší je stožár a volnější krajina, tím je větší šance na minimální turbulence. Normálně roste ryclost větru s výškou. U kopců a orskýc řebenů je ryclost těsně nad vrcolkem nebo řebenem vyšší než ve většíc výškác. Kolísání větru podle ročníc období Pro využívání energie je kromě roční průměrné odnoty ryclosti větru důležité i to, jak kolísá energetický obsa větru v průběu ročníc období. Výroba energie se zpravidla vyplácá od 5 m/s. V zimě bývá energetický obsa větru až několikrát vyšší než v létě. Energie větru tak lépe odpovídá potřebám energie podle ročníc období než sluneční energie. Kromě kolísání ryclosti větru v závislosti na ročníc obdobíc, měsíčním nebo denním kolísání ryclosti se moou projevovat i místní zvláštnosti. Větry typické pro daný region mívají svá jména: monsun (Indie), mistral (jižní Francie), bora (Jaderské moře). Teoretický výkon větru Kinetická energie tělesa se vypočítá podle známéo vztau: 2 E kin = 1/ 2mv Hmotnost vzducu vypočteme jako součin jeo motnosti a objemu:

5 m = ρ V Kinetická energie větru tedy bude: E kin = 1/ 2 ρ V v 2 Při normálním tlaku je ustota vzducu: 3 ρ( 20 C ) = 1,2kg / m Výkon větru zjistíme jako podíl jeo kinetické energie a časovéo intervalu: P větru = E kinvětru t 1/ 2 ρ V v = t 2 Objem větru zjistíme vynásobením plocy, kterou vítr kolmo procází, ryclosti větru a časovéo intervalu: V = A v t Teoretický výkon větru je tedy: P větru = 1/ 2 ρ A v 3 Teoretický výkon předpokládá, že vítr je zcela zabržděn a odevzdá veškerou svou energii. Větrná turbína Ani nejmodernější větrné konvertory nemoou teoretický výkon obsažený ve větru převést stoprocentně na využitelnou energii. Vzduc za větrným kolem proudí dál určitou ryclostí - není možné jej zabrzdit úplně, takže v něm zůstane určitá část poybové energie. P rot = P 1 P 2

6 Teoretický výkon lopatek rotoru je dána rozdílem výkonu vzducu před a za větrnou turbínou. Účinnost rotoru je dána vztaem: Prot τ rot = P větru Pomocí vzorců je možné zjistit optimální podmínky (teoretické) tj. poměr ryclosti větru před a za lopatkami konvertoru, při kterýc se z proudícío vzducu odebere největší energie. Tooto stavu se dosáne v případě, že se ryclost větru v rovině větrnéo kola sníží o 2/3; za větrným kolem tedy má ještě 1/3 ryclosti. Energetický zisk by v tomto případě mol dosaovat asi 60 % celkové energie obsažené ve větru, a to za předpokladu, že by větrné kolo mělo lopatky ideálně projektované pro danou ryclost. Prakticky ale nelze vyrobit lopatky, které by ideálně využívaly jakékoliv ryclosti větru. V praxi je při dobrém provedení lopatek rotoru možné dosánout účinnosti rotoru 40 %.

7 Teoretická závislost účinnost rotoru na poměru ryclostí větru za a před větrným kolem. Efektivně využitelný výkon Celková účinnost větrnéo konvertoru není dána jen účinností větrnéo kola, ale také účinností převodovky a generátoru. τ = τ τ τ celk rotor převod generátor Za reálnou účinnost větrnéo kola můžeme považovat odnotu 0,4. Tj. z procázejícío větru se odebere 40 % energie. Za účinnost řemenovéo převodu můžeme brát 0,9. Generátor převede asi 80 % výkonu na řídeli na elektrickou energii, tj. s účinností 0,8. Po dosazení uvedenýc odnot vycází celková účinnost 0,29. Následující tabulka ukazuje teoretický a efektivní výkon v závislosti na ryclosti větru. Zdroje: Kolektiv: Velká knia o energii. L.A.Consulting Agency, 2001 Horst Crome: Tecnika využití energie větru. HEL, 2002 Beranovský, Truxa a kol.: Alternativní energie pro váš dům. EkoWatt, Brno,