SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA MALÉ VETERNÉ TURBÍNY

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA MALÉ VETERNÉ TURBÍNY Bakalárska práca SjF Študijný program: Študijný odbor: Školiace pracovisko: Vedúci práce: Výrobné systémy a manaţérstvo kvality výrobná technika, kvalita produkcie Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky a manaţmentu kvality Ing. Juraj Beniak, PhD. Bratislava 2011 Tatiana Štolcová

2 Slovenská technická univerzita v Bratislave Strojnícka fakulta Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky Akademicky rok: 2010/2011 a manaţmentu kvality Evidenčné číslo: SjF ZADANIE BAKALÁRSKEJ PRÁCE Študentka: Tatiana Štolcová ID študenta: Študijný program: Kombinácia študijných programov: Vedúci práce: Miesto vypracovania: výrobné systémy a manaţérstvo kvality výrobná technika, kvalita produkcie Ing. Juraj Beniak, PhD. ÚSETM Názov práce: Malé veterné turbíny Špecifikácia zadania: 1. Teoretický úvod do problematiky 2. Moţnosti vyuţitia veternej energie 3. Prehľad technických riešení malých veterných turbín 4. Záver - zhodnotenie Riešenie zadania práce od: Dátum odovzdania práce: Tatiana Štolcová Študentka Doc. Ing. Ľudovít Kolláth, CSc. Vedúci pracoviska Prof. Ing. Ľubomír Šooš, PhD. Garant študijného programu

3 Čestné prehlásenie Vyhlasujem, ţe som záverečnú prácu vypracovala samostatne s pouţitím uvedenej literatúry. Bratislava, 7. júna Tatiana Štolcová

4 Poďakovanie Ďakujem vedúcemu bakalárskej práce Ing. Jurajovi Beniakovi, Phd. za odbornú pomoc pri vypracovaní bakalárskej práce. Bratislava, 7. júna 2011 Tatiana Štolcová

5 Názov práce: Malé veterné turbíny Kľúčové slová: veterná energia, veterné elektrárne, malé veterné turbíny Abstrakt: Cieľom bakalárskej práce je analyzovať technické riešenia malých veterných turbín na súčasnom trhu a poukázať na moţnosti vyuţívania veternej energie ako obnoviteľného zdroja energie. Prvá kapitola stručne charakterizuje obnoviteľné zdroje energie a pribliţuje problematiku veternej energie. Druhá kapitola sa venuje moţnostiam vyuţívania veternej energie. Hovorí o veterných čerpadlách a veterných systémoch na výrobu elektrickej energie. Tretia kapitola analyzuje konštrukčné riešenia malých veterných turbín. Opisuje ich prevedenie, technické špecifikácie a spôsoby vyuţitia. V závere práce sa nachádza zhodnotenie technického riešenia spomenutých malých veterných turbín, ich výhody a nevýhody. Title: Small wind turbines Key words: wind power, wind power plant, small wind turbines Abstract: The aim of bachelor work is to analyze the technical solutions of the small wind turbines on current market and refers to the possibilities of the using wind power as renewable sources of energy. The first chapter briefly describes renewable sources of energy and presents the problematic of wind power. The second chapter is devoted to the possible use of wind power. Describes wind pumps and wind systems for power generation. The third chapter analyzes construction of small wind turbines. It describes design, technical specifications and ways of using. In conclusion there is an assessment of technical solutions of the small wind turbines, their advantages and disadvantages.

6 Obsah Úvod Teoretický úvod do problematiky Obnoviteľné zdroje energie Slnečná energia Veterná energia Geotermálna energia Vodná energia Biomasa Energia oceánov Vietor Veličiny charakterizujúce energiu vetra Veterné prúdenie Ročný a denný chod rýchlosti vetra Drsnosť povrchu Energetický potenciál vetra Výber lokalít pre veterné zariadenia Konštrukcia veterných zariadení Rotor Prevodovka Generátor Veţa Systém natáčania do smeru vetra Regulačné zariadenie Moţnosti vyuţívania veternej energie História vyuţívania veternej energie Veterné čerpadlá Veterné turbíny vyuţívané na výrobu elektrickej energie do siete Veterné parky

7 2.3.2 Pneumaticko-akumulačný veterný systém Malá veterná elektráreň pripojená na rozvodnú sieť Autonómne veterné systémy Moţnosti vyuţitia autonómnych veterných systémov Solárno-veterné hybridné systémy Prehľad technických riešení malých veterných turbín Komponenty malých veterných turbín Prehľad technických riešení malých veterných turbín Veterná turbína Air X Veterná turbína SkyStream Veterná turbína Whisper Veterná turbína DonQi Veterná turbína Loopwing Veterná turbína Energy Ball Veterná turbína AVX Veterné turbíny Windpods G Veterná turbína Nheowind 3D Veterná turbína WindTronics Veterná turbína Windside Veterná turbína Eddy GT Veterná turbína Wind Smile Veterná turbína Hi-VAWT Zhodnotenie Zoznam pouţitej literatúry

8 Úvod Len málo ľudských činností ovplyvňuje ţivotné prostredie v takej závaţnej miere, ako náš súčasný spôsob vyuţívania energie, preto je riziko ohrozenia globálneho klimatického systému vnímané stále silnejšie. Navyše sú ceny fosílnych palív v dôsledku ropnej krízy a nepokojov v krajinách produkujúcich ropu nestabilné a neustále sa zvyšujú. K riešeniu tohto problému určite patrí aj prechod na obnoviteľné zdroje energie. Jedným z týchto zdrojov je aj veterná energia, ktorá sa v súčasnosti rýchlo rozvíja. Vo viacerých krajinách sveta je uţ cena energie vyrobená z veternej energie porovnateľná, alebo dokonca niţšia ako energia získaná z uhlia, plynu alebo uránu. Technológia veterných turbín sa neustále zdokonaľuje a inštalujú sa turbíny s čoraz väčšími výkonmi, či veterné parky obrovských rozmerov, ktoré vyrastajú uţ aj na mori. Na druhej strane vývoj neobišiel ani malé veterné turbíny, vyuţívané väčšinou ako samostatné energetické zdroje. Svedčí o tom aj ponuka malých veterných turbín na svetovom trhu, ktorá obsahuje veľké mnoţstvo turbín rôznorodého technického prevedenia. 8

9 1 Teoretický úvod do problematiky 1.1 Obnoviteľné zdroje energie Energia je jednou z hlavných podmienok ţivota na Zemi. Uspokojuje naše potreby a poţiadavky, a na jej mnoţstve a kvalite odjakţiva záviselo tempo civilizačného rozvoja spoločnosti. V súčasnosti na výrobu väčšiny energie ( pribliţne 80%) vyuţívame fosílne palivá (uhlie, ropa, zemný plyn) a urán. Spotrebúvame ich však niekoľkonásobne rýchlejším tempom ako sa stíhajú zásoby fosílnych palív dopĺňať, čo vedie k ich postupnému vyčerpaniu. Popri vyčerpateľnosti sú negatívom aj emisie CO2 a skleníkové plyny vznikajúce pri ich horení. Obnoviteľné zdroje energie (OZE) sú perspektívne energetické zdroje domáceho pôvodu schopné zabezpečiť trvalo udrţateľný rozvoj ľudstva. Znamená to, ţe svojou energetickou náročnosťou, vyuţívaním zdrojov našej planéty a pôsobením na ţivotné prostredie neobmedzia existenciu a nároky ďalších generácií. [1] Patrí sem: Slnečná energia Slnečná energia je dostupná všade na Zemi, pričom kaţdý rok jej dopadne na zemský povrch krát viac, neţ sme schopný za rok spotrebovať. Nevýhodou je, ţe jej intenzita je rôzna s meniacou sa zemepisnou polohou, ročným obdobím, či sklonom povrchu k dopadajúcemu ţiareniu. Na energetické účely vieme vyuţiť slnečnú energiu tromi základnými spôsobmi: 9

10 - Fotovoltaické články pomocou fotovoltického javu premieňajú slnečnú energiu priamo na elektrickú. - Solárne kolektory slúţia na ohrev úţitkovej vody, na vykurovanie rodinných domov, bazénov alebo skleníkov. - Pasívna solárna architektúra zabezpečuje ohrievanie domu a je zaloţená na správnej orientácií domu voči svetovým stranám, kvalitnom zateplení, kvalitných oknách, atď. [2] Obr. 1 Slnečná elektráreň a.) fotovoltaická b.) solárno-termická [3] Prvý typ slnečnej elektrárne vyuţíva fotovoltaické systémy na výrobu elektriny. Fotovoltaické články sú pre ich nízku účinnosť spájané a zabudované do solárnych panelov. Nevýhodou je veľká rozloha elektrárne a nutnosť čistenia slnečných panelov, aby sa nezniţovala účinnosť. Druhý typ sú solárno-termické elektrárne pozostávajúce zo sústavy zrkadiel, ktoré sledujú pohyb slnka, a koncentrujú slnečnú energiu na kotol. V ňom sa generuje para, ktorá poháňa turbínu s elektrickým generátorom. [3] Veterná energia Vo vzduchu je akumulovaná kinetická energia vetra, vznikajúca nerovnomerným zahrievaním Zeme, ktorá predstavuje pribliţne 1% slnečnej energie pohltenej zemským povrchom, t.j. asi Joulov. Napriek faktu, ţe vietor je všadeprítomný, nevýhodou je, ţe ekonomicky ho moţno vyuţívať iba v niektorých lokalitách s vhodnými poveternostnými podmienkami. 10

11 Existuje viac technických riešení premeny veternej energie na mechanickú, a teda aj viac typov veterných zariadení. Mechanická energia je dobre vyuţiteľná pre viaceré účely, najčastejšie ide o premenu na elektrickú energiu alebo o priamy pohon mechanického vodného čerpadla. Základné rozdelenie turbín podľa konštrukcie: - Veterné zariadenia s horizontálnou osou otáčania - Veterné zariadenia s vertikálnou osou otáčania Obr. 2 Veterné elektrárne s a.) horizontálnou osou [5] b.) vertikálnou osou otáčania [6] Ak sa jedná o veternú elektráreň, rozdeľujeme ich podľa inštalovaného výkonu na: - malé do 20 kw - stredné 20 aţ 50 kw - veľké nad 50 kw [4] Geotermálna energia Pôvod geotermálnej energie nevychádza zo slnka, ale vyuţíva teplo z vnútra Zeme. Teplo získame buď priamym vyuţívaním horúcich prameňov (voda, para) alebo nepriamo cez horúce horniny. Jej perspektíva spočíva vo vyuţívaní lokálne dostupných teplých zdrojov v relatívne malej hĺbke pod zemou, či uţ na výrobu elektrickej energie alebo vykurovanie. 11

12 Obr. 3 Geotermálna elektráreň [8] Poznáme viac druhov geotermálnych elektrární rozdelených na základe skupenstva a teploty vyuţívanej geotermálnej vody. Základné typy sú tieto: - GTE s prehriatou parou - para vychádzajúca z vrtu po separácii vody poháňa parnú turbínu s generátorom - GTE s horúcou vodou - geotermálna voda s vysokým tlakom a teplotou sa v expandéri premení na mokrú paru, ktorá poháňa parnú turbínu s generátorom - GTE s binárnym cyklom - geotermálna voda s teplotou nad 130 C vo výmenníku zohreje kvapalinu s nízkym bodom varu (čpavok, izobután), ktorej para poháňa expanznú turbínu s generátorom. [7] Vodná energia Ako priamy dôsledok slnečného ţiarenia vzniká v prírode kolobeh vody, ktorý umoţňuje nevyčerpateľne vyuţívať energiu obsiahnutú vo vode, napr. na konanie mechanickej práce alebo na výrobu elektrickej energie. Energiu prúdenia toku vyuţívajú vodné elektrárne priamo, zosilnenú vodnou nádrţou, alebo vytvorením väčšieho spádu medzi dvomi stanicami. Energia sa prenáša na generátor, ktorý vyrába elektrický prúd. Podľa inštalovaného výkonu rozdeľujeme vodné elektrárne na: - Malé vodné elektrárne (MVE) do 10 MW 12

13 - Stredné vodné elektrárne od 10 do 200 MW - Veľké vodné elektrárne (VVE) nad 200 MW Obr. 4 Najväčšia vodná elektráreň na rieke Parana [9] Z hľadiska environmentálnych dopadov na prostredie povaţujeme za ekologické len MVE, pretoţe VVE výrazne narúšajú charakter prostredia, úplne premenia pôvodné vodné prostredie a v značnej miere menia okolité prostredie. Vodné elektrárne patria k najţiadanejším OZE, lebo patria medzi zdroje s najväčšou účinnosťou premeny energie, účinnosť turbín dosahuje aţ 96%. [1] Biomasa Za biomasu sa povaţuje kaţdý organický zdroj obsahujúci viazanú chemickú energiu, ktorú za pomoci fotosyntézy získal zo slnečnej energie, t.j. drevo a poľnohospodárke plodiny vrátane odpadu vytvoreného z nich, odpady zo ţivočíšnej, potravinárskej produkcie ako aj niektoré zloţky komunálneho a priemyselného odpadu. Spracovaním biomasy vyrábame teplo, elektrinu alebo plynné a tekuté palivá pre dopravu. Existujú tri základné spôsoby získania energie z biomasy: - Termochemickou premenou (priamym spaľovaním, pyrolýzou, splyňovaním) - Biochemickou premenou (anaeróbnou alebo aeróbnou fermentáciou) 13

14 - Mechanicko-chemickou premenou (lisovaním oleja, esterifikáciou surových bioolejov) [10] Obr. 5 Schéma moţností vyuţívania biomasy [10] Energia oceánov 1.) Energia morských vĺn Energia vĺn vzniká účinkom slnečného ţiarenia, ktoré zohrieva vzduch, čím vzniká vietor, ktorý spôsobuje vlny. Princíp zariadenia je zaloţený na zachytávaní vĺn do uzatvoreného priestoru a premieňaní ich kinetickej energie na elektrinu. Tieto elektrárne vyuţívajú energiu oscilujúceho stĺpca vody, pričom vzniká tlak vzduchu, ktorý prechádza vzduchovou turbínou. Tlak vzduchu roztáča turbínu pripojenú na generátor elektrického prúdu. 2.) Energia prílivu Príliv a odliv je dôsledok gravitačného pôsobenia Mesiaca na Zem. Princíp spočíva v napĺňaní a vyprázdňovaní prírodného rezervoáru vodou. Prílivová a odlivová voda tak môţe prechádzať cez turbínu umiestnenú v priehrade a vyrábať elektrickú energiu. 3.) Energia pobrežných prúdov Pobreţné prúdy vznikajú v pobreţných vodách v dôsledku síl pôsobiacich na morskom dne, ktoré tlačia prúdy v úzkych kanáloch. Je ich moţné vyuţiť 14

15 tzv. prílivovými turbínami, ktoré majú tvar podobný veterným turbínam umiestneným pod vodou. Táto technológia je ešte len vo vývoji. [11] Obr. 6 Zariadenie na zachytávanie energie vĺn [12] 1.2 Vietor Veličiny charakterizujúce energiu vetra Ako vzniká vietor? Povrch Zeme je ohrievaný nerovnomerne s rôznou intenzitou slnečného ţiarenia vzhľadom na ročné obdobie, nadmorskú výšku, zemepisnú polohu, a preto vznikajú na Zemi miesta s odlišnou teplotou. Nerovnomerné rozloţenie teploty spôsobuje tlakové rozdiely, ktoré zapríčiňujú pohyb vzdušnej hmoty obrovských rozmerov z miesta s vyšším tlakom do oblasti s niţším tlakom, a tak vzniká vietor. Vietor charakterizujeme dvomi základnými veličinami: 1. rýchlosť vetra 2. smer vetra Keďţe vietor je takmer vţdy turbulentný, meraná rýchlosť a smer vetra sa nevzťahuje k jednému okamihu, ale sú to spriemerované hodnoty za určitý časový interval. [13] 1. Rýchlosť vetra vyjadrujeme ju v (m/s) alebo (km/h). Presne sa meria na pozemných meteorologických staniciach asi vo výške 10 m nad zemským povrchom počas 10 min časového intervalu, a to prístrojmi - anemometrami 15

16 a anemografmi. Anemometrami sa merajú okamţité hodnoty vetra, pričom anemografmi sa získava trvalý záznam o prvkoch vetra. Poznáme viac druhov anemometrov, napr.: - Anemometer, skladajúci sa z rotačnej časti s vertikálnou osou otáčania, na ktorej sú ramená zakončené štyrmi polguľovitými miskami alebo lopatkovým rotorom. Rýchlosť vetra je úmerná počtu otočiek rotujúcich častí prístroja za jednotku času. - Anemometer, ktorého základom je Pitotova trubica. Sú to vlastne dve vodorovné trubice so spojkou v tvare U. Jedna z trubíc je obrátená proti vetru a druhá po vetre. Rozdiel hladín je úmerný okamţitej hodnote rýchlosti vetra. [14] Bez meracích prístrojov sa rýchlosť vetra dá odhadnúť vizuálnym porovnaním s Beaufortovou stupnicou, ktorá predstavuje zatriedenie do určitých skupín definovaných rýchlostným intervalom a charakteristickým pôsobením. Tabuľka 1 zobrazuje spomínanú Beaufortovu stupnicu [15]: Sila vetra Rýchlosť v m/s Rýchlosť v km/h Označenie a viditeľné pôsobenie 0 0,0-0,2 <1 Bezvetrie - dym stúpa kolmo hore 1 0,3-1,5 1-5 Vánok - pohyb dymu ukazuje smer vetra 2 1,6-3, Slabý vietor - lístie stromov šumí, vietor je cítiť 3 3,4-5, Mierny vietor listy a vetvičky sú v pohybe 4 5,5-7, ,0-10, ,8-13, ,9-17, ,2-20, Dosť čerstvý vietor - vietor zdvíha prach a kúsky papiera, pohyb slabších vetiev Čerstvý vietor - malé stromy sa hýbu, na stojatých vodách sa tvoria vlnky Silný vietor - vietor pohybuje silnými vetvami, pouţitie dáţdnika sa stáva obtiaţnym Prudký vietor - vietor pohybuje celými stromami, chôdza proti vetru je obtiaţna Búrlivý vietor - vietor láme vetvy, let sa stáva takmer nemoţným 9 20,8-24, Víchrica spôsobuje menšie škody na stavbác 16

17 10 24,5-28, ,5-32, ,7 a viac 118 a viac Silná víchrica - na pevnine sa vyskytuje zriedka, rozsiahle škody, vyvracia stromy Mohutná víchrica - na pevnine sa vyskytuje veľmi zriedka, rozsiahle škody a pustošenie Orkán - vo vnútrozemí sa nevyskytuje, ničivé účinky 2. Smer vetra Berie sa do úvahy iba horizontálna zloţka vetra, lebo vertikálna je popri nej zanedbateľná. Za smer vetra povaţujeme ten smer odkiaľ vietor fúka. Vyjadrujeme ho v uhlových stupňoch, o ktoré sa odchyľuje smer vetra od severu (napr východný vietor, juţný, západný, severný vietor). Niekedy vyjadrujeme smer vetra svetovou stranou, z ktorej vietor fúka a to anglickými skratkami - N, NE, E, SE, S, SW, W, NW. Presne ho určujeme anemometrom, podobne ako rýchlosť. Orientačne smer určíme veternými rukávmi alebo veternými smerovkami umiestnenými na stoţiari. [15] Veterné prúdenie Všeobecná cirkulácia atmosféry, globálne vetry: Rozumieme pod tým zloţitý systém vertikálneho a horizontálneho prúdenia vzduchu medzi horúcim rovníkovým pásmom a studenými polárnymi oblasťami. Faktory, ktoré ju ovplyvňujú: slnečné ţiarenie, rotácia Zeme (Coriolisova sila), nehomogenita zemského povrchu, trenie o zemský povrch. Lokálna cirkulácia atmosféry, lokálne vetry: Sú to prevaţne javy podmienené vlastnosťami pevného alebo vodného povrchu Zeme, ktoré sú nezávislé od všeobecnej cirkulácie atmosféry. Patrí sem: - bríza tzv. pobreţný vánok, vzniká na miestach, kde susedia dva druhy zemského povrchu s výrazne rozdielnou teplotou (pevnina alebo vodná plocha). Môţe dosahovať rýchlosť prúdenia aţ 5 m.s dolinový a horský vietor dolinový vietor prúdi v denných hodinách dohora pozdĺţ horských svahov alebo údoliami s ukloneným dnom, ako dôsledok slnkom oţiarených svahov s vyššou teplotou vzduchu. 17

18 V noci sa vytvorí opačné prúdenie nazývané horský vietor. Môţu dosiahnuť rýchlosť 5 10 m.s fén je to teplý a suchý vietor vyskytujúci sa na záveterných svahoch v horských oblastiach. Môţe dosahovať aţ rýchlosť silnej víchrice. - bóra je to prúd studeného vzduchu pretekajúceho cez horské prekáţky do niţšie poloţenej krajiny. Rýchlosť vetra pri bóre patrí k najvyšším prízemným rýchlostiam. [15] Zhrnutie: Globálne vetry sú dôleţité pre určenie prevládajúcich vetrov v oblasti. A v- šak lokálne klimatické podmienky môţu mať vplyv na tieto hlavné smery vetra. Lokálne vetry sú vţdy prekrývané rádovo vyššími veternými systémami, t.j. smer lokálneho vetra je súčet globálnych a lokálnych efektov. Keď sú rádovo vyššie vetry slabé, dominujú veternému dianiu lokálne vetry. [16] Ročný a denný chod rýchlosti vetra Ročným a denným chodom rýchlosti vetra rozumieme typické cyklické zmeny štatistických charakteristík rýchlosti vetra v priebehu roka a dňa. Ročný chod rýchlosti vetra zodpovedá zmenám tlakového spádu v priebehu roka v danej oblasti a je dotváraný miestnymi vplyvmi. V miernom klimatickom pásme, sú rýchlosti vetra vyššie v zime a niţšie v lete. Turbulentný prenos pohybu z vyšších do niţších polôh planetárnej medznej vrstvy je príčinou dvoch odlišných typov denného chodu vetra. Rýchlosť vetra vo výške do 10 m nad zemou má svoje maximum v skoré popoludnie a minimum zavčas ráno. Vo vyšších častiach planetárnej medznej vrstvy nad pevninou a tieţ na horských hrebeňoch alebo vysokých stavbách, je pozorované minimum rýchlosti vetra pribliţne uprostred dňa a maximum v noci. [15] 18

19 1.2.4 Drsnosť povrchu Dôleţitým činiteľom ovplyvňujúcim rýchlosť vetra je povrch Zeme so svojou vegetáciou, budovami a inými prekáţkami. Pre vyuţívanie veternej energie je podstatné, ţe čím je drsnosť terénu vyššia, tým je vietor pomalší. Na rovinách a vodných plochách vietor takmer nie je ovplyvňovaný, zatiaľ čo lesy a väčšie mestá ho spomaľujú v značnej miere. Podľa tejto závislosti je drsnosť terénu rozdelená do tried, pričom morská hladina sa povaţuje za základ a má triedu drsnosti 0. [17] Tabuľka 4 charakterizuje jednotlivé triedy drsnosti [18]: Trieda drsnosti Typ terénu 0 Vodná plocha 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Úplne otvorený terén s hladkým povrchom ako je napr. na letiskách Otvorená poľnohospodárska plocha bez plotov s veľmi riedko rozostavanými malými budovami. Mierne zaoblené kopce Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 m a vzdialenosťou medzi nimi asi 1250m. Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 m a vzdialenosťou medzi nimi asi 500m. Poľnohospodárske plochy s niekoľkými domami do výšky 8 m a vzdialenosťou medzi nimi asi 250m. Dediny, malé mestá, poľnohospodárske plochy s viacerými vyššími budovami, lesy a veľmi nerovný terén. 3,5 Veľké mestá 4 Veľmi veľké mestá s vysokými budovami. 1.3 Energetický potenciál vetra Veterné turbíny pracujú na princípe zachytávania kinetickej energie vetra. Túto energiu vetra môţeme vypočítať podľa vzťahu: E= ½. ρ. v 3 Výkon veternej turbíny je potom definovaný nasledujúcim vzťahom : 19

20 P = ½. ρ. c p. A. v 3 [W],kde ρ - hustota vzduchu [kg.m -3 ] A - plocha rotora [m 2 ] v - rýchlosť vetra [m.s -1 ] c p - súčiniteľ výkonu [-] Hustota vzduchu: je to hmotnosť atmosféry Zeme na jednotku objemu. Podľa stavovej rovnice závisí na tlaku a teplote vzduchu. Hustota vzduchu taktieţ závisí od vlhkosti, z čoho vyplýva, ţe v zime, keď je vzduch vlhší, vyrobíme pri tej istej rýchlosti vetra viac energie ako v lete. Plocha rotora: Turbína pomocou rotoru zachytáva energiu z vetra, takţe čím bude jeho plocha väčšia, tým viac energie môţe vyrobiť. Nakoľko plocha rotora narastá s druhou mocninou priemeru rotora, je dvakrát väčšia turbína schopná vyrobiť štyri krát viac energie. Rýchlosť vetra: Stáva sa najdôleţitejším parametrom, keďţe výkon veternej turbíny rastie s treťou mocninou rýchlosti vetra, a teda v značnej miere ovplyvňuje mnoţstvo vyrobenej energie. Grafické znázornenie závislosti elektrického výkonu produkovaného turbínou od rôznych rýchlostí vetra sa nazýva výkonová krivka veternej turbíny. [17] 1.4 Výber lokalít pre veterné zariadenia Pri výbere konkrétnej lokality pre stavbu veterného zariadenia nie je postačujúce vedieť, aké globálne a lokálne prúdenie je pre ňu typické. Hlavným parametrom, na ktorý sa treba sústrediť je veternosť lokality. Celková veternosť sa dá odhadnúť z priemerných rýchlostí vetra a ich početnosti. Výsledkom je klasifikácia lokalít uvedená v tabuľke 5 [1]: Typ lokality Priemerná rýchlosť vetra (m.s -1 ) Ročná výroba energie z m 2 (kwh) Slabá 5, Prijateľná 6, Dobrá 7, Veľmi dobrá 8,

21 Čo sa týka priemernej rýchlosti vetra za rok, skúsenosti z celého sveta ukazujú, ţe výstavba veterných zariadení sa oplatí, ak je jej veľkosť aspoň 4,8 m.s -1. Za optimálny povaţuje vietor s rýchlosťou 12 m.s -1. Na druhej strane malé veterné zariadenia sú navrhované pre menšie rýchlosti vetra, t.j. pribliţne 6 7 m.s -1, ale dokáţu vyuţiť aj rýchlosti vetra menšie ako 3 m.s -1. Ďalším dôleţitým faktorom pri umiestňovaní veterného zariadenia je výskyt prekážok v jej okolí. Prekáţky vytvárajú tzv. aerodynamický tieň. Je to oblasť za prekáţkou, kde dochádza k poškodeniu (rozvíreniu) prúdenia, a vzťahuje sa aj na oblasť, kde je uţ prúd priľnutý k zemskému povrchu, ale má ešte menšiu rýchlosť. Neodporúča sa umiestňovať veterné zariadenia v tejto oblasti, z dôvodu veľkých turbulencií a minimálnych rýchlostí vetra. Obr. 7 Veľkosť ovplyvnenej oblasti za dlhou prízemnou budovou [4] Orografia územia tieţ ovplyvňuje výber vhodnej lokality. Existuje tzv. orografický efekt, ktorý znamená zosilnenie rýchlosti vetra v dôsledku obtekania kopcov a pohorí. Ďalšou výhodou je, ţe na vrchole kopca je intenzita turbulencie niţšia ako by bola nad rovným terénom v rovnakej výške. Toto tvrdenie však platí len pre kopce so strmosťou menšou ako 1:3, u strmších na vrchole vzniká turbulentné prúdenie. Veterné turbíny sa preto často stavajú na pahorkoch a plytkých kopcoch. Príklady iných poţiadaviek na lokalitu: - prístupnosť nákladným autám - blízkosť elektrického vedenia - bezpečnosť prevádzky (dostatočná vzdialenosť od obydlí) [4] 21

22 1.5 Konštrukcia veterných zariadení Hoci poznáme viacero konštrukcií veterných elektrární, kaţdá musí obsahovať tieto základné stavebné časti: - rotor - prevodovka - generátor - veţa - systém natáčania do smeru vetra - regulačné zariadenie Rotor Obr. 8 Konštrukcia veternej turbíny [19] Časť elektrárne, ktorá sa za pôsobenia vetra na lopatky alebo plochy rotora otáča. Tým premieňa energiu vetra na mechanickú energiu a prenáša ju na hriadeľ rotora. Pouţívané v praxi sú štyri druhy rotorov: - Vrtuľa rýchlobeţný typ rotora s horizontálnou osou otáčania, ktorý dosahuje spomedzi ostatných najvyššiu účinnosť (40 45%). Najčastejšie má 2 aţ 3 lopatky. - Lopatkové koleso pomalobeţný typ rotora s horizontálnou osou otáčania, najvyššiu účinnosť dosahuje pri rýchlobeţnosti 1, čo predstavuje 75% účinnosti rýchlobeţného rotora. Pouţíva sa hlavne na čerpanie vody. Máva 12 aţ 24 lopatiek. - Darrieusov rotor skladá sa z 2-3 rovných alebo zakrivených lopatiek, rotujúcich okolo vertikálnej osi pracujúcich na princípe vztlaku. Má účinnosť okolo 37%. Jednou z výhod je moţnosť umiestniť rotor do spodnej časti stoţiara. Najčastejšie sú pouţívané tri základné tvary: 22

23 Obr. 9 Darrieusov a.) rotor tvaru Φ b.) rotor tvaru Δ c.) rotor tvaru H [4] - Savoniusov rotor pomalobeţný typ rotora, najvyššiu účinnosť dosahuje pri rýchlobeţnosti 0,9 1. Má pomerne malú účinnosť (15%). Je tvorený dvomi polvalcovými plochami pracujúcimi na princípe tlaku. Nevýhodou je, ţe ich usporiadaním vznikajú dva mŕtve uhly, kde nevzniká točivý moment. Plusom je jednoduchosť konštrukcie a jej cena. [4] [21] Súčiniteľ rýchlobeţnosti veternej turbíny je pomer obvodovej rýchlosti špičiek lopatiek turbíny a rýchlosti vetra. Rôzne typy veternej turbíny dosahujú v závislosti od súčiniteľov rýchlobeţnosti rôznu účinnosť premeny energie vetra na mechanickú prácu rotora. Obr. 10 Závislosť účinnosti veterného zariadenia od jeho rýchlobeţnosti [4] 23

24 Keď sa dosiahne optimálny súčiniteľ rýchlobeţnosti rotor má maximálnu účinnosť. Teoretická účinnosť 59 % je dosiahnutá pri nekonečne veľkom súčiniteli rýchlobeţnosti. [20] Prevodovka Slúţi na zmenu pomalých otáčok na strane rotora na rýchle, ktoré sú potrebné na pohon generátora. Pri veľkých zariadenia je prevodový pomer 1:60 aţ 1:100. [17] Generátor Zabezpečuje premenu mechanickej energie na elektrickú. Vo veterných zariadeniach sa pouţívajú 4 druhy: - Jednosmerné generátory - väčšinou pre malé elektrárne - Synchrónne generátory pre stredné a veľké elektrárne, môţu pracovať s premenlivými otáčkami, veľká účinnosť, drahá konštrukcia, náročné pripojenie k sieti - Asynchrónne generátory - pre stredné a veľké elektrárne, jednoduché pripojenie na sieť, lacnejšia konštrukcia - Generátory s permanentnými magnetmi [1] Veža V súčasnosti sú pouţívané tieto typy konštrukcií: - Prútová konštrukcia - Stĺpová konštrukcia - Ţelezobetónová konštrukcia - Visutý stoţiar ukotvený lanami [1] 24

25 1.5.5 Systém natáčania do smeru vetra Vyuţíva sa pri veterných turbínach s horizontálnou osou rotácie, aby bola veterná elektráreň čo najúčinnejšia. Existujú dve základné usporiadania veternej turbíny: 1. usporiadanie up-wind turbína rotuje pred stĺpom alebo inou podpornou konštrukciou, v zmysle smeru prúdenia vzduchu. Vo veľkých elektrárňach otočenie vykonáva pomocný motor, ktorý vyhodnocuje údaje zo snímača smeru vetra, a cez ozubený prevod ich otáča do poţadovanej polohy. Pri malých turbínach je otočenie zabezpečené veterným kormidlom alebo veternými ruţicami. 2. usporiadanie down-wind turbína rotuje za veţou, teda stĺp by mal mať čo najmenší aerodynamický tieň. Výhodou tohto usporiadania je, ţe nepotrebuje silové riadenie do smeru vetra. Na dosiahnutie čo najväčšej účinnosti, by mali byť lopatky presne profilované a mali by mať kvalitný povrch. [4] Obr. 11 Moţnosti usporiadania veternej turbíny: a.) up-wind b.) down-wind [4] Regulačné zariadenie Existujú rôzne druhy od čisto mechanických systémov aţ po zloţité počítače. Úlohou týchto zariadení môţe byť: - Systém regulácie vrtule udrţiava poţadované otáčky rotora 25

26 - Systém bezpečnosti prevádzky zabezpečuje bezpečnú prevádzku pri mimoriadnych stavoch (veľké rýchlosti vetra, ochrana proti námraze, ochrana proti blesku) - Kontrolný systém jednotlivých častí elektrárne - sústava snímačov sledujúcich najdôleţitejšie prevádzkové stavové veličiny (teplota loţísk, hladina oleja v prevodovke, otáčky rotora...) [1] 2 Možnosti využívania veternej energie 2.1 História využívania veternej energie Vyuţite vetra je jedným z najstarších spôsobov získavania energie. Energia vetra bola vyuţívaná na pohon lodí uţ pred 5500 rokmi. Prvá zmienka o vetrom poháňanom stroji bola zaznamenaná v 1. storočí Herónom z Alexandrie. Avšak prvé praktické veterné mlyny boli vynájdené vo výcho d- nej Perzií v 9. storočí. Tieto panemone veterné mlyny mali zvislú os otáčania a konštrukčne boli zloţené z dlhého hriadeľa, na ktorý boli pomocou trámov pripevnené lopatky zhotovené zo zväzkov trstiny. Pouţívali sa na mletie obilia, čerpanie vody alebo pri spracovaní cukrovej trstiny. Vyuţitie týchto vete r- ných mlynov sa rozšírilo po celom Blízkom východe aj Strednej Ázii, neskôr do Číny a Indie. V Číne ich okolo roku 1000 pouţívali na čerpanie morskej vody kvôli ťaţbe soli. V Európe, najprv vo Francúzsku, sa veterné mlyny objavili v 12. storočí, v Anglicku o čosi neskôr. V Nemecku bol prvý veterný mlyn postavený v roku Prvé európske veterné mlyny mali horizontálnu os otáčania, preto je sporné, či sa do Európy dostali z Ázie alebo je to nezávislý vynález. Jeden s najstarších typov veterného mlyna je stĺpový veterný mlyn. Jeho určujúcim rysom je, ţe celá konštrukcia mlyna je upevnená na vertikálny stĺp okolo ktorého sa natáča podľa smeru vetra a veterná ruţica siaha takmer na zem. 26

27 Symbolom vyuţívania veternej energie sa stali holandské veterné mlyny konštruované v 17. a 18. storočí. Ich vrtuľa bývala spravidla štvorlistová zloţená z drevených nosníkov. Na drevený rám sa naťahovala plachta. Priemer vrtule meral viac ako 20 m, čo je na vtedajšie materiálové moţnosti obdivuhodné. Mlyn sa natáčal do smeru vetra pomocou otáčacej strechy, na ktorej je upevnená vrtuľa. Z vodorovného ramena idúceho cez strechu boli spustené dva nosníky, ktoré siahali aţ na zem. Pomocou nich bolo moţné strechu manuálne natočiť. Vyuţívali sa na mletie obilia a neskôr aj na spracovanie ďalších potravinárskych polotovarov, napr. kakaa, ryţe alebo lisovanie oleja. Okrem mletia surovín potravinárskeho charakteru sa sila vetra pouţívala aj na drvenie minerálov a farebného dreva. Obr. 12 Typická konštrukcia holandských veterných mlynov [23] Keďţe mnohé územia Holandska boli pod hladinou mora, boli veterné mlyny pouţívané aj na odčerpávanie vody a vysušovanie pôdy. V 16. storočí bol vymyslený Leegbwater systém, ktorý vyuţíva okruţný kanál okolo vodnej plochy a veterné mlyny ako prečerpávacie stanice. Mlyny čerpali vodu z jazera do okruţných kanálov a tak postupne menili jazero na úrodnú pôdu. [23] V 18. storočí uţ v Holandsku pracovalo 1200 veterných agregátov výkonu do 30 aţ 35 kw, ktoré zabezpečovali dve tretiny krajiny pred opätovným vznikom močiarov. 27

28 Obr. 13 Leegbwater systém určený na odčerpávanie vody [23] V krajinách okolo Stredozemného mora sa veterné mlyny beţne pouţívali na zavlaţovanie polí a mletie obilia a moţno ich tam nájsť dodnes. V 18. storočí sa tieţ objavili nové veterné motory pouţívané v tlačiarňach, v lesných pílach a iných zariadeniach. Veterné mlyny, ktoré vyrábali elektrinu, boli vynájdené v 19. storočí v Dánsku. Tam bola v roku 1890 postavená prvá veterná elektráreň. Pokým v Európe začal klesať význam veternej energie, v Amerike v 19. storočí zaznamenáva svoj vrchol. Postarali sa oň veterné lopatkové kolesá na pohon vodných čerpadiel, ktoré sa objavili v roku Skladali sa z ruţíc, ktoré boli potiahnuté plachtou, a z dreveného chvosta, ktorý celé zariadenie natáčal v smere vetra. V polovici 20. storočia v Amerike pracovalo takýchto zariadený viac ako 6 miliónov. Po vojne sa rozvoj tohto druhu energie takmer úplne zastavil pre všeobecné nadšenie ropným priemyslom a jeho vtedy ešte lákavými perspektívami. Veterná energia sa dočkala svojho znovuobjavenia aţ v sedemdesiatych rokoch - počas ropnej krízy. [15] [22] 2.2 Veterné čerpadlá Veterné čerpadlá vďačia za svoj rozvoj predovšetkým prvým Americkým osadníkom, ktorí pomocou nich našli spôsob ako vyčerpať spodnú vodu potrebnú na zavlaţovanie, napájanie dobytka a neskôr pre pohon parných ruš- 28

29 ňov. V súčasnosti sú vyuţívané najmä v rozvojových krajinách na získanie pitnej vody a vody na zvýšenie poľnohospodárskej produkcie. Veterné čerpadlo sa skladá z rotora 1, hlavy 2, chvostovej plochy 3, veţe 4, prevodovky 5, vodného čerpadla 6 a systému na spúšťanie a vypínanie. Pri veterných čerpadlách s mechanickým pohonom je najvhodnejší pomalobeţný rotor s veľkým krútiacim momentom a malými otáčkami, a teda sa pouţívajú hlavne lopatkové kolesá alebo Savoniusove rotory. Ich nevýhodou je, ţe veţa, obvykle prútovej konštrukcie, musí byť umiestnená priamo nad studňou, kde nemusia byť najlepšie veterné podmienky. Tento problém odstraňujú veterné čerpadlá s elektrickým pohonom, pretoţe nemusia byť umiestnené priamo pri čerpadle. Pri tomto type sa vyuţívajú rýchlobeţné rotory, ktoré vyrábajú elektrickú energiu, ktorou je poháňané vodné čerpadlo. [4] [15] Obr. 14 Konštrukcia veterného čerpadla [4] Pri voľbe typu čerpadla je dôleţité vedieť z akej hĺbky a aké mnoţstvo vody sa bude čerpať. Tieto údaje sú dôleţité aj pri voľbe veľkosti rotora, aby doká- 29

30 zal vyčerpať poţadované mnoţstvo vody. Pre čerpanie vody z nulovej nadmorskej výške môţme pouţiť nasledujúci vzťah pre určenie energetických poţiadaviek na veterné zariadenie: E = x objem x výška [kwh]. Najpouţívanejším čerpadlom je piestové čerpadlo. Ako rotor sa pouţíva lopatkové koleso, pretoţe piestové čerpadlo na začatie čerpania vyţaduje vysoký krútiaci moment na prekonanie hmotnosti tyče čerpadla a stúpajúcej vody. Najvhodnejšie je na zdvíhanie malého mnoţstva vody z veľkých hĺbok, t.j. viac ako 20 m, preto sa často vyuţíva na čerpanie pitnej vody. Ďalším beţne pouţívaným čerpadlom je odstredivé čerpadlo. Efektívne je pri zdvíhaní veľkého mnoţstva vody z pomerne malej hĺbky, teda sa vyuţíva hlavne na odvodňovanie. Vhodným rotorom je lopatkové koleso s menším počtom lopatiek. Býva často pouţívané pri veterných čerpadlách s elektrickým pohonom. [24] [25] Medzi netradičné čerpadlá patria pásové vodné čerpadlo a inerčné čerpadlo. Pri pásovom sa voda čerpá priľnavosťou ku gumenému perforovanému pásu. Odstredivou silou sa odstrekuje o zberací kryt 4, vyteká rúrou 5. Čerpadlo môţe čerpať aţ do výšky 30 m a dosahovať výkon aj 3 m 3.h -1. Obr. 15 Konštrukcia pásového vodného čerpadla [4] Princíp inerčného vodného čerpadla: Za hriadeľom veternej turbíny je prevod do rýchla a jednoduchý kľukový mechanizmus. Pri pohybe dolu sa guľa vo ventile zdvihne a prepustí dávku vody do rúry (poloha a). Pri pohybe hore 30

31 sa ventil uzavrie a stĺpec vody v rúre sa pohybuje smerom hore (poloha b). Pri nasledujúcom chode rúry dolu sa voda zotrvačnosťou pohybuje ešte stále hore a vytvára nad ventilom podtlak. Následkom toho sa guľa opäť zdvihne a prepustí ďalšiu vodu zo zdroja do rúry. Na druhom konci voda voľne vyteká do nádrţe. [4] Obr. 16 Princíp činnosti inerčného čerpadla. Zdvih 50 mm. Frekvencia 400 m -1 [4] 2.3 Veterné turbíny využívané na výrobu elektrickej energie do siete Na začiatku rozvoja veternej energetiky, ktorý nastal počas ropnej krízy v 70. rokoch 20. storočia, sa beţný výkon veterných zariadení pohyboval medzi 55 aţ 75 kw, ktoré slúţili na výrobu elektrickej energie pre jednu aţ niekoľko domácností. Postupným vývojom technológie sa hodnota výkonov veterných turbín vyšplhala na v tejto dobe štandardných 500 kw, ale výnimočné uţ nie sú ani turbíny s výkonom niekoľkých megawattov. Turbíny takýchto rozmerov slúţia takmer výhradne na dodávanie energie do siete. Najväčšia veterná turbína na svete má výkon 6 MW a nachádza sa v Nemecku. [26] Mnoţstvo elektrickej energie vyrobenej veterným zariadením za jeden rok je dané jeho výkonom a faktorom vyuţitia:,kde E energia [Wh] E = P. t. c f P výkon veterného zariadenia [W] 31

32 t čas, resp. počet hodín za rok (8760) [h] c f faktor vyuţitia zohľadňuje nestálosť pôsobenia vetra [-] Faktor vyuţitia veterného zariadenia vyjadruje, na koľko percent z dimenzovaného výkonu zariadenie pracuje. Teoreticky môţe dosahovať hodnoty v rozpätí 0 100%, ale v praxi sa faktor vyuţitia pohybuje v intervale 20 70%. [17] Vyuţívanie veternej energie vo svete neustále narastá, v súčasnosti sa inštalovaný výkon veterných turbín pohybuje na hodnote MW. V tabuľke 6 sú zobrazené krajiny vyuţívajúce veternú energiu v najvyššej miere [27]: Pozícia Krajina Inštalovaný výkon (MW) do júna USA Čína Nemecko Španielsko India Taliansko Francúzsko Veľká Británia Portugalsko Dánsko Zvyšok sveta Veterné parky Aby mohla byť veterná energia vyrábaná vo veľkom mnoţstve na pokrytie čo najväčšej spotreby, stavajú sa veterné parky, kde sa zoskupujú veterné turbíny vo veľkom počte veľké veterné parky obsahujú aţ niekoľko stoviek turbín. Výhodou inštalovania väčšieho počtu výkonovo menších turbín oproti jednej turbíne s obrovským výkonom je, ţe keď prestane generovať elektrickú energiu jedna turbína z celého parku nenaruší to dodávku energie, zatiaľ čo keď sa pokazí jedna obrovská turbína, dodávka elektriny je váţne ohrozená. Rozoznávame dva typy veterných parkov: 32

33 1. Inštalované na pevnine tzv. on-shore Hoci sa výstavba veterných parkov na pevnine veľmi často stretáva s rôznymi námietkami, vyplývajúcich z jej negatív, má neprehliadnuteľnú úlohu vo výrobe elektrickej energie. V niektorých regiónoch Dánska, Švédska či Španielska tvorí energia vyrobená on-shore veternými parkami aţ 10% spotrebovanej energie. Medzi nevýhody patrí napr. hluk, vizuálny efekt, ohrozenie vtáctva, obmedzená dostupnosť pozemkov či obmedzenia spojené s prekáţkami. [28] Obr. 17 On-shore veterný park v Californií [29] 2. Inštalované na mori tzv. off-shore Veterné turbíny inštalované na mori vyzerajú byť sľubným zdrojom elektrickej energie, preto ich počet stále narastá hlavne v oblasti Severného mora. Jednak sa nimi odstránia niektoré nevýhody spojené s výstavbou on-shore veterných parkov, navyše ponúkajú mnoţstvo pozitív: - Dostupnosť veľkých spojitých oblastí, vhodných pre veľké projekty - Vyššie rýchlosti vetra, ktoré sa všeobecne zvyšujú s rastúcou vzdialenosťou od brehu - Menej turbulencie, čo zvyšuje energetickú efektívnosť a zniţuje únavové zaťaţenie turbíny 33

34 Ich nevýhodou je obmedzený prístup počas výstavby a zloţitejší prenos elektriny do siete, čo sa spája s vyššími nákladmi, ktoré sa však vykompenzujú väčšou výrobou elektrickej energie. [30] Obr. 18 Off-shore veterný park vybudovaný na pobreţí Dánska [30] Pneumaticko-akumulačný veterný systém Je zaloţený na premene kinetickej energie prechádzajúcej plochou veterného motora na mechanickú prácu potrebnú na pohon kompresora, ktorý napĺňa pneumatický akumulátor. Z pneumatického akumulátora sa potom stlačený vzduch spotrebúva na prácu pneumatického motora, ktorý poháňa generátor a vyrobená elektrická energia sa dodáva do siete. Konštrukčne sa skladá s troch častí: - kapturačno-konverzná časť (veterné zariadenie) - na pohon kompresora je potrebný veľký krútiaci moment akumulačnej jednotky, preto je vhodný mnoho lopatkový alebo Savoniusový rotor - akumulačná časť (kompresor, zásobník stlačeného vzduchu) - konverzno-generačná časť (pneumatický motor, generátor) [31] Malá veterná elektráreň pripojená na rozvodnú sieť Toto pripojenie prichádza do úvahy, ak je v blízkosti veternej turbíny existujúca rozvodná sieť. Systém pripojenia na sieť umoţňuje napájanie domácnosti alebo malej firmy z veternej energie, keď fúka dostatočný vietor. Prípadnú 34

35 vyrobenú elektrickú energiu, ktorú domácnosť nestíha spotrebovať, je moţné predať do verejnej siete. Naopak, pokiaľ vietor nefúka, domácnosť je napájaná klasicky z rozvodnej siete. Výhody pripojenia malej veternej turbíny na sieť: - umoţňuje pouţívať rozvodnú sieť na uskladnenie prebytku vyrobenej energie, preto nie sú potrebné drahé batérie - moţnosť predávať elektrickú energiu do siete, ak nie je práve potrebná, zvyšuje návratnosť investície Nevýhody pripojenia malej veternej turbíny na sieť: - pripojenie na sieť nie je moţné všade - proces získania súhlasu na pripojenie turbíny na sieť, môţe byť zdĺhavý a zloţitý, a vyţaduje dlhé plánovanie - potrebné vyššie náklady na veternú turbínu, pretoţe tento typ pripojenia sa oplatí pri turbínach s výkonom aspoň 2 kw. [32] Obr. 19 Schéma pripojenia malej veternej turbíny na sieť: veterná turbína, menič, vypínač, ističe, merače, verejná sieť [32] Aby sa elektrická energia bezpečne preniesla do miesta jej vyuţitia v domácnosti, a zároveň spĺňala technické poţiadavky na pripojenie do verejnej siete, je potrebné, okrem hlavných komponentov malej veternej turbíny, do obvodu pridať prvky vyvaţujúce systém, a to: Menič: v systéme je potrebný vhodný menič na zmenu parametrov (napätie, fáza, frekvencia, a sínusový profil) vyrobenej elektrickej energie veternou turbínou na parametre kompatibilné s elektrinou v rozvodnej sieti. 35

36 Bezpečnostné prvky: chránia malú veternú turbínu pred jej poškodením a aj ľudí voči ublíţeniu na zdraví. Patria sem: - Bezpečnostný vypínač: automatický alebo manuálny vypínač chráni vedenie a turbínu pred prepätím a ďalšími poruchami systému. Tieţ zabezpečí bezpečné odstavenie systému pri údrţbe a opravách, čo je dôleţité pre bezpečnosť ľudí pracujúcich na vedeniach prenosovej a distribučnej sústavy. - Uzemnenie systému: zariadenie vytvárajúce cestu nízkeho odporu zo systému na zem, v prípade prepätia vzniknutého zasiahnutím blesku alebo zlyhaním zariadenia. Uzemňuje sa samotná veterná turbína, prvky vyvaţujúce systém a aj všetky nechránené kovové časti, ktorých by sa niekto mohol dotknúť. - Ochrana proti prepätiu: toto zariadenia taktieţ pomáha chrániť systém, ak turbínu alebo elektrické vedenie zasiahne blesk. Merače a prístrojové vybavenie: umoţňujú sledovať koľko elektrickej energie systém produkuje, koľko energie spotrebujeme a koľko elektriny odoberáme alebo dodávame do rozvodnej siete. Pokiaľ máme len jeden merač, je to riešené tak, ţe sa točí dopredu, keď elektrinu odoberáme, a dozadu, keď ju dodávame do rozvodnej siete. [33] 2.4 Autonómne veterné systémy Nazývajú sa tak veterné systémy nepripojené na rozvodnú sieť, zvyčajne sa pri nich pouţívajú veterné turbíny s výkonom 0,1 aţ 5 kw. Najjednoduchšie autonómne systémy sú také, ţe vygenerovaná elektrická energia turbínou je priamo pripojená k záťaţi. Avšak, keď vyrobenú elektrickú energiu nechceme spotrebovať hneď, ale napr. v čase, keď turbína nebude vyrábať elektriku, na jej uskladnenie môţeme vyuţiť batérie. 36

37 Obr. 20 Schéma autonómneho veterného systému [34] Takýto systém sa okrem klasických komponentov malej veternej turbíny skladá aj s prvkov vyvaţujúcich systém, a to môţu byť batérie, meniče, regulačné a ovládacie obvody, bezpečnostné prvky. Batérie Hodnoty napätia beţných batérií sú 6, 12, 24 a 48 V. Ďalšou veličinou je kapacita udávaná v ampérhodinách (Ah). Mala by byť čo najvyššia, nielen preto, ţe môţe uskladniť viac energie, ale aj preto, ţe sa zmenšia riziká z prebíjania batérie. Najčastejšie sa pouţívajú olovené batérie s nízkou úrovňou samovybíjania a so schopnosťou hlbokého vybitia. Ich nevýhodou je vysoká cena, preto sa zvyknú nahradzovať automobilovými batériami. Tie sa však neodporúčajú, pretoţe časté prebíjanie a pokles napätia ich ţivotnosť veľmi zniţuje. Regulačné a ovládacie obvody K batérií je potrebné pripojiť regulačné a ovládacie obvody hlavne v prípade, kedy systém pracuje bez dozoru. Ich základnou úlohou je ochrana batérií pred prebitím alebo prílišným vybitím (obe tieto moţnosti skracujú ţivotnosť batérie). V prípade, ţe je batéria plne nabitá, a nie je na obvod pripo- 37

38 jená ţiadna záťaţ, regulátor zapojí do obvodu pomocné zaťaţenie. Väčšinou to býva elektrický ohrievač vody. Meniče Pouţívajú sa v prípade, ţe turbína produkuje jednosmerný prúd(dc), ale potrebujeme striedavý(ac). Meniče malého výkonu ( W) sú 12 V (DC) a sú vhodné pre osvetlenie a malé spotrebiče, ako sú napr. televízory, rádiá. Meniče veľkého výkonu ( W) môţu byť 12, 24 alebo 48 V (DC), a moţno ich pouţiť na spustenie čohokoľvek v domácnosti alebo malej firme. Ich nevýhodou je, ţe pri prevode z DC na AC spotrebujú pribliţne 10% vyrobenej elektriny, preto pri menších veterných elektrárňach je výhodnejšie sa zaobísť bez nich. [35] Možnosti využitia autonómnych veterných systémov Autonómne veterné systémy sú ideálnym riešením, ako získať elektrickú energiu v odľahlých lokalitách, ktoré nie sú alebo nemôţu byť pripojené na rozvodnú sieť, pretoţe sú lacnejšou moţnosťou ako predlţovanie elektrického vedenia a zároveň sú šetrnejšie k ţivotnému prostrediu ako naftové generátory. Tieto systémy sú tieţ pouţívané ľuďmi, ktorí ţijú v blízkosti siete, ale chcú získať nezávislosť od dodávateľov elektrickej energie alebo chcú prispieť k pouţívaniu obnoviteľných zdrojov energie. Na chatách, farmách, a v rodinných domoch sa vyrobená energia pouţíva na osvetlenie, či napájanie rôznych spotrebičov v závislosti od výkonu veternej turbíny. Uvediem prehľad koľko energie na aký účel postačí: 10 Wattov: - za deň nabije batériu 12V/15Ah - nepretrţité svietenie ţiarovkou 12V/10W - za týţdeň nabije batériu 12V/100Ah, pomocou ktorej je moţné cez víkend napájať rôzne spotrebiče 38

39 50 Wattov: - za deň nabije batériu 12V/65Ah - trvalá prevádzka autochladničky, menšej televízie, rádia, cirkulačného ventilátora krbu 100 Wattov: - za deň nabije batériu 12V/160Ah - umoţní osvetlenie 4 úspornými ţiarovkami - trvalá prevádzka televízie, rádia, chladničky, plynového kotla, obehového čerpadla a pod. 200 Wattov: - za deň nabije 2 batérie veľkosti 12V/160Ah - umoţní osvetlenie úspornými ţiarovkami a prevádzku kompresorovej chladničky 500 Wattov: - za deň ohreje 190 litrov vody na 60 o C. - umoţní prevádzku menšej chaty alebo domu, pri pouţití energeticky úsporných spotrebičov Wattov: - za deň ohreje 380 litrov vody na 60 o C. - pri miernom šetrení zaistí elektrickú nezávislosť chaty (svetlo, rádio, TV, chladnička, plynový kotol, menšie druhy ručného náradia) wattov: - pri vhodnom rozloţení špičkovej spotreby zaistí elektrickú nezávislosť domácnosti alebo chaty [36] Autonómne veterné systémy je vhodné pouţiť i na napájanie telekomunikačných zariadení, ktoré sú veľmi často umiestňované vo vyšších a hlavne odľahlých miestach. Na tento účel by sa mali inštalovať iba odolné turbíny, kvôli moţným extrémnym poveternostným podmienkam. 39

40 Obr. 21 Umiestnenie telekomunikačného zariadenia v odľahlej lokalite [37] Ďalším uplatnením autonómnych systémov je výroba teplej vody. Tieto zariadenia dodávajú jednosmerný prúd, ktorý vyuţíva elektrická špirála umiestnená v zásobníku vody. Špirála vodu ohrieva, pričom zásobník tu funguje ako batéria skladujúca energiu. [37] 2.5 Solárno-veterné hybridné systémy Podľa mnohých odborníkov na obnoviteľné zdroje, hybridný systém kombinujúci solárnu a veternú technológiu výroby elektrickej energie ponúka značné výhody oproti pouţitiu samostatnej technológie. Pre veľa miest na svete platí, ţe v lete, keď slnko svieti najdlhšie a najjasnejšie, je priemerná rýchlosť vetra nízka. A naopak v zime je rýchlosť vetra vyššia, kým intenzita slnečného ţiarenia je nízka. Teda podmienky pre vrcholovú prevádzku solárnych a veterných systémov sa vyskytujú v rôznych denných a ročných dobách, preto je viac ako pravdepodobné, ţe hybridný systém vyrobí energiu práve vtedy, keď ju budeme potrebovať. Nevýhodou hybridného systému je, ţe vyţaduje vyššie počiatočné náklady: dva menšie systémy sú drahšie ako jeden väčší solárny alebo veterný systém. Solárno-veterný hybridný systém sa pouţíva najmä na výrobu elektriny, ktorá sa buď priamo spotrebuje alebo uskladňuje do batérií. Batérie sa väčši- 40

41 nou dimenzovaná tak, aby mohli dodávať energiu po dobu jedného aţ troch dní. Regulačné zariadenie v obvode má za úlohu regulovať spoluprácu veterného a solárneho zariadenia. [38] Obr. 22 Schéma solárno-veterného hybridného systému [34] Hybridné systémy sa prevaţne vyuţívajú na výrobu energie pre domy či chaty. Novým trendom vo svete je pouţitie hybridného systému na výrobu elektrickej energie pre pouličné osvetlenie alebo reklamné plochy, čím sa stávajú energeticky nezávislé. Obr. 23 Hybridný systém pouţitý na pouličné osvetlenie a reklamnú plochu [39] [40] 41

42 3 Prehľad technických riešení malých veterných turbín Za malé veterné turbíny sa povaţujú turbíny s výkonom do 20 kw. Menšie jednotky sa pouţívajú hlavne na nabíjanie batérií alebo ako veterné čerpadlá. Väčšie turbíny je moţné pripojiť na verejnú sieť a prípadný prebytok elektrickej energie dodávať do siete. 3.1 Komponenty malých veterných turbín Malé veterné turbíny sa skladajú z lopatiek rotora, generátora alebo alternátora namontovaného na ráme, z chvostovej plochy (smerové kormidlo), veţe, kabeláţe a z prvkov vyvaţujúcich systém (batérie, meniče, regulátory, ističe..). V súčasnosti sa najviac vyuţívajú malé veterné turbíny s horizontálnou osou otáčania s dvomi alebo tromi lopatkami vyrobenými zvyčajne z kompozitných materiálov. Rám turbíny je konštrukcia, na ktorej je pripevnený rotor, generátor a chvost. Účelom chvostovej plochy je natáčať turbínu do smeru vetra. S narastajúcou výškou rastie rýchlosť vetra a teda aj výkon turbíny, preto je veţa neodmysliteľnou súčasťou turbíny. Väčšina výrobcov veţu ponúka spolu s veternou turbínou v týchto dvoch základných prevedeniach: - Visutý stoţiar ukotvený lanami: pouţíva ich väčšina domácich veterných systémov, pretoţe sú najlacnejšie a jednoduchšie sa inštalujú. Nevýhodou je, ţe vyţadujú relatívne veľký priestor na správne ukotvenie lanami (pre domy je ideálny pozemok aspoň 20 árov). Niektoré sa dajú v prípade nepriaznivého počasia sklopiť. - Voľne stojaca konštrukcia: zvyčajne sú prútovej alebo stĺpovej konštrukcie a sú určené pre väčšie veterné turbíny. Sú veľmi silné, pomerne drahé a na ich inštaláciu je potrebný ţeriav. [41] 42

43 Montáţ malých veterných elektrární na strechách sa neodporúča. Takmer všetky veterné turbíny vibrujú a prenášajú tieto vibrácie do konštrukcie, na ktorej sú namontované, čo vedie k hluku a moţným štrukturálnym problémom so stavbou. Avšak novšie modely sú uţ prispôsobené na upevnenie turbíny na streche a táto oblasť vyuţitia sa stále vyvíja. Obr. 24 a.) stoţiar ukotvený lanami b.) voľne stojaca stĺpová konštrukcia c.) voľne stojaca prútová konštrukcia Prvky vyvaţujúce systém: Batérie sa pouţívajú na uskladnenie vyrobenej elektrickej energie, pre neskoršie vyuţitie. Pomocou meničov meníme parametre vyrobenej elektrickej energie na poţadované podľa spôsobu jej vyuţitia. Vypínače, ističe, poistky a iné ochranné prostriedky sú dôleţité pre bezpečnú prevádzku systému. Elektricky izolujú veterné turbíny od batérie a batérie od meniča a siete. 3.2 Prehľad technických riešení malých veterných turbín Na trhu sú v ponuke malé veterné turbíny rôzneho technického prevedenia. Jednotlivé turbíny sa od seba líšia (napr. dizajnom, typom rotora, výkonom, hlučnosťou..), pretoţe kaţdá turbína je prispôsobená jej konečnému vyuţitiu. Preto výrobcovia pri návrhu zohľadňujú nasledovné poţiadavky: 43

44 1.) spôsob využitia - veterné turbíny určené na dobíjanie batérií by mali obsahovať rôzne regulačné zariadenie (napr. brzdový systém proti prebíjaniu batérie). Veterné turbíny s moţnosťou pripojenia k sieti musia mať menič, bezpečnostné prvky a je dôleţité, aby rotor turbíny dosahoval plynulý chod a vysoké otáčky. Naopak rotor turbíny určenej na čerpanie vody by mal mať veľký krútiaci moment a niţšie otáčky. 2.) umiestnenie - veterné turbíny umiestnené mimo mestského prostredia alebo v odľahlých lokalitách bývajú zvyčajne montované na veţi, preto nie je aţ tak dôleţité, či produkujú hluk a vibrácie. V tomto prípade sa pri návrhu kladie dôraz na maximálnu efektívnosť a odolnosť. Naopak veterné turbíny určené pre mestské prostredie sú prevaţne montované na streche, preto je pri nich rozhodujúca nízka hladina hluku a vibrácií, aby nedošlo k poškodeniu budovy. Zároveň by mali mať dizajn splývajúci z mestským prostredím. 3.) veternosť lokality pri turbínach určených pre slabé veterné lokality sa návrh rotora musí zamerať na čo najefektívnejšie zachytávanie veternej ene r- gie a prispôsobiť turbínu na generovanie energie pri nízkej rozbehovej rýchlosti vetra. Na druhej strane veterné turbíny určené pre silné veterné lokality musia mať pevnú a odolnú konštrukciu a účinný brzdiaci systém Veterná turbína Air X Veterná turbína Air X je efektívna, odolná a s viac ako 90 tisícmi predanými kusmi je najpredávanejšou malou turbínou na svete. Prevedením sa radí medzi turbíny s up-wind usporiadaním a na natáčanie vyuţíva chvostovú plochu. Turbína obsahuje mikroprocesorovú technológiu, ktorá zvyšuje výkon, zlepšuje nabíjanie, zvyšuje spoľahlivosť a reguluje otáčky rotora, aby sa eliminoval bzučiaci zvuk turbíny. Air X má tieţ inteligentné brzdiace zariadenie, ktoré výrazne spomaľuje lopatky, keď sú batérie nabité, a tým predlţuje ţivotnosť loţísk a zniţuje hluk. Ak napätie batérie klesne pod poţadovanú hodnotu, vypne sa brzdový systém a pokračuje sa v nabíjaní. Air X teda bezpečne nabíja batérie veľkosti 25 aţ 44

45 Ah, preto je ideálna pre vzdialené chaty bez elektriny, telekomunikačné veţe či monitorovacie stanice. Obr. 27 Dizajn veternej turbíny Air X [42] Technické parametre: - priemer vrtule: 1,15 m - hmotnosť turbíny: 5,85 kg - počet lopatiek rotora: 3 - rozbehová rýchlosť vetra: 3,58 m/s - menovitý výkon: výkon 400 W pri rýchlosti vetra 12,5 m/s - produkcia energie za mesiac: 38 kwh mesiac pri 5,4 m/s - max. rýchlosť vetra: 49,2 m/s [42] Obr. 28 Výkonová krivka Air X [42] 45

46 3.2.2 Veterná turbína SkyStream 3.7 Na rozdiel od väčšiny trojlistových vrtuľových turbín je SkyStream downwind usporiadania a ohnutý tvar lopatiek je prispôsobený na maximalizovanie jej efektívnosti. Zároveň je to prvá kompaktná turbína na trhu so vstavaným ovládaním a meničom vnútri turbíny. Veľkým plusom je aj on-line systém pre vzdialené monitorovanie výkonu Skyview, kde si pouţívateľ môţe v reálnom čase pozerať koľko energie vyprodukoval a vyuţil. Obr. 25 Dizajn veternej turbíny SkyStream 3.7 [43] Technické parametre: - priemer rotora: 3,72 m - hmotnosť turbíny: 93 kg - počet lopatiek rotora: 3 - menovitý výkon: 2400 W pri rýchlosti vetra 12 m/s - produkcia energie za mesiac: 400 kwh pri rýchlosti vetra 5,4 m/s - rozbehová rýchlosť vetra: 3,5 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 63 m/s [43] Obr. 26 Výkonová krivka SkyStream 3.7 [43] 46

47 3.2.3 Veterná turbína Whisper 500 Veterná turbína Whisper 500 prináša seriózne riešenia pre odľahlé a ťaţko dostupné lokality - pri priemernej rýchlosti vetra 5.4 m/s vie vyprodukovať energiu na polovičné pokrytie potrieb priemernej domácnosti. Rotor turbíny Whisper 500 sa skladá z 2 lopatiek. Obr. 29 Dizajn veternej turbíny Whisper 500 [44] Výhody pouţitia dvoch lopatiek v porovnaní s tromi: - úspora nákladov spojená s elimináciou jednej lopatky - aby efektívne získavali energiu vetra, lopatky musia byť širšie, a teda sú schopné operovať v nevľúdnom prostredí a pri silnom vetre - širšia lopatka poskytuje viac priestoru pre brzdové mechanizmy Nevýhody: - sú hlučnejšie - 3 lopatkové rotory sú mierne účinnejšie (o 2 5%) - vizuálny efekt Technické parametre veternej turbíny Whisper 500: - priemer rotora: 4,5 m - hmotnosť turbíny: 70 kg - počet lopatiek rotora: 2 - menovitý výkon: 3000 W pri rýchlosti vetra 10,5 m/s - maximálny výkon: 3200 W pri rýchlosti 12 m/s 47

48 - produkcia energie za mesiac: 538 kwh pri rýchlosti vetra 5,4 m/s - rozbehová rýchlosť vetra: 3,4 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 55 m/s [44] Obr. 30 Výkonová krivka Whisper 500 [44] Veterná turbína DonQi Veterná turbína DonQi je takmer nehlučná, kompaktná a dizajnom prispôsobená mestskému prostrediu, pre ktoré je navrhnutá. Pri priemernej rýchlosti 4,5 m/s je schopná vyprodukovať kwh energie za rok, čím pokryje štvrtinu spotreby priemernej domácnosti. Obr. 31 Malá veterná turbína donqi inštalovaná na streche domu [45] 48

49 Turbínu DonQi je bezpečné inštalovať na plochú aj šikmú strechu, pretoţe nevytvára nepríjemné vibrácie a hluk. Turbína sa spravidla inštaluje nad úrovňou strechy vo výške jednej tretiny výšky budovy. Pri montáţi turbíny na plochú strechu je maximálne zaťaţenie určujúci faktor, podľa ktorého je st a- novený správny spôsob upevnenia, a to buď: základňa stoţiaru prírubou priskrutkovaná o betón, základňa stoţiaru upevnená na špeciálnom paneli alebo pripevnenie k zaťaţenej konštrukcii. V prípade šikmých striech je namontovaná na vnútornej alebo vonkajšej strane steny. Technické špecifikácie: - priemer rotora: 2 m - hmotnosť turbíny: 110 kg - počet lopatiek: 3 - rozbehová rýchlosť vetra: 2,5 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 30 m/s - menovitý výkon: 1750 W pri rýchlosti vetra 14 m/s - hlučnosť vo vzdialenosti 3 m pred rotorom (5 m/s): <40 db [45] Obr. 32 výkonová krivka malej veternej turbíny donqi [45] 49

50 3.2.5 Veterná turbína Loopwing Táto japonská veterná turbína má unikátny tvar čepele, dosahuje vysokú bezpečnosť, nízku hlučnosť a vibrácie. Obr. 33 Dizajn veternej turbíny Loopwing [46] Charakteristika turbíny Loopwing: Tichá: Hluk produkovaný veternými turbínami má viac zdrojov. Najväčším zdrojom hluku je vír vznikajúci na vrchole rotujúcich lopatiek. Pretoţe lopatky turbíny Loopwing majú slučkový tvar, nemajú vrchol, kde by sa vír vytvoril, a teda nemajú ani hlavný zdroj hluku. Bezpečná: V záujme zaistenia bezpečnosti pri silných nárazoch vetra je Loopwing turbína vybavená niekoľkými ochrannými prvkami nezávislými na elektrickom ovládaní. Jedným z nich je samo-zniţovanie rýchlosti, kde sa predná a zadná turbína navzájom ovplyvňujú, a tak zabraňujú turbíne v prekročení bezpečnej rýchlosti otáčania. Nízke vibrácie: Loopwing turbína je oslobodená oproti vertikálnym turbínam od nevyváţenosti spôsobenej krútiacim momentom, a tieţ je na rozdiel od vrtuľovej turbíny menej ovplyvňovaná odstredivými silami. Zároveň kaţdá lopatka turbíny je upevnená na oboch koncoch, čo zaručuje nízke vibrácie. 50

51 Efektívna: Loopwing turbína zachytáva energiu vetra prednou aj zadnou časťou lopatiek, čím sa stáva porovnateľnou so šesť lopatkovou turbínou s vysokým krútiacim momentom. Zároveň troj-dimenzionálny rotor zachytáva vetry z rôznych smerov, čo zvyšuje celkovú praktickú účinnosť turbíny. Technické špecifikácie Loopwing μ2850: - priemer rotora: 2,85 m - hmotnosť turbíny: 230 kg - rozbehová rýchlosť vetra: 2,5 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 20 m/s - menovitý výkon: 2000 W pri rýchlosti vetra 12,8 m/s [46] Veterná turbína Energy Ball Turbína Energy Ball je charakterizovaná šiestimi oblúkovými lopatkami, ktoré sú na oboch koncoch pripevnené k hriadeľu rotora. Tvar rotujúcej turbíny pripomína guľu a typickým znakom je, ţe vietor fúkajúci na lopatky má paralelný smer s hriadeľom rotora. Tento smer prúdenia vetra je hlavným rozdielom oproti Darrieusovej turbíny tvaru Φ, pretoţe u nej vietor prúdi kolmo na hriadeľ rotora. Turbína je vďaka svojmu tvaru takmer úplne nehlučná. Obr. 34 Veterná turbína Energy Ball V100 [47] 51

52 Technológia turbíny Energy Ball vychádza z Venturiho efektu, ktorý je charakterizovaný poklesom tlaku, ako výsledok prúdenia plynu alebo kvapaliny cez zúţený priestor. Guľovitá turbína vyuţíva tento princíp obmedzením prúdenia vetra, čím sa zníţi tlak vnútri rotora. V dôsledku nízkeho tlaku je vietor prúdiaci okolo turbíny vťahovaný dnu, čo pomáha roztáčať lopatky. Preto Energy Ball vykazuje vyššiu aerodynamickú účinnosť ako majú veterné turbíny porovnateľnej veľkosti beţného dizajnu. Technické špecifikácie turbíny Energy Ball V100: - priemer rotora: 1,1 m - hmotnosť turbíny: 30 kg - počet lopatiek: 6 - rozbehová rýchlosť vetra: 2 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 40 m/s - menovitý výkon: 100 W pri rýchlosti vetra 10 m/s - maximálny výkon: 500 W pri rýchlosti vetra 17 m/s - ročná produkcia energie: 200 kwh pri rýchlosti vetra 5 m/s [47] Obr. 35 Výkonová krivka Energy Ball V100 [47] Veterná turbína AVX1000 Firma Architectural Wind vytvorila veterné turbíny pre mestské a predmestské prostredie, pretoţe sú malé, tiché a na ich inštaláciu nie je potrebná veţa. 52

53 Obr. 36 Turbíny AVX1000 inštalované na budove [48] Umiestnenie turbíny na hornom okraji budovy vyuţíva prirodzené zrýchlenie vetra, vyplývajúce z aerodynamických vlastností budovy, čo môţe zvýšiť produkciu elektrickej energie o viac ako 50% v porovnaní s veterným systémom umiestneným mimo zóny zrýchlenia vetra. Obr. 37 Priebeh rýchlosti vetra v okolí budovy [48] Technické špecifikácie veternej turbíny AVX1000: - hmotnosť turbíny: 60 kg - počet lopatiek: 5 - rozbehová rýchlosť vetra: 2,2 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 50 m/s - menovitý výkon: 1000 W [48] 53

54 Obr. 38 Výkonová krivka AVX1000 [48] Veterné turbíny Windpods G1 Dizajn turbín Windpods bol navrhnutý s heslom začať od nuly a vytvoriť veternú turbínu ideálnu pre mestské prostredie. Turbína Windpods G1 má tri časti, lopatky jednej časti sú od druhej odsadené o 60 stupňov, čo poskytuje veľmi hladký priebeh krútiaceho momentu (porovnateľný so 6 lopatkovým veterným zariadením). Rám môţe byť inštalovaný vodorovne, zvisle alebo v akomkoľvek uhle medzi tým. Obr. 39 Rozmery veternej turbíny Windpods G1 [49] Technológia Windpods: Špeciálne vytvarovanie a umiestnenie lopatiek zabezpečuje, ţe v nízkych rýchlostiach vetra lopatky zachytávajú vietor takým istým spôsobom ako Savoniusov rotor, teda zaručujú ľahký rozbeh. Avšak, keď turbína dosiahne 54

55 dostatočné otáčky, začne rotovať väčšou rýchlosťou ako je rýchlosť vetra s rýchlobeţnosťou medzi 1,5 a 2. Klasické veterné turbíny musia byť umiestnené dostatočne ďaleko od seba, aby fungovali efektívne. Naopak konštrukcia turbíny Windpods (kombinácia vrchnej a spodnej lišty, bočných rámov s medzerami medzi rotormi a rámom) vytvára oblasť nízkeho tlaku, čo umoţňuje turbíny spájať do veľkých útvarov. Viac turbín zapojených pri sebe dokonca pracuje lepšie ako samostatná turbína. [49] Obr. 40 Umiestnenie turbín Windpods: a.) na budove, b.) medzi múry c.) na moste [49] Obr. 41 Výkonová krivka Windpods G1 [49] 55

56 3.2.9 Veterná turbína Nheowind 3D Dizajn turbíny Nheowind vychádza z Bernoulliho princípu zachovania energie v tekutinových systémoch. V konštrukcií Nheowind turbíny je vyuţitý efekt zúţenia potrubia, ktorý vedie k zrýchleniu rýchlosti vetra na jednej strane lopatiek rotora a k zvýšeniu tlaku na ich druhej strane. Pol-kuţeľovité lopatky sú umiestnené s optimálnym uhlovým vychýlením, aby lepšie kopírovali trasu vetra a vedeli tak efektívnejšie zachytávať jeho kinetickú energiu. Aby sklonené lopatky rotora vydrţali silné nárazy vetra, na ochranu turbíny sa pouţíva vystuţená konštrukcia. [50] Obr. 42 Dizajn veternej turbíny Nheowind 3D 50, Nheowind 3D 100 [50] Technické špecifikácie: Nheowind 3D 50 Nheowind 3D priemer rotora: 3,2 m 4 m - hmotnosť turbíny: 120 kg 400 kg - počet lopatiek rotora: rozsah rýchlostí vetra (m/s): 2,5 30 2, maximálna rýchlosť vetra (m/s): menovitý výkon: 1,5 kw 3,5 kw - menovitá rýchlosť vetra (m/s): hlučnosť pri rýchlosti vetra 12 m/s: <35 db <35 db 56

57 Obr. 43 Výkonová krivka a krivka ročnej produkcie energie pre Nheowind 3D 50, 100 [50] Veterná turbína WindTronics Britská spoločnosť WindTronics patentovala novú technológiu veterných turbín zaloţenú na generovaní elektrickej energie bez pouţitia prevodovky. WindTronics turbína vyuţíva systém magnetov a statorov rozmiestnených z vnútornej strany vonkajšej obruči, ktorý zachytáva kinetickú energiu z koncov lopatiek rotora, kde je rýchlosť najvyššia. Elektrická energia sa generuje rýchlym prechádzaním magnetov na koncoch lopatiek popri radoch medených drôtoch pripevnených v uzavretom obvode vonkajšieho rámu. Obr. 44 Príklady umiestnenia veterných turbín WindTronics [51] Turbína WindTronics sa začína otáčať uţ pri veľmi nízkej rýchlosti vetra 0,4 m/s, pričom generovanie elektrickej energie začína pri rýchlosti vetra 0,9 m/s. V porovnaní s inými veternými turbína, ktorých rozbehová rýchlosť je okolo 3 m/s, sa turbína WindTronics pohybuje o 50% času viac. 57

58 Technické špecifikácie veternej turbíny WindTronics BTPS 6500: - priemer rotora: 1,8 m - hmotnosť turbíny: 84 kg - rozsah pracovných rýchlostí vetra: 0,9 17 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 62,6 m/s - menovitý výkon: 1500 W - menovitá rýchlosť vetra: 13,5 m/s - hlučnosť vo vzdialenosti 3,1 m od turbíny: <35 db [51] Obr. 45 Výkonová krivka veternej turbíny BTPS 6500 [51] Veterná turbína Windside Vertikálna veterná turbína Windside bola vyvinutá, aby vydrţala pracovať aj v extrémnych podmienkach: má dlhú ţivotnosť, účinnosť, odolnosť a minimálnu potrebu údrţby. Jej rotor typu Savonius je tvorený dvomi špirálovitými lopatkami, ktoré zabezpečujú plynulý priebeh krútiaceho momentu. Turbína Windside je určená na nabíjanie batérií alebo čerpanie vody a zvyčajne sa nepouţíva na pripojenie do siete. Ďalším zaujímavým vyuţitím je pouţiť turbínu v pouličnej reklame, pretoţe poskytuje dostatočnú plochu na samotnú reklamu a sama si môţe vyrábať osvetlenie. 58

59 Obr. 46 Dizajn veternej turbíny Windside WS-4B [52] Technické špecifikácie turbíny Windside WS 4B: - hmotnosť turbíny: 700 kg - výška turbíny: 4 m - rozbehová rýchlosť vetra: 2 m/s - menovitá rýchlosť vetra: 15 m/s - maximálna rýchlosť vetra: neobmedzená - výkon pri rýchlosti vetra 10 m/s: 400 W - hlučnosť: 0 db [52] Obr. 47 Výkonová krivka Windside WS-4B [52] Veterná turbína Eddy GT Dizajn veternej turbíny Eddy GT vychádza z Darrieusovho rotora tvaru H, ktorý oproti klasickému nemá problémy z rozbehom. V porovnaní so Savo- 59

60 nius rotorom je nevýhodou potrebná vyššia rozbehová rýchlosť, avšak pri rotácií turbíny sa dosiahnu vyššie otáčky. Obr. 48 Dizajn veternej turbíny Eddy GT [53] Technické špecifikácie: - výška turbíny: 2,7 m - šírka turbíny: 1,8 m - hmotnosť turbíny: 175 kg - rozbehová rýchlosť vetra: 3,5 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 55 m/s - menovitý výkon: 1000 W pri rýchlosti vetra 12 m/s - ročná produkcia energie: 1750 kwh pri rýchlosti vetra 5,5 m/s - hlučnosť pri rýchlosti vetra 12 m/s: <38 db [53] Obr. 49 Výkonová krivka Eddy GT [53] 60

61 Veterná turbína Wind Smile Dizajn rotora Darrieus tvaru H veternej turbíny Wind Smile je vylepšený o prvky Savoniusovho rotora aplikované v J-tvare lopatiek. Technológia turbíny vyuţíva na roztočenie rotora princíp vztlaku aj tlaku. Inými slovami, pouţíva rovnaký vietor dvakrát, a tým zlepšuje jej účinnosť a umoţňuje jej fungovať aj v miernom vánku. Obr. 50 Princíp fungovania turbíny Wind Smile: vietor fúkajúci sprava poháňa hornú lopatku tlakom, zatiaľ čo spodnú vztlaku [54] Technické špecifikácie turbíny Wind Smile 1kW: - výška rotora: 2,5 m - šírka rotora: 1,5 m - počet lopatiek: 4 - rozbehová rýchlosť vetra: 2,5 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 60 m/s - menovitý výkon: 1000 W pri rýchlosti vetra 13 m/s [54] Veterná turbína Hi-VAWT Spoločnosť Hi-VAWT našla ideálne riešenie ako prekonať nedostatky Darrieusovho a Savoniusovho rotora, tým ţe ich spojila do jednej turbíny, čím sa tieto nedostatky eliminovali. Teda zlý samostatný rozbeh Darrieusovho rotora kompenzuje Savoniusov rotor umiestnený v strede turbíny, vďaka ktorému 61

62 môţe turbína pracovať aj pri slabom vetre. Naopak nízka účinnosť Savoniusovho rotora sa nahradí vysokou Darrieusovho rotora. Obr. 51 Dizajn veternej turbíny DS-1500W [55] Technické špecifikácie veternej turbíny DS 1500W: - výška x šírka rotora: 3 x 2,8 m - hmotnosť rotora: 380 kg - počet lopatiek Darrieusovho rotora: 3 - počet Savoniusovho rotorov: 2 - minimálna pracovná rýchlosť vetra: 3 m/s - maximálna pracovná rýchlosť vetra: 15 m/s - maximálna rýchlosť vetra: 60 m/s - menovitý výkon: 1500 W pri rýchlosti vetra 12 m/s [55] Obr. 52 Výkonová krivka DS-1500W [55] 62